بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدل ترمودینامیکی پیش بینی رسوب آسفالتین در مخازن زیر زمینی نفت
چکیده :
بازده چاههای نفت خام، توسط رسوب و انسداد آسفالتینها، کاهش پیدا میکند. رسوب آسفالتینمعمولاً یک پروسس برگشت ناپذیر است . یک سؤال قابل توجه در صنعت نفت این است که کی و چه مقدار و تحت چه شرایطی مواد آلی سنگین مثل آسفالتین رسوب می کنند؟
در اثر تزریق گازهای مختلف در مخازن نفتی آسفالتین ها رسوب میکنند. در جلوگیری از رسوب گذاری، دانستن حلالیت آسفالتین به صورت تابعی از دما، فشار و اجزاء سازنده فاز مایع نفت ضروری است . بررسی ما شامل، انتخاب یک مدل ترمودینامیکی با استفاده از معادله حالت پینگ رابینسون وبر مبنای رفتار فازی مخلوطها و تئوری پلیمر چند توزیعی فلوری هاگینز در توصیف و پیش بینی تشکیل رسوب ، اجرای برنامه کامپیوتری جهت اندازهگیری رسوب آسفالتین و تست مدل با نتایج تجربی بدست آمده میباشد.
واژههای کلیدی : آسفالتین؛ رسوب آسفالتین؛ حلالیت آسفالتین ؛ مدل ترمودینامیکی
مقدمه:
مخازن نفتی در بدو اکتشافعموماً از نظر خواص فیزیکی سیال درون مخزن به دو صورت:
اشباع شده((Saturated Reservoir و زیر اشباع(Under Saturated Reservoir )تقسیم بندی می شوند. در مخزن اشباع شده ، گاز اضافی به صورت کلاهکی در بالاترین قسمت مخزن و بالای لایه نفت قرار دارد.وانبساط آن باعث رانش طبیعی نفت به قسمت پائین مخزن و به طرف چاههای تولیدی می شود.
در مخازن زیر اشباع ، با ادامه افت فشار، قســمت معتنابـهی از گـاز محلـول در نفـت از آن جـدا شـده و بــه سمت بــالای مخـزن حرکـت مـی کنـد و پـس از تشـکیل کلاهک گازی، مشــابه مخـزن اشـباع عمـل میکنـد. بـرای افزایش انرژی رانــش و بازیافتـهای ثانویـه نفـت بـا توجـه بـه خواص فیزیکی مخزن و ترکیبات آن و همچنین دسترسی به سیال، دانــش و اقتصـاد طـرح از روشـها و سـیالات مختلفـی ازجمله روش تزریق گاز طبیعی استفاده می شود.
اثر ترکیب اجزاء، فشار و دما بر روی رسوب های مختلف ، متفاوت می باشد.بطور مثال اثر خواص فوق بر روی رسوب آسفالتین با رسوب واکس کاملا متمایزاست این اختلافهای اساسی بین رسوبها، دلایل اصلی ما درجهت ارائه یک مدل ترمودینامیکی برای رسوب آسفالتین می باشد.[1 ]
طبیعت و مشخصات آسفالتین و رزین بررسی ساختار شیمیائی رزین ها و آسفالتین ها بعلت طبیعت پیچیده آنها، بسیار مشکل می باشد.
فرض بر این است که آسفالتین ها محصول اکسیداسیون رزینهای طبیعی بوده و برعکس رزینهای طبیعی نتیجه هیدروژناسیون ترکیبات آسفالتی می باشند.آسفالتین ها عامل تولید هیدروکربونهای سنگین نفتی هستند. و انواع آنها بعلت برخورداری هیدروکربونهای آروماتیک چند حلقوی از مقادیر مختلف اکسیژن و سولفور، متنوع هستند.
در حـرارت بـالای 400 ο C` ـ 300، آسـفالتین هـــا متلاشـی شـده و بـه کربـــن و محصــولات فــرار تبدیــل می شوندعلت رنگ سیاه نفت خام بواسطه وجــود آسـفالتین هاست .مولکولهای آسفالتین دارای محــدودۀ وسـیع از اوزان مولکولـی بـوده و سـاختمان آنـها از چـاهی بـه چـاه دیگــرمختلف می باشد.
اهمیت ساختار مولکولی آسفالتین ها در فرایند نفت شبیه به اهمیت ساختمان گلسترول های موجود در خون شریانهای بیمار است.
