توضیحات

پروژه شبیه سازی جریان نفت در چاه با روش آنالیز گره ای(nodal analysis) به کمک نرم افزار پایپ سیم( PIPESIM )

معمولا نفت موجود در مخزن، به خاطر نیروهای طبیعی موجود در زیر زمین، تحت فشار است. اگر حفره ای در مخزن حفر شود، سیالات مخزن راهی برای خروج می یابند. نیروی محرکهای که باعث حرکت این سیالات به خارج از مخزن می شود حاصل انرژی ناشی از فشرده شدن سیالات در مخزن است. دلیل اصلی تولید یک چاه، اختلاف فشار موجود بین مخزن و دهانه چاه است. اگر به هر دلیلی، اعم از افت فشار مخزن یا افزایش فشار سر چاه، فشار دهانه چاه با فشار مخزن برابر شود، جریانی از مخزن به درون چاه برقرار نخواهد بود و درنتیجه چاه به شکل طبیعی تولیدی نخواهد داشت.

در بسیاری از چاه های نفت، انرژی همراه نفت انرژی کافی برای تولید نفت تا سطح و جریان دادن آن در تجهیزات سطحی را فراهم نمی کند. در بعضی دیگر از چاه ها انرژی طبیعی مخزن برای تولید مقادیر مناسب نفت، کافی نمی باشد. در چنین شرایطی باید از طریق روش های فراز آوری مصنوعی، به انرژی طبیعی مخزن در پروسه تولید نفت یاری رساند. روش فرازآوری مصنوعی با تاثیر در سیستم چاه باعث تولید و افزایش دبی در چاه های کم فشار می گردد. این روش به دو صورت فرازآوری با گاز و استفاده از پمپ صورت می گیرد. در روش فرازآوری با گاز، جریانی از گاز به دورن ستون چاه تزریق می گردد تا با نفت درون چاه مخلوط شده و سبب کاهش وزن ستون سیال گردد. در روش فرازآوری مصنوعی با پمپ، با نصب پمپ خاص یک فشار اضافی به سیستم تولید اعمال می شود و سبب تولید نفت از چاه و حتی بالابردن دبی تولیدی می گردد. حال اگر مخزن با افت فشار بسیار زیاد روبرو شده باشد و یا ضریب برداشت از مخزن پایین باشد، به طوری که مخزن حتی توانایی به جریان انداختن نفت از درون سنگ مخزن به ته چاه را هم نداشته باشد، از روش های ازدیاد برداشت استفاده می شود. این روش ها با تثبیت و افزایش فشار مخزن و یا تغییر در ویژگی های سنگ و سیال، جابجایی نفت را سهولت می بخشند.

مکانیسم های برداشت از مخازن:

معمولاً چاه هایی که بر روی مخازن بکر حفاری و تکمیل می شوند به صورت طبیعی به سطح جریان می یابند. به مرور زمان با تولید سیال فشار مخزن کاهش می یابد و این باعث کاهش دبی تولیدی می شود. فراز آوری مصنوعی(Artificial Lifting) با ایجاد یک انرژی اضافی به چاه باعث تثبیت تولید می گردد. فراز آوری مصنوعی وقتی مورد نیاز است که چاه در دراز مدت نتواند تولید کند یا مقدار تولید آن از لحاظ اقتصادی به صرفه نباشد.

مکانیسم های برداشت اولیه(primary recovery mechanism)، نیروی کافی برای تولید تمامی هیدروکربن مخزن را فراهم نمی کنند. انرژی آنها دیر یا زود کاهش می یابد و یا پتانسیل آنها اغلب قادر به بازیافت تمامی نفت موجود در سیستم منفذی پیچیده مخزن نیست. وقتی تولید نفت از یک چاه با مکانیسم برداشت اولیه متوقف می شود، از مرحلة بازیافت اولیه وارد مرحله ازدیاد برداشت می شویم.

