پرديس واحد بين الملل
پايان‌نامه كارشناسي ارشد در رشته مهندسي نفت
مدلسازي ترکيبي فرازآوري با گاز جهت بررسي اثر دما و ترکيب گاز تزريقي
توسط
مهدي صدري
استاد راهنما:
دکتر حجت مهدييار
شهريور ماه 1393
بـه نام خـدا
اظهارنامــه
اينجانب مهدي صدري (9160318) دانشجوي رشته‌ي مهندسي نفت (گرايش مخازن هيدروکربوري)، دانشكده‌ي مهندسي شيمي، نفت و گاز اظهار مي‌كنم كه اين پايان‌نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهايي كه از منابع ديگران استفاده كرده‌ام، نشاني دقيق و مشخصات كامل آن را نوشته‌ام. همچنين اظهار مي‌كنم كه تحقيق و موضوع پايان‌نامه‌ام تكراري نيست و تعهد مي‌نمايم كه بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غير قرار ندهم. كليه حقوق اين اثر مطابق با آيين‌نامه مالكيت فكري و معنوي متعلق به دانشگاه شيراز است.
نام ونام خانوادگي: مهدي صدري
تاريخ و امضا: 31/6/93
به نام خدا
مدلسازي ترکيبي فرازآوري با گاز جهت بررسي اثر دما و ترکيب گاز تزريقي
به وسيلهي:
مهدي صدري
پاياننامه
ارائه شده به تحصيلات تکميلي دانشگاه شيراز به عنوان بخشي از فعاليتهاي تحصيلي لازم براي اخذ درجه کارشناسي ارشد
در رشتهي:
مهندسي نفت (مخازن)
از دانشگاه شيراز
شيراز
جمهوري اسلامي ايران
ارزيابي شده در کميته پايان نامه با درجه: عالي
دکتر حجت مهدييار، استاديار بخش مهندسي نفت (استاد راهنما)……………………………………………………………
دکتر جعفر قاجار، استاديار بخش مهندسي نفت (استاد مشاور)……………………………………………………………………
دکتر مسعود رياضي، استاديار بخش مهندسي نفت (داور متخصص داخلي)………………………………………………..
شهريور 1393
تقديم به مادر، پدر، برادر و خاله عزيزم که بدون حمايتهايشان اتمام اين کار ممکن نبود.
سپاسگزاري
اکنون که در سايه الطاف ايزد منان آخرين جملات پايان نامه حاضر را مينويسم، بر خود لازم ميدانم از زحمات بزرگواراني که اگر دست ياريشان نبود، اين کار به پايان نميرسيد، قدرداني نمايم.
ابتدا از استاد گرانقدرم جناب آقاي دکتر حجت مهدييار که نه تنها زحمت راهنمايي من را در اين پاياننامه بر عهده داشتند، بلکه همواره همچون پدري دلسوز و مهربان از حمايتهاي بيدريغشان برخوردار بودم، بسيار سپاسگزارم.
همچنين از زحمات استاد مشاور گراميم، جناب آقاي دکتر جعفر قاجار که در طول انجام اين پاياننامه از نظرات سودمندشان بهره بردم، تشکر ميکنم.
از اساتيد فرهيختهام آقايان دکتر مسعود رياضي و دکتر سيد شهابالدين آيتاللهي که در طول تحصيلم همواره لطفشان شامل حال من بوده است، کمال تشکر و قدرداني را دارم.
از تمامي دوستانم به خصوص دوستان عزيزم در مرکز تحقيقات ازدياد برداشت از مخازن نفتي دانشگاه شيراز که حضورشان همواره موجب دلگرميم بود، متشکرم.
و در پايان از ارزشمندترين داراييهاي زندگيم، مادر، پدر و برادر عزيزم که وجودشان روشني بخش زنگديم است و از خاله مهربانم که دست پر از مهرش همواره بر سر من بوده است، بسيار سپاسگزارم و از خداوند بخشنده و مهربان ميخواهم که مرا در جبران زحمات بي چشم داشتشان ياري کند.
چکيده
مدلسازي ترکيبي فرازآوري با گاز جهت بررسي اثر دما و ترکيب گاز تزريقي
به کوشش:
مهدي صدري
در اين پژوهش تأثير دما و ترکيب گاز تزريقي بر عملکرد فرازآوري با گاز مورد مطالعه قرار گرفت. به اين منظور با ارائه يک مدل ترکيبي جديد براي جريان چند فازي در چاه، يک نرمافزار شبيهساز ترکيبي با قابليت شبيهسازي فرايند فرازآوري با گاز تهيه شد. با استفاده از اين نرمافزار تأثير تزريق گازهايي با ترکيب و دماهاي مختلف بر عملکرد فرازآوري با گاز مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج به دست آمده نشان ميدهند در مقايسه با گازهاي متان، اتان، گاز جدا شده از نفت و کربندياکسيد، به ترتيب گاز نيتروژن و گاز دودکش بهترين عملکرد را در کاهش افت فشار درون چاه دارند و دبي توليد چاه را بيشتر از ساير گازهاي بررسي شده افزايش ميدهند. همچنين نتايج نشان ميدهند تغيير دماي گاز تزريقي تأثير قابل توجهي بر افت فشار و دبي توليد چاه ندارد.
