بخشی از مقاله
بهينه سازي سيستم فرازآوري با گاز(Gas Lift) در يکي از ميادين نفتي جنوب غربي ايران
چکيده
فرازآوري با گاز، يکي از روش هاي فرازآوري مصنوعي است که با هدف افزايش دبي چاههاي نفتي مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين روش ، گاز پر فشار به درون سيال موجود در چاه تزريق شده و بدين وسيله دانسيته متوسط و متعاقباً فشار وارد بر ته چاه را کاهش مي دهد. هدف اصلي در طراحي سيستم فرازآوري با گاز، يافتن دبي بهينه تزريق است . يافتن دبي بهينه از آن جهت اهميت دارد که تزريق مقدار اضافي گاز، باعث کاهش توليد و افزايش هزينه مي گردد. تعدادي از پارامترهاي موثر عبارتند از: فشار تزريق گاز، فشار سرچاهي، عمق نصب شير عملياتي و شيرهاي تخليه ، و ... . در اين مقاله با استفاده از نرم افزار WellFlo و به کمک تحليل گروهي، تأثير پارامترهاي مختلف بر توليد يک چاه نمونه مورد بررسي قرار مي گيرد. در ابتدا، مدل ساخته شده با داده هاي واقعي مطابقت داده مي شود و بر اين اساس بهترين روابط معرف جريان چاه انتخاب مي گردند. در ادامه ، آزمايشات ميزان حساسيت انجام گرفته و نتايج حاصل از آن مقايسه مي گردند. در انتها، مقادير بهينه پارامترهاي مؤثر بر عمليات انتخاب مي شوند. با توجه به نمودارها و نتايج بدست آمده از شبيه سازي، تعداد شيرهاي فرازآوري و نيز اعماق نصب آنها ناکارآمد تشخيص داده شد.
علاوه بر آن ، فشار تزريق گاز، مازاد بر احتياج بوده . در جهت رفع اين مشکلات ، مقادير بهينه پارامترهاي مذکور انتخاب گرديده اند. بکار بستن بهينه سازيهاي معرفي شده ، دبي توليدي را تا % ٨٠ مقدار اوليه خود افزايش ميدهد.
کلمات کليدي: فرازآوري با گاز- بهينه سازي- تحليل گرهي- آزمايشات ميزان حساسيت - شبيه سازي- WellFlo
مقدمه
با افزايش توليد، به طور طبيعي با افت فشار مخزن ، کاهش نسبت گاز محلول در نفت و افزايش آب توليدي روبه رو خواهيم بود. چنين عواملي مي توانند جريان سيال به سطح زمين را کاملاً متوقف سازند. روشهاي فرازآوري و از جمله فرازآوري با گاز، بواسطه افزودن مقداري انرژي اضافي به سيال درون چاه ، جريان سيال به سطح زمين را مجدداً برقرار ميسازند [١].
فرازآوري با گاز پيوسته ، يکي از رايج ترين انواع فرازآوري مصنوعي است . اين عمليات در گستره وسيعي از شرايط توليدي مؤثر است ، نصب نسبتاً آسان و ارزاني دارد و تعميرات کمتري به ويژه در مقايسه با پمپ هاي الکتريکي مغرق طلب مي نمايد [٢]. در عمليات فرازآوري با گاز، گاز پر فشار به درون سيال موجود در چاه تزريق مي گردد. گاز از طريق مجموعه اي از شيرهاي فرازآور وارد ستون سيال شده و در آن حل ميشود و بدين وسيله دانسيته متوسط و متعاقباً فشار وارد بر ته چاه را کاهش مي دهد. در نتيجه اين عمل ، سيال مخزن به درون چاه جاري گشته و به همراه گاز به سطح زمين منتقل ميگردد [٣] و [٤].
پارامترهاي بسياري در موفقيت عمليات فرازآوري با گاز دخيلند. منظور از بهينه سازي فرازآوري با گاز، يافتن اين پارامترها به نحوي است که ميزان توليد و نيز درآمد حاصل از عمليات بيشينه گردد. مهمترين پارامتر در عمليات فرازآوري با گاز، دبي بهينه تزريق گاز است . يافتن دبي بهينه از آن جهت اهميت دارد که تزريق مقدار اضافي گاز، نه تنها به توليد کمکي نمي نمايد، بلکه به سبب ايجاد ايجاد لغزش بيشتر بين مايع و گاز، منجر به کاهش توليد نيز خواهد شد [٥].
