بخشی از مقاله
بررسي تغييرات ترشوندگي در اثر روشهاي حرارتي ازدياد برداشت از مخازن نفتي
چکيده :
تغيير ترشوندگي يکي از مکانيزمهاي مؤثر در ازدياد برداشت حرارتي از مخازن نفتي مي باشد. در اين مقاله ، تغيير ترشوندگي سطوح شيشه ، ميکا و کلسيت به کمک آزمايشات زاويه تماس بررسي شده است . نتايج نشان مي دهند که سطوح مورد بررسي درمجاورت نفت خام، تحت تاثير مکانيزم برهم کنش هاي قطبي نفت دوست تر شده، تغيير حلال آلي مورد استفاده و خيساندن در مجاورت بخار آب، تغيير ترشوندگي به سوي آب دوستي ويا نفت دوستي به دنبال خواهند داشت . دراثر خيساندن با بخار آب، ترشوندگي نمونه هاي شيشه به آب دوست شديد و ترشوندگي نمونه هاي کلسيت به آب دوست ضعيف متمايل مي شود، امّا نمونه هاي ميکا نفت دوست تر مي شوند. اين نتايج نشان مي دهند که روشهاي حرارتي در مخازن نفت به دليل تغيير ترشوندگي باعث افزايش برداشت مي شود اما اعمال اين روشها در صورت حضور سيليکات هاي صفحه اي، بايد با مطالعات بيشتري همراه باشد.
واژه هاي کليدي : زاويه تماس ، تغيير ترشوندگي ، ازدياد برداشت از مخازن نفتي ، شيشه ، کلسيت ، ميکا.
١- مقدمه :
ترشوندگي به عنوان يکي از مهم ترين پارامترهاي تأثير گذار بر روي توزيع ، درجه اشباع و جريان سيالات (نفت ، آب و گاز) در درون محيط متخلخل شناخته شده است . اين ويژگي تقريبا بر روي تمام پارامترهاي مورد نياز براي مهندسي مخزن، از قبيل نفوذپذيري هاي نسبي و فشار موئينه تأثير مي گذارد.
ميزان کارايي (موفقيت يا شکست ) فرآيند هاي توليد نفت از قبيل سيلاب زني با آب و عمليات ازدياد برداشت نفت از جمله ازدياد برداشت حرارتي متأثر از ترشوندگي مي باشد، ازاين رو در اجراي عمليات ازدياد برداشت ، آگاهي از تغييرات ترشوندگي سنگ مخزن براي بهينه ساختن عمليات و جلوگيري از بروز مشکلات بعدي ضروري مي باشد.
ترشوندگي سنگ مخزن به چگونگي و اندازه جذب اجزاي قطبي از نفت خام بر روي سطح سنگ بستگي دارد [١]. باکلي (Buckley) و همکاران چهار مکانيزم اصلي براي تغيير ترشوندگي در اثر تماس با نفت خام پيشنهاد کرده اند. بر اين اساس سطح تميز اوليه ي کاني هاي سنگ مخزن بصورت آبدوست در نظر گرفته مي شود و رفتار نفت دوست مشاهده شده در مخازن نفتي به جذب ترکيبات آلي از نفت خام نسبت داده مي شود. اين مکانيزم ها عبارتند از: (١) بر همکنش قطبي (که در غياب فيلم آب صورت مي گيرد)، (٢) رسوب سطحي آسفالتين ، (٣) برهمکنش اسيدي - بازي و (٤) پيوند يوني ، که در مورد دو مکانيزم آخر ترکيب فيلم آب بين نفت خام و سطح سنگ نقش مهمي را بازي مي کند. همچنين آنها دريافتند که تغيير ترشوندگي هر کدام از اين مکانيزم ها متأثر از ترکيب نفت خام، ترکيب آب نمک ، دما و مدت زمان تماس نفت - آب نمک- سنگ مي باشد و بيان شده است که شرايط نفت دوستي شديد تنها در مورد مکانيزم رسوب سطحي آسفالتين ايجاد مي شود [٢].
