بررسي تكنولوژي ميدان هوشمند و مؤلفه هاي آن

مؤلفه هاي تكنولوژي ميدان هوشمند تاريخچه و الگوريتم عملكرد

همگام با ارتقاي سطح دانش فني در زمينه تكنولوژي هاي مرتبط با صنايع بالادستي نفت، درحال حاضر امكان به كارگيري تكنيك هاي پيشرفته حفاري و تكميل چاه هاي نفت و گاز به وجود آمده است به طوري كه امروزه امكان پياده سازي تكنيك هايي مثل حفاري چندگانه پيچيده، نصب تجهيزات پيشرفته درون چاه، اندازه گيري پيوسته دما، فشار و جريان سيالات و پردازش داده هاي مخزن فراهم شده است. به كارگيري اين تكنولوژي هاي جديد مي تواند منجر به بهبود مديريت هنگام بهره برداري از مخازن هيدروكربوري شود. به طور کلی تکنولوژی هوشمند را می توان در دو سطح چاه هوشمند و میدان هوشمند بررسی كرد. چاه هوشمند چاهي است که به ابزارهاي حسگر (Sensor) و شير کنترل هاي بازه اي درون چاهي (Interval Control Valve) مجهز شده است به طوري كه مي تواند ميزان جريان سيال استخراجي از قسمت هاي مختلف مخزن راکه به وسيله پکر(Packer) از هم جدا شده اند کنترل و تنظيم كند.

چگونگي بهر هبرداري از چا ههاي هوشمند با چاه هاي معمولي تفاوت دارد . در چاه هاي هوشمند باتوجه به اطلاعات حاصل از حسگرهاي نصب شده در درون چاه، نظارت و تفسير شرايط عملياتي نظير دما، فشار و جريان به طور مداوم صورت مي پذيرد. بدين ترتيب توانايي پايش شرايط چاه توسط اپراتور وجود دارد. همچنين در اين تكنولوژي براساس اطلاعات جمع آوري شده، امكان اعمال تصميمات بهنگام، به واسطه نصب سيستم كنترلي و شيرهاي كنترلي باز هاي موسوم به ICV براي بهينه كردن فرايند توليد يا تزريق وجود دارد.

در اين صورت دستيابي به شرايط عملياتي بهينه در هنگام توليد از يك چاه بدون نياز به عمليات مداخله در تولید (Intervention) امكا نپذير است. هدف از كنترل ناحيه اي جريان در يك چاه، با استفاده از شيرهاي ICV به حداكثر رساندن توليد نفت و يا به حداقل رساندن توليد سيالات ناخواسته نظير گاز و آب يا لحاظ كردن توأمان هر دو مورد به صورت هم زمان است . به طور كلي ارزش افزوده در چاه هاي هوشمند غالباً از طريق کاهش هزينه هاي مداخله در تولید، کمک‌ردن يا به تأخیر انداختن توليد سيالات ناخواسته، شتاب دادن به توليد سيالات دلخواه و همچنين قابليت انعطاف پذيري براي مواجهه با مشكلات عملياتي حاصل مي شود.

ميدان هوشمند : ميداني است خودكار كه به ابزارهاي ويژ هاي مجهز شده است و از افراد، تكنولوژي پايش از راه دور، مد لسازي و فرايندهاي كنترل از طريق روش هاي ايمن در يك فضاي همكاري استفاده مي كند. تا ارزش بهره برداري از ميدان نفتي يا گازي را بيشينه سازد . مقوله تكميل هوشمند به طور كلي شامل انجام مجموع هاي از فرايندهاي بنيادي است كه مديريت مخزن را به طور قابل ملاحظه اي بهبود مي بخشد. با توسعه مفهوم چاه هوشمند و به منظور ارتقاي مديريت و بهينه سازي مداوم عملكرد چا ههاي يك ميدان، ايده ميدان هوشمند مطرح شده است. ميدان هوشمند، تنها زماني به طور كامل تحقق م ييابد كه سه جز اصلي آن يعني تكنولوژي، فرايند و كادرمتخصص، به صورت يكپارچه سازماندهي شوند.

