بخشی از مقاله
چکیده
افزایش تقاضا برای مصرف انرژی و افت فشار مخازن نفتی و گازی معمولی باعث افزایش توجه به تولید منابع هیدروکربوری غیرمعمول مانند مخازن هیدرات گازی گردیده است. مخازن هیدرات گاز طبیعی در رسوبات عمیق اقیانوسی و مناطق قطبی یافت می شوند. هیدرات های گاز طبیعی ترکیبات کریستالی متشکل از مولکول های گاز هستند که درون ساختارهای قفس مانند از مولکول های آب قرار دارند. در این تحقیق فرایند تجزیه ی هیدرات در محیط متخلخل به روش کاهش فشار و برخی عوامل موثر بر تولید گاز بررسی شده اند . در این روش با کاهش فشار به زیر فشار تعادلی، تعادل ترمودینامیکی اولیه ناپایدار شده و هیدرات گازی تجزیه می شود و سیال تجزیه شده در محیط متخلخل جریان پیدا می کند. در فرایند تجزیه هیدرات یکی از مهمترین عوامل انرژی حرارتی می باشد زیرا واکنش تجزیه هیدرات یک واکنش گرماگیر است. روش کاهش فشار نسب به روش های تحریک گرمایی و تزریق بازدارنده بهینه تر می باشد زیرا در آن اعمال انرژی حرارتی به مخزن یا تزریق سیال انجام نمی شود و انرژی حرارتی لازم با انتقال حرارت از سازند های مجاور تامین می شود .
واژههای کلیدی:هیدرات گازی، مخازن گازی، کاهش فشار، سینتیک، انتقال حرارت، ترمودینامیک
مقدمه
در دهه های اخیر پروژه های تحقیقاتی زیادی برای تعیین و ارزیابی مقدار هیدرات های گاز طبیعی انجام شده است. اگرچه در مورد پراکندگی و مقدار هیدرات های گاز طبیعی در زمین عدم قطعیت زیادی وجود دارد. بر اساس آخرین اطلاعات جمع آوری شده برای هیدرات ها، منابع گازی در هیدرات های گاز طبیعی در حدود 105 تا 106 تریلیون متر مکعب بر آورد شده است . در کشور ما مخازن هیدرات گازی در منطقه ی دریای عمان قرار دارند.هیدرات های گاز طبیعی ترکیبات کریستالی متشکل از مولکول های گاز هستند که درون ساختاری قفس مانند از مولکول های آب قرار دارند. تشکیل هیدرات های گازی به عواملی مانند فشار، دما، ترکیب گاز و حضور بازدارنده هایی مانند نمک بستگی دارد .[1]
رسوبات هیدرات گاز طبیعی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند. دسته اول از دو لایه تشکیل می شود. لایه هیدرات که در زیر آن ناحیه دو فازی با گاز آزاد - متحرک - قرار دارد. بیشتر تولید از دسته اول مورد توجه است و برای تجزیه شدن هیدرات تغییرات اندک فشار و دما لازم است. دسته دوم رسوبات نیز از دو ناحیه تشکیل می شود. لایه ی هیدرات که در زیر آن ناحیه ای وجود دارد که آب متحرک است ولی گاز آزاد وجود ندارد - به عنوان مثال آبده - . دسته سوم رسوبات از یک ناحیه هیدرات بدون وجود ناحیه ای با سیالات متحرک تشکیل می شود. در دسته های دوم و سوم، لایه هیدرات درون ناحیه پایداری هیدرات قرار دارد و می تواند تحت شرایط تعادل یا پایدار قرار گیرد .[2]
توزیع هیدرات در رسوبات متخلخل
رسوبات متخلخل دارای هیدرات گازی بطور معمول حاوی فازهایی شامل دانه سنگ، هیدرات گازی، آب آزاد و فاز گاز آزاد می باشد. گازمعمولا مرکز منافذ را اشغال می کند در حالیکه منافذ کوچک یا منافذی که تنها به کلوگاه های کوچک راه دارند به دلیل نیروهای مویینه ممکن است کاملا اشباع از آب باشند.هیدرات ها توسط سه مکانیسم اصلی کاهش فشار، تحریک گرمایی و تزریق بازدارنده های شیمیایی قابل تجزیه می باشند.[3]واکنش تجزیه هیدرات یک واکنش گرماگیر می باشد:عدد هیدراته شدن - hydration number - نام دارد که برای هیدرات متان برابر 5.75 است .[4] به ازای هر متر مکعب هیدرات گازی در شرایط مخزن حدود 170 متر مکعب گاز در شرایط استاندارد به دست می آید .[5]
فرایند تجزیه هیدرات را می توان به دو صورت مدل تعادلی یا سینتیک بررسی کرد. در مدل تعادلی به محض این که فوگاسیته به کمتر از فوگاسیته ی تعادلی برسد، هیدرات تجزیه می شود. در مدل سینتیک، نرخ تجزیه هیدرات با اختلاف فوگاسیته تعادلی در دمای مشخص و فوگاسیته گاز نسبت مستقیم دارد. کیم وبیشنویی سینتیک تجزیه هیدرات را به صورت کمی بررسی کردند و معادله ی زیر را به دست آوردند .[6] لیو و گاموو مدل سازی تعادلی و سینتیک را با هم مقایسه کردند و تفاوت زیادی را بین این دو مدل نشان دادند و عنوان کردند که مدل سینتیک نتایج دقیق تری را به دنبال دارد.[7] معادله تعادل ترمودینامیکی به صورت زیر است :[8]فشار تعادلی، T دما و a و b ثوابت معادله هستند.