کلمات کليدي: فرازآوري با گاز، مدلسازي ترکيبي چاه، جريان چند فازي در چاه، مدل مکانيستيک
فهرست
فصل اول: مقدمه1
فصل دوم: مروري بر تحقيقات گذشته8
2-1-مدلهاي جريان دو فازي و انتقال حرارت در چاه9
2-1-1- روابط تجربي9
2-1-2- مدلهاي مکانيکي11
2-1-2-1- مدلهاي همگن و جريان رانده12
2-1-2-2- مدلهاي دو سيالي يا چند سيالي13
2-1-3- مدلهاي انتقال حرارت در چاه13
2-2- شبيه سازي هم زمان چاه و مخزن14
2-3- بررسي اثر فرض تعادل بين فازها در محاسبات جريانهاي چندفازي15
2-4- فرازآوري با گاز17
فصل سوم: مباني نظري19
3-1- مقدمه20
3-2- مدل جريان چند فازي20
3-2-1- پارامترهاي بنيادي جريان چند فازي20
3-2-2- رژيمهاي جريان23
3-2-2-1- گذار رژيم حبابي _ رژيم لخته اي25
3-2-2-2- گذار به رژيم جريان حبابي پراکنده26
3-2-2-3- گذار به رژيم جريان حلقوي27
3-2-2-4-طول ورودي براي رژيم جريان کف آلود يا انتقالي27
3-3- محاسبه خواص سيالات30
فصل چهارم: مدل جديد چاه و شبيه سازي33
4-1- مقدمه34
4-2- هندسه سيستم34
4-3- معادلات حاکم بر سيستم36
4-3-1-موازنه جرم36
4-3-2-موازنه مومنتم38
4-3-3- موازنه انرژي40
4-4- مقدارهاي مرزي41
4-5- روند حل مسأله42
4-6- اعتبار سنجي مدل44
فصل پنجم: نتايج، بحث و پيشنهادها52
5-1-مقدمه53
5-2- نتايج53
5-2-1- بررسي تأثير پارامترهاي مختلف فرازآوري با گاز بر پروفايل فشار در چاه53
5-2-1-1- تأثير ترکيب گاز تزريقي بر پروفايل فشار54
5-2-1-2- تأثير دماي گاز تزريقي بر پروفايل فشار61
5-2-1-3- تأثير دبي حجمي گاز تزريقي بر پروفايل فشار65
5-2-1-4- تأثير عمق تزريق گاز بر پروفايل فشار68
5-2-2- بررسي تأثير پارامترهاي مختلف فرازآوري با گاز بر افزايش توليد چاه71
5-2-2-1- تأثير ترکيب گاز تزريقي بر دبي توليد چاه72
5-2-2-1-1- تأثير تزريق گازهاي مختلف بر تغيير رفتار فازي سيال درون چاه75
5-2-2-2- تأثير دماي گاز تزريقي بر دبي توليد چاه80
5-2-2-3- تأثير عمق تزريق گاز بر دبي توليد چاه82
5-3- نتيجه گيري84
5-4-پيشنهادها86
منابع87
فهرست جدول ها
جدول4- 1: درصد مولي نفت استفاده شده (نفت سياه)45
جدول4- 2: مشخصات چاه توليدي45
جدول4- 3: پروفايل دما و فشار محاسبه شده توسط نرم افزار OLGA47
جدول4- 4: پروفايل دما و فشار محاسبه شده توسط نرم افزار PVTi48
جدول4- 5: پروفايل فشار و دماي محاسبه شده توسط شبيه ساز ارائه شده49
جدول 5- 1: پروفايل فشار چاه براي چهار حالت بدون فرازآوري با گاز، فراز آوري با متان، اتان و گاز جداکننده55
جدول 5- 2: پروفايل فشار چاه براي چهار حالت بدون فرازآوري با گاز، فراز آوري با نيتروژن، کربن دي اکسيد و گاز دودکش58
جدول 5- 3: پروفايل فشار براي سه حالت تزريق نيتروژن در دماي 350، 550 و 750 کلوين63
جدول 5- 4: پروفايل فشار براي چهار حالت بدون فراز آوري و تزريق نيتروژن در نرخهاي 100، 300 و 500 ميليون فوت مکعب استاندارد در روز66
جدول 5- 5: پروفايل فشار براي چهار حالت تزريق نيتروژن در عمقهاي 2461، 3117، 3445 و4101 فوت69
جدول 5- 6: مشخصات سيستم چاه و مخزن72
جدول 5-7: دبي توليد در نرخهاي متفاوت تزريق گاز براي گازهاي مختلف73
جدول 5-8: دبي توليد براي فرازآوري با گازهاي مختلف در سه دماي متفاوت80
جدول 5-9: دبي توليد براي عمقهاي مختلف تزريق نيتروژن83
فهرست شکل ها
شکل 1- 1: : شماي کلي و مرحله به مرحله فرازآوري با جريان پيوسته گاز5
شکل 3- 1:رژيمهاي جريان در يک خط لوله عمودي 24
شکل 3- 2: نقشه رژيم جريان براي مخلوط آب و هوا در دماي 25 درجه سانتيگراد و فشار 10 نيوتن بر سانتيمتر مربع در يک لوله به قطر 5 سانتي متر29
شکل 3- 3: فلو چارت محاسبات تبخير آني31
شکل 4- 1: شکل و نحوه بلوک بندي چاه35
شکل 4- 2: فلوچارت مدلسازي جريان چند فازي در چاه43
شکل 4- 3: نمودار مقايسه پروفايل فشار محاسبه شده توسط مدل ارائه شده و دو نرم افزار تجاري50
شکل 4- 4: نمودار مقايسه پروفايل دماي محاسبه شده توسط مدل ارائه شده و نرم افزار OLGA50
شکل 5- 1:نمودار پروفايل فشار چاه براي چهار حالت بدون فرازآوري با گاز، فراز آوري با متان، اتان و گاز جداکننده56
شکل 5- 2: نمودار پروفايل فشار چاه براي چهار حالت بدون فرازآوري با گاز، فراز آوري با نيتروژن، کربن دي اکسيد و گاز دودکش59
شکل 5- 3:پروفايل فشار چاه براي پنج حالت بدون فرازآوري با گاز، فراز آوري با متان، گاز جداکننده، کربن دي اکسيد و نيتروژن60