پارامترهاي ديگري نيز در موفقيت عمليات فرازآوري با گاز دخيلند که چنانچه به دقت انتخاب نشوند عمليات ناممکن و يا حداقل غير اقتصادي خواهد شد. تعدادي از اين پارامتر ها عبارتند از: فشار تزريق گاز، فشار سر چاهي، عمق نصب شير عملياتي و شيرهاي تخليه ، فاصله شيرها از يکديگر و ... . تغيير تعدادي از اين پارامترها اگر چه به افزايش توليد مي انجامد اما هزينه ناشي از آن را جبران نمي نمايد. بنابراين در نظر گرفتن اقتصاد عمليات نيز بخشي مهم و جدايي ناپذير از فرآيند بهينه سازي است . در اين مقاله ، با استفاده از نرم افزار WellFlo و با انجام يک سري آزمايشات ميزان حساسيت (sensitivity analysis)، پارامترهاي بهينه فرازآوري با گاز در يک چاه نمونه مورد بررسي قرار ميگيرند.
معرفي چاه w
حفاري اين چاه در سال ١٣٣٩ با هدف توليد نفت از سازند آسماري آغاز شد. پس از حفاري تا عمق ٢٦٣٦ متر حفار و تکميل چاه به صورت حفره باز، بهره برداري از چاه با دبي ١٩ هزار بشکه در روز آغاز گرديد.
در سال ١٣٥٧ به دليل توليد گاز اضافي، تعمير چاه آغاز و طي آن پس از تعميق چاه تا عمق ٢٦٧١ متر حفار و نصب مسدود کننده در اين عمق ، آستره "٥ رانده شده و فواصل ٢٥٩٦-٢٥٦٧ و ٢٦٧١-٢٦٣١ متر حفار مشبک کاري گرديد. لوله مغزي "٧.٨ ٢ تا عمق ٢٠٠٨ متر حفار درون چاه رانده شد. چاه با دبي ٣.٢ هزار بشکه در روز به واحد بازگشت و به تدريج تا ٧ هزار بشکه افزايش داده شد تا اينکه در اواخر سال ١٣٦٢ از جريان افتاد. در سال ١٣٦٤ پس از استفاده از سيستم فرازآوري با گاز، چاه با دبي ٧.٢ هزار بشکه در روز توليد نمود. پس از مدتي اين دبي به دليل توليد گاز اضافي شروع به کاهش نمود؛ به طوري که در سال
١٣٧٨، چاه با دبي ٥٠٠ بشکه در روز بسته شد. در سال ١٣٨٢ نگار توليد با هدف تعيين محل ورود گاز و نحوه مشارکت شبکه ها در توليد رانده شد که نتايج ، حاکي از توليد عمده گاز از شبکه هاي بالايي بود. لذا چاه براي جلوگيري از توليد گاز اضافي مجدداً مورد تعمير قرار گرفت . تعمير چاه در سال ١٣٨٦ آغاز گرديد که طي آن آستره "١.٢ ٣ در حد فاصل ٢٦٠٥.٥- ٢٣٤٣ متري رانده شده و چاه اسيدکاري گرديد.
نحوه مدل کردن و شبيه سازي چاه
جدول ١ مشخصات و اطلاعات و شکل ١ شماي دروني چاه A را نشان مي دهند. مدل ساخته شده با داده هاي واقعي چاه مطابقت داده شده و بر اين اساس روابط جدول ٢ انتخاب گرديده اند. جدول ٣ اطلاعات تزريق گاز فعلي را نمايش مي دهد. براي شبيه سازي اين چاه از نرم افزار WellFlo استفاده شده است .
WellFlo يک برنامه تحليل گرهي تک چاه است که امکان مدل سازي چاههاي توليدي، تزريقي و فرازآوري با گاز را فراهم مي آورد [٦]. در ادامه روند شبيه سازي، تلاش خواهيم نمود تا مقادير بهينه هر کدام از پارامترهاي جدول ٣ انتخاب گردند.
