بخشی از مقاله
چکیده
رفتار سیالات در ابعاد حفرات، رفتار فازی و جابه جایی آنها در ابعاد ماکرو را مشخص می کند، لذا جریان سیالات دوفازی آب-نفت توسط فرآیند هایی در ابعاد حفرات کنترل می شود. مکانیزم مسدود سازی انتخابی به عنوان یک مکانیزم موثر در ازدیاد برداشت میکروبی نفت مطرح می باشد که موجب بهبود حرکت سیالات می گردد. نظر به اهمیت ویژه این مکانیزم، تعداد پژوهش های صورت گرفته در مورد این پدیده محدود می باشد، لذا نیاز به بررسی هر چه بیشتر این مکانیزم وجود دارد.
به منظور ارزیابی حرکت و برهمکنش سیالات معادلات نویر-استوکس و میدان فازی کاهن-هیلارد به صورت جفت شده حل گردیدند. قسمتی از یک میکرومدل دو بعدی به عنوان هندسه سیستم انتخاب شد که در ابتدا اشباع از نفت بوده و آب از قسمت پایین-چپ به سیستم تزریق و برداشت نفت از قسمت بالا-راست صورت گرفت. در مدل اول - مبنا - هیچ گونه گرفتگی و انسداد قرار نگرفت در حالیکه در مدل دوم و سوم توزیع موانع و گلوگاه ها قرار داده شد تا بتوان اثر مکانیزم مسدود سازی انتخابی را بهدقت مورد بررسی قرار داد. مشاهده شد که وجود انسداد های انتخابی در میانه ی مسیر قطر اصلی ماتریکس اشباع از نفت، مقدار نفت زیادی را در میانه ی مسیر به تله انداخت که منجر به کاهش بازیافت نهایی در مقایسه با مدل های دیگر شد. پس از انسداد مسیر قطری، سیال ترشونده به ناچار از مسیر های جانبی واقع در بالا و پایین ماتریکس خود را به خروجی رسانده و رخنه رخ می دهد.
-1 مقدمه
برداشت نفت از مخازن متداول1معمولاً در دو فاز صورت میگیرد، در فاز اول نفت توسط انرژی اولیه و طبیعی خود مخزن تولید میشود که این میزان برداشت 15-10 درصد از کل نفت درجا را شامل میشود؛ در فاز دوم آب یا گاز به درون مخزن تزریق میشود و نفتهای به دام افتاده در مخزن تولید میشود که این میزان تقرباًی 15 درصد دیگر از نفت درجای مخزن را شامل میشود.[1] یکی از مکانیسمهای مورد استفاده برای بهبود برداشت، مسدود کردن مسیرها و شکافهای با تراوایی بسیار بالا میباشد.
استفاده از باکتری و مواد شیمیایی بهویژه در صنایع بالادستی نفت و به دلیل توانایی آنها در ایجاد تغییرات زیاد در کشش سطحی، ویسکوزیته، تحرک پذیری، در سالهای اخیر گسترش زیادی پیدا کرده است .[3] در طول سه دهه گذشته، مدل های فیزییِک میکروساخته از محیط متخلخل - به عنوان مثال، میکرومدل ها - 2 به طور گسترده ای برای درک اثرات مکانیزم های مختلف که جریان دو فازی غیرقابل امتزاج را کنترل می کنند استفاده شده است.[4] شبیه سازی عددی یک روش قابل اعتماد برای ارزیابی نتایج تجربی، بدون داشتن محدودیت قابل توجهی از آزمایشات میباشد.
امیری و هاموداروش3 سطحِ مجموعه4 و روش میدان فازیِ کاهن هیلیارد5 را با استفاده از شبیه ساز چند منظوره کامسول مقایسه کرده اند تا مدل مناسب برای شبیه سازی جریان سیالات نفت-آب را در محیط متخلخل پیدا کنند.[5] نتایج آنها نشان داد که روش میدان فازی زمان اجرای کمتر و در عین حال دقت و توانایی ضبط پدیده های فیزیکی جریان را دارا می باشد.