شکل 5- 4: نمودار پروفايل دما براي سه حالت تزريق نيتروژن در دماي 350، 550 و 750 کلوين62
شکل 5- 5: نمودار پروفايل فشار براي سه حالت تزريق نيتروژن در دماي 350، 550 و 750 کلوين64
شکل 5- 6: نمودار پروفايل فشار براي چهار حالت بدون فراز آوري و تزريق نيتروژن در نرخهاي 100، 300 و 500 ميليون فوت مکعب استاندارد در روز67
شکل 5- 7: نمودار پروفايل فشار براي چهار حالت تزريق نيتروژن در عمقهاي 2461، 3117، 3445 و4101 فوت70
شکل 5- 8: نمودار دبي توليد در نرخهاي متفاوت تزريق گاز براي گازهاي مختلف73
شکل 5- 9: نمودار فازي سيال مخزن76
شکل 5- 10: نمودار فازي مخلوط سيال مخزن و گاز تزريقي متان77
شکل 5- 11: نمودار فازي مخلوط سيال مخزن و گاز تزريفي نيتروژن77
شکل 5- 12: نمودار سرعت ظاهري فاز گاز در طول چاه براي دو حالت فراز آوري با متان و نيتروژن79
شکل 5- 13: نمودار دبي توليد براي فرازآوري با گازهاي مختلف در سه دماي متفاوت81
شکل 5- 14: نمودار دبي توليد براي عمقهاي مختلف تزريق نيتروژن83
فهرست علائم اختصاري
Aمساحت سطح مقطع لوله مغزي ( m^2 )C_Pظرفيت گرمايي ويژه در فشار ثابت ( Kj/(Kg.K) )dقطر چاه ( m )fضريب اصطکاکgشتاب گرانش زمين ( m/s^2 )g_Tگراديان زمين گرمايي ( K/m )hآنتالپي ( Kj )H_lماند مايعH_gماند گازm^’جرم ورودي از مخزن به چاه ( Kg/S )m”جرم ورودي توسط گاز تزريقي به چاه ( Kg/S )MWجرم ملکولي ( Kg/Kmol )n_cتعداد کل جزءهاي سيال مخزن?n”?_cتعداد کل جزءهاي گاز تزريقيn_pتعداد فازهاPفشار ( Pa )Q_lossگرماي منتقل شده بين چاه و محيط اطراف ( Kj/s )Rثابت جهاني گازها ( ?Pa m?^3/(Kmol K) )Tدما ( K )Uضريب انتقال حرارت کل ( Kj/(?s.m?^2.K) )vسرعت واقعي ( m/s )v”سرعت واقعي گاز تزريقي ( m/s )x_iجزء مولي جزء i در مايع y_iجزء مولي جزء i در بخارzمحور مختصات عمود بر سطح زمينZضريب تراکمپذيريعلائم يوناني?ماند در شرايط عدم لغزش?گرانروي ( Pa.s )?چگالي ( Kg/m^3 )?”چگالي گاز تزريقي ( Kg/m^3 )?کشش بين سطحي ( N/m )?جرم منتقل شده بين دو فاز ( Kg/S )زيروندهاgگازiجزء ijفاز jlمايعmمخلوطsظاهريvبخار
فصل اول: مقدمه
بيشتر مخازن نفت دنيا از نوع مخازن حجمي هستند که با مکانيزم انبساط گاز محلول، توليد ميکنند. در صورتي که مکانيزهاي طبيعي رانش (مانند آبران يا کلاهک گازي) يا مکانيزمهاي تثبيت فشار (مانند تزريق آب يا گاز) در مخازن موجود نباشند، مخازن با ادامه توليد دچار افت فشار ميشوند و با گذشت زمان قادر نخواهند بود با يک دبي اقتصادي به توليد ادامه دهند. در اينگونه موارد تنها راه، افزايش دادن اختلاف فشار توليد با کم کردن فشار ته چاه با استفاده از روشهاي فرازآوري مصنوعي است. (Guo et al. 2011)
چند نمونه از روشهاي معمول فراز آوري مصنوعي موارد زيرند:
فراز آوري با گاز
استفاده از پمپهاي الکتريکي شناور
استفاده از پمپهاي ميله اي
استفاده از پمپهاي پيستوني هيدروليکي
استفاده از پمپهاي جت هيدروليکي
استفاده از پمپهاي خلأ
انتخاب روش فراز آوري مصنوعي براي يک چاه مشخص به عوامل مختلفي بستگي دارد. زماني که فراز آوري با گاز يکي از روشهاي مد نظر است، يکي از عوامل مهم که از اهميت زيادي برخوردار است دسترسي به گاز کافي است. اگر کاز کافي چه به صورت محلول در نفت يا از يک منبع خارجي در دسترس باشد، فراز آوري با گاز ميتواند يکي از روشهاي ايدهآل براي افزايش توليد باشد.(API 1994)
در روش فرازآوري با گاز، گاز که از نفت سبکتر است وارد لوله مغزي ميشود و از اين طريق با کم کردن چگالي سيال درون لوله مغزي، وزن ستون سيال روي سازند را کاهش ميدهد. اين کاهش وزن باعث ايجاد يک اختلاف فشار بين چاه و مخزن ميشود و به اين ترتيب نفت از مخزن به سمت چاه جريان پيدا ميکند.
دو روش مختلف براي فرازآوري با گاز در صنعت وجود دارد:
فرازآوري با جريان پيوسته گاز1
فرازآوري با جريان منقطع گاز2
در فرازآوري با جريان پيوسته، گاز با فشار نسبتا زياد به درون ستون سيال داخل چاه تزريق ميشود. اين گاز تزريقي به سيال درون چاه اضافه ميشود تا به وسيله يک يا چند مورد از مکانيزمهاي زير سيال را به سطح زمين برساند:(API 1994)
کاهش دادن چگالي و وزن ستون سيال به صورتي که اختلاف فشار بين چاه و مخزن افزايش پيدا کند.
انبساط گاز تزريقي به نحوي که وزن ستون سيال روي سازند بيشتر کاهش پيدا کند و اختلاف فشار بين چاه و مخزن بيشتر شود.
جابجايي لختههاي3 مايع درون چاه به وسيله حبابهاي بزرگ گاز تزريقي که مانند پيستون عمل ميکنند.