روش هاي گوناگوني براي تعيين و اندازه گيري ترشوندگي وجود دارد که خلاصه ي اين روش ها پيشتر ارائه شده است [٣ و ٤]. روش زاويه تماس يکي از اين روش هاي کمّي است ، که براي تعيين ترشوندگي يک سطح مشخص به کار مي رود. پيشتر بيان شده که زاويه تماس يگانه معيار ترشوندگي است که کاملاً تکرار پذير بوده و داراي پيش زمينه علمي و فيزيک تعريف شده مي باشد [٤]. در اين روش يک قطره آب بر روي سطح جامد غوطه ور در فاز نفتي قرار گرفته ، زاويه اي که قطره ي آب بر روي سطح از درون فاز آبي ايجاد مي کند، معيار ترشوندگي سطح مي باشد. تشکيل زاويه بين ٠ تا ٧٠ درجه نشانگر سطح آب دوست ، زاويه ١٢٠ تا ١٨٠ درجه نشانگر نفت دوستي سطح و زاويه در خارج از اين محدوده ها، بيانگر وجود سطح با ترشوندگي بينابين (بي تفاوت) است . از اين روش پيشتر براي بررسي اثر دما و فشار [٥]، ترکيب نفت [٦ و ٧] و ترکيب آب نمک [٨ و ٩] بر روي ترشوندگي استفاده شده است .
هرچند ترشوندگي و تغييرات آن در اثر روشهاي ازدياد برداشت به طور گسترده اي مطالعه شده اند، ترشوندگي همچنان بصورت معمايي ناگشوده باقي مانده است و تعيين ترشوندگي مجموعه ي مشخصي از آب نمک، نفت خام و سنگ در عمل بسيار سخت و تعريف نشده و شامل عدم قطعيت هاي فراوان مي باشد. مي توان بيان کرد که خصوصيت ترشوندگي تقريباً در طي کليه روشهاي ازدياد برداشت (شامل روشهاي حرارتي ) تغيير مي کند [١٠]. اهميت و پيامدهاي تغيير ترشوندگي پيشتر مطالعه شده است .
بيان شده است که تغييرات ترشوندگي بطور مستقيم تراوايي نسبي فازها در محيط متخلخل را تغيير مي دهد، همچنين اشباعيت باقيمانده فاز هيدروکربني را تغيير مي دهد (کاهش اشباعيت باقيمانده فاز نفت هدف اصلي روشهاي ازدياد برداشت نفت مي باشد)، از سوي ديگر ترشوندگي مبناي اساسي ويژگي هاي مويينه سنگ مي باشد. اثر دما بر ترشوندگي بطور غير مستقيم بررسي شده است [١١تا١٤]. بننيون (Bennion) و همکاران گزارش کرده اند که تغيير ترشوندگي يکي از مکانيزم هاي تخريب سازند در اثر روشهاي حرارتي ازدياد برداشت نفت مي باشد، آنها بيان کردند که هرچه دماي مجموعه بالاتر باشد، تمايل به سوي آب دوستي بيشتر خواهد شد. سپس به کمک آزمايشاتي تحريک شدن مجموعه ماسه سنگ به سوي آب دوستي بيشتر در اثر افزايش دما نشان داده شد [١٥]. رائو (Rao)، باورهاي متناقضي را نسبت به پيشينيان ارائه کرده است و بر اين باور تأکيد کرده که در بيشتر موارد افزايش دما باعث آب دوست تر شدن سطح ماسه سنگ ها و نفت دوست تر شدن سطح کربناته ها مي شود [١٦]. بر اين نوع نگاه در مطالعات ديگري نيز اشاره شده است [١٧]. افزايش تمايل به آب دوستي در اثر افزايش دما بصورت آزمايشگاهي در سنگهاي دياتوميت (Diatomite) نيز مشاهده شده است [١٨، ١٩]. اسکروچي و همکاران بصورت آزمايشگاهي نشان دادند که افزايش دما در ماسه سنگ هاي به شدت آب دوست و سنگ هاي آهکيِ کلسيتي دولوميتي که در ابتدا نفت دوست بوده اند ابتدا باعث نفت دوست تر شدن و با افزايش بيشتر دما باعث آب دوست شدن دوباره آنها مي شود [٢٠].