معارف و همکاران [6]، حرکت سیالات آب-نفت در میکرومدل ها را مورد ارزیابی قرار دادند و اثر پارامتر های ترشوندگی، هتروژنیتی محیط متخلخل و نسبت ویسکوزیته را بررسی کردند. علیرغم وجود مطالعات زیاد آزمایشگاهی و شبیه سازی مربوط به جریان سیالات، پژوهش های صورت گرفته بر روی مکانیزم انسداد انتخابی بسیار اندک می باشد و در این مقاله سعی می شود به چالش های موجود پاسخ داده شود.
-2 بیان معادلات حاکم
به منظور بدست آوردن توزیع سیالات در محیط متخلخل، نیاز به حل همزمان معادلات نویر استوکس و میدان فازی کاهن-هیلارد می باشد. در حل عددی فرض شده است که هر دو سیال تراکم ناپذیر، نوع حرکت لایه ای، و تغییر فاز نداریم. همچنین با توجه به اینکه از هندسه دو بعدی استفاده شده است از سهم نیروهای گرانشی چشم پوشی شد. میدان فازی کاهن هیلارد شامل ترم پتانسیل شیمیایی جهت نشان دادن سطح پراکنده که دو فاز را جدا میکند، است. این معادله سطح پخش شده که دو فاز غیر امتزاجی را از هم جدا میکند دنبال میکند. سطح پراکنده شده، ناحیه ای تعریف میشود که در آن متغیر بدون بعد پارامتر میدان فازی - - از 1 به -1 تغییر کند. این معادله زمانی که در کامسول حل میشود به دو معادله مرتبه دوم به شرح زیر شکسته میشود.
که در این رابطه پارامترهای - / - سرعت سیال، - 3 - تحرک پذیری، - - دانسیته ی انرژی مخلوط شدن و - - ضخامت سطح تماس است. متغیر متغیر کمکی میدان فازی است.
در این روش کسر حجمی هر سیال به صورت زیر تعریف میگردد.
در این مدل دانسیته و ویسکوزیته ی مخلوط به صورت زیر تعریف شده تا بهصورت آرام در طول سطح تماس تغییر کند.
معادلات ناویر استوک، انتقال جرم و مومنتوم را برای سیالاتی با دانسیته ی ثابت بیان میکنند. به منظور لحاظ کردن اثر موئینگی ترم کشش سطحی در مدل وارد شده است؛ بنابراین معادلات ناویر استوک بهصورت زیر خواهد بود.
در این معادله ترمهای - 3 - بیانگر چگالی، - 2 - ویسکوزیته ی دینامیک، - - نمایانگر سرعت، - - نمایانگر فشار و - 2 - شتاب ثقلی است. نیروی بین سطحی است که در سطح تماس دو سیال عمل میکند.
-3 مدلسازی کامپیوتری
هندسهی شماتیک مورد استفاده در شکل -1 الف نشان داده شده است. از مش های مثلثی به منظور گسسته سازی مدل استفاده گردید - شکل -1ب - . بهمنظور بررسی استقلال نتایج از اندازه مش، مدل با استفاده از سه مش بندی ریز، متوسط و درشت اجرا شد و استقلال نتایج از اندازه مش تائید شد. قبل از معرفی مدل های مختلف مورد مطالعه و با توجه به لزوم آشنایی با مسیرها و گلوگاهها برای ارائه تحلیلهای بعدی ابتدا در - شکلهای -1پ و -1ج - نگاهی به آنها میاندازیم.
با توجه به شکلهای بالا، در ابتدا نفت در میکرومدل حضورداشته و آب در قسمت ورودی واقع در پایین-چپ قرار دارد. سرعت اولیه صفر بوده و فشار اولیهی مدل برابر فشار اتمسفریک میباشد. در همه مدلها فشار خروجی برابر با فشار اتمسفریک قرار داده شد که معادل شرایط آزمایشگاهی میباشد شرط مرزی مورد استفاده برای دیوارههای جامد که در تماس با سطح سیال هستند، دیواره تر شونده6 انتخاب گردید.
شکل :1 هندسه اولیه مدلسازی و خصوصیات آن الف - شماتیک سیستم دوبعدی ب - مش بندی پ - گلوگاهها