در طراحي فرايند فرازآوري با جريان پيوسته گاز، دو پارامتر مهم وجود دارند. اين دو پارامتر نرخ تزريق گاز و عمق تزريق گاز هستند. در طراحي اين فرايند بايد به موارد زير دقت شود:(Bellarby 2009)
محدوديتي براي ميزاني که ميتوان فشار ته چاهي را کاهش داد و در نتيجه اختلاف فشاري که ميتوان به مخزن اعمال کرد وجود دارد. به طور کلي گراديان فشار مينيمم به ندرت کمتر از 15/0 پام بر فوت ميشود.
هر چقدر نقطه تزريق پايين تر انتخاب شود، ميتوان فشار ته چاهي را بيشتر کاهش داد. در عمقهاي کم در چاه، يک فرازآوري گاز طبيعي بر اثر جداشدن گاز از نفت اتفاق ميافتد.
يک مقدار بهينه براي نرخ تزريق گاز وجود دارد. اين مقدار معمولاً حدود 4 ميليون فوت مکعب استاندارد در يک روز است. تزريق مقدار بيشتري گاز باعث ميشود فشار هيدرواستاتيکي کاهش پيدا کند اما اصطکاک را افزايش ميدهد. در نرخهاي تزريق گاز بيشتر از نرخ بهينه، توليد چاه کاهش پيدا ميکند زيرا ميزان تأثير منفي که افزايش تزريق گاز به دليل ايجاد اصطکاک بر جاي ميگذارد از ميزان تأثير مثبتي که در کاهش چگالي سيال چاه دارد، بيشتر است. بنابر اين به بيان ديگر يک نسبت گاز به مايع بهينه براي رساندن نرخ توليد چاه به حداکثر وجود دارد.
در شکل 1-1 شماي کلي يک فرايند فرازآوري با جريان پيوسته گاز ديده ميشود.(Bellarby 2009)
اگر فشار مخزن کم باشد يا چاه با نرخ بسيار کم توليد کند، از روش فرازآوري با جريان منقطع استفاده ميشود. در اين روش گاز به صورت منقطع به چاه تزريق ميشود. چون نرخ توليد از مخزن کم است ابتدا زمان کافي براي انباشته شدن يک ستون سيال در چاه، در نظر گرفته ميشود. سپس با تزريق گاز با فشار زياد به درون چاه و زير ستون سيال، سيال به سمت بالا رانده شده و توليد ميگردد. اين فرايند شبيه شليک يک گلوله از لوله يک تفنگ بر اثر فشار گاز ايجاد شده پشت آن است. مدت زمان بين دو تزريق گاز متوالي به زمان لازم براي تجمع نفت در چاه
و تشکيل ستون سيال وابسته است. طول مرحله تزريق گاز نيز با توجه به زمان لازم براي توليد ستون سيال مشخص ميشود.(API 1994)
در طراحي سيستم فراز آوري با گاز عوامل زيادي بايد در نظر گرفته شوند تا عملکرد سيستم مطابق با ميزان توان مخزن براي توليد نفت باشد. گامهاي اساسي در امکان سنجي، طراحي و اجرايي کردن سيستم فرازآوري با گاز به شرح زيرند: (Forero et al. 1993)
مشخص کردن رفتار مخزن و جمع آوري دادههاي مورد نياز براي طراحي فرازآوري با گاز
انجام مطالعات امکان سنجي فرازآوري با گاز (و مقايسه اين روش با ساير روشهاي فرازآوري مصنوعي)
طراحي چاه و امکانات مورد نياز
طراحي سيستم فرازآوري با گاز و جزئيات تکميل چاه
مديريت توليد و بهينهسازي
از مهمترين ابزارهاي مورد نياز در مطالعات مربوط به امکان سنجي، طراحي و اجرايي کردن سيستم فرازآوري با گاز، نرم افزارهاي شبيه ساز عملکرد چاه هستند. خروجي اين نرمافزارها که بر اساس معادلات ارائه شده براي پيش بيني رفتار جريانهاي چند فازي طراحي شده اند، معمولاً پروفايل فشار در چاه و نرخ توليد است. بيشتر شبيه سازهاي عملکرد چاه که تا کنون ارائه شده اند بر اساس مدل نفت سياه4 عمل ميکنند که فقط سه فاز جدا از هم نفت، گاز و آب را در نظر ميگيرد. در اين شبيه سازها ترکيب نفت و گاز در طول چاه ثابت در نظر گرفته ميشود. در مدل نفت سياه گاز امکان حل شدن در نفت را دارد اما ويژگيهاي هر فاز مانند چگالي، گرانروي و حجم مخصوص از روابط تجربي ارائه شده، به عنوان تابعي از دما، فشار و جرم ويژه به دست ميآيند. با توجه به اينکه سيال جاري در چاه ترکيبي از اجزاي مختلف است و از آنجا که تأثير تغييرات ترکيب فازها در اين شبيه سازها در نظر گرفته نميشود، به نظر ميرسد دقت اين شبيه سازها در حالتهايي که تغييرات شديد فشار و دما وجود داشته باشد، سؤال برانگيز است.
در اين پژوهش يک نرم افزار براي شبيه سازي فرايند فرازآوري با گاز بر اساس يک مدل چاه جديد تهيه شده است. هنگامي که در فرايند فرازآوري با گاز تغييرات زياد دما در طول چاه و يا تغيير ترکيب گاز تزريقي وجود داشته باشد، استفاده از شبيه سازهاي موجود که بر اساس مدل نفت سياه کار ميکنند با خطاي زيادي همراه است. بنابراين براي انجام مطالعه بر روي تأثير دما و ترکيب گاز تزريقي بر عملکرد فرازآوري با گاز، يک نرم افزار شبيه ساز عملکرد چاه که تحت اين شرايط دقت مطلوبي داشته باشد مورد نياز است.
