بخشی از مقاله
بررسی و شبیه سازی فرآیند ازدیاد برداشت نفت سنگین با استفاده از روشهای حرارتی با کمک نرمافزار CMG
چکیده
تقاضای روز افزون جهانی برای نفت و فرآوردههای آن و کاهش تولید طبیعی از مخازن نفت سبک و در نهایت افزایش قیمت نفت در چند سال اخیر باعث توجه روز افزون به روشهای تولید از مخازن نفت سنگین و بسیار سنگین شده است. با وجود حجم زیاد ذخایر نفت سنگین و قیر طبیعی، تولید از این منابع انرژی به سادگی برداشت از ذخایر متداول نفت خام نبوده و با استفاده از تکنولوژیهای متداول به آسانی قابل بهرهبرداری نمیباشند. مخازن نفت سنگین و فوق سنگین بهخاطر دارا بودن ویسکوزیته بالا دارای بازیافت اولیه قابل توجهی نیستند، از اینرو جهت بازیافت موثر از چنین مخازنی ضرورت کاهش ویسکوزیته نفت درجا با استفاده از روشهای حرارتی احساس میشود بهطوریکه بیش از 80 درصد تولید نفت سنگین در مرحله ازدیاد برداشت از طریق روشهای حرارتی انجام میگیرد. تزریق حرارت به داخل مخزن و یا ایجاد حرارت در مخزن علاوهبر کاهش گرانروی فواید دیگری نیز دارد که از آن جمله میتوان به انبساط نفت، تقطیر نفت در درجه حرارت بالا که باعث جدا شدن اجزاء سبک میشود و نیز افزایش فشار مخزن که باعث سهولت حرکت نفت به طرف چاههای تولیدی میشود نام برد. در این مطالعه سه روش حرارتی (تزریق پیوسته بخار آب و تزریق دورهای بخار آب و تزریق آب گرم) با کمک نرمافزار شبیهسازی مخازن (CMG, Computer Modeling Group) بهصورت پارامتری مورد بررسی قرار گرفته و نتایج حاصله حاکی از حداکثر راندمان برای روش تزریق پیوسته بخار و حداقل راندمان برای روش تزریق دورهای بخار میباشد.
واژه های کلیدی: نفت سنگین، روشهای حرارتی، گرانروی، CMG
-1 مقدمه
میزان کلی منابع نفت به شکل نفت سنگین و قیر طبیعی در جهان حدود 6 تریلیون بشکه نفت درجا 2 (OIP) تخمین زده میشود که سه برابر ذخایر نفت معمولی جهان است. عمده این ذخایر نفتی در کشورهای کانادا، آمریکا، ونزوئلا، ایران، مکزیک و روسیه قرار دارند. همچنین مطابق مطالعات انجام گرفته، مجموع ذخایر نفت سنگین و بسیار سنگین ایران حدود 85 میلیارد بشکه برآورد شده است.[1] مخازن نفت سنگین و فوق سنگین بهخاطر دارا بودن ویسکوزیته بالا دارای بازیافت اولیه پایینی هستند، از اینرو جهت بازیافت موثر از چنین مخازنی از روشهای حرارتی جهت کاهش ویسکوزیته نفت استفاده میشود. بهطوریکه بیش از 80 درصد تولید نفت سنگین در مرحله ازدیاد برداشت از طریق روشهای حرارتی انجام میگیرد.[2] بهبود تولید با استفاده از تزریق تناوبی بخار (خیساندن با بخار یا دمیدن و مکش) یکی از مهمترین روشهای تزریق بخار برای مخازن نفت سنگین است که دلیل آن سهولت انجام فرآیند، سرمایهگذاری کم اولیه، تأثیرگذاری و سرعت برداشت آن است، اما ممکن است میزان برداشت نهایی آن از روش تزریق مداوم بخار کمتر باشد.[2, 3]
در این پروسه بخار به مقدار معینی و با دبی بالا به مدت 2 تا 8 هفته به چاه تزریق میشود و چاه برای چند روز تا دو هفته بسته میشود تا بهخوبی در مخزن تأثیر بگذارد و میعان جزئی بخار بالا رود. گرما در این مدت پخش و انتشار مییابد و مخزناصطلاحاًخیسانده میشود. گرمای ناشی از تزریق بخار باعث افزایش دمای مخزن شده، ویسکوزیته نفت را کاهش و تحرک آن را افزایش میدهد. سپس نفت چند ماه حتی تا بیشتر از یک سال با دبی بالا تولید میشود با گذشت زمان تولید نفت روند کاهش پیدا میکند تا جایی که دبی تولید غیراقتصادی میشود،در این زمان مجدداً این فرآیند بهصورت یک چرخه ادامه مییابد. اگر دبی تولید از نظر اقتصادی مطلوب باشد گاهی تا 20 بار این چرخه تکرار میشود.