تکنولوژی : تکنولوژی شامل موارد مختلفی نظیر اندازه گیری، دورسنجی، تحليل مهندسی، مشاهده، کنترل اتوماتکی و توانایی یكپارچه سازی و اتوماسیون می باشد.

فرایند: فرایندهای کار، چگونگی انجام کاره است و با پیدا شدن تکنولوژی های جدید، فرایندها تغییر مي كنند . براي اجرای موفق هر تکنولوژی جدید، توجه به فرهنگ، ساختار، آموزش و فرایند کار ضروری می باشد.

کادر متخصص: منظور آموزش مهارت هاي لازم فني به كادر تخصصي به منظور استفاده در زمينه هاي مختلفی نظیر فرهنگ همکاری، ساختار سازمانی است. هسته اصلي ميدان هوشمند از تركيب تكنولوژي هاي چاه هوشمند، جمع آوري داده ها به صورت بهنگام، مد لكردن يكپارچه، سيستم كنترلي مناسب و مهارت هاي لازم به دست مي آيد كه منجر به بهينه سازي ، صرفه جويي در هزينه و بهبود بازيافت نهايي مي شود. كه در واقع با به كارگيري همه اين موارد با هم است كه اين تكنولوژي مي تواند ارزش افزوده نهايي ايجاد كند. (شكل 1)

شكل 1- اجزاي تشكيل دهنده ميدان هوشمند

موضوع ميدان هوشمند تنها منحصر به مقوله اتوماسيون نمي شود بلكه در واقع فراهم نمودن سه عنصر كليدي است كه براي عملكرد مؤثر هر سيستم ماشيني مورد نياز است: داده هاي قابل اعتماد، مجموعه ابزارهايي كه بتوانند اين داده ها را به اطلاعات مفيد تبديل كند و كادر متخصص و مشاوران عملياتي كه با استفاده از اين اطلاعات، تصميمات درست را اتخاذ نمايند. لازم به ذكر است، آنچه كه باعث هوشمند شدن يك چاه يا يك ميدان مي شود به خودي خود تكنولوژي جديدي نيست. بلكه در حقيقت اين موضوع، استفاده از رو شهاي ابتكاري ب همنظور تركيب تكنولوژي هاي موجود براي بهينه سازي بهره برداري و مديريت يك مخزن يا يك ميدان است. (شكل 2)

شكل 2- شماتيكي از يك چاه هوشمند واقع در ميدان هوشمند

تاريخچه تكنولوژي چاه هاي هوشمند در مخازن هيدروكربوري

زمينه استفاده از تکنولوژي چاه هوشمند از اواخر دهه 1980 با نصب حسگرهاي دما و فشار آغاز شد. شركت OTISاولين شركتي بوده كه پژوهش هايي در زمينه ابزارها و مفاهيم تكنولوژي چاه هوشمند انجام داده است. در سال 1985 اولين نوآوري علمي در زمينه اين تكنولوژي توسط اين شركت ثبت شده است. اين شركت در سال 1994 توسط شركت Halliburton خريداري شد. در سا لهاي ابتدايي دهه 90 با نصب حسگرهاي دايمي در ته چاه اين امکان فراهم گرديد که در هر لحظه شرايط فشار و دماي ته چاه کنترل شود و در واقع مفهوم پايش چاه ها نيز وارد عرصه صنعت شد. ورود حسگرهاي نوري تحولي در فناوری پايش چاه هاي نفت وگاز ايجاد کرد و جمع آوري داده ها با استفاده از حسگرهاي نوري به نحو چشمگيري افزايش يافت. در سال 1993 ، نصب اولين حسگر نوري دما / فشار درون چاهي توسط شرکت Weatherford انجام شد. در سال 1996 ، استفاده از اين تکنيک به چاه هاي فرا ساحلي نيز گسترش داده شد . در نوامبر 1994 ، شرکت PES براي اولين بار بررسي امکانسنجي تکميل چاه هوشمند را ارائه نمود . در اين امکان سنجي سيستم تحليل مديريت مخزن کنترل شده از سطح SCRAMSبود که بعدها به طور گسترده توسط شرکت هاي مختلف به کار گرفته شد كه در زمستان 1996 اين سيستم به طور آزمايشي توسط شرکت PES نصب گرديد و توجه شركت هاي بزرگ نفتي را به خود جلب كرد و از اين پس تكنولوژي چاه هوشمند با اين نام عرضه شد .