فصل دوم: مروري بر تحقيقات گذشته
2-1-مدلهاي جريان دو فازي و انتقال حرارت در چاه
براي شبيهسازي فرايند فرازآوري با گاز در يک چاه نفتي، در اولين گام لازم است جريان چند فازي در چاه مدلسازي شود. تا کنون روابط زيادي براي مدلسازي جريان چند فازي و انتقال حرارت در چاه ارائه شدهاند.
2-1-1- روابط تجربي
به دليل پيچيدگي مطالعه جريانهاي چند فازي، در اولين مدلهاي ارائه شده، از معادلات تجربي براي حل مسائل مربوط به آن استفاده ميشد. معادلات تجربي هر کدام براي منظوري خاص و بر اساس تعداد محدودي داده به دست آمده اند، بنا بر اين هر کدام در يک دامنه خاص کاربرد دارند و براي استفاده از آن ها در يک دامنه وسيع، محدوديت وجود دارد. . معادلات تجربي زيادي براي محاسبه افت فشار در خطوط لوله قائم ارائه شده اند. اين معادلات را ميتوان به سه دسته مختلف تقسيم کرد.
دسته اول معادلاتي هستند که لغزش بين فازها و رژيم جريان سيال را در نظر نميگيرند.(Poettman and Carpenter 1952, Baxendell and Thomas 1961, Fancher Jr and Brown 1963) تنها تفاوت روابط ارائه شده در اين دسته نحوه محاسبه ضريب اصطکاک جريان دو فازي است. پوتمن و کارپنتر (Poettman and Carpenter 1952) در سال 1952 يک رابطه تجربي بر اساس دادههاي ميداني 49 چاه توليد کننده مخلوط نفت، آب و گاز پيشنهاد کردند. در اين روابط از افت فشار ناشي از شتاب سيال صرف نظر شده است. بکسندل و توماس (Baxendell and Thomas 1961) در سال 1961 يک رابطه تجربي جديد براي تصحيح ضريب اصطکاک جريان دو فازي براي سرعتهاي بالاي جريان ارائه نمودند. در سال 1963 فنچر و براون (Fancher Jr and Brown 1963) روابط تجربي مختلفي را براي محاسبه ضريب اصطکاک جريان دو فازي بر حسب ميزان تغييرات نسبت گاز به نفت پيشنهاد کردند.
دسته دوم معادلات لغزش بين فازها را در نظر ميگيرند اما رژيم جريان سيال را در نظر نميگيرند. رابطه تجربي هاگدورن و براون (Hagedorn and Brown 1965) که در اين دسته قرار ميگيرد در سال 1965 بر اساس اطلاعات عملي مربوط به يک چاه آزمايشي به عمق 1500 فوت به دست آمد.
و بالاخره دسته سوم، معادلاتي هستند که لغزش بين فازها و رژيم جريان سيال را در نظر ميگيرند. (Duns Jr and Ros 1963, Orkiszewski 1967, Aziz and Govier 1972, Chierici et al. 1974) روابط دانس و راس (Duns Jr and Ros 1963) نتيجه يک مطالعه آزمايشگاهي همه جانبه است. در اين روابط مقدار مايع تجمع يافته و تغييرات فشار جريان محاسبه ميشود. در سال 1967 ارکيزوسکي(Orkiszewski 1967) با بررسي روابط تجربي مختلف با استفاده از 148 داده ميداني نتيجه گرفت هيچ روشي از روشهاي موجود به تنهايي نميتواند در همه رژيمهاي جريان دقت کافي داشته باشد. او پيشنهاد کرد براي رژيم جريان مه آلود از روابط دانس و راس (Duns Jr and Ros 1963) براي رژيم جريان حبابي از روش گريفيس و واليس (Griffith and Wallis 1961) و براي رژيم جريان لختهاي از روش اصلاح شده گريفيس و واليس (Griffith and Wallis 1961) استفاده شود. در سال 1974 چيريچي و همکارانش (Chierici et al. 1974) اصلاحيه اي براي محاسبات رژيم جريان لختهاي در روش ارکيزوسکي ارائه کردند.
2-1-2- مدلهاي مکانيکي
از مدلهاي ديگري که براي محاسبه گراديان فشار در لولههاي با جريان چند فازي گسترش پيدا کرده است، مدلهاي مکانيکي5 است. اين معادلات بر اساس فرضيات فيزيکي ساده شده مانند قانون بقاي جرم و انرژي نوشته شده اند. براي اينکه عملکرد جريان چند فازي در يک چاه مدلسازي شود بايد پارامترهايي از قبيل فشار، دما، سرعت و حجم اشغالي توسط هر فاز مورد استفاده قرار بگيرند. در جريانهاي چند فازي سطح تماس فازهاي مختلف، شکلهاي متفاوتي به خود ميگيرند که به عنوان الگوهاي جريان6 شناخته ميشوند.(Chen 2001) تشکيل يک الگوي جريان خاص به شرايط فشار، جريان و شکل لوله اي که سيال در آن جريان دارد وابسته است و يکي از مهمترين ويژگيهاي جريان دو فازي است.(Hasan and Kabir 1988)
توسعه مدلهاي مکانيکي از کارهاي تيتل و همکارانش (Taitel and Dukler 1976, Taitel et al. 1980) آغاز شد. آنها در نتيجه پژوهشهايشان مکانيزمهاي فيزيکي را که تغيير الگوهاي جريان را کنترل ميکنند، توضيح دادند. تا کنون مدلهاي مکانيکي زيادي ارائه شده اند. روابط مکانيکي اوزون و همکاران (Ozon et al. 1987) ، حسن و کبير (Hasan and Kabir 1988) و انصاري و همکاران (Ansari et al. 1994) براي مدل سازي جريانهاي دو فازي در لوله هاي عمودي ارائه شده اند. پتالاس و عزيز (Petalas and Aziz 1998) و گومز و همکاران (Gomez et al. 2000)مطالعات عمومي تري بر روي مدلسازي مکانيکي جريانهاي چند فازي منتشر کردند.