[4] تزریق بخار مشابه روش سیلابزنی است که در آن از بخار بهجای آب استفاده میشود. بازیابی این روش بیشتر از روش انگیزش بخار است، حتی بیش از 70 درصدولی معمولاً Sor این روش بزرگتر میباشد در حدود 2/5 -8 است. بهطور معمول برای پروسههای تزریق بخار در مخزن ابتدا روش انگیزش بخار انجام میشود و زمانی که این پروسه غیراقتصادی شود، روش سیلابزنی بخار بهکار گرفته میشود[5]در. طول زمان نسبتاً کوتاهی که لولههایی خاص بخار را به چاههای تزریقی و سپس تا پایان لولهها منتقل میکنند مقداری از انرژی حرارتی در محیط و همچنین از مخزن گرم شده در پوش سنگ و لایههای زیرین تلف میشود استفاده از خطوط تزریق عایقپوشی شده و بخار فوق گرم میتواند این مشکل را برطرف کند.[6] ظرفیت گرمایی ویژه آب، چه در فاز مایع و چه در فاز گاز بالاتر از سیالات دیگر است، بههمین دلیل آب تنها سیال داغی است که تاکنون استفاده شده است.[7] هر سیستم تزریق بخار و یا جابهجایی توده بخار میتواند به موقع تبدیل به یک سیستم تزریق آب داغ شود. اشکال تزریق آب داغ این است که قسمت اعظم حرارت خود را در لولههای سطحی و داخل چاه و بالاخره در سازندهای مجاور از دست میدهد. از اینرو نمیتواند گرانروی نفت را بهخوبی کاهش دهد. به هر حال در یک درجه حرارت معین بهوسیله آب داغ میتوان فشار بیشتری نسبت به بخار در همان درجه به دست آورد. از نقطه نظر راندمان حرارتی، تزریق بخار اشباع مفیدتر از تزریق آب داغ است البته گاهی در عمل این گونه نیست.[8]
نکات برجسته پژوهش
هدف این مطالعه، بررسی سناریوهای مختلف تولید از مخازن نفت سنگین شامل:
· تحریک دورهای بخار (CSS, Cyclic Steam Stimulation)
· تزریق پیوسته بخار آب (Steam Injection)
· تزریق آب گرم (Hot Water Injection) با استفاده از نرمافزار CMG می باشد.
-2 روش کار
در این مطالعه با استفاده از شبیهسازی یک مدل مخزنی با نرمافزار CMG و تولید از آن به بررسی عوامل موثر در تحریک مخزن بهوسیلهی روشهای حرارتی اقدام گردیده است.[9]
1-2 تشریح مدل
نفت مخزن در این مدل DEAD OIL در نظر گرفته شده (°API=13.9) یعنی در اثر افزایش حرارت و افت فشار مخزن هیچگونه گازی آزاد نمیشود و فاز گازی نداریم. اطلاعات مورد استفاده در این مطالعه، در جداول 1و 2 آورده شدهاند. مدل مخزن در شکل 1 نشان داده شده است. نمودارهای تراوایی نسبی در شکلهای 2و3 رسم شدهاند.
-3 نتایج و بحث
1-3 تحریک دورهای بخار
1-1-3 کیفیت بخار تزریقی
با توجه به شکل -4الف با افزایش کیفیت بخار تزریقی برای یک سرعت ثابت، میزان بازده تولیدی افزایش پیدا میکند. همچنین از شکل مشخص است که در کیفیتهای بالا بین 0/9 و 1 تفاوتی در میزان بازده تولیدی مشاهده نمیشود که این مسئله میتواند منجر به کاهش هزینه جهت افزایش کیفیت شود. دلیل این افزایش بازده، انتقال بهتر انرژی گرمایی به مخزن میباشد؛ زیرا آب در فاز بخار با کیفیت بالا، کمتر انرژی گرمایی خود را در مسیر انتقال از دست میدهد و این انرژی گرمایی با وجود انرژی دیگری بهنام " گرمای نهان" بهتر عمل خیس خوردن لایه نفتی را انجام میدهد که منجر به افزایش دمای مخزن و کاهش گرانروی نفت و افزایش تحرک نفت شده که در نهایت منجر به افزایش بازده میشود. نسبت نفت تولیدی به بخار تزریقی (OSR) نیز با افزایش کیفیت بخار بهدلیل انتقال بهتر انرژی گرمایی به مخزن افزایش مییابد (شکل -4ب). (شکل -4ج) نیز مقدار نفت تولیدی انباشتی را نسبت به زمان نشان میدهد که افزایش کیفیت بخار منجر به افزایش تولید انباشتی نفت میشود.
2-1-3 اثر سرعت بخار تزریقی
همچنان که مشاهده میشود (شکل -5الف) با افزایش سرعت بخار تزریقی در یک کیفیت ثابت، میزان نفت تولیدی افزایش مییابد. بدین صورت که افزایش حجم بخار تزریقی با سرعت بالا در یک دوره زمانی ثابت، کمک به حفظ حرارت بخار تا رسیدن به مخزن میشود که این امر باعث تشدید بیشتر مکانیزمهایی همچون انبساط نفت، تخلیه بخار و کاهش گرانروی میشود که در نهایت منجر به افزایش بازده تولیدی میگردد. از طرفی با افزایش سرعت بخار تزریقی در یک کیفیت ثابت، نسبت نفت تولیدی به بخار تزریقی (OSR) کاهش مییابد (شکل -5ب). با توجه به (شکل -5ج) با افزایش سرعت تزریق بخار در کیفیت ثابت، میزان نفت تولید شده انباشتی نسبت به زمان افزایش مییابد.