در روش های ازدیاد برداشت ثانویه(secondary enhanced oil recovery) از طریق تثبیت فشار سعی بر افزایش بازیافت نفت می شود. ولی در روش های ازدیاد برداشت ثالثیه(tertiary enhanced oil recovery) به وسیله تغییر در خصوصیات و ماهیت سنگ و سیال مخزن به افزایش بازیافت نفت کمک می شود. روشهای ازدیاد برداشت بر روی مخزن اعمال می شوند تا خروج نفت از مخزن به سمت چاه تولیدی را بهبود داده و مقدار نفت باقیمانده در مخزن را کاهش دهند و از این طریق منجر به افزایش ضریب برداشت از مخزن گردند. شکل زیر به صورت کلی نمایی از روش های برداشت از مخازن را نشان می دهد.

رانش طبیعی:

عملکرد کلی مخازن نفتی بوسیلة انرژی طبیعی(مکانیسم های رانش اولیه) آنها که موجب حرکت نفت به طرف چاه می شود تعیین می گردد. چند نمونه از مکانیسم های رانش طبیعی عبارتند از.

رانش انبساط سنگ و سیال:

هنگامی که در اثر کاهش فشار مخزن، انبساط سیالات مخزن و کاهش حجم متخلخل سنگ اتفاق می افتد، نفت خام و آب موجود در خلل و فرج در اثر این نیروهای ایجادشده از فضاهای متخلخل خارج شده و به سمت حفره چاه حرکت می کنند. باتوجه به اینکه نفت و آب جزو سیالات کم تراکم پذیر می باشند، لذا کاهش فشار مخزن به تندی انجام می گیرد. مکانیسم رانش انبساط سنگ و سیال مخزن حداقل بازده را دارا می باشد و تنها درصد بسیار کمی از نفت درجای مخزن بوسیله این مکانیسم رانش بازیافت می شود.

رانش تخلیه ای(depletion drive):

این مکانیسم رانش با نام رانش گاز محلول نیز شناخته می شود. منبع اصلی انرژی مخازنی که تحت این مکانیسم رانش تولید می کنند، جدایش گاز از نفت خام و به تبع آن انبساط گاز محلول در اثر کاهش فشار مخزن می باشد. هنگامی که فشار مخزن به کمتر از فشار حباب کاهش یابد، حباب های گاز از نفت جداشده و در اثر انبساط این حباب ها، رانش نفت خام از خلل و فرج سنگ به سمت حفره چاه اتفاق می افتد.

رانش کلاهک گازی(Gas cap drive):

یکی از شاخصه های اصلی مخازن با رانش کلاهک گازی، وجود یک کلاهک گازی در بالای ستون نفتی می باشد. رانش آب در اینگونه مخازن یا وجود ندارد و یا اینکه بسیار ضعیف می باشد. به دلیل قابلیت انبساط زیاد کلاهک گازی، کاهش فشار مخازنی که با این مکانیسم رانش تولید می کنند بسیار کند است.

رانش سفره آب(water drive):

بسیاری از مخازن نفتی از یک یا چند جهت بوسیله سنگ های حاوی آب که با نام سفره آب معروف هستند، احاطه شده اند. اندازه یک سفره آب در مقایسه با اندازه مخزن گاهی آنقدر بزرگ است که به عنوان یک سفره آب نامحدود در نظر گرفته می شود و گاهی به حدی کوچک است که اثر آن بر عملکرد مخزن نادیده گرفته می شود. در برخی مواقع، سفره آب یک مخزن بوسیله سنگ های نفوذناپذیر از مخزن جدا شده است. در این حالت، سفره آب و مخزن جدا از هم عمل می کنند. از طرفی دیگر، برخی از سفره های آب بوسیله برون زدگی خود با قسمت سطح الارضى ارتباط دارند. برخی از سفره های آبی در بخش های حاشیه ای و برخی از آنها در بخش تحتانی مخزن قرار دارند. براساس موقعیت سفره آب، رانش آب در نتیجه حرکت آب به سمت ستون نفتی و جابجاشدن نفت اتفاق می افتد.