تشخيص اين که يک رابطه جزء روابط تجربي است يا مکانيکي کار آساني نيست زيرا معمولاً ترکيبي از دو روش براي به دست آوردن يک رابطه براي مدل سازي جريان چند فازي، استفاده ميشود.(Yahaya and Al Gahtani 2010)
2-1-2-1- مدلهاي همگن و جريان رانده
نوعي از معادلات مکانيکي که براي مدل سازي جريان هاي چند فازي استفاده ميشوند، مدلهاي همگن7 هستند. در اين مدل ها فرض ميشود يک فاز به جاي سيال چند فازي وجود دارد که دارنده ويژگي هاي ترکيب چند فازي جاري در لوله است. مدل هاي همگن ميتوانند لغزش بين فاز ها را نيز در نظر بگيرند.(Shi et al. 2005) به اين دسته از معادلات که سرعت مخلوط فازها را با يک رابطه خطي به سرعت فاز گاز و مايع مرتبط ميکند، مدل هاي جريان رانده8 ميگويند.
2-1-2-2- مدلهاي دو سيالي يا چند سيالي
نوع ديگري از مدل هاي مکانيکي که در مقالات ارائه شده اند، مدل هاي دوسيالي9 يا چند سيالي10 نام دارند. در اين مدل ها معادلات مومنتم جداگانه براي مايع، گاز و قطرات معلق نوشته ميشوند و لغزش و نيروهاي بين فازها نيز در نظر گرفته ميشوند. در شبيه ساز تجاري OLGA از اين مدل استفاده شده است.(Benediksen1991)
2-1-3- مدلهاي انتقال حرارت در چاه
در دهههاي اخير مدل هاي زيادي براي مدلسازي انتقال حرارت در جريان هاي چند فازي ارائه شده اند. اين مدل ها هم شامل روش هاي تحليلي و هم شامل روش هاي عددي هستند. اولين مدل که يک مدل تحليلي است توسط ريمي (Ramey Jr 1962) ارائه شد. با در نظر گرفتن جريان يک فازي، مدل ريمي دما را در چاه به عنوان تابعي از عمق و زمان محاسبه ميکند. مدل ريمي به دليل در نظر نگرفتن انرژي جنبشي و اصطکاک و همچنين فرض تک فازي بودن جريان محدوديت هايي دارد. حسن و کبير (Hasan et al. 2002) و حسن و همکاران (Hasan et al. 2005) با دو فازي در نظر گرفتن جريان و اضافه کردن انرژي جنبشي و اثر ژول-تامسون اين مدل را عموميتر کردند.
2-2- شبيه سازي هم زمان چاه و مخزن
تا کنون چندين مدل عددي براي مدلسازي جريان و انتقال حرارت در چاه، که مخزن و چاه را به طور همزمان در نظر گرفته اند، ارائه شده است. اين مدل ها شامل معادلات موازنه جرم براي فازهاي گاز، نفت و آب ، يک معادله موازنه انرژي و يک رابطه براي محاسبه افت فشار در چاه هستند. استون و همکاران (Stone et al. 1989) در سال 1989 بر اساس مدل نفت سياه معادلاتي را ارائه کردند که در آن سيستم از دو شبه جزء11 گاز و نفت و جزء آب تشکيل شده است. در اين مدل چاه و مخزن به صورت همزمان شبيه سازي شده اند. اين امر با تقسيم کردن چاه به چند قسمت و حل کردن معادلات چاه به صورت ضمني12 همراه با معادلات مخزن امکان پذير شده است. مدل استون و همکاران(1989) (Stone et al. 1989) يک مدل نفت سياه سه فازي سه جزئي است که در آن رژيم هاي جريان بر اساس داده هاي تجربي به چهار دسته لايه اي13، حبابي14، لخته اي15 و مه16 تقسيم بندي شده اند.
دومين مدل استون و همکاران (Stone et al. 2002) در سال 2002 نهايتا به صورت يک نرم افزار تجاري ارائه شد. اين مدل ميتواند چاه و مخزن را به صورت يک سيستم ترکيبي17 هم دما18 يا يک سيستم نفت سياه با تغييرات دما در نظر بگيرد. در اين مدل براي محاسبات هم دما يک معادله مکانيکي که لغزش بين فاز ها را در نظر ميگيرد استفاده شده است. در محاسباتي که تغييرات دما در نظر گرفته ميشود از لغزش بين فازها صرف نظر شده است.
پور افشاري و همکاران (Pourafshary et al. 2009) در سال 2009 يک شبيه ساز مخزن-چاه را ارائه کردند که بر اساس يک مدل ترکيبي عددي که تغييرات دما را در نظر ميگيرد محاسبات خود را انجام ميدهد. آن ها لغزش بين فاز گاز و مايع را در نظر گرفتند اما از لغزش بين فازهاي مايع صرف نظر کردند.
ليوسکو و همکاران (Livescu et al. 2010) با اضافه کردن جمله مشتق نسبت به زمان به معادلات موازنه جرم و انرژي، تجمع را نيز در اين معادلات در نظر گرفتند. اين جملات زماني مهمند که جريان در چاه ناپايدار19 است.