3-1-3 زمان خیس خوردن بخار
هرچه زمان خیس خوردن کمتر باشد، میزان تولید نفت بیشتر میشود (شکل -6الف). دلیل این امر این است که با افزایش زمان خیس خوردن، میزان بخاری که مایع میشود بالاتر رفته و باعث کاهش تولید میشود، زیرا فاز مایع به اندازه فاز بخار قدرت انبساط نفت و کاهش گرانروی نفت را ندارد. با افزایش زمان خیس خوردن، نسبت نفت تولیدی به بخار کاهش مییابد ولی این کاهش محسوس نیست (شکل -6ب) هرچه زمان خیس خوردن بیشتر باشد میزان تولید انباشتی نفت کاهش
می یابد (شکل -6ج). دلیل این امر این است که با افزایش زمان خیس خوردن، میزان بخاری که مایع میشود بالاتر رفته و باعث کاهش تولید میشود.
4-1-3 مدت زمان تزریق بخار
با توجه به (شکل 7 -الف) با افزایش مدت زمان تزریق بخار بازده تولیدی افزایش مییابد . نکته قابل توجه در ابتدای تولید از مخزن است که در شرایطی که تزریق بخار در مدت زمان بیشتر صورت میگیرد. تولید نفت تا مدت چند روز صفر میباشد و به جای نفت، آب تولید میشود. با افزایش مدت زمان تزریق بخار، نسبت نفت تولیدی به بخار تزریقی کاهش مییابد (شکل -7ب)، زیرا در این نسبت مخرج کسر افزایش مییابد در حالی که تولید نفت با مقدار کمتری صورت میگیرد.
2-3 تزریق پیوسته بخار آب (Steam Injection)
1-2-3 میزان کیفیت بخار تزریقی
با افزایش میزان کیفیت بخار تزریقی میزان بازده تولید نفت در تزریق پیوسته بخار کاهش مییابد. دلیل این کاهش بخاطر این است که در روش تزریق مداوم بخار به علت دانسیته بسیار پایین بخار نسبت به آب و نفت حالت روراندگی بخار اتفاق میافتد که در این حالت بخار تمایل دارد به سمت بالای مخزن حرکت کند و قسمت بزرگی از مخزن را دچار حالت روراندگی میکند که رسانش گرمایی از راه ناحیه در حال تماس با بخار بخشی از این پدیده را جبران میکند ولی در نهایت این حالت اثر خود را بهصورت مستقیم بر بازده تولیدی میگذارد که منجر به کاهش آن میگردد (شکل -8الف). نسبت نفت تولیدی به بخار تزریقی (OSR) در زمانهای اولیه با افزایش کیفیت با افزایش روبهرو شده ولی در زمانهای بعدی این نسبت برای تمامی کیفیتها کاهش یافته و یکسان شده است. به ازای افزایش حجم بخار تزریقی، تولید کمتری داریم (شکل -8ب).
2-2-3 سرعت بخار تزریقی
با افزایش سرعت بخار تزریقی میزان تولید نفت افزایش مییابد ولی در سرعتهای بالا تقریباً میزان تولید نفت تغییری پیدا نمیکند (شکل 9 -الف). بدین صورت که افزایش حجم بخار تزریقی با سرعت بالا در یک دوره زمانی، کمک به حفظ حرارت بخار تا رسیدن به مخزن میشود که این امر باعث تشدید بیشتر مکانیزمهایی همچون انبساط نفت، تخلیه بخار، کاهش گرانروی و رانش بخار که در نهایت منجر به افزایش بازده تولیدی میگردد. نسبت نفت تولیدی به بخار تزریقی با افزایش سرعت کاهش مییابد و در مدت زمان بعد ثابت میماند (شکل -9ب). افزایش سرعت بخار تزریقی منجر به افزایش نفت تولیدی انباشتی میگردد (شکل -9ج).
3-3 تزریق آب گرم (Hot Water Injection)
1-3-3 سرعت تزریق آب گرم
با افزایش سرعت تزریق آب گرم میزان بازده نفت تولیدی کاهش مییابد، زیرا با افزایش سرعت، فرصت برای انتقال گرما از آب گرم به نفت کمتر میشود (شکل .(10
2-3-3 دمای آب گرم تزریقی
با افزایش دمای آب گرم میزان تولید نفت نیز افزایش مییابد. هر چه دمای آب تزریقی بالاتر باشد قابلیت انتقال گرما و کاهش ویسکوزیته نفت و در نتیجه میزان تولید افزایش مییابد (شکل .(11
