بازیافت نفت به روش تزریق بخار در مخازن نفت سنگین کربناته

یازیافت نفت به روش تزریق بخار در مخازن نفت سنگین کربناته

نفت سنگين موجود در مخازن كربناته که اكثراً دچار شكست شده يك منبع محسوب می شود كه يك سوم كل نفت سنگين دنيا را شامل مي شود. بسياري از مخازن دچار شكست شده در خاورميانه، شوروي سابق و كانادا نمونه هایی براي بهبود نفت سنگين گرمايي می باشد. اخیرا فرآيندهايي مثل تزريق بخار يا ساير روش هاي بهبود گرمايي براي بهبود نفت سنگین (اصلاح) از مخازن بدون شكست براي مخازن داراي شكست به كار می رود .

با اين وجود نتايج آزمايش هاي تئوري و پيلوت ، عملي بودن بهبود نفت سنگین را از مخازن دچار شكست شده، با استفاده از تزريق بخار نشان مي دهد. مخازن كربناته دچار شكست شده يك هدف منحصر به فرد را براي به كارگيري تكنولوژي اصلاح نفت تقويت شده ارائه مي دهد.

فعاليت هاي مربوطه در همين زمينه كه در اروپا انجام شده نشان مي دهد كه تزريق بخار در كربنات هاي دچار شكست شده ممكن است پتانسيل اقتصادي داشته باشد. كليد موفقيت راهي است كه در آن كارهاي مربوط به هدايت گرمايي براي غلبه بر متجانس بودن مخازن عمل

می كند. مطالعات شبيه سازي نشان داده است كه ميزان اصلاح نفت تقويت شده است.

آزاد سازي دی اکسید کربن (CO₂ ) از طريق تزريق بخار در مخازن كربنات مي تواند سبب اصلاح نفت تقويت شده‌ي قابل توجهي شود كه در بسياري از آزمايش ها و پروژه ‌هاي پيلوت شود.

مفاهيم بنيادي

(A تأثيرات فاكتورهاي مختلف بر تغيير شيمي گرمايي نفت خام و سنگ مخازن:

گرمادهي مخزن مي تواند منجر به دو نوع از واكنش هاي شيميايي شود:

1-پيروليسيس

2-اكسيد شدن

اولين گروه عكسل‌العمل ها با گرما دادن در حضور يك گاز بي اثر و حضور يا غياب فاز آبي روی می دهد. گروه دوم در حضور اكسيژن در فاز گازي و بر روي سطح جامدات اتفاق مي افتد. از آنجايي كه هيچ اكسيژني در فرآيند تزريق بخار وجود ندارد به استثناي شرايطي كه در آن هوا با بخار به درون مخزن تزريق مي شود براي اصلاح و بهبود فرآيند تزريق بخارروش هایی پیشنهاد شده است، واكنش هاي پيروليسيس محتمل ترين واكنش ها كه از طریق تزریق بخار در یک مخزن اتفاق مي افتد می باشد. اين واكنش ها به سه دسته تقسيم می شوند:

1-ترك برداشتن: شامل گسيختگي پيوندهاي کربن وکربن (C-C) و تشكيل نفت به مولكول هايي با وزن هاي مولكولي كمتر می باشد .

2-دي هيدروژن كردن: در اين نوع واكنش ها تعداد اتم هاي كربن بدون تغيير باقي مي مانند، تنها پيوندهاي کربن و هیدروژن( C-H )تخريب مي شوند و هيدروكربن هاي غير اشباع تشكيل مي شوند:

-انقباض: انقباض بين دو هيدروكربن منجر به تشكيل يك مولكول با يك وزن مولكولي بالاتر مي شود وقتي كه واكنش دهنده ها، الكن ها آنكنزها هستند، انقباض اغلب منجر به تشكيل تركيب هاي اتمي مي شود.

در يك طبقه بندي ديگر می شود واكنش هاي پروليسيس را به واكنش‌هاي ويس بركينگvibreaking و ترك برداشتن با در نظر گرفتن ابقاء محصولات در فاز مايع يا در فاز گاز جامد تقسیم بندی کرد. فاكتورها و شرايطي كه واكنش هاي پروليسيس را تحت تأثير قرار

مي دهند به صورت زير بیان مي شوند:

تأثير دما

دما تأثير زیادی‌ بر تعيين نوع واكنش دارد .واكنش هايي كه در دماي پايين (Cْ 350<) اتفاق

مي افتد به عنوان ويس بريكينگ در نظر گرفته مي شود در حاليكه واكنش هايي كه در دماي بالا اتفاق مي افتد ترك برداري ناميده می شود. اصطلاح ويس بريكينگ ،كاهش گرانروی نفت را نشان مي دهد. اين نوع واكنش ها با تشكيل محصولات واكنش و ابقاء آن ها در فاز مايع مشخص و تعريف مي شوندو بيان گرآن است كه توليد گاز و جامد حداقل است و در هر دو تكنيك هاي اصلاح گرمايي اتفاق مي افتد مثلاً در تزريق بخار. واكنش هاي ويس بريكينگ در دماهاي نسبتاً بالا و زمان هاي تماس كوتاه اتفاق مي افتد .

ترك برداشتن در دماهي بالاتر از C ْ260 آغاز مي شود و توليد جامدات و گازها در طول دما هاي بالاتر از 350 درجه قابل توجه است. نظير اين دماهاي بالا بيشتر در احتراق in- situ در ناحيه‌ي دسته بندي- كك اتفاق مي افتد. يك عامل ديگر كه بر ميزان گاز و جامد در محصولات در طول واكنش هاي با دماي بالا تأثير مي گذارد تركيب نفت است. کاهش وزن در دماي كمتر ازْ 260 درجه سانتیگراد بسیار کم است و به ميزان قابل توجهي در دماي بالاتر از 350 درجه سانتیگرادْ افزايش وزن مي یابد. و غالب بودن واكنش هاي ترك برداري را نشان مي دهد. همچنين هيدروكربن هاي سبكتر در مقایسه با هیدروکربن های سنگین تر دماي بالاتري براي ترك برداشتن لازم دارند .

تأثير فاز مايع

آب در حالت (فاز) مايع يا بخار مي تواند در واكنش هاي پيروليسيس شركت داشته باشد چنين واكنش هايي اكواترمولييس ناميده مي شوند و مي توانند منبع سولفید هیدروژن(H₂S )ودی اکسید کربن (CO₂ )باشند كه به صورت كارآمد و مفيدي در عملكردهاي زمينه اي اصلاح گرمايي ويژه توليد مي شود.

تأثير ماتريس مواد معدني

ماتريس مواد معدني سازند با گرمايي كه در فرآيندهاي اصلاح گرمايي فراهم مي شود تغيير داده می شود. همچنين مي تواند با واكنش ها یی که به صورت تأثير كاتاليزوري بر ترك برداري نفت يا واكنش‌پذيري آب در مقابل نفت می باشند تداخل پیدا کنند .عموماً، گرمادهي ماتريس مواد معدني مي تواند منجر به دو تأثير اساسي شود:

1- كربنات هاي معدني مثل دولوميت وسيدريت (Feco₃ ( ومگنتيت( Mgco₃ )ميزان بالايي از دی اکسید کربن (CO₂ ) را بر اساس گرمادهي تولید می کنند .

2-تأثيرات ماتريسي معدني بر ترك برداري:

مواد معدني رسي يك تأثير كاتاليزوري بر واكنش هاي ترك برداري بويژه بر روي تشكيل كك دارد. به علاوه رس ها به ميزان زيادي با سطح كلي در دسترس برخي فلزات در ارتباط هستند. مرحله‌ي تغيير ممكن است يك تأثير كاتاليزوري داشته باشد بطوري كه ميزان كك توليد شده از نفت خام در واسطه‌ متخلخل بالاتر از ميزان توليد شده از حرارت دادن نفت خام در يك بافت است. به علاوه حضور يك ماده معدني در واكنش هايي كه آب در آن است را ترفيع مي دهد و تفاوت در واكنش‌پذيري بين نفت هاي خام را كاهش می دهد.

3-تأثير تركيب نفت:

ميزان كك مي تواند مرتبط با واكنش پذيري گرمايي نفت باشد كه تحت تأثير تركيب زمين شناختي نفت است.برعكس، تركيب كك تعيين شده ، تحليل عوامل و طيف شناسي فراسرخ، وابسته به دمايي است كه در واسطه‌ي تخلخل بدست مي آيد.

1-2- تأثيرات دما بر خصوصيات فيزيكي سنگ و مايعات

دما خصوصيات شيميايي سنگ و مايعات را تحت تأثير قرار می دهد. دماي سيالات تزريقي ميتواند به اندازه‌ي C ْ 350 افزايش يابد. رفتار ويژگي هاي فيزيكي سيالات مخزن و ماتريس سنگ بايد در دامنه دمايي بين دماي مخزن و دماي سيال تزريقي شناخته شود. مهم‌ترين ويژگي های فيزيكي مخزن كه در معرض تغيير هستند در جريان فرآيندهاي گرمايي از قرار زير است:

گرانروی: گرانروی گازهاي واقعي متمايل به افزايش با فشار هستند. اما گرانروی يك مايع بسیارروان وقتي كه دما افزايش مي يابد کم می شود. به عنوان يك قاعده‌ي كلي هر چه يك مايع گرانرویش بیشتر باشد كاهش گرانروی آن براي يك افزايش دماي داده شده بارزتر است. براي گرانروی هيدروكربن هاي مايع، يك نمايش بهتر براي ايجاد نمودار دماي گرانروی تقطیر

( استانداردASTM ) به كار برده شده است كه به صورت زير است.

گرمادهي مخزن و افزايش دما مي تواند خصوصيات شيميايي و فيزيكي را تغییر دهد.

Log (log (v+f)= c-b (log t) ….. (1)

كه در آن (v) گرانروی جنبشي است، T دماي مطلق و c,b,f ضريب هاي آن هستند.

شكل 1- تأثيرات تركيبي دما و ترقيق را بر گرانروی نفت خام

2-2-چگالي:

چگالي( r )و معكوس آن حجم ويژه‌ي (v)، وابسته به فشار و دما تأثير آن ها با دو ضريب تعريف مي شود: ضريب گرمايي ,ضريب تراكم پذيري

ضريب تراكم پذيري در سنگ ها نسبتاً كم است. بر طبق اندازه‌گيري‌ها براي سنگ هاي كربناتي در دامنه‌ي وسيعي ازدما، ميزان متوسط b بين است .

چگالي مايعات در فشار P و دماي T از k₅, b₅, r₅ در شرايط مرجع T₅, r₅ با استفاده از يك تقريب مرتبه‌ي اول:

ضريب توسعه ي گرمايي( b )حدود 10^-3k^-1 براي هيدروكربن هاست در C ْ 20 براي نفت هاي خام، (b) زمانيكه چگالی(r) كاهش مي يابد، دچار افزايش مي شود. ضريب توسعه‌ي گرمايي آب حدود كه حدوداً 5 بار كمتر از هيدروكربن‌هاست.

3-2- آنتالپي و گنجايش (ظرفيت) گرمايي:

وقتي كه هيچ واكنش شيميايي و تغييري در حالت وجود ندارد، تغيير در آنتالپي (H) با دما در فشار ثابت مي تواند به صورت زير بيان شود:

به عنوان يك قاعده‌ي كلي ظرفيت گرمايي در d(H)=C_pD_t (5)

هر واحد جرمي جامدات، مايعات و گازها با دما افزايش مي يابد.

تأثير دما مي تواند به صورت زير بيان شود: C_p= b=cT=fT^t (6)

در اينجا (C_p )گرمايي ويژه در فشار ثابت است و f,c,b ضريب ها هستند. در دماي محیط، ظرفيت گرما براي سنگ هاي خشك طبيعي بين 88/0-75/0 است. ارزش (ميزان) آن براي يك نفت خام حدوداً 1/8 KJ. Kg^-1. k^-1 است. در صورتيكه برای آب معادل است با:

4/18 ^-1k^{-1 .}

آب داراي خصوصيات گرمايي مطلوبي است. ظرفيت گرمايي آن و گرماي نهفته‌ي تصعيد آن در بين مايعات از بيشترين‌هااست. ظرفيت گرمايي حجمي يك واسطه‌ي متخلخل (داراي منفذ) اشباع شده با سيال با استفاده از معادله‌ي زير ارزيابي مي شود.

(7)

در اينجا (Q )تخلخل، (S )نماينده‌ي اشباع‌ها و( g، O ، w ،g ( ماتريس، نفت، آب را به ترتيب نشان مي دهند.

4-2- رسانايي گرمايي( l ):

انتقال گرما در يك واسطه‌ي متخلخل اغلب با هدايت گرمايي اتفاق مي افتد. از آنجايي كه ميزان جريان در واسطه‌ي متخلخل بسيار زياد نيست، سيالات و سنگ مخزن در دماي مشابه هستند. در اين شرايط، در نظر گرفتن يك واسطه‌ي واقعي به عنوان يك واسطه‌ي پيوسته كه رسانايي گرمايي معادل دارد امكان پذير است. رسانايي گرمايي مؤثر وابسته به رسانايي گرمايي ماتريس است ، در رسانايي فازهاي اشباع و در توزيع نسبي شان در واسطه و استفاده از مقاديري كه به صورت آزمايشگاهي مشخص شده اند ترجيح داده مي شود.

هدايت گرمايي (رسانايي گرمايي) بيشتر سنگ‌هاي طبيعي به آرامي با دما تغيير مي كند. رسانايي گرمايي گازها با دما، فشار و طبيعت گاز به ميزان كمي تغييرمي كند.

رسانايي گرماي (l )در يك مايع با افزايش دما كاهش مي يابد بر طبق:

در اينجا( l_o )رسانايي گرمايي است در دماي مرجع (T_o) و (b) ثابت است در دماي اتاق، رسانايي گرمايي بين 13/0 و 15/0 w. m^-1 k^-1 قرار مي‌گيرد. براي هيدروكربن‌هاي مايع و آب حدوداً (wm^-1k^-1) 6/0 است

5-2-كشش مشترك، قابليت نم برداري، فشار مويين : اغلب مؤلفان بر اين باورند وقتی که دما افزایش می یابد كشش مشترك ثابت بوده يا مي تواند به ميزان كمي كاهش يابد همچنین زاويه تماس سطح جامد با دما افزايش كاهش مي يابد. كه اين نشان دهنده‌ آن است كه سطح سنگ بيشتر آغشته به آب مي شود.

6-2- تخلخل و نفوذپذيري (تراوايي) سنگ:

سنگ ها با مقادير بسيار پاييني از ضريب توسعه‌ي گرمايي و ضريب قابليت فشردگي تعريف و مشخص مي شوند. تغييرات در ويژگي هاي پتروفيزيكي، تخلخل و نفوذپذيري سنگ در مقابل دما و فشار مكانيكي داراي اهميت بسياري است. براي یک مهندس نفت ،اگر نفوذپذيري تنها وابسته به هندسه‌ي واسطه‌ي متخلخل باشد، ارزيابي آن با دما مي تواند تابعي از ضريب توسعه‌ي گرما باشد كه داراي ميزان بسيار پاييني است و بنابراين مي تواند كم اهميت باشد. نتايجي كه تأثير دما را در يك فشار داده شده بررسی می کنند متناقض هستند. بر اساس شرايط آزمايش مي توان مشاهده كرد زماني كه دما افزايش مي يابد نفوذپذيري مطلق چه تغییری می کند. بنابراين هر کدام از آنها يك مورد ويژه می باشد. پديده‌هاي مشهود مي تواند به صورت زير تشريح شود:

.a توسعه‌ي گرمايي جامدات مي تواند سبب تغييردر اندازه‌ي گلوگاه‌هاي منفذ در واسطه‌ي نفوذپذيري شود.

b .تعاملات (كنش و واكنش‌هاي) بين سيالات تزريقي و ماتريس مي تواند حساس به دما باشد.

.cتغييرات شيميايي در مؤلفه هاي سنگ هاي گرما داده شده مي تواند تخلخل پذيري و نفوذپذيري واسطه را تعديل دهد.

B) مكانيزم هاي نفت در مخازن داراي شكست در طول تزريق بخار:

مخازني كه به صورت طبيعي داراي شكست شده اند مي توانند شامل 30-25 درصد از ذخيره‌ي جهاني نفت باشند.

1- مكانيزم هاي احتراق نفت از ماتريس به شكست در طول تزريق بخار در مخازني كه به صورت طبيعي داراي شكست شده اند:

تزريق بخار مي تواند يك فرآيند بهبود (اصلاح) براي بسياري از مخازن داراي شكست باشد. تعدادي از مكانيزم ها در طول تزريق بخار، شيب فشار مورد نياز را در درون بلوك هاي ماتريس ايجاد مي كنند براي اينكه نفت را با فشار به درون شبكه‌ي شكست ارسال نماید. مكانيزم ها تا حد زيادي مستقل از جاذبه می باشند.

توسعه‌ي گرمايي:

در طول فرآيندهاي تزريق بخار، هم مواد معدني ماتريس و هم سيالات اشباع كننده‌ي منافذ گرما داده مي شوند و توسعه مي يابند. مقادير ضريب توسعه‌ي گرمايي (B) براي نفت خام تغيير

مي كند

همان طور كه در بخش قبل ذکر گردید، توسعه‌ي گرمايي براي نفت خام از آب بيشتر است و مرتبط با كاهش اشباع نفت رسوبي (S_or )در دماهاي بالا است.

ميزان اشباع نفت (S_or )وتخلخل نفت(Q )بدست آمده از نفت خام در دماي اوليه‌ي مخزن

Tمی باشد. در دماي T اگر رسوب اشباع نفت در هر دمايي ثابت فرض شود،میزان حجم نفت به سبب توسعه‌ي گرمايي به ميزاني معادل افزايش خواهد يافت .

تأثير انبساط گرمايي براي مخازن داراي شكست بسيار مهم است.

توليد گاز: مقادير قابل توجهي از گاز مي تواند در يك مخزن توليد شود. گازها شامل سولفید هیدروژن(H₂S )ودی اکسید کربن (CO₂ )وهيدروكربن‌هاي سبك هستند. در حاليكه هر دو دماي مورد نياز براي توليد گاز و تركيب گاز وابسته به تركيب سيالات و مواد معدني ماتريس است،اما توليد چشمگیر مي تواند در دماهاي پايين تراز F ْ 450 اتفاق بيفتد.

اين گاز مي تواند وقتي كه حجم آن افزايش مي يابد نفت را از ماتریس جابجا می کند. در برخي موارد دی اکسید کربن (CO₂ ) مي تواند نفت را بالا بياورد. اما در دماهاي بالا با انبساط گرمايي توليد را كاهش می دهد.

در دماهاي بالا ميزان بيشتري دی اکسید کربن (CO₂ ) توليد مي شود اما نفت كمتر بالا مي آيد .

حجم نفت اصلاح شده‌ي ناشي از توليد گاز غير معين و نامشخص است اما ممكن است مشابه اصلاحات در مخازن بدون شكست با فشار گاز انحلالي باشد. در طول فشار گاز انحلالي، حركت گاز و سيالات منفذي طوري است كه وقتي اشباع مايع به زير 75 درصد گاز باقي مانده كاهش مي يابد، گاز باقي مانده از مايع عبور مي كند و ديگر نفت بيشتر توليد نمي شود.

واكنش هاي شيميايي:

برخی از واكنش‌هاي شيميايي مي توانند ويژگي‌هاي نفت را بهبود بخشند. در دماهاي بالا، ساختار مولكولي برخي نفت ها مي تواند از طريق شكست پيوندهاي شيميايي تغيير كند.

زهكشي گرانشي:

زهكشي گرانشي مي تواند در مخازن داراي شكست هاي عمودي اشباع شده با آب يا گاز اتفاق بيفتد.

مركز هيدرواستاتيك ديفرانسيل بين سيال در شكست‌ها و نفت در بلوك‌هاي ماتريس مي تواند يك شيب فشار عمودي بر پا كند و براي يك نفت با درجه API حدود 35

بنابراين زهكشي جاذبه‌اي (گرانشي) يك فاكتور مهم در طول تزريق بخار براي شكستهايي كه از مايع پر شده است محسوب نمي شود.

تخليه‌ي فشاري چرخه‌اي

در طول تزريق بخار چرخه‌اي، فشار كلي مخزن افزايش یافته واما در طول توليد كاهش مي‌يابد. از آن جايي كه نفوذپذيري پايين مي تواند جريان سيالات درون بلوك ‌هاي ماتريس را متوقف كند، تغييرات فشار در درون بلوك‌ هاي ماتريس مي تواند جريان سيالات شبكه‌ي شكستي را با ايجاد شيب‌هاي فشار موقتي در درون بلوك هاي ماتريس به تعويض بيندازد.

توليد بخاردرجا(steam In- situ)

در طول تزريق بخار ,چرخه‌ي كاهش فشار مي تواند سريعتر از دما با هدايت گرمايي كاهش يابد. از آن جايي كه ممکن است دمای بلوك ‌هاي ماتريس نزديك به دماي اشباع ويا در دماي اشباع در فشار تزريق باشند ، كاهش فشار مي تواند سبب بخار شدن آب در بلوكهای ماتريس شود و نفت را با فشار گاز استخراج نماید.

تغيير ماتريس سنگ

علاوه بر گازهاي توليد شده در فشار بالا بسياري از مواد معدني مخازن تحت تغييرات شيميايي قرار مي گيرند. مطالعات نشان داده است كه تغييرات مواد معدني در طول تزريق بخار متمايل به سخت كردن سنگ ‌هايي مي شود كه نفت را حمل مي كنند. تغييرات شيميايي ماتريس عموماً نفوذپذيري مخزن را كاهش مي دهد، اما تأثيرات بر بازيافت نفت براي پيش ‌بيني شكل بوده و

مي توانند وابسته به شيمي سيال یا سنگ باشند.

توليد نفت:

در مخازن داراي كروژن يك ميزان مشخص ازت مي تواند در طول تزريق بخار توليد شود. در مخازن داراي 5 درصد كربن آلي، يك حجم منفذ 5/6 درصدي اضافه مي تواند بطور بالقوه توليد شود.

نيروي گاز انحلالي

نيروي گاز انحلالي مكانيزمي براي افزايش بازيافت نفت در طول پروژه هاي تزريق بخار به شمار می رود. يك نيروي گاز انحلالي تنها وقتي مي تواند وجود داشته باشد كه فشار مخزن در نقطه‌ي حباب يا كمتر از آن باشدو ميزان كافي از گاز حل نشده در نفت وجود داشته باشد.

همنشيني سنگ

وقتي كه فشار مخزن كاهش مي يابد سنگ مي تواند همنشين شودوهنگامی كه به خرده سنگ‌ها فشارزیادی اعمال شودتخلخل مؤثر مخزن كاهش مي یابد. مقاديرزیادی نفت از سنگ‌هاي تارونزوئل با اين مكانيزم بازيافت می شود. اين مكانيزم مربوط به خرده سنگ‌هایي است كه سيمان شدگی آنها ضعيف است.

2-مكانيزم هاي جابه‌جايي نفت از طريق شبكه‌ي شكستي به توليد در طول تزريق بخار در مخازني كه به صورت طبيعي داراي شكست شده اند:

مرحله‌ دوم بازيافت پس از اينكه نفت از ماتريس به شكست استخراج شد آغاز مي‌شود. در اين مرحله، نفت بايد با استفاده از مكانيزم هايي كه شيب فشار را در درون شبكه‌ي شكست اعمال ميكننددر طول شبكه‌ شكستی جريان يابد.

كاهش نسبت گرانروی ( ):

تأثير كاهش گرانروی يك عامل كليدي در مكانيزم هاي جابه‌جايي در فرآيندهاي بازيافت گرمايي است. كاهش گرانروی نفت, نسبت جابه‌جايي (تحريك) M را به صورت زير نشان مي دهد

(9) M=(k m )/(k m )¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼¼..