شبيه سازي توليد چاه بدون استفاده از فرازآوري با گاز
اولين قدم در بهينه سازي فرازآوري با گاز، مطالعه جريانات ورودي و خروجي چاه و مسجل نمودن نياز به توليد مصنوعي است [١]. اين نياز در شکل هاي ٢ تا ٦ اثبات گرديده است . در شکل ٢ عملکرد طبيعي چاه نشان داده شده است . همانگونه که مشاهده ميشود، هر چند منحنيهاي IPR و OPR يکديگر را قطع مي نمايند ولي شرايط توليد بسيار بي ثبات است ؛ به گونه اي که با تغيير اندکي در شرايط مخزن و چاه ، توليد متوقف مي گردد. دو مورد از اين تغييرات بسيار محتمل ، کاهش فشار مخزن و کاهش نسبت گاز به نفت (GOR) هستند. شکل هاي ٣ و ٤ اثرات تغيير نسبت گاز به نفت و شکل هاي ٥ و ٦ نتايج حاصل از تغيير فشار مخزن را نشان مي دهند.
شبيه سازي توليد چاه با استفاده از فرازآوري با گاز
شکل ٧ تأثير تزريق مقادير مختلف گاز بر دبي توليدي را نشان مي دهد. اکنون مي توان نمودارهاي توليد و فشار جرياني ته چاهي را تابعي از دبي تزريق گاز بدست آورد (شکل هاي ٨ و ٩). همانگونه که در شکل ٨ مشاهده مي شود، تزريق گاز به ميزان ٠.٢ ميليون فوت مکعب استاندارد در روز منجر به افزايش سريع دبي توليدي خواهد شد (از ٦٧٦ به ١٠٣٢ بشکه در روز). افزايش بيشتر دبي تزريقي گاز، دبي توليدي را به ميزان کمتري افزايش مي دهد تا اينکه بيشترين ميزان توليد در دبي تزريقي ٥ ميليون فوت مکعب استاندارد در روز حاصل شود. اين نقطه ، دبي بهينه تزريق گاز از لحاظ فني (و نه لزوماً اقتصادي) است .
دبي بهينه توليد از لحاظ اقتصادي، به عواملي مانند قيمت نفت ، قيمت گاز، هزينه انتقال و متراکم نمودن گاز، هزينه بازگرداني، جداسازي و خشک نمودن گاز و ... بستگي دارد. هر چند هدف اين مقاله بحث در مورد مسائل اقتصادي نيست اما طراحي بهينه فرازآوري با گاز، بدون در نظر گرفتن مسائل اقتصادي تا حدودي دور از منطق مي باشد. در اين راستا در پايان بررسي اين چاه ، شرايط بهينه اقتصادي به کمک محاسباتي هر چند ساده و ابتدايي لحاظ ميگردند.
شکل ١٠ گراديان فشار را براي چهار دبي تزريق متفاوت نشان ميدهد. همانگونه که در اين شکل ديده مي شود، تغيير دبي تزريقي تأثيري در عمق تزريق نمي گذارد و تنها گراديان فشار جرياني را متأثر مي سازد.
پارامتر کنترل کننده عمق تزريق ، تنها فشار تزريق است . فشار تزريق فعلي (psi ١٣٠٠) براي باز کردن هر سه شير کافي است ؛ بنابراين عمل تزريق تنها از عميق ترين شير (شير شماره ٣) انجام مي پذيرد. فشار لوله مغزي بسيار بيشتر از فشار لوله جداري است . تأمين اين فشار اضافي از سوي کمپرسور، جز تحميل هزينه اضافي سودي ندارد(با توجه به محل هاي فعلي قرارگيري شيرهاي فرازآوري و نيز طول ثابت لوله مغزي ).
با تزريق در اعماق کمتر، وزن ستون کوتاهتري از سيال درون چاه کاهش مي يابد و در نتيجه دبي توليدي کمتر خواهد بود. در شکل هاي ١١ و ١٢ عمل تزريق به ترتيب از طريق شيرهاي دوم و اول صورت مي گيرد. دبي هاي توليدي بدست آمده از اين دو شکل نيز مؤيد همين مطلب هستند (٩٨٨ و ٩٣١ بشکه در روز).
همانگونه که بيان شد فشار تزريقي بسيار بيشتر از فشار لازم براي باز کردن شير سوم است . با توجه به اين مطلب ، چنانچه از لوله مغزي طولانتري استفاده نمائيم ، ميتوانيم تزريق را از عمق بيشتري انجام دهيم . فشار فعلي psi ١٣٠٠ براي تزريق در انتهايي ترين نقطه چاه کافي است . شکل ١٣ توليد چاه به کمک تزريق در عميق ترين نقطه ممکن را نشان ميدهد.