در سپتامبر 1997 اولين نصب سيستم هوشمند توسط شرکت هاي PES و Halliburton با سيستم SCRAMSدر ميدان SAGA در نروژ به منظور کنترل ميزان توليد گاز از لايه بالايي سازند انجام گرفت.

استفاده از تکنولوژي چاه هوشمند در سال 1998 بيشتر مورد توجه شركت هاي بزرگ نفتي و مؤسسات تحقيقاتي قرار گرفت وتوليد كننده هاي نفت تمايل به استفاده از اين فناوری در ميدان هاي نفت از خود نشان دادند. در اين سال شرکت Norsk Hydro اين فناوری را در ميدان Oseberg واقع در درياي شمال به کار گرفت. تجهيزات تکميل چاه هوشمند در چهار چاه اين ميدان نصب گرديد. منحني هاي توليد از اين چاه ها بهبود قابل ملاحظ هاي در برداشت از آنها را نشان دادند. همچنين نصب اولين حسگرهاي چندگانه فيبرنوري نيز در اين چاه ها انجام شد. در اين سال تکميل هوشمند چاه در ميدان ديگري واقع در مرز کشورهاي ايتاليا و آلباني تجربه شد . دراين ميدان به نام Aquila، دوچاه به صورت هوشمند تکميل شد. اين پروژه توسط شرکت نفتي ENI AGIPانجام گرفت و در آن از سيستم SCRAMS استفاده شد.

پس از انجام اين پروژه هاي صنعتي در زمينه چاه هاي هوشمند، مزاياي فني و اقتصادي آن به طور گسترده توسط مقالات فراوان معرفي شد و روند رو به رشدي در استفاده از اين فناوری آغاز گرديد به طوري که شرکت WellDynamicsبه عنوان يک شرکت پيشرو در ساخت و نصب تجهيزات هوشمند در آمار خود نصب تعداد 130 حلقه چاه هوشمند تا 31 اکتبر 2004 را اعلام كرد . بنا به اعلام اين شرکت، اين تعداد در تاريخ آخر جولاي 2005 به 155 حلقه رسيده است که تمايل کشورها و شرکت هاي مختلف به استفاده از اين فناوری را نشان مي دهد.

الگوريتم عملكرد مخازن هوشمند

تكنولوژي ميدان هوشمند يك جريان منطقي و روان از فعاليت هايي است كه منجر به حصول دانش از اطلاعات حاصل از داده هاي اخذ شده در سطح ميدان می شود . بنابراين داده هاي خام بايد مراحلي را طي كنند تا به دانش مفيد و مؤثر تبديل گردند و در واقع ميان پايش ميدان و تصميم گيري صحيح و بهنگام رابطه ايجاد شود. الگوريتم ها و اجزاي مرتبط با آن از جمله بخش هاي اساسي هستند كه بايد با توجه به ماهيت تكنولوژي ميدان هوشمند، ب هگون هاي طراحي شوند كه بتوانند فرايند هاي كنترل مخزن و بهينه سازي توليد را در بر گيرند و آنها را محقق سازند. در واقع الگوريتم ها مسير جريان هاي عملكردي چه در بخش محاسبات و چه در بخش سازما ندهي نيروها و ابزارهاي پيشرفته را مشخص مي كنند. در اين بخش سعي شده تا مروري بر مفاهيم الگوريتمي حاكم بر تكنولوژي مخزن هوش مند صورت گيرد.

مدار آرام و مدار سريع

در حالت كلي چگونگي عملكرد سيستم تكميل هوشمند را در دو سطح مي توان ارزيابي كرد:

سطح يك، مدار سريع كه هدف از آن افزايش توليد و بهينه سازي عملكرد در چاه است.

سطح دو، مدار آرام كه هدف از آن بهينه سازي مديريت در سطح ميدان است.