2-3- بررسي اثر فرض تعادل بين فازها در محاسبات جريانهاي چندفازي
در يک چاه نفت يا يک خط لوله که جريان چندفازي از آن ميگذرد، فازهاي مختلف در تماس با يکديگر حرکت ميکنند. به اين ترتيب بين اين فازها انتقال جرم اتفاق ميافتد. ميزان انتقال جرم بين فازها به عوامل مختلفي از جمله ميزان سطح تماس بين فازها و زمان تماس بستگي دارد. در صورتي که به فازها زمان کافي داده شود، فازها با هم به تعادل ميرسند. در اين حالت ميتوان ميزان انتقال جرم بين فاز مايع و گاز را از محاسبات تعادل بخار-مايع محاسبه کرد. در بسياري از جريانهاي چندفازي فازها به سرعت در خط لوله حرکت ميکنند و زمان لازم براي رسيدن به تعادل وجود ندارد. بنابراين در تحقيقات گذشته مطالعاتي براي بررسي امکان استفاده از روابط تعادلي و تأثير سرعت فازها و لغزش بر ترکيب فازها انجام شده است. گلد (Gould 1974) در سال 1974 روابطي ارائه کرد که نشان ميدادند در حالتي که بين فازها لغزش وجود داشته باشد، ترکيب سيال جاري در يک خط لوله با ترکيب سيال درجاي آن متفاوت است. اين بدان معناست که لغزش بين فازها باعث ميشود ترکيب سيال ورودي به يک خط لوله با ترکيب سيال هر نقطه ديگر خط لوله متفاوت باشد. به بيان ديگر به دليل اين که فاز گاز سريعتر از فاز مايع حرکت ميکند در ابتداي خط لوله ماند مايع بيشتر از انتهاي خط لوله است و ترکيب سيال ابتداي لوله سنگينتر از انتهاي آن است. در روابط گلد اگر چه تأثير لغزش بين فازها بر ترکيب سيال درجاي خط لوله در نظر گرفته شده است، اما فرض شده است که فقط سيالهاي جاري در خط لوله با هم در تعادل هستند و ترکيب ميزان مايع درجا در يک قسمت خط لوله همانند ترکيب مايع جاري در آن قسمت است.
در بيشتر مدلسازي هاي ترکيبي چاه که تاکنون انجام شده است، بين دو فاز تعادل در نظر گرفته شده است. در مدل هاي استون و همکارانش (Stone et al. 2002) و پورافشاري و همکارانش (Pourafshary et al. 2009) براي محاسبه خواص سيالات درون چاه، از محاسبات تعادل بخار-مايع استفاده شده است. در مدل پورافشاري و همکارانش با وجود اين که براي به دست آوردن چگالي مايع و گاز در هر قسمت خط لوله، از روابط تبخير آني استفاده شده است، در معادلات موازنه جرم و موازنه انرژي، جملات مربوط به تغيير فاز در نظر گرفته نشدهاند.
در تعدادي از مطالعات اخير اثر در نظر نگرفتن تعادل بين فازها بر نتايج مدلسازي چاه مورد بررسي قرار گرفته است. در سال 2008 ميشل و سيوان (Michel and Civan 2008) يک مدل غير هم دما در شرايط غير تعادلي، براي چاه ارائه کردند. آنها اثر در نظر گرفتن و در نظر نگرفتن تعادل بين فازها را بر نتايج شبيه سازي مورد مطالعه قرار دادند و نتيجه گرفتند در نظر گرفتن تعادل بين فازها ميتواند خطاي قابل توجهي در توزيع فشار محاسبه شده در چاه ايجاد کند.
2-4- فرازآوري با گاز
بيشتر مقالاتي که تاکنون در مورد فرازآوري با گاز به چاپ رسيده است، در زمينه طراحي و بهينهسازي اين عمليات است. (Redden et al. 1974, Blann and Williams 1984, Mukherjee and Brown 1986) تأثير عوامل مختلف بر عملکرد فرازآوري با گاز بيشتر با استفاده از دانستههاي تجربي متخصصان فرازآوري با گاز به دست آمده و در کتابهاي مختلف به چاپ رسيده است. در اين کتابها ميتوان تأثير عواملي مانند حجم تزريق گاز، قطر لوله مغزي، عمق تزريق گاز، فشار سر چاه، فشار ته چاه، فشار جداکننده، نسبت گاز به نفت محلول و ميزان دبي نفت ورودي را بر عملکرد فرازآوري با گاز در افزايش دبي توليد نفت و کاهش فشار سر چاه مشاهده کرد. (Brown 1984)
بر اساس دانستههاي نويسنده، تاکنون مطالعه جامعي در زمينه بررسي اثر دما و ترکيب گاز تزريقي بر عملکرد فرازآوري با گاز انجام نشده است. در ميان تحقيقات چاپ شده پيشين، تنها تعداد اندکي پژوهش ميتوان يافت که از جهاتي مشابه موضوع پژوهش حاضر باشد. در سال 1989 شرما و همکارانش (Sharma et al. 1989) يک گرمکن ته چاهي را در يک چاه توليد نفت شبيه سازي کردند. اگر چه شرما و همکارانش در چاه توليدي شبيه سازي شده عمليات فرازآوري با گاز را مورد مطالعه قرار ندادند، اما نتايج کار آنها از جهاتي مشابه موضوع پژوهش حاضر است. آنها بر اساس نتايج اين شبيه سازي اثر بالا رفتن دماي سيال توليدي بر اثر گرماي گرمکن را بر توزيع فشار درون چاه و افزايش دبي توليد نفت مورد بررسي قرار دادند. آنها توضيح دادند که گرمکن ته چاهي با افزايش دادن دماي سيالات توليدي باعث کاهش گرانروي نفت و تبخير گاز از سطح مايع و در نتيجه افزايش پيدا کردن گاز آزاد درون چاه ميشود. به اين ترتيب آنها انتظار داشتند با تبخير گاز از سطح مايع به دليل بالا رفتن دما در لوله مغزي، يک فرايند فرازآوري مصنوعي بر اثر گرماي گرمکن در ته چاه ايجاد شود و با افزايش يافتن ميزان گاز درون چاه و کاهش يافتن ماند مايع، افت فشار در طول چاه کاهش پيدا کند و در نتيجه دبي توليد چاه افزايش يابد. آنها با بررسي نتايج شبيهسازي به اين نتيجه رسيدند که اگرچه بالا رفتن دماي سيالات توليدي در ته چاه باعث کاهش افت فشار در طول چاه ميشود، اما اين کاهش فشار مقدار قابل توجهي نيست و تنها در صورتي که مخزن انديس توليدکنندگي20 بالايي داشته باشد، دبي توليد نفت ممکن است به مقدار مطلوبي افزايش پيدا کند. آنها اضافه کردند افزايش دما در چاه ميتواند راه حل مناسبي براي حل مشکل رسوب وکس در چاه يا تشکيل هيدرات باشد. در سال 2011 مايجوني و همودا (Maijoni and Hamouda 2011) تأثير ترکيب گاز تزريقي در فرازآوري با گاز را بر پايداري21 توليد در دو حالت پايدار22 و ناپايدار23 مورد مطالعه قرار دادند. آنها آناليز حساسيت را بر روي پارامترهايي از جمله ترکيب گاز تزريقي، دبي گاز تزريقي، فشار تزريق و انديس توليدکنندگي انجام دادند و به اين نتيجه رسيدند که چگالي گاز بيشتر، دبي تزريق گاز بيشتر، فشار تزريق بيشتر و انديس توليدکنندگي بيشتر ميتواند چاهي که در آن فرازآوري با گاز انجام ميشود را پايدار کند.
