بخشی از مقاله
چکیده
براي کنترل فوران سطحی و احتراق چاههاي نفت و گاز با استفاده از لوله هدایت کننده و روش درپوش گذاري، لازم است تیم عملیاتی بتواند به دهانه چاه نزدیک شود. مکش بسیار زیاد هوا در اطراف چاه که ناشی از جریان سریع جت خروجی و حرکت آن درون لوله هدایت کننده است باعث ایجاد خلا بسیار زیاد و شرایط خطرناك براي افراد عملیات می شود.
هدف این تحقیق مدلسازي و شبیه سازي میدان جریان اطراف چاه فورانی با حضور لوله هدایت کننده و همچنین بررسی میزان خلا اطراف لوله هدایت کننده در صورت ایجاد سوراخ بر روي لوله هدایت کننده می باشد. براي شبیه سازي از نرم افزار فلوئنت استفاده شده است. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازي نشان میدهد در صورت استفاده از لوله هدایت کننده سوراخ دار، خلا حاصله در اطراف چاه نسبت به حالتی که از لوله هدایت کننده بدون سوراخ استفاده میشود به میزان حدود 40 درصد کاهش می یابد. در نتیجه استفاده از لوله هدایت کننده سوراخدار براي عملیات توصیه می شود.
مقدمه
امروزه از مهمترین مسائل حفظ انرژي، صیانت از منابع نفت و گاز است. فوران سطحی1 چاههاي نفت و گاز از عوامل جدي هدررفت و تلفات این منابع میباشد. به همین سبب و نیز علتهاي دیگري از جمله مخاطرات زیست محیطی و بازتابهاي بین المللی، کنترل این فوران ها در کوتاهترین زمان ممکن، بسیار حائز اهمیت است. تکنیکهاي متفاوتی براي مهار فوران وجود دارد که متداولترین آنها درپوش گذاري2 است که روش معمول در کشور ما نیز میباشد. اساس این روش خفه کردن فوران است و این کار بوسیله بستن یک شیر فوران گیر3 مخصوص روي سر چاه صورت می گیرد.
براي انجام این مهم لازم است که نفرات و تجهیزات به دهانه چاه نزدیک شوند ولی در صورت آتش گرفتن چاه، اینکار عملی نبوده و ابتدا می باید آتش را از اطراف چاه دور کرد که به همین منظور از یک لوله براي هدایت جت فورانی استفاده میشود . مشکلی که در این عملیات وجود دارد شرایط ناپایدار و خلائی است که در اطراف چاه حاصل میشود و ناشی از اختلاف بین فشار محیط و فشار منفی بوجود آمده درون لوله هدایت کننده است . این خلا، ضمن اینکه نزدیک شدن نفرات به دهانه چاه را مشکل و خطرناك میکند، زمان زیادي از عملیات را نیز معطوف به مقابله با این پدیده و حفظ ایمنی کارکنان میسازد. به عنوان نمونه میتوان به کنترل فوران چاه شماره 50 اهواز اشاره کرد که طی آن یکی از افراد با مکیده شدن به درون لوله جان خود را از دست داد . در این تحقیق سعی شده تا ضمن شبیه سازي جریان جت احتراقی - واکنشی - ، تاثیر ایجاد سوراخ روي لوله هدایت کننده بر میزان خلأ اطراف چاه و میدان جریان اطراف لوله مورد بررسی قرار گیرد.
در زمینه چاههاي فورانی مطالعات چندانی صورت گرفته نشده است. یکی از کارهایی که در این زمینه انجام شده و طی آن روشهاي مختلف مهار و کنترل بررسی شده، توسط جمال [1] بوده است. پیتس [2] تئوري هاي مختلف را در مورد رفتار و فوران شعله هاي جت آشفته ارزیابی کرد و امیدیان ]٣[ شبیه سازي میدان جریان در اطراف چاه فورانی و تاثیر پارامترهاي مختلفی مانند قطر لوله و فاصله آن از دهانه چاه را بر میزان مکش بررسی نمود. در این مقاله براي کاهش اثرات خلا پیشنهاد ایجاد سوراخ در لوله هدایت کننده ارائه شده است که تاکنون از این طرح استفاده نشده و براي اولین بار در جهان ارائه می شود . در این تحقیق براي شبیه سازي مکانیکی جریان سیال از نرم افزار فلوئنت4 که مبتنی بر روش دینامیک سیالات محاسباتی5 است استفاده شده و جهت طراحی هندسه میدان و ایجاد شبکه نیز نرم افزار گمبیت6 به کار گرفته شده است.
معادلات حاکم
قوانین فیزیکی مورد استفاده در این تحقیق عبارتند از اصل بقاي جرم، قانون دوم نیوتن - اندازه حرکت - و قانون اول ترمودینامیک - اصل بقاء انرژي - . معادلات حاکم منتج از این قوانین جهت تحلیل جریان سیال تراکم پذیر و آشفته در ادامه آمده است. میزان رینولدز براي دبی جرمی 6 kg/s برابر با 1.78×10 6 میباشد که نشان دهنده آشفته بودن جریان است. ضمن اینکه حالت جریان نیز پایدار است.
-1معادله پیوستگی:
-2معادلات اندازه حرکت آشفته - معادلات -
براي جهت ونیز از معادلات مشابه استفاده میشود.