ميدان هوشمند مفهوم گسترده تري نسبت به چاه هوشمند است و بحث هاي نظري آن پس از سال 2000 ميلادي مورد توجه قرار گرفته است. (شكل 3)

شكل 3- مدار سريع و مدار آرام

در اينجا نحوه ارتباط و فعل و انفعالات دروني بين مدار سريع و آرام به خوبي نشان داده شده است . سه عنصر اصلي در مبحث ميدان هوشمند شامل تكنولوژي، كادر متخصص و فرايند است. با توجه به مزايای به كارگيري ميدان هوشمند، در حال حاضر شركت هاي نفتي، درحال توسعه مفهوم ميدان هوشمند هستند.

بستن مدار سريع، ممكن است از طريق انجام عمليات مداخله در فرايند توليد چاه يا عمليات تعمير چاه هوشمند صورت گيرد. تجهيزات چاه هوشمند عبارت است از هر وسيله اي که چاه را بدون عمليات مداخله در بهترين شرايط عملياتي آن قرار دهد. )نظير حسگرها و ساير ابزارهاي چاه هوشمند( چاه هوشمند همچنين مي تواند مواردي مانند فرازآوري مصنوعي را نيز شامل شود . در ادامه اين فصل توضيحات تكميلي در زمينه الگوريتم عملكرد سيستم كنترلي چاه هاي هوشمند ارائه مي شود.

سيستم كنترلي چاه هوشمند

هدف از كنترل ناحيه اي جريان با استفاده از شیرهای ICV حداكثر كردن توليد (يا ارزش افزوده) يا حداقل كردن توليد سيال ناخواسته و يا تركيب هر دو اين اهداف است. به طور كلي استراتژي فعال شدن عناصر كنترل نهايي توسط سيستم كنترلي در يك چاه هوشمند به دو صورت است:

كنترل واكنشي: تنظيم ICVها بعد از اينكه ورود سيال ناخواسته )مثل آب يا گاز( در توليد چاه مشاهده شود.

كنترل پيش گيرانه: تنظيم ICV ها براساس مدل مخزن به طوری که تنظیمات میتواند به مرور و قبل از اينكه ورود سيالات ناخواسته مثل آب يا گاز مشاهده شود، اعمال گردد.

اصولاً روش كنترل واكنشي روش ساده تري در مقايسه با كنترل پيشگيرانه است زيرا غالباً احتياجي به مدل مخزن ندارد. از اين رو در پروژه هاي زيادي به كار گرفته شده است. مديريت مخزن به روش كنترل پي گيرانه از طريق بهينه كردن عملكرد كل مخزن است که انتظار می رود ارزش افزوده بیشتری ایجاد مي شود. در مقايسه با كنترل واكنشي، كنترل پيش گيرانه نيازمند سطح دانش بالاتري در مورد مخزن است زيرا در اين روش نياز به كنترل بهينه فاصله جبهه گاز یا آب از دهانه چاه در طول زمان می باشد به گونه ای که كسر بیشتری از نفت درجاي مخزن از محدوده قابل استحصال، توسط چاه تولید شود . به عبارتي ديگر كنترل واكنشي از نوع سيستم كنترلي غيرمبتني بر مدل مخزن است و كنترل پيش گيرانه مبتني بر مدل مخزن است .دراين صورت علي رغم افزايش پيچيدگي در سيستم كنترلي پيشگيرانه، عملكرد كنترلر بهبود مي يابد. (شكل 4)

شكل 4- سيستم كنترلي واكنشي

شكل (5) نشان دهنده يك سيستم كنترلي پيشگيرانه از نوع مدل كنترلی پيش بينی کننده است. الگوريتم اين سيستم كنترلي به دو سطح كلي تقسيم مي شود: سطح تنظيم و سطح بهينه سازي. در جعبه كنترلر مي توان هر نوع الگوريتم هاي كنترلي مبتني بر مدل را جايگزين كرد. همچنين جعبه شناسايي سيستم مي تواند شامل طيف وسيعي از روش هاي ساده تا بسيار پيچيده را دربرگيرد.

شكل 5- سيستم كنترلي پيشگيرانه