Advanced Investigation of Hydrolyzed Polyacrylamide Gels with High-Purity Silica Nanoparticles under Fractured Reservoir Conditions
यह अध्ययन फ्रैक्चरयुक्त जलाशय की स्थितियों में उच्च-शुद्धता वाले सिलिका नैनोकणों से सुदृढ़ हाइड्रोलाइज्ड पॉलीएक्रिलामाइड जेल के स्थैतिक और गतिशील प्रदर्शन का व्यवस्थित रूप से मूल्यांकन करता है, जो यह प्रकट करता है कि जबकि नैनोकणों की उच्च सांद्रता जेल निर्माण को तेज करती है, 0.2 wt.% की कम सांद्रता बेहतर फैलाव, तापीय स्थिरता और फॉर्मेशन वॉटर एवं कच्चे तेल दोनों में प्रभावी वॉटर शट-ऑफ प्रदर्शन प्रदान करती है।
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गहरे भूमिगत जलाशयों में जहाँ तेल जमा होता है, वहाँ निष्कर्षण प्रक्रिया में एक निरंतर समस्या बनी रहती है: पानी। जैसे-जैसे तेल के कुएँ पुराने होते हैं, वे अक्सर मूल्यवान कच्चे तेल के साथ भारी मात्रा में पानी भी निकालने लगते हैं। यह अवांछित पानी केवल एक बाधा ही नहीं है; यह प्रबंधन के लिए एक महंगी और पर्यावरणीय रूप से कठिन समस्या है, जिसके लिए महंगे पृथक्करण और निपटान की आवश्यकता होती है और जो जलाशय के जीवन को छोटा कर देती है। इस बाढ़ को रोकने के लिए, इंजीनियर 'वॉटर शट-ऑफ' (जल अवरोधन) नामक तकनीक का उपयोग करते हैं, जिसमें जमीन में एक जेल इंजेक्ट किया जाता है। इस जेल को एक अस्थायी, लचीले प्लग के रूप में सोचें जो दरारों और उच्च-पारगम्यता वाले क्षेत्रों में बहता है, और पानी के मार्ग को अवरुद्ध करने के लिए सख्त हो जाता है जबकि तेल को बहने देता है। हालाँकि, जमीन के नीचे की कठोर स्थितियाँ—अत्यधिक गर्मी और खारा पानी—अक्सर इन जेलों को तोड़ देती हैं या उन्हें सिकोड़ देती हैं, जिससे उनका पानी बाहर निकल जाता है और वे अपना काम करने में विफल हो जाते हैं।
अमीरकाबिर यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी और हेरियट-वाट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने इन जेलों में एक विशिष्ट प्रकार के सूक्ष्म कण: उच्च-शुद्धता वाले सिलिका नैनोकण जोड़ने के माध्यम से इन्हें बेहतर बनाने का लक्ष्य रखा। ये शुद्ध कांच के सूक्ष्म गोले हैं, जो रेत के दाने से भी बहुत छोटे हैं, जिन्हें जेल की संरचना को मजबूत करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। जबकि अन्य अध्ययनों ने समान कणों पर ध्यान दिया था, इस टीम ने इस बात पर ध्यान केंद्रित किया कि ये विशिष्ट उच्च-शुद्धता वाले कण एक शांत, स्थिर कंटेनर के बजाय एक फ्रैक्चर वाले जलाशय की गतिशील, बहती स्थितियों में कैसे व्यवहार करते हैं। वे जानना चाहते थे कि क्या ये कण जेल को वास्तविक दुनिया की गर्मी और दबाव में जीवित रहने में मदद कर सकते हैं, और क्या उन्हें लक्षित क्षेत्र तक पहुँचने से पहले चट्टान को अवरुद्ध किए बिना प्रभावी ढंग से इंजेक्ट किया जा सकता है।
टीम ने एक मानक पॉलीमर जेल, जिसे हाइड्रोलाइज्ड पॉलीएक्रिलामाइड (hydrolyzed polyacrylamide) के रूप में जाना जाता है, को अपने उच्च-शुद्धता वाले सिलिका नैनोकणों के साथ मिलाकर शुरुआत की। उन्होंने यह परीक्षण किया कि मिश्रण कितनी तेज़ी से तरल से ठोस जेल में बदल जाता है, जिसे जेल बनने की प्रक्रिया (gelation) कहा जाता है। उन्होंने पाया कि नैनोकणों को मिलाने से जेल तेजी से बना। बिना नैनोकणों वाले मिश्रण को पूरी तरह से सख्त होने में दो दिन लगे, जबकि थोड़े से नैनोकणों वाले मिश्रण को केवल एक दिन में और थोड़े अधिक सांद्रता वाले मिश्रण को एक दिन से भी कम समय में सख्त होने में मदद मिली। यह गति फील्ड अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह जेल को इंजेक्शन बिंदु से बहुत दूर बहने से पहले सेट होने की अनुमति देती है।