بر اساس روشهای فیزیکی شامل NMR، VPOواشعه ایکس، سانتریوفوژ قوی و روشهای شیمیائی شامل اکسیداسیون، هیدروژناسیون و… ،ساختمان آسفالتین را می توان بصورت C74H87NS20 نشان داد.[ 2]
حل مشکل رسوب آسفالتین مستلزم آنالیز مفصل نفت ،از نقطه نظر میکروسکوپی و مدلهای مولکولی است که بتواند رفتار آنها را در درون مخلوطهای هیدروکربنی توصیف نماید.
-1مدل سازی رسوب آسفالتین از ترکیبات نفتی
1 - 1 -مدل سوسپانسیونی
عامل سوسپانسیون آسفالتین، رزین ها می باشند. رزینها جذب آسفالتین شده و آنها را شناور می سازند. استفاده از این مدل نیازمند محاسبه پتانسیلشیمیائی رزین های موجود در محلول ورزین جذب شده بر روی سطح ذره آسفالتین می باشد. از آنجائی که دمای مخزن بقدری بالاست که اجازه تعیین غلظت بحرانی رزین (ΦR )crit در نفت را بای ک حلال خاص نمی دهد، رابطه زیر برای برون یابی تا دمای مخزن بکار می رود:
α، ثابتی است که بطریق تجربی تعیین می شود.
-2-1 مدل سنتیک تجمع آسفالتین ها (FractalAggregation)
این مدل توانایی پیش بینی مقدار رسوب آسفالتین در نفت خام را تحت نفوذ حلالهای امتزاج پذیر دارد. رزینها مقدار انعقاد آسفالتین را کاهش می دهند . بکارگیری تئوری سنتیک در تئوری محلولهای پلیمری غیرهمگن، امکان توصیف مکانیزم مناسب رشد توده آسفالتین و جنبه های هندسی توده آسفالین در نفت به واسطه فاکتورهای مختلف را فراهم می سازد.
-3-1مدل ته نشینی الکتروسینتیکی
در این مدل، انعقاد ذرات مواد آلی سنگین بدلیل پتانسیل ایجاد شده از حرکت جریان نفتی که شامل ذرات جامد باردار می باشد، بررسی می شود. اگر پتانسیل جریان ایجاد شده در طول جریان نفت در تخلخل مخازن، یا چاهها و یا لوله ها به اندازه کافی زیاد باشد، این امر می تواند به انعقاد مضاعف ذرات آسفالتین و ذرات باردار دیگر کمک کند.که باعث ایجاد دو فاز با بار مخالف می گردد (فاز آسفالتین مثبت و فاز نفت منفی).[ 3]
-4-1 مدل مینیممسازی انرژی آزاد گیپس
حالت فاز رسوب داده با استفاده از انرژی آزاد گیپس بیان میشود. در این مدل 4 مرحله زیر بررسی میشود: [4 ]
الف – انرژی آزاد انتقال و تغییر شکل مولکولهای آسفالتین
ب - انرژی آزاد فصل مشترک تشکیل هسته – آسفالتین
ج- انرژی آزاد گیپس فاز مایع
د- انرژی آزاد گیپس فاز ته نشین شده
-5-1 مدل پیشنهادی - مدل ترمودینامیک پیوسته
فرض می کنیم که دو عامل زیر باعث حلالیت متقابل اجزاء در ترکیب پیچیده مخلوط نفت خام میباشند:
الف ـ نسبت ذرات و مولکولهای قطبی به غیرقطبی
ب ـ نسبت وزن های مولکولی سنگین به سبک
اساساً ترکیبات قطبی و غیرقطبی درهم غیرقابل حل می باشند و مولکولهای سنگین و سبک همنوع، بصورت جزئی در هم حل می شوند (بسته به اختلاف بین وزن مولکولی آنها).
در ترکیبات پیچیده نفت خام، اجزاء ممکن است تا یک نسبت معینی از هر نوع مولکولمتقابلاً در همدیگر حل شوند. و با وارد شدن یک حلال، این نسبت ممکن است تغییر کرده، سپس مولکولهای سنگین و یا قطبی بصورت یک فاز مایع دیگر و یا بصورت فاز جامد از مخلوط جداشوند.در اینجا از تئوری محلولهای پلیمری برای مدلسازی (نقطه شروع شکل گیری فاز جامد و مقدار جامد) استفاده می شود. بدلیل دامنه وسیع اندازه و وزن مولکولی ، آنها را بصورت پلیمرهای پخش شده غیرهمگن در نظر می گیریم
شیوه محاسبه خواص آسفالتین در محاسبه خواص حلالیت آسفالتین، نفت را یک مخلوط مایع دوتایی شامل آسفالت a و حلال S در نظر می گیریم.در مرحله شروع لخته شدن، کسر حجمی آسفالتین از آسفالت نامحلول Φa ، درست برابر با ماگزیمم مقدار کسر حجمی حلالیت آن در حلال (Φa )max می باشد. با استفاده از خواص حلال، حجم مولی Vs و پارامتر حلالیت δs ، حجم مولی اسفالتین va و از روی (Φa )max ، پارامتر حلالیت δa را محاسبه میکنیم.
