पेट्रोलियम अभियांत्रिकी में नवीनतम प्रवृत्तियाँ: कोयला संस्तर मीथेन, शेल गैस, तैल शेल, गैस हाइड्रेट, भारी तेल तथा भूमिगत CO₂ का पाशन
1. कोयला संस्तर मीथेन
कोयला संस्तर मीथेन (CBM) में कोयला स्रोत व भंडार दोनों है, और अधिकांश गैस रंध्र-स्थान में है ही नहीं: वह कोयले के सूक्ष्म-रंध्रों की विशाल आंतरिक सतह पर अधिशोषित है, उसी दाब पर मुक्त गैस से कहीं अधिक घनत्व पर। संचित मात्रा लैंगम्यूर समतापी V = V_L p/(p_L + p) का पालन करती है, जहाँ V_L (लैंगम्यूर आयतन) अधिकतम अधिशोषित गैस-मात्रा और p_L (लैंगम्यूर दाब) वह दाब है जिस पर उसका आधा संचित है। प्रवाह कोयले के प्राकृतिक विभंग-तंत्र, क्लीट — सतत फलक क्लीट व उनके समकोण पर छोटे बट क्लीट — से होकर कूप तक पहुँचता है, जो प्रायः जल-भरे होते हैं। अतः CBM कूप पहले निर्जलित होता है: जल पंप कर निकालने से दाब घटता है, गैस आधात्री से विशोषित होकर क्लीटों तक विसरित होती है और मुक्त गैस के रूप में बहती है। उत्पादन रूपरेखा पारंपरिक गैस कूप की उलटी है — आरंभ में अधिक जल व अल्प गैस, फिर बढ़ती गैस व घटता जल — और उत्पादित-जल प्रबंधन प्रमुख लागत व पर्यावरणीय मुद्दा है।
2. शेल गैस व तैल शेल
शेल गैस कार्बनिक-समृद्ध शेल से उत्पादित प्राकृतिक गैस है जो एक साथ स्रोत, भंडार व आच्छादक है। इसकी आधात्री पारगम्यता नैनोडार्सी परास में है, आर्थिक प्रवाह हेतु बहुत कम, और गैस छोटे रंध्रों व प्राकृतिक विभंगों में मुक्त गैस तथा केरोजन पर अधिशोषित गैस दोनों रूपों में संचित है। इसे उत्पादनीय बनाया लंबे क्षैतिज कूपों व बहु-चरणीय द्रवचालित विभंजन के संयोजन ने, जो शैल के संपर्क में विभंग-सतह का बड़ा जाल बनाता है; अच्छे शेल कार्बनिक कार्बन में समृद्ध, तापीय रूप से परिपक्व व भंगुर (मृत्तिका-समृद्ध नहीं, क्वार्ट्ज़- या कार्बोनेट-समृद्ध) होते हैं, ताकि वे विरूपित होने के स्थान पर विभंजित हों। कूप बहुत उच्च प्रारंभिक दरें व तीव्र आरंभिक ह्रास दिखाते हैं, अतः कोई क्षेत्र निरंतर वेधन से टिका रहता है; जल-स्रोत व निपटान, सतही पदचिह्न तथा अपशिष्ट-जल अंतःक्षेपण से प्रेरित भूकंपनीयता मुख्य चिंताएँ हैं। सघन तेल (tight oil) (कभी-कभी शेल ऑयल कहा जाता है) समान अल्प-पारगम्यता शैलों से उसी प्रौद्योगिकी द्वारा उत्पादित हल्का तेल है।
तैल शेल नाम के बावजूद भिन्न वस्तु है: अपरिपक्व केरोजन से समृद्ध महीन-कणी शैल जो तेल जनित करने हेतु कभी पर्याप्त गहरा या पर्याप्त देर तक दबा ही नहीं। जब तक केरोजन का ताप-अपघटन (pyrolysis) न हो — वायु की अनुपस्थिति में कई सौ डिग्री सेल्सियस तक गर्म करना — जो उसे शेल तेल व गैस में भंजित करता है, तब तक उत्पादन हेतु कोई तेल नहीं। यह रिटॉर्टिंग से किया जाता है, या तो शैल के खनन व चूर्णन के बाद सतह पर, या लंबी अवधि में संस्तर को धीरे गर्म करके स्व-स्थाने। तापन हेतु आवश्यक ऊर्जा, व्ययित शैल का बड़ा आयतन, जल-उपयोग व उत्सर्जन इसे सीमित करते हैं; प्रभावतः तैल शेल एक स्रोत शैल है जिसे उद्योग को कृत्रिम रूप से परिपक्व करना होता है।