مکانیسم های برداشت ثانویه:

در این مکانیسم، هدف تثبیت فشار مخزن است و با استفاده از نگهداشت فشار، بازیافت نهایی نفت را افزایش می دهیم. این مکانیسم به دو روش سیلاب زنی(water flooding) و تزریق گاز امتزاج ناپذیر(immiscible gas injection) تقسیم می شود.

سیلاب زنی:

سیلاب زنی، تزریق آب به مخزن نفت است که در اثر آن نفت به سمت چاه های تولیدی حرکت می کند. این روش معمولاً در میدان هایی که تحت تاثیر رانش آب هستند، استفاده نمی شود. در شرایط مطلوب، سیلاب زنی روش بسیار موثری است. این شرایط شامل ویسکوزیته پایین نفت و تراوایی یکنواخت است. معمولاً در این فرآیند آب شور برای تزریق ترجیح داده می شود.

تزریق گاز در حالت امتزاج ناپذیر:

در این روش، گاز برای حفط فشار مخزن تزریق می شود که این کار سبب افزایش بازیافت نهایی نفت می گردد. در مخازن نازک و کم شیب، گاز مشابه سیلاب زنی می تواند نفت را جابجا کند ولی کارایی زیادی ندارد. این روش برای مخازن دارای تراوایی یکنواخت مناسب است.

مکانیسم های برداشت ثالثیه:

این روش ها به سه دسته تزریق گاز امتزاج پذیر(miscible gas injection)، روش های حرارتی و روش های شیمیایی تقسیم بندی می شوند.

اجزای یک سیستم بهره برداری:

یک سیستم تولید هیدروکربن در شکل زیر نشان داده شده است، سیال هیدروکربنی از مخزن به سمت چاه جریان پیدا می کند، از لوله مغزی(Tubing) بالا می رود، در طول خط لوله افقى(pipeline) جریان یافته پس از تفکیک گاز از مایع ، مایع تولید شده در تانک ذخیره(storage tank) می ریزد. در حین این پروسه، فشار سیال از فشار مخزن طی مجموعه ای از افت فشارها، به فشار اتمسفر کاهش می یابد. مجموعه افت فشارهای درون سیستم تولید هیدروکربن شامل افت فشارهای زیر می باشد:

۱- در طول مخزن زیرزمینی

۲- در طول رشته تکمیلی (مشبک ها و …)

۳- در لوله مغزی

4- در گذر از شیر ایمنی درون چاهی(sub-surface safety valve)

5- در طول کاهنده های سطحی(wellhead choke)

6- در طول خطوط لوله جریان.

و یا بطور خلاصه:

الف) تمام افت فشارهای درون مخزن و تکمیل چاه

ب) تمام افت فشارهای لوله مغزی

ج) تمام افت فشارهای روی سطح زمین.

شکل یک سیستم ساده تولید هیدروکربن.

روش آنالیز گره ای(nodal analysis):

در این روش ابتدا یک نقطه در سیستم تولیدی به عنوان گره انتخاب می شود. این نقطه به عنوان مبنای کار سیستم عمل می کند. روابط و معادلات دبی جریان و افت فشار باید از هر دو سوی بالا و پایین گره بدست آورده شود. چون جریانی که وارد گره می شود و جریانی که از آن خارج می گردد با هم برابرند، پس می توان دبی جریان را در گره محاسبه نمود. همچنین در نقطه مورد نظر(گره) تنها یک فشار وجود دارد. حال اگر در یک نمودار منحنی فشار برحسب دبی جریان را برای هر دو جریان(ورودی گره و خروجی گره) رسم کنیم، محل تقاطع این دو منحنی نقطه عملیاتی نام دارد و فشار و دبی گره انتخابی از این نقطه بدست می آید(شکل زیر). این رویه اساس کار روشی است که به آن آنالیز گره ای می گویند. شرکت شلمبرژه آنالیز گره ای را به عنوان نامی برای این روش انتخاب کرده است.

