بهینه سازی تولید در چاههای نفت و گاز

مقدمه:

جابجایی و انتقال سیالات نفت وگاز نیازمند انرژی برای غلبه بر تلفات اصطکاکی درون سیستم و بالا آوردن محصولات به سطح است. سیال باید از مسیر مخزن، چاه و سیستم خطوط لوله حرکت کرده و نهایتا به جداسازها برای جدا شدن نفت و گاز جریان یابد. سیستم تولید می‌تواند نسبتا ساده و یا شامل اجزای زیادی باشد که هرکدام از آنها تلفات انرژی و افت فشار داشته باشند. به عنوان مثال نمودار یک سیستم پیچیده تولید و تعدادی از اجزایی که در آنها افت فشار رخ می‌دهد در شکل (١-١) نشان داده شده است.

افت فشار در کل سیستم در هر زمان برابر اختلاف فشار اولیه سیال و فشار نهایی سیال خواهد بود. این افت فشار مجموع افت فشار ایجاد شده در تمام اجزاء سیستم است. از آنجا که افت فشار در هر قسمت با تغییرات دبی تغییر می‌کند، می‌توان گفت دبی تولیدی به وسیله تمام اجزاء درون سیستم کنترل می‌شود. انتخاب نوع و اندازه هر یک از اجزاء مهم است و به دلیل میزان اثر متقابل اجزا، تغییر در افت فشار یکی از قسمتها، رفتار افت فشار بقیه اجزاء  تغییر می‌کند. این به دلیل تراکم پذیر بودن سیال است. بنابراین افت فشار یک قسمت نه تنها به دبی تولید از این قسمتها، بلکه به فشار میانگین تمام اجزاء بستگی دارد.

طراحی نهایی سیستم تولید نمی‌تواند از عملکرد مخزن و عملکرد لوله‌ها جدا باشد و به صورت مستقل مورد بررسی قرار گیرد. میزان نفت و گاز جریان یافته از مخزن به سمت چاه به افت فشار درون سیستم لوله‌ها بستگی دارد و افت فشار درون سیستم به میزان جریان سیال درون آن بستگی دارد.

دبی تولید و توانایی تولید هر چاه ممکن است به شدت با عملکرد یکی از اجزاء درون این سیستم محدود شده باشد. در صورتی که بتوان اثر هر قسمت را بر عملکرد کل سیستم به طور مجزا بررسی کرد، می‌توان عملکرد کلی سیستم را به اقتصادی‌ترین حالت بهینه‌سازی کرد. تجربیات گذشته نشان داده است در برخی موارد هزینه‌های بسیار زیادی برای انگیزش سازندهایی به هدر رفته است که در واقع عامل محدودکننده ظرفیت تولید چاه در آنها نامناسب بودن لوله مغزی و خط لوله آن است. یک مثال دیگر برای خطا در طراحی تکمیل نصب لوله مغزی با قطر بیش زیاد است. این مسئله معمولا در چاههایی رخ می‌دهد که انتظار می‌رود با دبی بالا تولید کنند که نشان داده خواهد شد در این مورد نه تنها هزینه زیادی به دلیل تجهیزات با اندازه بزرگ به هدر می‌رود، بلکه بزرگی بیش از حد لوله مغزی موجب کاهش دبی جریان چاه نیز خواهد شد. این امر می‌تواند سبب پر و گرفته شدن چاه با مایع و حتی کشته شدن آن شود که نصب سریع تجهیزات فرازآوری مصنوعی و یا کمپرسور را ضروری می‌کند.

یک روش برای تجزیه و تحلیل یک چاه که امکان تعیین ظرفیت تولید برای هر ترکیب اجزاء در بخش مربوط به جریانی توضیح داده شده است. این روش می‌تواند برای تعیین محلی که مقاومت اضافی در برابر جریان وجود دارد و یا برای تعیین افت فشار در هر قسمت از سیستم استفاده شود. در این روش تاثیر تغییر در قسمت از سیستم تولید بر عملکرد کلی چاه می‌تواند به آسانی مشخص شود. شکل (١- ١) افت فشارهای درون سیستم بهره‌برداری.

رویکرد تجزیه و تحلیل سیستم:

رویکرد تجزیه و تحلیل سیستم که معمولا " آنالیز گره‌ای " نیز نامیده می‌شود، از سالهای گذشته برای آنالیز عملکرد سیستمهای تشکیل شده از اجزا مختلف به کار گرفته شده است. سیستمهای مختلفی از جمله مدارهای الکتریکی و شبکه‌های پیچیده خطوط لوله به این روش آنالیز می‌شوند. استفاده از این روش در سیستم چاههای تولیدی اولین بار در سال ١٩٥٤ توسط گیلبرت مطرح شد و توسط نیند در سال ١٩٦٤ و Brown در سال ١٩٧٨ مورد بررسی قرار گرفت. روند آن شامل انتخاب یک نقطه تقسیم‌بندی و یا گره در چاه و تقسیم‌بندی سیستم در این نقطه است. محل معمول‌ترین نقاط انتخاب گره در شکل (١-٢) نشان داده شده است.

شکل (١- ٢) محل قرار گرفتن گرههای مختلف.