| संसाधन | शैल में क्या है | कैसे उत्पादित |
|---|---|---|
| शेल गैस | परिपक्व शेल में जनित गैस, मुक्त व अधिशोषित | बहु-चरणीय द्रवचालित विभंजन सहित क्षैतिज कूप |
| सघन (शेल) तेल | अल्प-पारगम्य शैल में जनित हल्का तेल | वही क्षैतिज-कूप व विभंजन प्रौद्योगिकी |
| तैल शेल | अपरिपक्व केरोजन; अभी कोई तेल नहीं | खनन व सतही रिटॉर्टिंग, या स्व-स्थाने तापन (ताप-अपघटन) |
3. गैस हाइड्रेट व भारी तेल
गैस हाइड्रेट क्रिस्टलीय ठोस हैं जिनमें जल-अणु छोटे गैस-अणुओं, मुख्यतः मीथेन, के चारों ओर पिंजरे (क्लैथरेट) बनाते हैं। वे केवल उच्च दाब व निम्न ताप पर स्थिर हैं, अतः प्राकृतिक रूप से दो परिवेशों में मिलते हैं: स्थायी तुषारभूमि (permafrost) के नीचे और गहरे जल के नीचे समुद्री अवसादों में, उस हाइड्रेट स्थिरता क्षेत्र के भीतर जिसका आधार बढ़ता भूतापीय ताप तय करता है। हाइड्रेट गैस का बहुत संहत भंडार है — वियोजन पर हाइड्रेट का एक इकाई आयतन मानक परिस्थितियों पर लगभग एक सौ साठ आयतन की कोटि की मीथेन मुक्त करता है। उत्पादन की सभी अवधारणाएँ हाइड्रेट को उसके स्थिरता-क्षेत्र से बाहर ले जाती हैं: दाब-मुक्ति (सबसे ऊर्जा-दक्ष), तापीय उद्दीपन (गर्म तरल अंतःक्षेपण), निरोधक अंतःक्षेपण (मेथनॉल या ग्लाइकॉल), और CO₂-CH₄ विनिमय, जो पिंजरों में CO₂ बदल देता है। वियोजन ऊष्मा अवशोषित करता है, और ठोस की हानि अवसाद को दुर्बल कर सकती है, अतः समुद्रतल स्थिरता, रेत-उत्पादन व कूपछिद्र अखंडता केंद्रीय समस्याएँ हैं; गहरे जल में हाइड्रेट वेधन-ख़तरा भी हैं।
भारी तेल API गुरुता से वर्गीकृत होता है: भारी तेल 10 व 22.3 °API के बीच और अति-भारी तेल 10 °API से नीचे (जल से सघन) है, जबकि बिटुमेन (प्राकृतिक बिटुमेन, तैल-रेत) इतना श्यान है कि भंडार परिस्थितियों पर बहता ही नहीं। बाधा श्यानता है, मात्रा नहीं, अतः विधियाँ या तो तेल गर्म करती हैं, तनु करती हैं, या उसे रेत के साथ उत्पादित करती हैं। रेत सहित शीत भारी तेल उत्पादन (CHOPS) प्रगामी-गुहा पंपों से जानबूझकर रेत उत्पादित करता है, उच्च-पारगम्यता वाहिकाएँ ("कृमि-छिद्र") व फेनिल तेल प्रवाह बनाते हुए। तापीय विधियाँ — चक्रीय भाप उद्दीपन, भाप प्लावन तथा भाप-सहायित गुरुत्व अपवाह (SAGD), जिसमें ऊपरी क्षैतिज कूप से अंतःक्षेपित भाप कक्ष बनाती है और गर्म तेल गुरुत्व से नीचे के समांतर उत्पादक तक बहता है — और स्व-स्थाने दहन गर्म करके श्यानता घटाते हैं। विलायक विधियाँ (वाष्प निष्कर्षण व विलायक-सहायित भाप) उसे तनु करती हैं। उथली तैल-रेत का खनन कर गर्म जल से बिटुमेन अलग किया जा सकता है। भारी तेल को परिवहन व परिष्करण हेतु उन्नयन या तनुकारी भी चाहिए।
4. भूमिगत भंडारों में CO₂ का भौतिक व रासायनिक पाशन