حجم مولی آسفالتین ها و مقادیر پارامتر حلالیت آسفالیتن بصورت تابعی از دما محاسبه شده است[5]
از آنجائیکه مقدار آسفالت لخته شده بطریق تجربی مشخص است. مدل ما بجای رسوب، آسفالتین محلول را پیش بینی می کند تئوری فلوری ـ هاگینز (Flory-Huggins) در این تئوری ابتدا دو فاز مایع و گاز محاسبه می شوند، سپس رسوب آسفالتین را با استفاده از یک تئوری فلوری - هاگینز اصلاح شده محاسبه می کنیم.
در حالت تعادل، پتانسیل شیمیائی آسفالتین بین فاز جامد A و فاز مایع B بصورت زیر خواهد بود.[6 ]
در رابطه فلوری هاگینز، پتانسیل شیمیائی جزء i بصورت زیر آمده است:
پتانسیل شیمیایی جزء مایع خالص i در شرایط استاندارد = Φi کسر حجمی جزء i
=Vm حجم مولی و X i پارامتر برهم کنش متقابل که توسط رابطه هیلدبراند((Hilde Brand محاسبه می شوند:
= xi کسر مولی جزء i
و δm توسط رابطه زیر داده شده است:
T دمای مطلق و R ثابت جهانی گازها می باشد.
وقتی که فاز ته نشین شده را آسفالتین خالص در نظر بگیریم با فــرض فـوق و از نتیجـه مجموعـه روابـط اخـیر رابطـه زیـر بدست می آید:
تئوری فوق مقدار کسر حجمی آسفالتین محلول در نفت را بیان می کند. [7]
تعیین ثابت های تعادل شکل (1)نشان دهنده روش تعیین ثابتهای تعادل مخلوط هیدروکربنی می باشد. برای این محاسبه، باید فشار (P)، دمای سیستم (T) و ترکیب کلی مخلوط (zi) معلوم باشد. روش انجام محاسبه در مراحل زیر خلاصه می گردد:
مرحله (1 برای هر جزء موجود در مخلوط، یک ثابت تعادل اولیه در شرایط فشار و دمای سیستم فرض می شود.از معادله Wilson می توان مقادیر k i را برای شروع بدست آورد.
= kiA برای جزء)i ثابت تعادل فرض شده )
مرحله (2 با استفاده از ترکیب کلی و ثابتهای تعادل حدس زده شده، محاسبات تبخیر آنی بشرح نمودار انجام می گیرد.
مرحله (3 به کمک ترکیب فازهای مایع (xi)و گاز((yi محاسبه شده، ضرایب فوگاسیته ( (φil و ( (φiv برای هر جزء در این فازها محاسبه می گردند.
مرحله (4 مجموعه ثابتهای تعادل جدید به کمک معادله زیر تعیین می شوند:
مرحله (5 رسیدن به جواب توسط شرط زیر بررسی می گردد
پس ازاطمینان از Ki محاسبه شده،ترکیب نفت مایع x i محاسبه و به کمک شکل تغییر یافته معادله پینگ رابینسون حجم نفت مایع VL،بدست می آید سپس کسر حجمی اجزا نفت ومتعاقب آن مقدار کل آسفالتین محلول در نفت محاسبه و با تفاضل از کل آسفالتین
موجود در نفت ،مقدار کل رسوب آسفالتین حاصل خواهد شد.
با به بکارگیری روش whitsonو Katz نسبت به تفکیک و گروه بندی برش اجزاء C 7 اقدام می کنیم .
-2 دادههای نفتی مورد استفاده
الف- نوع و ترکیب گاز تزریقی عبارتست از متان،اتان، پروپان، بوتان و چند گاز دیگر به شرح جدول (1)میباشد.
ب- نوع و ترکیب نفت خام مورد استفاده متشکل از چهار نوع نفت به شرح جدول((2 میباشد
-3نتایج
این نتایج بر دو دسته تقسیم می شوند:
1-3 -نتایجی که براساس تاثیرفشار و دماهای مختلف روی حلالیت آسفالتین و نفت بدست آمده است. این نتایج در شکلهای (2)و((3 نشان داده شده است