روش های تولید از مخازن هیدرات گازی
روش های شناخته برای تولید گاز از هیدرات گاز طبیعی شامل تجزیه توسط کاهش فشار، تحریک گرمایی و یا تزریق بازدارنده می باشند. هر یک از این روش ها به تفصیل در ادامه مورد بحث قرار گرفته است.در روش کاهش فشار، در دمای مخزن فشار به زیر فشار تعادلی کاهش می یابد و تجزیه هیدرات آغاز می شود و گاز آزاد شده تولید می شود. معایب این روش تولید مقدار زیادی آب و شن و از دست دادن هیدرات جامد است که باعث ناپایداری ژئومکانیکی می شود. با این وجود، کاهش فشار اقتصادی ترین روش تولید است زیرا نیاز به انرژی زیادی ندارد .[14] تحریک گرمایی با اعمال حرارت انجام می شود. در فشار مخزن دما از دمای تعادل عبور می کند.
این عمل با تزریق سیال داغ و یا با گرم کردن مستقیم مخزن صورت می گیرد. این روش به انرژی گرمایی زیادی نیاز دارد و تجزیه هیدرات به نسبت آهسته صورت می گیرد. روش تحریک گرمایی به صورت ترکیبی با کاهش فشار کاربرد موثری دارد و باعث جلوگیری از تشکیل مجدد هیدرات و پلاگ شدن می شود .[9]در روش تحریک شیمیایی با تزریق بازدارنده مانند گلایکول یا آب نمک، نمودار تعادلی به سمت بالا جابجا می شود و دما و فشار مخزن خارج از ناحیه هیدرات قرار می گیرد. از این روش به عنوان یک روش اصلی برای تجزیه هیدرات استفاده نمی شود، اما به صورت یک روش تکمیلی کاربرد دارد. بازدارنده ها بیشتر در ممانعت از تشکیل هیدرات در خطوط لوله استفاده می شوند .[10]
بازیافت گاز از مخازن هیدرات گاز طبیعی
مدل های ارائه شده در رابطه با تولید از مخازن هیدرات گازی نشان می دهند که در زمان های طولانی، بازیافت نهایی با نفوذپذیری کنترل نمی شود بلکه انتقال حرارت از مرز بالایی و پایینی مخزن عامل کنترل کننده افزایش فشار در مخزن به دلیل تجزیه لایه هیدرات است. تراوایی سازند در لایه گازی، تراوایی عمودی موثر گاز در لایه هیدرات، محل مشبک کاری ها و اشباع هیدرات گازی از جمله پارامترهای موثر بر تولید گاز هستند.
بررسی اثر پارامترهای مختلف بر میزان بازیافت گاز
Hong و همکاران - 2003 - تولید گاز از مخزن هیدرات گازی را مدل سازی کردند. شکل 4 میزان تولید گاز را برای نفوذپذیری 20 میلی دارسی نشان می دهد. راندمان تولید از مخزن بعد از 300 روز حدود 20 درصد می باشد.کاهش دهنده برای تولید گاز خواهد بود .[13]در شکل 4 تاثیر تغییرات ضریب هدایت گرمایی سنگ بر تولید گاز نشان داده شده است. مشاهده می شود که با افزایش ضریب هدایت گرمایی میزان تجزیه هیدرات و همچنین تولید گاز افزایش می یابد.شکل 3 تاثیر تغییرات نفوذپذیری بر بازیافت گاز نشان داده شده است. بعد از 300 روز تولید از مخزن مقدار گاز تولیدی برای هر دو حالت 20 و 200 میلی دارسی تقریبا یکسان است. اگر نفوذپذیری کمتر از 10 میلی دارسی باشد، عاملی در شکل 5 مشاهده می شود که با افزایش ثابت سینتیک واکنش، میزان تجزیه هیدرات و در نتیجه بازیافت گاز افزایش می یابد. کاهش ثابت سینتیک بر میزان کل گاز تولیدی تاثیر بسیار کمی دارد. زیرا در این جاانتقال حرارت از سازندهای مجاور محدودیت بیشتری ایجاد می کند.