CO₂ का भूवैज्ञानिक भंडारण प्रग्रहित कार्बन डाइऑक्साइड को गहरे लवणीय जलभृतों, क्षयित तेल व गैस भंडारों (प्रायः CO₂-EOR के साथ, जो गैस का उपयोग करते हुए उसका अधिकांश संचित करता है), और अखननीय कोयला संस्तरों (जहाँ मीथेन से अधिक प्रबलता से अधिशोषित CO₂ उसे विस्थापित कर सकती है) में रखता है। भंडारण सामान्यतः इतना गहरा होता है कि CO₂ अतिक्रांतिक हो — अपने लगभग 31 °C व 7.4 MPa के क्रांतिक बिंदु से ऊपर — ताकि वह सघन हो, गैस से कहीं कम रंध्र-आयतन घेरते हुए। वह फिर भी लवण-जल से हल्की है, अतः तब तक ऊपर उठती है जब तक कुछ उसे रोक न दे। उसे रोकने वाली क्रियाविधियाँ भौतिक व रासायनिक में समूहित हैं, और समय के साथ अधिक सुरक्षित होती जाती हैं।
| क्रियाविधि | प्रकार | CO₂ कैसे थमी रहती है |
|---|---|---|
| संरचनात्मक व स्तरिक पाशन | भौतिक | उत्प्लावी मुक्त-प्रावस्था CO₂ पाश में अल्प-पारगम्य आच्छादक शैल के नीचे थमी, जैसे तेल व गैस |
| अवशिष्ट (केशिका) पाशन | भौतिक | प्रवासी गुबार के पीछे लवण-जल लौटने पर CO₂ रंध्रों में अचल, असंबद्ध बूँदों के रूप में छूट जाती है |
| विलेयता (विलयन) पाशन | रासायनिक | CO₂ संस्तर लवण-जल में घुलती है; CO₂-युक्त लवण-जल सघनतर होकर डूबता है, संवहनी मिश्रण चलाते हुए |
| खनिज पाशन | रासायनिक | घुली CO₂ खनिजों (कैल्शियम, मैग्नीशियम व लौह सिलिकेट) से अभिक्रिया कर स्थिर कार्बोनेट अवक्षेपित करती है — सबसे धीमा व सबसे स्थायी |
| अधिशोषण पाशन | भौतिक | कोयले की कार्बनिक सतहों पर अधिशोषित CO₂ |
भंडारण की सुरक्षा समय के साथ बढ़ती है क्योंकि CO₂ संरचनात्मक पाश से, जहाँ वह पूरी तरह आच्छादक शैल पर निर्भर है, अवशिष्ट, घुले व अंततः खनिज रूपों में जाती है जो उस पर निर्भर नहीं। जोखिम हैं भ्रंशों, विभंजित आच्छादक और, सबसे बढ़कर, पुराने कूपों से रिसाव जिनका सीमेंट या आवरण विफल हो सकता है, तथा दाब-वृद्धि जो आच्छादक को विभंजित या भ्रंशों को पुनः सक्रिय कर सके। अतः परियोजनाओं को स्थल-अभिलक्षणन, अंतःक्षेप्यता व क्षमता अनुमान, तथा निगरानी, मापन व सत्यापन चाहिए — गुबार का प्रतिबिंब बनाने हेतु काल-अंतराल भूकंपीय, दाब व भू-रासायनिक निगरानी, तथा सतही व निकट-सतही जाँचें। भंडारण क्षमता का प्रथम अनुमान रंध्र-आयतन को भंडारण-दक्षता गुणक व भंडार परिस्थितियों पर CO₂ घनत्व से गुणा करना है।
मुख्य बिंदु
- CBM गैस कोयले पर अधिशोषित है, V = V_L p/(p_L + p); उसे विशोषित करने हेतु कूप निर्जलित होते हैं, और प्रवाह क्लीटों से आता है — पहले जल, बाद में गैस।
- शेल गैस को भंगुर, कार्बनिक-समृद्ध, परिपक्व शेल में क्षैतिज कूप व बहु-चरणीय विभंजन चाहिए, और तीव्रता से घटती है; तैल शेल अपरिपक्व केरोजन है जिसकी रिटॉर्टिंग आवश्यक है।
- हाइड्रेट उच्च दाब व निम्न ताप पर स्थिर गैस-में-हिम पिंजरे हैं, तुषारभूमि व गहरे-जल अवसादों के नीचे; वे दाब-मुक्ति, तापन, निरोधकों या CO₂ विनिमय से उत्पादित होते हैं।
- भारी तेल 10-22.3 °API, अति-भारी 10 से नीचे; CHOPS, भाप (CSS, भाप प्लावन, SAGD), दहन, विलायक व खनन उसकी श्यानता पर पार पाते हैं।
