فرآیند استخراج و فرآورش گاز طبیعی
فرآیند استخراج و فرآورش گاز طبیعی؛ از مخزن تا گاز قابل مصرف
گاز طبیعی یکی از مهمترین منابع انرژی جهان است که نقش قابلتوجهی در تأمین سوخت، تولید برق، صنایع پتروشیمی و مصارف خانگی و صنعتی دارد. گاز طبیعی در مخازن زیرزمینی و در کنار نفت یا بهصورت مستقل تجمع پیدا میکند و برای استفاده نهایی باید طی مجموعهای از عملیات مهندسی استخراج، جداسازی، تصفیه و فرآورش شود.
فرآیند تولید گاز طبیعی از زمان شناسایی مخزن آغاز شده و تا انتقال گاز استانداردشده به شبکه مصرف ادامه پیدا میکند. در این مسیر، تجهیزات مختلفی مانند چاههای گازی، جداکنندهها، کمپرسورها، واحدهای شیرینسازی، نمزدایی، تثبیت میعانات و سیستمهای اندازهگیری مورد استفاده قرار میگیرند.
گاز طبیعی چگونه در مخازن زیرزمینی تشکیل میشود؟
گاز طبیعی عمدتاً از هیدروکربنهای سبک تشکیل شده و متان، اصلیترین ترکیب آن است. این گاز در اثر تجزیه مواد آلی در شرایط خاص زمینشناسی و طی میلیونها سال شکل گرفته و در ساختارهای متخلخل سنگهای مخزن تجمع پیدا میکند.
مخزن گاز طبیعی معمولاً از یک سنگ متخلخل و تراوا تشکیل شده که در قسمت بالایی آن یک لایه نفوذناپذیر قرار دارد. این لایه مانند پوشش عمل کرده و مانع خروج هیدروکربنها به سطح زمین میشود.
ترکیب گاز تولیدی از هر میدان متفاوت است و ممکن است علاوه بر متان، شامل اتان، پروپان، بوتان، پنتان، دیاکسید کربن، نیتروژن، سولفید هیدروژن، بخار آب و مقدار کمی ترکیبات دیگر باشد.
مراحل اصلی استخراج و فرآورش گاز طبیعی
بهطور کلی، زنجیره تولید گاز طبیعی را میتوان به مراحل زیر تقسیم کرد:
- اکتشاف و شناسایی مخزن
- حفاری چاه گاز
- تکمیل چاه و آغاز تولید
- جمعآوری و انتقال گاز خام
- جداسازی گاز، مایعات و ذرات جامد
- شیرینسازی گاز
- نمزدایی
- بازیابی و تفکیک مایعات گازی
- تثبیت میعانات گازی
- فشردهسازی و اندازهگیری
- انتقال گاز فرآورششده به شبکه مصرف
۱. اکتشاف و شناسایی مخزن گاز
پیش از حفاری، مطالعات گسترده زمینشناسی و ژئوفیزیکی برای شناسایی ساختارهای زیرزمینی انجام میشود. یکی از مهمترین روشها در این مرحله، مطالعات لرزهنگاری است.
در عملیات لرزهنگاری، امواجی به داخل زمین ارسال شده و بازتاب آنها توسط تجهیزات ویژه ثبت میشود. متخصصان با تحلیل این دادهها میتوانند اطلاعاتی درباره ساختار لایههای زیرزمینی، عمق سازندها و احتمال وجود مخازن هیدروکربنی به دست آورند.
در صورت تأیید وجود ساختار مناسب، عملیات حفاری اکتشافی انجام میشود.
۲. حفاری چاه گاز
پس از شناسایی مخزن، چاه حفاری میشود تا مسیر ارتباطی بین سطح زمین و مخزن ایجاد شود. حفاری ممکن است بهصورت عمودی، انحرافی یا افقی انجام شود.
در طول حفاری، از لولههای جداری و سیمانکاری برای پایدارسازی دیواره چاه و جلوگیری از ارتباط ناخواسته بین لایههای مختلف استفاده میشود.
پس از رسیدن چاه به محدوده مخزن، عملیات تکمیل چاه انجام میشود. در این مرحله تجهیزاتی مانند لوله مغزی، شیرهای سرچاهی و تجهیزات کنترل فشار نصب میشوند.
۳. تولید گاز از مخزن
گاز موجود در مخزن به دلیل فشار طبیعی مخزن میتواند به سمت چاه حرکت کند. در برخی میدانها، فشار مخزن برای تولید اقتصادی کافی است، اما با کاهش فشار مخزن ممکن است استفاده از تجهیزات تقویت فشار ضروری شود.
گاز تولیدی در این مرحله معمولاً «گاز خام» نامیده میشود و هنوز برای مصرف مستقیم مناسب نیست؛ زیرا ممکن است حاوی آب، هیدروکربنهای سنگین، دیاکسید کربن، سولفید هیدروژن و سایر ناخالصیها باشد.
۴. جمعآوری و انتقال گاز خام
گاز تولیدشده از چندین چاه توسط خطوط لوله جمعآوری به سمت واحد فرآورش منتقل میشود. طراحی سیستم جمعآوری باید به گونهای باشد که افت فشار، خوردگی، تشکیل مایعات و خطرات عملیاتی کنترل شوند.