قسمت جریان ورودی شامل تمام اجزاء بالا دستی گره و قسمت جریان خروجی  شامل تمام اجزاء پایین دستی گره است. رابطه‌ای بین دبی جریان و افت فشار باید برای هر قسمت از سیستم موجود باشد. دبی سیال درون سیستم قابل محاسبه است در صورتی که شرایط زیر برقرار باشد: 

١- جریان ورودی به گره برابر جریان خروجی از گره باشد.

٢- در هر گره فقط یک فشار وجود داشته باشد.

در یک زمان مشخص از عمر مخزن، همواره دو فشار وجود دارد که ثابت می‌ماند و تابعی از دبی جریان نیست. یکی از این فشارها فشار میانگین مخزن  است و دیگری فشار خروجی سیستم است. فشار خروجی معمولا فشار جداساز Psep است اما در صورتی که چاه با یک کاهنده سطحی کنترل شود، فشار خروجی ثابت می‌تواند فشار سرچاهی انتخاب Pwh شود. زمانی که گره انتخاب شد، فشار گره از هر دو سمت با شروع از فشارهای ثابت محاسبه می‌شود.

افت فشار ، در همه اجزاء سیستم با تغییرات دبی جریان تغییر می‌کند. بنابراین نمودار فشار گره بر حسب دبی جریان دو منحنی ایجاد می‌کند که نقطه تقاطع آنها شرایطی است که شروط ا و ٢ که قبلا ذکر شد در آن برقرار است. شکل (١-٣) به صورت شماتیک این شرایط را نشان می‌دهد.

شکل (١- ٣) تعیین ظرفیت جریان.

اثر تغییر در هر کدام از اجزاء با محاسبه دوباره فشار گره بر حسب دبی تولید با استفاده از مشخصات جدید قسمتی که تغییر کرده، قابل تجزیه و تحلیل است. اگر تغییری در یکی از اجزاء بالا دستی ایجاد شود، نمودار جریان خروجی ثابت باقی می‌ماند.

به هر حال اگر تغییری در هر کدام از نمودارها ایجاد شود، محل تقاطع آنها تغییر می‌کند و ظرفیت تولید و فشار عوض خواهد شد. همچنین در حالتی که فشارهای ثابت تغییر کنند نمودارها جابجا خواهند شد که این حالت در صورت تخلیه و افت فشار مخزن و یا تغییر در شرایط جداسازها به وجود خواهد آمد. شکل (١-٤) یک سیستم ساده تولید با انتخاب گره در سر چاه را نشان می‌دهد.

شکل (١- ٤) شمای یک سیستم ساده تولید.

تاثیر تغییر در اندازه لوله مغزی بر ظرفیت تولید در شکل (١-٥) و تاثیر تغییر در اندازه خطوط لوله در شکل (١-٦) نشان داده شده است. در یک دبی ثابت، اثر افزایش قطر لوله مغزی تا زمانی که قطر آن خیلی بزرگ نباشد، در جهت افزایش فشار گره یا فشار سر چاهی است. زیرا افت فشار درون لوله مغزی کاهش خواهد یافت که نمودار جریان ورودی را به سمت بالا و نقطه تلاقی دو نمودار را به سمت راست جابجا می‌کند.

شکل (١- ٥) تاثیر اندازه لوله مغزی.

شکل (١- ٦) تاثیر اندازه خط لوله.

خطوط لوله با قطر بیشتر افت فشار درون خط لوله را کاهش داده و نمودار جریان خروجی را به سمت پایین و محل برخورد دو نمودار را به سمت به سمت راست جابجا می‌کند. تاثیر تغییر در هر کدام از اجزاء سیستم به همین شکل به طور مجزا قابل بررسی است. همچنین اثر افت فشار مخزن و تغییر در فشار جداسازها می‌تواند تعیین شود.

یک روند معمول در آنالیز گره‌ای، انتخاب گره بین مخزن و لوله درون چاه است که در شکل (١-٢) توسط نقطه ٦ نشان داده شده و فشار گره در آن pwf است. انتخاب گره در این نقطه در واقع چاه را به دو بخش تقسیم می‌کند: قسمت مخزن و قسمت لوله درون چاه. بنابراین جریان ورودی و جریان خروجی برای این سیستم ساده به شکل زیر تعریف می‌شود:

شکل (١-٧) تاثیر تغییر در اندازه لوله مغزی درون چاه بر ظرفیت تولیدی کل سیستم با فشار گره pwf را نشان می‌دهد. یک سیستم تولیدی می‌تواند با انتخاب ترکیبی از مشخصات اجزاء که حداکثر دبی تولیدی با کمترین هزینه را می‌دهد، بهینه‌سازی شود. گرچه افت فشار کلی درون سیستم، معمولا در یک زمان خاص ثابت است، اما ظرفیت تولیدی کل سیستم به این‌که افت فشار در چه مرحله‌ای در سیستم رخ داده است نیز بستگی دارد. اگر افت فشار زیادی در یکی از بخشها ایجاد شود، ممکن است افت فشار کافی برای عملکرد مناسب بقیه قسمتها باقی نماند.

شکل (١- ٧) تاثیر اندازه لوله مغزی.