- संचित CO₂ भौतिक (संरचनात्मक, अवशिष्ट, अधिशोषण) व रासायनिक (विलेयता, खनिज) रूप से फँसती है; सुरक्षा समय के साथ बढ़ती है, और पुराने कूप मुख्य रिसाव-जोखिम हैं।
अभ्यास प्रश्न (11)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
कोयला संस्तर मीथेन भंडार में अधिकांश गैस संचित होती है
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उत्तर: A — कोयला आधात्री की आंतरिक सतहों पर अधिशोषित
कोयले का सूक्ष्म-रंध्र पृष्ठ-क्षेत्र विशाल है जिस पर मीथेन लगभग द्रव-घनत्व पर अधिशोषित है; क्लीटों में अधिकांशतः जल व अल्प मुक्त गैस है। इसीलिए उत्पादन हेतु निर्जलीकरण द्वारा दाब-मुक्ति आवश्यक है, ताकि गैस विशोषित हो।एक कोयले का लैंगम्यूर आयतन V_L = 800 scf/ton व लैंगम्यूर दाब p_L = 400 psia है। यदि निर्जलीकरण भंडार दाब को 400 psia से 200 psia तक घटाए, तो विशोषित गैस ______ scf/ton है (एक दशमलव स्थान तक)।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 133.3
V = V_L p/(p_L + p)। 400 psia पर: 800 × 400/800 = 400 scf/ton। 200 psia पर: 800 × 200/600 = 266.7 scf/ton। विशोषित = 400 − 266.7 = 133.3 scf/ton। p = p_L पर कोयला ठीक V_L का आधा रखता है, जो पहले मान की जाँच है।कोयला संस्तर मीथेन कूप का प्रारूपिक आरंभिक उत्पादन इतिहास है
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उत्तर: A — अल्प गैस सहित उच्च जल-दर, फिर बढ़ती गैस व घटता जल
क्लीट जल-भरे हैं और गैस अधिशोषित है, अतः कूप को पहले दाब को विशोषण-दाब से नीचे लाने हेतु जल पंप करना होता है; फिर अधिक कोयले के विशोषित होने के साथ गैस बढ़ती है, जबकि जल-उत्पादन घटता है। पारंपरिक गैस कूप अपने शिखर से आरंभ होकर घटता है।तैल शेल सघन (शेल) तेल से इस बात में भिन्न है कि तैल शेल
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उत्तर: A — में अपरिपक्व केरोजन है जिसे तेल देने हेतु गर्म (रिटॉर्ट) करना होगा
तैल शेल तेल जनित करने हेतु कभी पर्याप्त गहरा दबा नहीं; उसका केरोजन केवल ताप-अपघटन पर, सतही या स्व-स्थाने रिटॉर्टिंग से, तेल देता है। सघन तेल पहले ही जनित हो चुका है और क्षैतिज कूपों व विभंजन से मुक्त होता है।कौन-से लक्षण शेल गैस उत्पादन के विशिष्ट हैं? (एक से अधिक विकल्प सही हो सकते हैं।)
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उत्तर: A — बहु-चरणीय द्रवचालित विभंजन सहित लंबे क्षैतिज कूप; B — बहुत कम (नैनोडार्सी-परास) आधात्री पारगम्यता; C — मुक्त गैस व केरोजन पर अधिशोषित गैस, दोनों रूपों में संचित गैस
सघन आधात्री क्षैतिज कूपों से विभंजन को अनिवार्य बनाती है, और गैस रंध्रों व कार्बनिक पदार्थ दोनों पर थमी है। शेल कूप उच्च प्रारंभिक दरों व उसके बाद तीव्र आरंभिक ह्रास हेतु जाने जाते हैं, समतल रूपरेखा हेतु नहीं।प्राकृतिक गैस हाइड्रेट किन परिस्थितियों में स्थिर हैं