-3 مدل اغتشاشی :
این معادله که بر اساس معادلات میانگین زمانی رینولدز میباشد و توسط لاندر و اسپالدینگ [4] پیشنهاد شده است، متداولترین مدل اغتشاشی می باشد. بدلیل توانایی و دقت بالاي این مدل، در محدوده وسیعی از جریانهاي آشفته مورد استفاده قرار گرفته شده است.
-4 مدل احتراق اضمحلال ادي ها:
مدلهاي واکنشی به دو دسته شیمی سریع و شیمی محدود تقسیم میشوند. نوع چاه مورد بررسی، گازي در نظر گرفته شده و فرض شده است گاز خروجی از چاه فقط حاوي متان باشد. واکنش سوختن متان به دلیل نوع آن و شرایط میدان ، در زمره شیمی سریع قرار میگیرد . پرکاربردترین مدل در شیمی سریع، مدل اضمحلال ادي ها میباشد که بر اساس نرم افزار فلوئنت [6] ، براي هر نوع شکل جریان قابل استفاده است و در این تحقیق نیز از این نوع مدل استفاده شده است.
ضمناً در این تحقیق از اثر تشعشع به دلیل بسیار کوچک بودن ضریب جذب گازها در تشعشع گاز به گاز - جریان گاز به هواي محیط - صرفنظر شده است.
شبیه سازي میدان جریان
اولین گام در شبیه سازي تعیین ناحیه محاسباتی است که براي این کار اندازه هاي مختلف بررسی شد و ابعادي مطابق شکل 1 بدست آمد بطوریکه در آن، هم شرایط مرزي کمترین تأثیر را بر حل میدان جریان داشته و هم اینکه بیش از حد بزرگ نباشد چرا که با وجود معادلات پیچیده آشفتگی و احتراق، سبب افزایش هزینه هاي محاسباتی میشود. اندازه لوله مطابق داده هاي واقعی در نظر گرفته شده است.
شکل :1 نماي دو بعدي ناحیه محاسباتی
شبیه سازي جریان با استفاده از مدل دوبعدي تقارن محوري8 شکل2 و با فرض ساکن بودن هواي محیط اطراف انجام شده است. شبکه محاسباتی که جهت توزیع مناسب نقاط روي مرز و درون قلمرو فیزیکی مورد نیاز است از نوع شبکه هاي با سازمان9 می باشد و با نزدیک شدن به چاه و محل جریان، شبکه ریزتر میشود.
شکل :2 ناحیه تقارن محوري مورد بررسی
جهت بررسی کیفیت تولید شده از معیار انحراف از زوایاي یکسان10 استفاده میگردد که در این تحقیق برابر با صفر بوده است که نشان دهنده یکسان بودن زاویه ها و تعامد کامل اضلاع میباشد. محاسبات نرم افزار فلوئنت بر مبناي روش حجم محدود است و براي معادلات گسسته از حل تفکیکی و به روش ضمنی استفاده شده است زیرا نسبت به روش صریح از سرعت همگرایی بیشتري برخوردار است. معیار همگرایی استفاده شده در این تحقیق نیز معیار باقی مانده هاست که براي همه معادلات حداکثر10 -4 حاصل شده است..
به دلیل تراکم پذیر بودن سیال ورودي و مشخص بودن مقدار دبی خروجی چاه، شرط مرزي ورودي به صورت دبی جرمی ورودي که در اینجا 6 کیلوگرم بر ثانیه - مطابق اطلاعات صنعتی - و شرط مرزي خروجی به دلیل عدم توسعه یافتگی جریان و مشخص بودن میزان فشار در مرزهاي محیط به صورت فشار خروجی و به مقدار فشار یک اتمسفر - صفر نسبی - و جنس لوله سر چاهی و لوله هدایت کننده نیز فولادي در نظر گرفته شده است.
نتایج و بحث
ابتدا شبیه سازي میدان جریان با حضور لوله هدایت کننده بدون سوراخ انجام میشود . در شکل هاي3 و4 کانتورهاي سرعت و کسر جرمی متان حاصل از این شبیه سازي براي نقاط مختلف میدان نمایش داده شده است.
شکل:4 کسر جرمی متان در میدان جریان
شبیه سازي هاي مشابه مختلفی با حضور لوله هدایت کننده سوراخ دار و متفاوت از نظر محل سوراخ انجام شد تا لوله اي مطابق شکل 5 با بالاترین راندمان مورد نظر که همان کاهش خلا در اطراف چاه میباشد حاصل شود. در این طرح، ارتفاع سوراخ برابر با 0 .2 متر، فاصله لبه پائینی سوراخ تا دهانه پائینی لوله هدایت کننده برابر با 0.8 متر و فاصله لبه بالایی آن تا بالاي لوله برابر با 2 متر و عرض سوراخ نیز داراي حداکثر مقدار ممکن میباشد تا آنجا که بتوان از دیواره هاي باریک لوله در محل سوراخ در محاسبات شبیه سازي صرفنظر کرد . ضمن اینکه سعی شده تا قطر و ارتفاع لوله هدایت کننده مطابق نوع واقعی آن باقی بماند.
شکل :3 کانتورهاي سرعت در میدان جریان
شکل :5 لوله هدایت کننده سوراخ دار