فصل سوم: مباني نظري
3-1- مقدمه
اولين گام در بررسي تأثير دما و ترکيب گاز تزريقي بر عملکرد فرازآوري با گاز، مدلسازي جريان چند فازي در چاه است. در اين مدلسازي بايد گاز تزريقي از سطح براي فرايند فرازآوري با گاز نيز در نظر گرفته شود. مدل چاه بايد يک مدل ترکيبي باشد تا قابليت نشان دادن تأثير تغيير ترکيب و دماي گاز تزريقي را با دقت مناسب داشته باشد. به اين منظور معادلات موازنه جرم، موازنه انرژي، موازنه مومنتم و تبخير آني به کار گرفته شدند تا يک مدل ترکيبي براي فرايند فرازآوري در چاه ارائه شود. در اين فصل معادلات حاکم بر سيستم چاه، روش هاي استفاده شده براي محاسبه خواص سيالات، مدل هاي در نظر گرفته شده براي تعيين رژيم جريان چند فازي توضيح داده خواهد شد.
3-2- مدل جريان چند فازي
3-2-1- پارامترهاي بنيادي جريان چند فازي
جريان چند فازي اصطلاحي است براي نشان دادن جريان چند سيال مختلف که به صورت همزمان و در تماس با يکديگر در يک محيط حرکت ميکنند. در صنعت نفت، جريانهاي چند فازي در سيستمهاي متفاوتي همچون محيط متخلخل مخزنهاي هيدروکربني، چاههاي توليدي نفت و گاز و خطوط لوله انتقال اتفاق ميفتند. در اين سيستم ها معمولاً سه فاز گاز، نفت و آب در مجاورت هم حضور دارند. به دليل تفاوت چشمگير خواص سيالات مختلف، محاسبات مربوط به اين سيستم ها بسيار پيچيده است. بنابر اين به عنوان يکي از اولين پيش نياز هاي محاسبات مربوط به جريان هاي چند فازي لازم است پارامتر هايي براي نشان دادن حجمي که هر فاز در سيستم اشغال ميکند و رابطه فاز ها با يکديگر تعريف شوند.
مهمترين معادله حاکم بر سيستم هاي چند فازي که براي محاسبه فشار در حالت پايدار24 استفاده ميشود، معادله مومنتم است که شکل کلي آن به صورت زير است:
(3-1) ?P/?z=(?P/?z)_E+(?P/?z)_F+(?P/?z)_A
جمله سمت چپ معادله نشان دهنده تغييرات فشار کل سيستم با تغيير ارتفاع است. در سمت راست جملات به تر تيب نشان دهنده تغييرات فشار سيستم با تغيير ارتفاع به دليل تغيير ارتفاع ستون سيالات ( (?P/?z)_E )، اصطکاک ( (?P/?z)_F ) و تغيير سرعت سيالات ( (?P/?z)_A ) است. اين معادله ميتواند به شکل زير نوشته شود:
(3-2) dP/dz=-(?_m g sin??+(2 ?_m f_m v_m^2)/d+?_m v_m (dv_m)/dz)
چگالي، سرعت و ضريب اصطکاک مخلوط سيالات به ترتيب با ?_m ، v_m و f_m نشان داده ميشوند. به اين ترتيب براي محاسبه افت فشار در سيستم لازم است خواص مخلوط از جمله چگالي مخلوط فاز ها را به دست آوريم. به اين منظور پارامتر پس ماند مايع25 (H_l ) به صورت حجمي از لوله که توسط مايع اشغال شده است تعريف ميشود. با استفاده از اين پارامتر ميتوان چگالي و ساير خواص مخلوط مايع و گاز را به دست آورد:
(3-3) ?_m=?_l H_l+?_g (1-H_l )
چگالي و گرانروي کمتر فاز گاز نسبت به فاز مايع باعث ميشود گاز در لوله سريع تر از مايع حرکت کند. به اين اختلاف سرعت بين فاز ها در يک سيستم دو فازي سرعت لغزش26 گفته ميشود.
(3-4)v_s=v_g-v_l
سرعت واقعي هر فاز برابر است با سرعت ظاهري آن فاز تقسيم بر سطح مقطعي از لوله که توسط آن فاز اشغال شده است. به عبارت ديگر:
(3-5) v_l=v_sl/H_l
(3-6) v_g=v_sg/H_g
طوري که H_g=1-H_l ، v_sl=Q_l/A_p و v_sg=Q_g/A_p .
در صورتي که لغزشي بين فازها وجود نداشته باشد، پس ماند مايع را ميتوان از نسبت جريان حجمي مايع به جريان حجمي کل به دست آورد. به پس ماند مايعي که از اين راه به دست ميآيد پس ماند مايع بدون لغزش27 ميگويند.
(3-7) ?_l=Q_l/(Q_l+Q_g )=Q_l/Q_m
لغزش بين فاز گاز و مايع و سرعت کمتر فاز چگال تر باعث ميشود پس ماند مايع در لوله افزايش پيدا کند. در سرعت هاي مختلف فاز ها جريان دو فازي شکل هاي مختلفي به خود ميگيرد که به آن رژيم جريان28 ميگويند. دانستن رژيم جريان براي



قیمت: تومان


پاسخ دهید