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उत्तर: A — उच्च दाब व निम्न ताप
हाइड्रेट पिंजरे केवल वहीं बनते व टिकते हैं जहाँ दाब उच्च व ताप निम्न हो, इसीलिए वे तुषारभूमि के नीचे व गहरे जल के नीचे ठंडे अवसादों में मिलते हैं, और इसीलिए दाब-मुक्ति या तापन उन्हें वियोजित करते हैं।एक कच्चे तेल का 60 °F पर विशिष्ट गुरुत्व 0.96 है। इसकी API गुरुता, °API = 141.5/SG − 131.5, ______ है (एक दशमलव स्थान तक)।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 15.9
141.5/0.96 = 147.40, और 147.40 − 131.5 = 15.9 °API। यह 10 व 22.3 °API के बीच है, अतः कच्चा तेल भारी तेल है। जाँच के रूप में SG = 1 ठीक 10 °API देता है।भाप-सहायित गुरुत्व अपवाह (SAGD) में तेल उत्पादित होता है
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उत्तर: A — भाप-कक्ष के किनारे से होकर गर्म तेल का गुरुत्व द्वारा अंतःक्षेपक के नीचे क्षैतिज उत्पादक तक बहना
SAGD समांतर क्षैतिज कूपों की जोड़ी प्रयोग करता है: ऊपरी से भाप उठता कक्ष बनाती है, और उसकी सीमा पर गर्म तेल गुरुत्व से नीचे निचले उत्पादक तक बहता है। अन्य विकल्प चक्रीय भाप उद्दीपन, स्व-स्थाने दहन व CHOPS का वर्णन करते हैं।लवणीय जलभृत में संचित CO₂ हेतु निम्न में से कौन-सी रासायनिक (भौतिक के स्थान पर) पाशन क्रियाविधियाँ हैं? (एक से अधिक विकल्प सही हो सकते हैं।)
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उत्तर: A — लवण-जल में विलयन द्वारा विलेयता पाशन; B — कार्बोनेटों के अवक्षेपण द्वारा खनिज पाशन
विलयन व कार्बोनेट खनिजों में अभिक्रिया CO₂ की रासायनिक अवस्था बदलते हैं, अतः वे रासायनिक पाशन हैं। संरचनात्मक पाशन (आच्छादक सील) व अवशिष्ट पाशन (रंध्रों में केशिका विच्छेद) CO₂ को भौतिक साधनों से पृथक प्रावस्था के रूप में थामते हैं।एक लवणीय जलभृत लक्ष्य का क्षेत्रफल 10 km², मोटाई 20 m व सरंध्रता 0.20 है। भंडारण-दक्षता गुणक 0.05 व भंडार परिस्थितियों पर CO₂ घनत्व 700 kg/m³ लेते हुए, CO₂ भंडारण क्षमता ______ मिलियन टन है (एक दशमलव स्थान तक)।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 1.4
स्थूल आयतन = 10 × 10⁶ m² × 20 m = 2 × 10⁸ m³; रंध्र आयतन = 0.20 × उतना = 4 × 10⁷ m³; उपयोगी = 0.05 × 4 × 10⁷ = 2 × 10⁶ m³; द्रव्यमान = 2 × 10⁶ × 700 = 1.4 × 10⁹ kg = 1.4 मिलियन टन। सबसे अनिश्चित निवेश रंध्र आयतन नहीं, दक्षता गुणक है।दीर्घकाल में सबसे स्थायी व सबसे धीमी CO₂ पाशन क्रियाविधि है
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उत्तर: A — खनिज पाशन
घुली CO₂ की सिलिकेट खनिजों से अभिक्रिया कर कार्बोनेट बनने में बहुत लंबी अवधि लग सकती है, पर तब कार्बन ठोस शैल में बंद होता है और रिस नहीं सकता। संरचनात्मक पाशन तुरंत कार्य करता है पर पूरी तरह सील पर निर्भर है; अवशिष्ट व विलेयता पाशन बीच में आते हैं।