هر چند تغيير ترشوندگي در اثر روش هاي ازدياد برداشت حرارتي پيشتر موضوع مطالعات گسترده اي بوده است ، با اين وجود مطالعه بنيادي بر روي سطح کاني هاي مختلف انجام نشده است . از سوي ديگر تناقضات بي شماري در مورد روند تغيير ترشوندگي در اثر افزايش دما و تزريق بخار آب به سازند در منابع وجود دارد که تعيين روند تغييرات ترشوندگي را عملاً غير ممکن ساخته است . در اين مقاله تغيير ترشوندگي بر روي سطح کاني هاي شناحته شده ي خالص مورد مطالعه قرار گرفته است و روند تغييرات ترشوندگي تحت تأثير نفت خام و نفوذ بخار آب بر سطح مطالعه و بررسي شده است .
٢- روش کار:
در اين مطالعه از صفحات نازک شيشه اي، کلسيت خالص و ميکا به صورت سطوح جامد صيقلي و به عنوان نماينده ي کاني هاي موجود در سنگ مخزن؛ از آب مقطر، استون ، تولوئن ، سيکلوهگزان و دکان نرمال (n-decane)، به عنوان حلال؛ از نفت خام به عنوان محيط خيساندن و از نفت سفيد (kerosene) و آب مقطر به عنوان محيط تست استفاده شده است . کليه حلال ها و مواد شيميايي از نمونه هاي بسيار خالص تجاري هستند. نفت خام گچساران و نفت سفيد توسط پالايشگاه شيراز تأمين شده است . نمونه هاي نفتي براي حذف ترکيبات معلق و جامدات شناور به دقت فيلتر شده اند. آب مقطر با روش دو بار تقطير تهيه شده و نمونه هاي ميکا و کلسيت از آرشيو موجود در مرکز تحقيقات ازدياد برداشت از مخازن نفتي دانشگاه شيراز انتخاب گرديده است .
کليه نمونه هاي مورد استفاده در اين تست ابتدا به وسيله ي استون و سپس آب مقطر با دقت شسته مي شوند. سپس نمونه ها براي مدت زمان هاي مشخصي (يک ساعت ، يک روز، ٣١ روز و برخي از نمونه ها را براي زمان هاي بيشتر از ٣١ روز) در نفت خام در دماي oC٦٠ قرار داده مي شوند. بعد از گذراندن دوره ي تعيين شده ي نمونه ها در نفت خام (aging)، نمونه ها را از نفت خام خارج کرده و در صورت لزوم و براي بررسي اثر حلال، نمونه ها با استفاده از حلال مناسب (تولوئن ، سيکلوهگزان و دکان نرمال) براي مدت ١٠ ثانيه شستشو داده مي شوند.
زاويه تماس بر روي کليه ي نمونه هاي خام کلسيت ، ميکا و شيشه در ابتدا اندازه گيري شده است .
اندازه گيري زاويه ي تماس بدين صورت انجام مي پذيرد که نمونه در ظرف شيشه اي کوچک حاوي نفت سفيد قرار داده مي شود و يک قطره آب مقطر با استفاده از قطره چکان بر روي نمونه قرار مي گيرد و زاويه ي ميان قطره ي آب با سطح نمونه پس از ثابت شدن شکل قطره، اندازه گرفته مي شود.