در این مرحله معمولاً تجهیزات اندازهگیری فشار، دما، دبی و ترکیب سیال نیز مورد استفاده قرار میگیرند.
۵. جداسازی اولیه گاز
یکی از نخستین مراحل فرآورش، جداسازی گاز از مایعات و ذرات جامد است. گاز خام ممکن است همراه خود آب، میعانات هیدروکربنی، روغن، شن و سایر ذرات را حمل کند.
برای این منظور از تجهیزاتی مانند:
- جداکنندههای دو فازی و سه فازی
- اسلاگگیر
- فیلتر
- کوالسِر
- فیلتر سپراتور
استفاده میشود.
در جداکننده سهفازی، گاز، آب و هیدروکربن مایع از یکدیگر تفکیک میشوند.
۶. شیرینسازی گاز طبیعی
برخی گازهای طبیعی حاوی ترکیبات اسیدی مانند سولفید هیدروژن و دیاکسید کربن هستند. وجود این ترکیبات میتواند باعث خوردگی تجهیزات، کاهش ارزش حرارتی گاز و ایجاد مشکلات زیستمحیطی و ایمنی شود.
به همین دلیل، گاز ترش باید پیش از ورود به شبکه انتقال یا مصرف، تصفیه شود.
یکی از متداولترین روشهای شیرینسازی گاز، استفاده از محلولهای آمینی است. در این فرآیند، گاز ترش با محلول آمین تماس پیدا میکند و ترکیبات اسیدی از جریان گاز جدا میشوند.
واحدهای شیرینسازی معمولاً شامل تجهیزات زیر هستند:
- برج جذب
- برج احیا
- مبدلهای حرارتی
- ریبویلر
- کندانسور
- پمپهای آمین
- مخازن ذخیره و تجهیزات جانبی
گاز خروجی از برج جذب، میزان بسیار کمتری از ترکیبات اسیدی را در خود دارد.
۷. نمزدایی گاز طبیعی
آب موجود در گاز طبیعی میتواند مشکلات متعددی ایجاد کند. یکی از مهمترین مشکلات، تشکیل هیدرات گازی در خطوط لوله و تجهیزات فرآیندی است. همچنین وجود آب میتواند احتمال خوردگی را افزایش دهد.
برای کاهش میزان آب گاز، از فرآیند نمزدایی استفاده میشود.
یکی از روشهای رایج، استفاده از گلایکول، بهخصوص تریاتیلن گلایکول یا TEG، است. در واحد نمزدایی، گاز مرطوب با گلایکول تماس پیدا میکند و بخشی از آب موجود در گاز جذب میشود.
در پروژههایی که نیاز به گاز بسیار خشک وجود دارد، میتوان از روشهای دیگری مانند جذب سطحی با مواد جامد نیز استفاده کرد.
۸. جداسازی هیدروکربنهای سنگین
گاز طبیعی علاوه بر متان ممکن است حاوی اتان، پروپان، بوتان و هیدروکربنهای سنگینتر باشد. بسته به مشخصات محصول و شرایط اقتصادی، این ترکیبات میتوانند از جریان گاز جدا شوند.
در واحدهای فرآورش گاز، از روشهایی مانند سردسازی، انبساط، جذب و تقطیر برای تفکیک اجزای مختلف استفاده میشود.
محصولات حاصل از این فرآیند میتوانند شامل:
- اتان
- LPG
- میعانات گازی
- گاز خشک
باشند.
۹. تثبیت میعانات گازی
میعانات گازی یا Condensate، هیدروکربنهای مایعی هستند که همراه گاز طبیعی تولید شده یا در فرآیند فرآورش از آن جدا میشوند.
این مایعات ممکن است حاوی ترکیبات سبک و فرار باشند. برای کاهش فشار بخار و افزایش پایداری محصول، فرآیند تثبیت میعانات انجام میشود.
در واحد تثبیت، ترکیبات سبکتر از میعانات جدا شده و محصول نهایی برای ذخیرهسازی و انتقال آماده میشود.
۱۰. فشردهسازی گاز
پس از انجام مراحل فرآورش، ممکن است فشار گاز برای انتقال در خطوط لوله یا تزریق به شبکه کافی نباشد. در این شرایط از کمپرسورهای گاز استفاده میشود.
کمپرسورها با افزایش فشار گاز، شرایط لازم برای انتقال آن را فراهم میکنند.
از تجهیزات متداول در این بخش میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- کمپرسورهای سانتریفیوژ
- کمپرسورهای رفت و برگشتی
- سیستمهای خنککننده
- جداکنندههای بینمرحلهای
- سیستم روغنکاری
- سیستمهای کنترل و حفاظت
انتخاب نوع کمپرسور به دبی، فشار ورودی و خروجی، ترکیب گاز و شرایط عملیاتی بستگی دارد.
۱۱. اندازهگیری و کنترل کیفیت گاز
پیش از انتقال گاز به شبکه، مشخصات آن باید کنترل شود. پارامترهایی مانند فشار، دما، دبی، میزان آب، ترکیب هیدروکربنی و مقدار ترکیبات اسیدی بررسی میشوند.