عملکرد مخزن(inflow performance relationship) و همچنین عملکرد لوله مغزی(tubing performance relationship) نقشی اساسی در بهینه سازی و تولید بیشتر از چاه ایفا می کنند. نمودار عملکرد مخزن بیانگر خصوصیات و رفتار درون مخزن تا دیواره چاه(IPR) وهمچنین نمودار عملکرد لوله مغزی بیانگر خصوصیات و رفتارسیال داخل چاه، از ته چاه تا سر چاه (TPR) می باشد. شکل زیر نمونه ای از نمودار عملکرد مخزن و لوله مغزی را نشان می دهد.در نمودار فشار ته چاهی نسبت به دبی تولیدی، درواقع محل برخورد دو منحنی در نقطه عملیاتی(operating point)، مقدار دبی تولیدی و فشار ته چاهی موجود در شرایط مذکور را نشان می دهد. حال با طراحی مناسب می توان محل برخورد دو منحنی(دبی تولیدی چاه) را بهینه کرد.

شکل تعیین نقطه عملیاتی در آنالیز گره ای.

نرم افزار پایپ سیم( PIPESIM):

از جمله نرم افزارهای موجود در صنعت نفت که در شرایط مختلف و طی سالیان متمادی مورد استفاده و تجزیه و تحلیل قرار گرفته و نتایج آن در مدل های مختلف قابل اعتماد است نرم افزار پایپسیم PIPESIM می باشد. بانک اطلاعاتی موجود آن در زمینه روابط تجربی موجود، معادلات حالت، غنی و به روز رسانی می شود. این نرم افزار جهت شبیه سازی چاه های تولیدی و تزریقی، خطوط لوله و تسهیلات سرچاهی در دو مدل Compositional و نفت سیاه (Black Oil) توانایی خوبی داشته و از دقت و امکانات خوبی برخوردار است و نتایج آن در صنعت نفت ایران مورد قبول و اعتماد می باشد. این نرم افزار که توسط شرکت شلمبرژر( Schlumberger) طراحی شده است در زمینه طراحی و بهینه سازی سیستم ها کاربرد زیادی داشته و در صورت داشتن اطلاعات میدانی، می توان با اطمینان از نتایج این نرم افزار برای بهینه سازی و یا توسعه میدان برنامه ریزی کرد. پایپ سیم( PIPESIM) یکی از نرم افزارهایی است که در حال حاضر در محاسبات افت فشار درون خطوط لوله سطح الارضی، لوله های جداری و مغزی درون چاه، ادوات درون چاهی و نهایتاً بهینه سازی شرایط فرآیندی و طراحی سیستم های فرازآوری مصنوعی چاه­ ها کاربرد زیادی داشته و مورد استفاده مهندسین و متخصصین صنایع نفت و گاز قرار دارد.

این نرم افزار دارای قابلیت ها و توانائی های خیلی زیاد در طراحی و بهینه سازی می باشد و در صورت دقیق بودن اطلاعات ورودی، گزارشات آن از دقت خوبی برخودار می باشد. طراحی فرآیندهای صنایع نفت و گاز مستلزم در اختیار داشتن اطلاعاتی دقیق و مستند از شرایط سیالات و ادوات فرآیندی می باشد. جهت رسیدن به این مهم پژوهشگران مختلفی در سطح دنیا با استناد به اطلاعات میدانی و یا اطلاعاتی که از طریق آزمایش کسب گردیده و با مدل کردن رفتار ترمودینامیکی سیالات، روابطی را جهت پیش بینی شرایط سیالات ارائه نموده اند. در حال حاضر این معادلات و روابط به عنوان مبنای محاسبات در نرم افزارهای فرآیندی کاربرد فراوانی دارند و یکی از مهمترین وظایف مهندسین فرآیند، انتخاب صحیح و بجا از این روابط در محاسبات مربوطه می باشد.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی آنالیز جریان نفت در چاه با رانش طبیعی اولیه با روش آنالیز گره ای (nodal analysis) به کمک نرم افزار پایپ سیم( PIPESIM ) انجام شده است.

نمونه نتایج شبیه سازی: