روش هاي ازدياد برداشت از مخازن نفتي
روش هاي ازدياد برداشت از مخازن نفتي
از نكات قابل توجه در مديريت مخازن، اتخاذ روشهايي براي حفظ و صيانت مخزن، بالابردن راندمان توليد و سعي بر نگه داشتن آن در حد مطلوب در طول زمان ميباشد.
توليد اولية (طبيعي) نفت
مهمترين نيروهاي موجود در مخازن كه نفت به كمك آن بهطور طبيعي جريان مييابد، عبارتند از:
1- نيروي حاصل از فشار گاز حل شده در نفت
2- نيروي حاصل از فشار گاز جمعشده در قسمت بالاي كلاهك
3- فشار هيدرواستاتيك سفرة آب مخزن كه در زير ستون نفت قرار گرفته است
4- نيروي ديگري كه برخي مخازن داراي ستون نفت بسيار مرتفع براي توليد طبيعي از آن بهره ميبرند، نيروي ريزش ثقلي است.
سهم مشاركت هر يك از اين نيروها در رانش نفت متفاوت است و به وضعيت ساختماني و زمينشناسي سنگ مخزن و خواص فيزيكي و ترموديناميكي سيالهاي موجود در مخزن بستگي دارد. در مقابل اين نيروها، نيروهاي مخالفي سبب محبوس نگه داشتن يا ايجاد تنگنا در بازيابي نفت ميشوند كه مهمترين اين نيروها، نيروي فشار موئينگي سنگ مخزن و نيروي اصطكاك حاصل از حركت سيال در درون خلل و فرج سنگ مخزن تا ته چاه است. براي استحصال و بازيافت كامل نفت، بايد چنان نيرويي در اعماق مخزن وجود داشته باشد كه بتواند علاوه بر غلبه بر نيروهاي مخالف، موجب رانش نفت به سمت بالا گردد.
1- ازدياد برداشت
كاهش و افت نيروهاي موافق باعث ميشود تا بازيافت نهايي كم شود. به همين دليل از روشهايي تحت عنوان "روشهاي ازدياد برداشت" براي بالابردن توليد از مخزن نفتي استفاده ميشود. معمولا 30 درصد از نفت بهطور طبيعي از مخزن برداشت ميگردد و 70 درصد آن نيازمند بكارگيري برخي روشهاي ازدياد برداشت ميباشد.
روشهاي بهكار رفته جهت افزايش بازده عبارتند از :
1- تزريق گاز
2- تزريق آب
3- تزريق متناوب آب و گاز
4- روش حرارتي
5- تزريق فوم و ژلهاي پليمري
6- استفاده از مواد شيميايي كاهشدهندة نيروي كشش سطحي
7- استفاده از روش ميكروبي(M.E.O.R.)
3-1- تزريق گاز
روش تزريق گاز به دو صورت امتزاجي و غيرامتزاجي صورت ميگيرد. در روش امتزاجي، گاز طبيعي با افزودن تركيبات هيدروكربني مياني تا غني ميشود؛ بهطوري كه بخش غنيشدة گاز تزريقي كه در ابتداي كار تزريق ميگردد، با نفت مخزن امتزاج يافته و آن را از درون خلل و فرج سنگ مخزن به طرف چاههاي توليدي هدايت ميكند. راندمان افزايش بازيافت در اين روش، بيشترين درصد را به خود اختصاص ميدهد و اگر سنگ مخزن داراي خواص همگن و يكدست و تراوايي آن نيز مناسب باشد، به 65 تا 75 درصد حجم نفت باقيمانده، ميتوان دست يافت.
در روش غير امتزاجي، گاز به مخازن نفتي تزريق ميگردد كه اين تزريق نسبتاً ارزان است و در تعدادي از مخازن نفتخيز خشكي و دريايي ايران اعمال ميگردد. در اين روش، گاز تزريقي در قسمت بالاي مخزن متراكم ميشود و فشار مخازن را افزايش ميدهد و حركت نفت را سهولت ميبخشد.
بايد توجه داشت كه لزومي ندارد گاز تزريقي حتما از نوع تركيبات هيدروكربني باشد. در كشورهاي صنعتي، از گازهاي خروجي از تاسيسات بزرگ صنعتي كه بخش اعظم آن را دياكسيدكربن تشكيل ميدهد، براي تزريق استفاده ميشود. در اين روش، حتي راندمان بالاتر از تزريق گازهاي هيدروكربني است و فوايد زيستمحيطي نيز در پي دارد.
3-2- تزريق آب
روش تزريق آب در بين روش هاي تزريق سيال به مخزن، روشي بسيار مهم و شناخته شده است و مي تواند در صورت انجام موفقيت آميز، برداشت از مخزن را افزايش دهد. رواج استفاده از اين روش به خاطر عوامل زير است:
1) قابل دسترس بودن و ارزان بودن آب
2) سادگي روش تزريق آب به داخل مخزن از طريق چاه
3) توانايي جريان آب در محيط متخلخل حاوي نفت
4) توانايي آب در جاروب كردن نفت
5) گرماي ويژه بالاي آب
موفقيت فرآيند تزريق آب از نقطه نظر صنعتي به مشخصات مخزن و مشخصات سيال مخزن بر مي گردد.
3-3- تزريق آب و گاز:
تزريق متناوب آب و گاز
اولين فرآيند تزريق متناوب آب و گاز در سال1957 در كانادا و بعد از آن در درياي شمال گزارش شده است. ميزان متداول افزايش بازيافت نفت از يك مخزن توسط اين فرآيند بين15 تا20 درصد نفت در جاي مخزن مي باشد. در فرآيند تزريق متناوب، آب و گاز بصورت پي در پي تزريق مي شوند بدين معني كه يك توده گاز بعد از يك توده آب تزريق مي شود.
طبقه بندي پروسه هاي تزريق متناوب آب و گاز شامل تزريق متناوب آب و گاز امتزاج پذير، امتزاج ناپذير، مركب و انواع ديگر آن تزريق همزمان آب و گاز و تزريق متناوب آب و بخار است.
اما اين روش نيز مانند روش هاي ديگر داراي مشكلات عملياتي است كه بايد به آن توجه شود، اين مشكلات شامل كاهش حجم سيال تزريقي و به تبع آن افت فشار مخزن، خوردگي تجهيزات به سبب جريان گاز، پوسته پوسته و پولكي شدن ساختار، به وجود آمدن رسوبات آسفالتين و هيدراته و دماهاي متفاوت فازهاي تزريقي مي باشد.
شبيه سازي مخازن، استفاده از يك مدل كامپيوتري براي حل مسائل علمي است و روش مناسبي جهت مطالعه مخزن، مكانيسم هاي مختلف موجود در آن، مشخص كردن خصوصيات سنگ و سيال، برآورد و به حداقل رساندن ريسك براي توسعه مخزن و پيش بيني كارآيي مخزن در آينده مي باشد.
داده هاي مورد نياز براي آغاز يك عمليات شبيه سازي شامل خواص سيال، مشخصات و خواص سنگ و سيستم اطلاعات توليد، اطلاعات چاه و تكميل چاه و اطلاعات و داده هاي آناليز اقتصادي است.
3-4- روش حرارتي:
روشهاي حرارتي که در فصل بعد بیشتر شرح داده می شود ، معمولاً در بهره برداري از مخازني كه نفت آنها نسبتا سنگين است، به كار برده ميشود و براي نفت خام با شاخص API بين 10 تا 20 كاربرد دارد. حرارتدادن به منظور كاستن گرانروي شامل تزريق آب داغ يا بخار به درون مخزن و يا ايجاد حرارت به كمك انرژي الكتريكي ميباشد.
3-5 و 3-6- روش تزريق مواد شيميايي و يا فوم:
اين روش به منظور كاهش نيروي كشش سطحي بين سنگ و سيال، با تنظيم نسبت تراوايي به گرانروي نفت مخزن, مورد استفاده قرار ميگيرد. استفاده از روش تزريق فوم و مواد شيميايي، به طور مثال در برخي از ميادين نروژ به صورت آزمايشي با موفقيت انجام پذيرفته است.
كاربرد ژل در ازدياد برداشت نفت
توليد نفت از مخازن نفت در سه مرحله انجام ميشود:
1) برداشت اوليه نفت (Primary Oil Recovery)
2) برداشت ثانويه نفت (Secondary Oil Recovery)
3) مرحله سوم برداشت نفت (Tertiary Oil Recovery)
در برداشت اوّليه نفت، از انرژي خود مخزن براي توليد نفت استفاده ميشود. البته اين بدان معنا نيست كه اگر نفت خودبهخود به سطح زمين نيايد، برداشت اوليه وجود نخواهد داشت؛ بلكه وقتي از پمپ براي بالا آوردن نفت استفاده ميكنيم، در واقع هنوز در مرحلة اول برداشت نفت قرار داريم. در اين مرحله، انرژي خاصي وارد مخزن نميشود.
وقتي مخزن تخليه شد و ما نتوانستيم نفت را حتي با پمپاژ از مخزن به چاه و از چاه به سطح زمين انتقال دهيم، در اين صورت استفاده از روش EOR از نوع بازيافت ثانويه شروع ميشود كه براي استفاده از اين روش، امروزه در دنيا روش تزريق آب مرسوم ميباشد. در اين روش، از چاه تزريقي، آب به مخزن تزريق ميشود و از چاه بهرهبرداري، نفت مورد بهرهبرداري قرار ميگيرد. در اين روش، ما با تزريق سيال در سيستم مخزن مداخله ميكنيم و سيال تزريقي، نفت را به طرف چاه توليدي هدايت ميكند. البته به جاي آب، ميتوان گاز نيز تزريق كرد كه به آن فرايند تزريق گاز ميگويند. بايد توجه داشت كه استفاده از اين دو روش تزريقي، با تزريق آب يا گازي كه به منظور حفظ و نگهداري فشار مخزن انجام ميگيرد، متفاوت است. چرا كه در تزريق آب و گاز براي حفظ فشار مخزن، سيال تزريقي باعث حركت نفت نميشود، بلكه از افت سريع فشار مخزن در اثر بهرهبرداري جلوگيري ميكند و در واقع اين روش، همان روش برداشت اوليه ميباشد.
در حالت ثانوية برداشت، زماني فرا ميرسد كه ما ضمن تزريق آب به مخزن، در چاه توليدي با توليد آب مواجه ميشويم. در اين حالت، چون نسبت آب به نفت زياد ميشود و توليد به اين صورت بازده اقتصادي ندارد، بايد از روشهاي ديگري براي افزايش برداشت بهره بگيريم. اگر تزريق آب را متوقف كنيم و از فرآيندهاي ديگري نظير تزريق گاز استفاده كنيم، به اين گونه فرآيندها، مرحلة سوم برداشت نفت (Tertiary Oil Recovery) ميگويند.
گفتني است كه مراحل برداشت نفت را به گونهاي ديگر نيز ميتوان تقسيمبندي كرد؛ يعني بهجاي اينكه بگوييم مرحلة اول، دوم يا سوم، ميتوانيم بگوييم مرحلة Primary Recovery، مرحلة Improved Oil Recovery يا IOR و مرحلة EOR يا Enhanced oil Recovery .
برداشت بهبود يافته يا IOR فرآيندي است كه براي تعديلكردن تكنولوژيهاي مورد استفاده براي افزايش برداشت بكار ميرود. حال اين فرايند ميتواند در مرحلة اول توليد انجام شود يا در مراحل دوم و سوم. تكنولوژيهايي چون حفاري افقي يا مشبككاري انتخابي و يا تزريق ژل درجا ( Insitu gellation )، از نوع IOR ميباشند. بنابراين در IOR ، فرآيند توليد عوض نميشود، بلكه تكنولوژي بهگونهاي تعديل ميشود كه با همان فرآيند قبلي، نفت بيشتري از مخزن توليد گردد. در حاليكه ازدياد برداشت يا EOR به فرآيندي اطلاق ميشود كه در آن سعي ميشود تا ميزان درصد اشباع نفت باقيمانده تا آنجا كه ممكن است پايين بيايد و نفت باقيمانده در مخزن به حداقل ممكن برسد. فرآيندهايي چون سيلابزني شيميايي، تزريق و احتراق در جا از اين قبيل ميباشند.
بعد از عمليات تزريق آب، ميتوان فرآيند را تغيير داد كه توضيحات لازم در مورد اين فرايند داده شد. روش ديگر اين است كه عمليات تزريق آب را تعديل كنيم. بدين منظور در لايههاي با خاصيت گذردهي متفاوت، آب وارد لايههاي با خاصيت گذردهي بالا شده و به سمت چاه توليدي هدايت ميگردد؛ لذا بايد كاري كرد كه اين لايهها بسته شوند. اين كار با تزريق ژل در لاية مورد نظر صورت ميگيرد.
اين پروژه با موفقيت در دانشگاه كانزاس و بر روي مخازن ايالت كانزاس انجام شده است. ژل حالتي است بين مايع و جامد كه خصوصيات هر دو را دارا ميباشد و داراي ويسكوزيتة خيلي بالا و قابليت حركت پايين است. وقتي در منطقهاي تزريق ژل انجام ميدهيم، آب از آن محل عبور نميكند و از جايي كه نفت آن هنوز توليد نشده است، عبور ميكند و ما به اين صورت توليد بيشتري خواهيم داشت.
پروژة تزريق ژل، يكي از پروژههايي است كه چندين سال است كه در دانشگاه كانزاس روي آن كار ميشود. بهطوريكه خود من (دكتر وثوقي) در اين ارتباط، يك نوع پليمر كشف كردم. اين پليمر خاصيت جالبي دارد؛ يعني موقعي كه ميخواهيم ژل درست كنيم، يك يون فلزي را (يون كروميوم يا آلومينيم يا آهن) به عنوان متصلكننده در مولكول بهكار ميبريم و يك ساختار سه بعدي را ايجاد ميكنيم كه وقتي آب در داخل اين ساختار به تله ميافتد، خاصيت ژلي ايجاد ميشود. ولي پليمر جديد، ديگر نيازي به يون فلزي ندارد (يونهاي فلزي سنگين بهخصوص يون كروميم خاصيت سمي داشته و بر روي مخازن آب زيرزميني اثر سوء دارد) و خودبخود به ژل تبديل ميشود. اين تبديل با تغيير PH صورت ميگيرد؛ يعني با افزايش غلظت H و پائين آمدن PH، پليمر به ژل تبديل ميگردد و با بالا رفتن PH با افزودن آمونياك NaOH، ژل ساختار سه بعدي خود را از دست داده و تبديل به آب ميشود.
اين روش در تزريق نيز كاربرد عمدهاي دارد. وقتي وارد آب است، PH پايين ميآيد و اگر اين پليمر در آن منطقه باشد، بهصورت ژل بسته ميشود و ديگر نيازي به افزودن مواد ديگر نيست.
هزينة افزايش برداشت با تزريق ژل بسيار كم ميباشد، بهطوريكه حتي اگر قيمت نفت به 10 دلار هم كاهش يابد، باز اعمال اين روش مقرون به صرفه خواهد بود و اين از امتيازات بارز اين روش محسوب ميشود.
3-7- روش ميكروبي
استفاده از ميكروبها جهت توليد گاز به منظور افزايش بازده و يا دفع موادي كه باعث كاهش غلظت و گرانروي نفت و انتقال آسان آن به سمت چاههاي توليدي ميشود، تحت روشي به نام MEOR انجام ميشود. روشهاي ميكروبي از روشهاي نوين افزايش بازده ذخاير به شمار ميرود كه اين روش از جنبههاي نوين كاربرد علوم بيوتكنولوژي در صنعت نفت ميباشد.
طبق بررسيهاي انجام شده، متوسط سرعت كاهش توليد طبيعي از مخازن مناطق خشكي در كشور معادل 9 تا 11 درصد در سال است.
بدينترتيب براي حفظ سطح توليد، بايد در هر سال تعدادي چاه جديد حفر نمود كه اين امر با توجه به هزينة بالاي حفر هر چاه منطقي بهنظر نميرسد. در نتيجه ميبايد اين كاهش را با بازيافت ثانويه و بهكارگيري روشهاي مناسب ازدياد برداشت جبران نمود.
قبل از بهكارگيري اين روش، بايد مطالعات دقيقي بر روي مخزن صورت بپذيرد و سپس با توجه به نوع مخزن، روش مناسب برداشت آن به كار برده شود.
حدود 90 درصد از مخازن ايران از نوع شكافدار هستند و استخراج ثانويه از اين مخازن كمتر از 30 درصد است. مخازن شكافدار عمدتاً مربوط به خشكي است و برخي از مخازن دريايي مانند جزيرة سيري، مخازن شني هستند. با توجه به وجود مخازن گازي زياد در كشور، ميتوان از گاز براي ازدياد برداشت از چاههاي نفت سود جست.
همچنين تزريق گاز به مخازن بايد حساب شده باشد، زيرا در غير اين صورت، تعادل ديناميكي چاه به هم ميخورد و اگر تزريق گاز بهدرستي انجام نشود، ممكن است باعث رسوب مواد قيري و بستهشدن خللوفرج گردد. در صورت اتفاق اين امر، مخازن براي هميشه غير قابل استفاده خواهند شد.
در مورد روش تزريق آب به مخزن نيز بايد در استفاده از اين روش كمال احتياط را به كار برد. برخي كارشناسان اعتقاد دارند، بازده اين روش مطلوب نيست، زيرا راندمان كار نهايتاً 35 درصد ميباشد و اولويت در استفاده از روش تزريق گاز خواهد بود. تزريق آب بيشتر براي مخازن شني كاربرد دارد و براي مخازن نفتي كشور كه عمدتا شكافدار هستند نبايد مورد استفاده قرار گيرد.
استفاده از مواد شيميايي كاهشدهندة نيروي كشش سطحي به عنوان موضوعي با مخاطرات زياد، ولي با ظرفيت فني بالقوه بالا مطرح است. اگر چه مطالعات زيادي در جهان انجام پذيرفته است، ولي با توجه به شرايط كنوني قيمت نفت، استفاده از برخي مواد شيميايي غير اقتصادي ميباشد.
روش ميكروبي از نظر فني نياز به رشد بيشتر و طي مراحل تكميلي خود دارد، اما در آينده به عنوان يك روش تاثيرگذار مطرح است. روش ميكروبي درآينده از لحاظ هزينه اي، ميتواند قابل رقابت با ساير روشها باشد.