افزايش فشار مخزن يکي ديگر از روش هاي افزايش توليد است . اين روش چنانچه توأم با روش فرازآوري با گاز به کار گرفته شود نتايج مطلوب تري را به بار مي آورد. شکل هاي ١٤ تا ١٦ تأثير اين روش را نشان مي دهند. همان طور که در اين شکل ها ديده مي شود، با تغيير فشار مخزن ، دبي بهينه تزريق گاز تغييري نمي نمايد. شکل هاي ١٧ و ١٨ ميزان حساسيت دبي توليدي را نسبت به تغيير قطر لوله مغزي نشان مي دهند.
مطابق با اين شکل ها با کاهش قطر لوله مغزي، دبي توليدي افزايش خواهد يافت . چنين مطلبي تنها در مورد جريان حلقوي صحيح است و در جريان از طريق لوله مغزي، بايد مقدار بهينه قطر لوله انتخاب گردد.
فشار سرچاهي، ديگر عامل مؤثر بر عملکرد چاههاي توليدي است . شکل ١٩ چگونگي بهبود عملکرد جريان خروجي از چاه با کاهش فشار سرچاهي را نشان ميدهد. شکل ٢٠ دبي توليدي چاه را تابعي از فشار سرچاهي به تصوير مي کشد. شکل ٢١ نيز ميزان حساسيت توليد را نسبت به فشارهاي سرچاهي مختلف و تحت دبي هاي تزريق متفاوت نشان مي دهد. مجموعه اين نمودارها به روشني نشان مي دهند که با کاهش فشار سرچاهي، دبي توليدي افزايش مييابد.
البته بايد به اين نکته نيز توجه نمود که فشار سرچاهي خود متأثر از فشار تفکيک گر، افت فشار درون خطوط لوله ، شيرها، چوک و تاج چاه است (در دبي هاي توليدي بالا، تاجهاي Y شکل افت فشار کمتري را نسبت به نوع استاندارد T شکل سبب مي شوند) [١]. از آنجا که معمولاً فشار تفکيک گر بايد ثابت بماند و خطوط لوله نيز افت فشار معيني را ايجاد مي نمايند، تنها با تغيير تنظيمات چوک ميتوان فشار سرچاهي را تغيير داد.
پارامتر ديگري که بايد بهينه گردد، فشار گاز فرازآور (فشار تزريقي) است . شکل ٢٢ اثر اين پارامتر را بر گراديان فشار جرياني نشان مي دهد. همانگونه که در اين شکل ديده مي شود، دبي توليدي در فشار تزريقي psi ٨٠٠ همانند دبي توليدي در فشار تزريقيpsi ١٣٠٠ است . به عبارت ديگر افزايش فشار به ميزان psi ٥٠٠ نه تنها به افزايش توليد کمکي نمي کند بلکه با تحميل هزينه اضافي متراکم ساختن گاز، اقتصاد طرح را نيز به خطر مياندازد. بنابراين مي توان نتيجه گرفت که با افزايش فشار تزريق ، هيچ گونه تغييري در گراديان فشاري سيال توليدي حاصل نمي شود و تنها با باز نمودن شيرهاي عميق تر (در صورت وجود) به افزايش توليد کمک مي نمايد. البته به جاي کاهش فشار تزريق مي توان با افزايش طول لوله مغزي، عمل تزريق را در عمق بيشتري انجام داد.
متغير ديگري که بايد مورد بررسي قرار گيرد انتخاب بهترين رابطه جريان چند فازي جهت استفاده در محاسبات جريان خروجي از چاه است . نوع معادله مي تواند تأثير زيادي بر عملکرد چاه داشته باشد. لازم به ذکر است که روابط تجربي موجود براي جريانهاي دوفازي و چند فازي قائم نسبت به روابط جريان افقي از دقت کمتري برخوردار هستند. با اين وجود، روابط تجربي جريان قائم ، همچنان براي ارزيابي افت فشار جريان درون چاهها مورد استفاده قرار ميگيرند [٧].
عوامل مؤثر در انتخاب بهترين رابطه جريان چند فازي عبارت اند از:
١ -تجربه توليد در ديگر چاههاي مشابه در همان ميدان ؛
٢ -ملاحظات تئوريک بر مبناي مقايسه شرايط چاه مورد مطالعه با پارامترهاي اوليه بکار رفته براي به دست آوردن رابطه جريان ؛
٣ -مقايسه عملکرد واقعي چاه با مقدار پيش بيني شده توسط معادلات .
در صورت در دسترس بودن اطلاعات ميداني، گزينه سوم بهترين روش محسوب