इसके बाद, शोधकर्ताओं ने यह जांचा कि मिश्रण कैसे बहता है, जो इसे जमीन के नीचे गहराई तक पंप करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। उन्होंने पाया कि नैनोकणों की मात्रा बहुत मायने रखती है। जब उन्होंने बहुत कम मात्रा, विशेष रूप से वजन के 0.2 प्रतिशत, जोड़ी, तो मिश्रण पतला और पंप करने में आसान हो गया, फिर भी इसमें बिना टूटे खिंचने और मुड़ने की क्षमता बनी रही। इसने जेल को अधिक लचीला बनाया, जो चट्टान की दरारों के माध्यम से बहने के तनाव को सहने में सक्षम था। हालाँकि, जब उन्होंने नैनोकणों की मात्रा बढ़ाकर 0.4 प्रतिशत कर दी, तो मिश्रण गाढ़ा और गुच्छे बनाने की ओर प्रवृत्त हो गया। अतिरिक्त कण समान रूप से नहीं फैले, जिससे एक कम समान संरचना बनी जो इंजेक्शन के लिए कठिन और कम लचीली थी। टीम ने निष्कर्ष निकाला कि 0.2 प्रतिशत की कम सांद्रता, आसान इंजेक्शन और संरचनात्मक मजबूती के बीच सबसे अच्छा संतुलन प्रदान करती है।
अध्ययन ने उच्च तापमान, विशेष रूप से 90 डिग्री सेल्सियस पर, जेल की जीवित रहने की क्षमता पर ध्यान केंद्रित किया, जो कई तेल भंडारों के लिए सामान्य है। समय के साथ, जेल 'सिनरेसिस' (syneresis) नामक प्रक्रिया से गुजर सकते हैं, जहाँ नेटवर्क सिकुड़ जाता है और पानी बाहर निकाल देता है, जिससे प्लग विफल हो जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि 0.2 प्रतिशत नैनोकणों वाला जेल एक महीने में भी अपना आकार बहुत अच्छी तरह से बनाए रखता है, जिसमें पानी का नुकसान बहुत कम हुआ। इसके विपरीत, उच्च सांद्रता वाला 0.4 प्रतिशत जेल शुरू में अपने पानी को अच्छी तरह से थामे रखता है, लेकिन अंततः समय के साथ इसे अधिक तेज़ी से बाहर निकालने लगता है। उच्च सांद्रता ने बहुत अधिक रासायनिक बंधन बना दिए, जिससे संरचना लंबे समय तक गर्मी के तनाव में भंगुर और अस्थिर हो गई। कम सांद्रता ने, पॉलीमर श्रृंखलाओं के साथ कोमलता से बातचीत करके, एक अधिक स्थिर वातावरण प्रदान किया जो टूटने का विरोध करता है।
यह देखने के लिए कि एक वास्तविक परिदृश्य में जेल कैसा प्रदर्शन करता है, टीम ने एक चट्टान के टुकड़े का उपयोग करके प्रयोग किया जिसे एक फ्रैक्चर वाले जलाशय का अनुकरण करने के लिए कृत्रिम रूप से दरारयुक्त बनाया गया था। उन्होंने इस चट्टान में अनुकूलित जेल इंजेक्ट किया और इसे सेट होने के लिए छोड़ दिया। 72 घंटों के बाद, उन्होंने परीक्षण किया कि जेल तरल पदार्थों के प्रवाह को कितनी अच्छी तरह रोकता है। परिणाम चौंकाने वाले थे: जेल ने पानी के प्रवाह को 58.2 के कारक से कम कर दिया, जबकि तेल के प्रवाह को 28.2 के कारक से कम कर दिया। इसका मतलब है कि जेल तेल को पूरी तरह से सील किए बिना, पानी के रास्तों को रोकने में तेल की तुलना में दोगुना प्रभावी था। जेल ने तेल को पूरी तरह से बंद किए बिना सफलतापूर्वक पानी के रास्तों को लक्षित किया।
शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि चट्टान के भीतर जेल का व्यवहार एक बोतल के भीतर के व्यवहार से भिन्न था। जब तरल जेल चट्टान की संकीर्ण दरार के माध्यम से यात्रा कर रहा था, तो इसे एक स्थिर कंटेनर की तुलना में सख्त होने में अधिक समय लगा। यह देरी संभवतः प्रवाह के भौतिक बलों और चट्टान के माध्यम से चलते समय जेल के तनुकरण (dilution) के कारण हुई थी। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुझाव देता है कि इंजीनियरों को वास्तविक क्षेत्र में जेल इंजेक्ट करने की योजना बनाते समय इन विलंबों को ध्यान में रखना चाहिए।
अंततः, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि उच्च-शुद्धता वाले सिलिका नैनोकणों की एक सटीक, छोटी मात्रा जोड़ने से वॉटर शट-ऑफ जेल के प्रदर्शन में महत्वपूर्ण सुधार किया जा सकता है। जेल को पंप करने में आसान, अधिक लचीला और गर्मी के प्रति अधिक प्रतिरोधी बनाकर, 0.2 प्रतिशत का फॉर्मूलेशन फ्रैक्चर वाले जलाशयों में अवांछित पानी के उत्पादन के प्रबंधन के लिए एक आशाजनक समाधान प्रदान करता है। यह कार्य अधिक मजबूत, अधिक विश्वसनीय जेलों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो तेल उद्योग की कठिन परिस्थितियों में प्रभावी ढंग से कार्य कर सकें, जिससे संभावित रूप से पुराने कुओं के जीवन को बढ़ाया जा सकता है और पानी के उत्पादन के पर्यावरणीय प्रभाव को कम किया जा सकता है।
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