پس از شستشوي نمونه هاي مانده در نفت خام ، بطور جداگانه ، با حلال هاي تولوئن ، سيکلوهگزان، دکان نرمال و نفت سفيد، تست اندازه گيري زاويه تماس بر روي نمونه ها مجددًا انجام مي شود. سپس برخي از نمونه هاي شسته شده با حلال در درون دستگاه توليد کننده بخار آب قرار مي گيرند. دستگاه داراي محفظه ي سر بسته اي است که بخار آب با دماي oC١٢٠ و فشار kPa١٢٠ در آن توليد مي شود.
نمونه ي مانده در نفت را که با حلال شسته شده است در درون اين محفظه قرار داده و به مدت ٤٠ تا ٤٥ دقيقه نمونه در بخار آب با شرايط بيان شده قرار داده مي شود. بعد از قرار دادن نمونه ها در بخار آب براي بررسي اثر بخار بر روي ترشوندگي نمونه ها، تست زاويه تماس بر روي نمونه ها انجام مي شود.
٣- بحث و نتايج :
٣-١- تاثير مدت زمان قرار گرفتن نمونه ها در نفت خام بر روي ترشوندگي کلسيت :
شکل ١ اثر مدت زمان قرار دادن نمونه ها در نفت خام در دماي oC٦٠ بر روي ترشوندگي نمونه ي کلسيت را نشان مي دهد. همان گونه که در شکل مشاهده مي شود با افزايش مدت زمان قرار گرفتن نمونه هاي کلسيت در نفت خام، زاويه تماس اندازه گيري شده افزايش پيدا کرده که اين نشان دهنده ي افزايش نفت دوستي نمونه ها است . به دليل اينکه نمونه ها در حالت خشک درون نفت قرار داده مي شوند و ترکيبات آسفالتيني موجود در نفت خام استفاده شده در شرايط دما و فشار آزمايش پايدار بوده اند، تغيير ترشوندگي سطوح توسط نفت خام در اثر مکانيزم برهمکنش قطبي بوده است [٢]. مولکول هاي قطبي نفت خام بر روي سطح کلسيت جذب شده و باعث تغيير ترشوندگي سطح کليست به سمت نفت دوستي مي شود. با افزايش زمان قرار گرفتن نمونه ها در نفت خام ميزان جذب اين مواد قطبي از نفت خام بر روي سطح کلسيت بيشتر بوده، در نتيجه منجر به افزايش نفت دوستي سيستم مي شود.
شکل ١: زاويه تماس بر روي سطح کلسيت در حالت خام (١) و خيسانده شده در نفت خام براي مدت زمان هاي ١ ساعت (٢)، ١ روز (٣)، ٣١ روز (٤) و ٤٠ روز (٥)
٣-٢- تاثير مدت زمان قرار گرفتن نمونه ها در نفت خام بر روي ترشوندگي شيشه :
در شکل ٢ تغيير ترشوندگي شيشه در اثر قرار گرفتن آن در نفت خام در زمان هاي مختلف نشان داده شده است . همانطور که مشخص است با افزايش مدت زمان قرار گرفتن نمونه ها در نفت خام زاويه تماس افزايش پيدا مي کند که اين امر نشان دهنده ي افزايش نفت دوستي نمونه ها مي باشد. در مورد شيشه نيز همانند کلسيت علت تغيير ترشونگي نمونه ها در اثر قرار گرفتن در نفت خام ، جذب مولکول هاي قطبي نفت خام بر روي سطح شيشه است . چون نمونه ها در حالت خشک در نفت خام قرار داده شده اند، مکانيزم تغيير ترشوندگي در نمونه هاي شيشه نيز همانند کلسيت برهمکنش قطبي مي باشد.
علت افزايش زاويه تماس با افزايش مدت زمان قرار گرفتن نمونه ها در نفت خام ، جذب بيشتر مولکول هاي قطبي نفت خام بر روي نمونه هاي شيشه اي است ، که در نتيجه باعث افزايش نفت دوستي نمونه مي شود.