در واحدهای اندازهگیری گاز، از تجهیزات دقیق و سیستمهای کنترل فرآیندی برای تعیین مقدار گاز تحویلی استفاده میشود.
کیفیت گاز باید مطابق مشخصات تعیینشده توسط استانداردها و الزامات شبکه انتقال باشد.
تفاوت گاز خام و گاز فرآورششده
گاز خام مستقیماً از چاه تولید میشود و معمولاً حاوی ترکیبات مختلفی است که برای انتقال و مصرف مناسب نیستند.
در مقابل، گاز فرآورششده پس از طی مراحل جداسازی و تصفیه، بخش قابلتوجهی از آب، ترکیبات اسیدی و هیدروکربنهای سنگین خود را از دست داده و به مشخصات مورد نیاز برای انتقال یا مصرف نزدیک شده است.
بهطور خلاصه:
| ویژگی | گاز خام | گاز فرآورششده |
|---|---|---|
| آب | معمولاً بالا | کنترلشده |
| H₂S | ممکن است وجود داشته باشد | بسیار کاهشیافته |
| CO₂ | ممکن است قابلتوجه باشد | کنترلشده |
| هیدروکربنهای سنگین | وجود دارد | تا حد مورد نیاز جدا شده |
| قابلیت انتقال | محدود | مناسبتر |
| قابلیت مصرف | معمولاً نیازمند تصفیه | آماده مصرف یا انتقال |
محصولات جانبی فرآورش گاز طبیعی
فرآورش گاز طبیعی تنها به تولید گاز خشک محدود نمیشود. بسته به ترکیب خوراک و طراحی کارخانه، محصولات ارزشمندی نیز تولید میشوند.
مهمترین آنها عبارتاند از:
میعانات گازی:
هیدروکربنهای مایع ارزشمند که در بسیاری از مجتمعهای گازی تولید میشوند.
LPG:
شامل عمدتاً پروپان و بوتان است و کاربردهای مختلفی در بخش انرژی و صنایع دارد.
اتان:
یکی از خوراکهای مهم صنعت پتروشیمی، بهخصوص برای تولید اتیلن است.
گوگرد:
در واحدهای گاز ترش، ترکیبات گوگردی جدا شده و میتوان گوگرد عنصری را بهعنوان محصول تولید کرد.
نقش تجهیزات فرآیندی در فرآورش گاز
عملکرد ایمن و پایدار یک کارخانه گاز به مجموعه بزرگی از تجهیزات فرآیندی و مکانیکی وابسته است. برخی تجهیزات مهم عبارتاند از:
- Separator
- Scrubber
- Filter Separator
- Heat Exchanger
- Gas Compressor
- Amine Absorber
- Amine Regenerator
- Glycol Dehydration Unit
- Distillation Column
- Reboiler
- Condenser
- Pumps
- Valves
- Pressure Safety Valves
- Piping Systems
- Storage Tanks
- Instrumentation Systems
انتخاب صحیح این تجهیزات باید بر اساس فشار و دمای عملیاتی، دبی، ترکیب گاز، استانداردهای طراحی، جنس مواد و شرایط محیطی انجام شود.
اهمیت ایمنی در استخراج و فرآورش گاز طبیعی
گاز طبیعی و بهخصوص گاز ترش میتواند خطرات جدی ایجاد کند. سولفید هیدروژن، در صورت وجود، مادهای بسیار سمی است و نشت هیدروکربنها نیز میتواند خطر آتشسوزی و انفجار ایجاد کند.
به همین دلیل در تأسیسات گاز از سیستمهای مختلف ایمنی استفاده میشود؛ از جمله:
- سیستم تشخیص گاز
- سیستم تشخیص شعله
- شیرهای قطع اضطراری
- سیستم فلر
- سیستمهای اطفای حریق
- شیرهای اطمینان
- سیستم کنترل فرآیند
- سیستم Shutdown اضطراری
رعایت استانداردهای طراحی، بهرهبرداری، بازرسی و نگهداری برای کاهش ریسکهای عملیاتی ضروری است.
جمعبندی
فرآیند استخراج و فرآورش گاز طبیعی یک زنجیره پیچیده از عملیات مهندسی است که از شناسایی مخزن و حفاری چاه آغاز میشود و با تولید، جداسازی، شیرینسازی، نمزدایی، تفکیک هیدروکربنهای سنگین، فشردهسازی و انتقال گاز پایان مییابد.
هدف اصلی فرآورش، تبدیل گاز خام تولیدشده از مخزن به محصولی با کیفیت و مشخصات مناسب برای انتقال، مصرف صنعتی، تولید برق و استفاده بهعنوان خوراک پتروشیمی است.
با توجه به اهمیت گاز طبیعی در سبد انرژی و صنعت پتروشیمی، شناخت تجهیزات و فرآیندهای استخراج و فرآورش آن برای مهندسان، پیمانکاران، تأمینکنندگان تجهیزات و فعالان صنعت نفت و گاز اهمیت زیادی دارد.