شکل ٢: زاويه تماس بر روي سطح شيشه در حالت خام (١) و قرار گرفته شده در نفت خام براي مدت زمان هاي ١ ساعت (٢)، ١ روز(٣)، ٣١ روز (٤)
شکل ٣: زاويه تماس بر روي سطح ميکا در حالت خام (١) و قرار گرفته شده در نفت خام براي مدت زمان هاي ١ ساعت (٢)، ١ روز(٣)، ٣١ روز (٤)
٣-٣- تاثير مدت زمان قرار گرفتن نمونه ها در نفت خام بر روي ترشوندگي ميکا:
در شکل ٣ زاويه ي تماس اندازه گيري شده بر روي نمونه ي خام ميکا و نمونه هاي قرار گرفته شده در نفت خام براي زمان هاي ١ ساعت ، ١ روز و ٣١ روز نشان داده شده است . براي نمونه هاي ميکا نيز با افزايش مدت زمان قرار گرفتن نمونه ها در نفت خام افزايش زاويه تماس مشاهده مي شود که نشان دهنده ي افزايش نفت دوستي نمونه ها مي باشد.
مکانيزم تغيير ترشوندگي در مورد نمونه هاي ميکا نيز برهمکنش قطبي مي باشد که با افزايش مدت زمان قرار گرفتن نمونه ها در نفت خام ميزان جذب اجزاي قطبي از نفت خام بر روي سطح ميکا بيشتر بوده و منجر به افزايش نفت دوستي نمونه مي شود[٢]. (در نمودار زاويه تماس بر روي نمونه ي خام ميکا نيز آورده شده است .) شکل ٤ روند تغييرات ترشوندگي نمونه هاي کلسيت ، شيشه و ميکاي قرار گرفته شده در نفت خام را براي مدت زمان هاي گوناگون رانشان ميدهد.
شکل ٤: نمودار تاثير مدت زمان قرارگيري نمونه هاي کلسيت ، شيشه و ميکا در نفت خام بر روي ترشوندگي
٣-٤- اثر حلال بر روي ترشوندگي کلسيت :
بعد از پايان يافتن فرآيند خيساندن نمونه هاي کلسيت در نفت خام، اين نمونه ها با استفاده از حلال هاي تولوئن ، سيکلو هگزان، دکان نرمال و نفت سفيد تميز شده اند. شکل ٥ تأثير نوع حلال بر روي ترشوندگي نمونه هاي کلسيت را نشان ميدهد. همانطور که مشخص است زاويه تماس نمونه هايي که با تولوئن و سيکلوهگزان شسته شده اند کوچکتر از زاويه تماس نمونه اي است که با دکان نرمال شسته شده است .
شکل ٥: تأثير نوع حلال بر روي تر شوندگي نمونه هاي کلسيت . نفت سفيد (١)، تولوئن (٢)، سيکلو هگزان(٣) و دکان نرمال(٤)
زماني که نمونه ها با تولوئن يا سيکلو هگزان تماس داده مي شوند، توده ي نفت خام قرار گرفته شده بر روي سطح جامد شسته شده و بنابراين تنها اجزاي قطبي جذب شده بر روي سطح در طي فرآيند خيساندن، عامل تغيير ترشوندگي مي باشد. اما زماني که نمونه ها با دکان نرمال شسته مي شوند به دليل اينکه دکان نرمال باعث رسوب آسفالتين مي شود، يک لايه رسوب آسفالتيني که اثرات آن با چشم غير مسلح نيز ديده مي شود بر روي سطح رسوب مي کند [٢]. دليل بالا بودن زاويه تماس بر روي نمونه شسته شده با دکان نرمال نسبت به حلال هاي ديگر به علت نفت دوست شدن نمونه ها تحت تأثير رسوب آسفالتين مي باشد.