با فرض اينكه اشباعات افراطي و نفوذپذيري نسبي آب( K_rw)و نفت (K_ro )مستقل از دما هستند، نسبت جابه‌جايي وابسته به نسبت گرانروی است. عموماً گرانروی نفت سريعتر از گرانروی آب( m_w )كاهش مي يابد، وقتي كه دما افزايش مي يابد بزرگترين كاهش گرانروی اتفاق مي افتد.

موقعيت براي نفت هاي سبك متفاوت است زیرا در برخي موارد، نسبت گرانروی با دما افزايش مي يابد. اين مكانيزم بازيافت بيشتر در شكست‌ها ظاهر مي شود تا بلوك هاي ماتريس، برای اینکه نفت بسيار سريعتر حركت مي كند.

بسط نفوذپذيري هاي نسبي و مطلق آب ونفت (Kr_o & kr_w) :

اين مكانيزم همچنين در شكست‌هايي كه جريان سيال در آن ها قبل توجه‌تر است قويتر مي شود. دما تأثيرمهمی برروی نفوذپذيري‌ می گذاردو تلاش هاي آزمايشگاهي زیادی به اين مسئله اختصاص داده شده است.

اکثر محققان بر این عقیده اند كه با افزایش اشباع نفت رسوبي (S_or )كاهش ومیزان اشباع آب افزايش می یابد.

علاوه بر نسبت گرانروی ، عواملي كه بر بسط اشباع تأثير مي گذارند قابليت نم‌برداري، و كشش مشترك است كه مي تواند وابسته به دما باشد. وقتي كه سنگ با آب نم دار(WATER WET) شده باشد خصوصيات مشترك تحت تأثير تغييرات دما، كشش متشرك آب نفت و ضخامت فيلم نم برداري است. در پروژه‌هاي شبيه‌سازي فرآيندهاي سيل بخار اغلب نفوذپذيري نسبي آب/ نفت و منحني‌هاي فشار موييني مشابه چيزي هستند كه توسط گيل من و كاظمي ارائه شده است. نفوذپذيري نسبي ماتريس و داده هاي فشار موييني از آزمايشات بدست مي آيد. نفوذپذيري‌هاي نسبي شكست مساوي اشباع فازي هستند كه سيالات را در شكست‌ها در تمامي اشباعات بسيار متحرك مي سازد.

تقطير

يك پديده‌ي مهم در طول تزريق بخار تقطير بخار اجزاي سبك نفت خام است اگر فشار كمتر از مجموع فشارهاي جزئي آب و نفت باشد، تركيب مايع به جوش خواهد آمد و يك فاز تصعيد متشكل از بخار و تركيب هاي آلي بدست مي دهد. مثل بخار، برخي هيدروكربن‌ها، مي توانند متمركز شوند، پيش از بخار با نفت خام مخلوط نشوند.

از آنجايي كه ميزان زيادي بخار در شكست‌ها وجود دارد و دمانیز بالااست، شرايط ترموديناميك شكاف براي بسط و توسعه‌ي تصعيد نفت مناسب خواهد بود.

ميزان احتراق نفت:

مكانيزم هاي بازيافت در درون مخازني كه داراي شكست طبيعي هستند و مي توانند مقادير قابل توجهي از نفت را از بلوك هاي ماتريس به درون شبكه‌ي شكست انتقال و استخراج دهند وجود دارد.

هر يك از اين مكانيزم ها ميزان احتراق نفت مخصوص به خود دارند كه مي تواند براي ارزيابي مقادير توليد نفت به كاربرده شوند. همچنين زمان ‌هاي احتراق نفت نشان مي دهد نفت جابه جا شده با مكانيزم هاي بازيافت شناخته شده در چند روز مي تواند استخراج شود. محاسبات براي مكانيزم تخليه‌ي فشار انجام شده و محاسبات مشابهي براي ساير مكانيزم ها وجود دارد. زمان مشخصه نفت براي اينكه با تخليه‌ي فشار استخراج شود مي تواند از طريق معادله‌ي جريان حالت غير ثابت بدست آيد، براي يك مايع نسبتاً تراكم پذير مي تواند از طريق جداسازي متغيرها بدست آيد. زمان مشخصه براي كاهش فشار از احتراق سيال با n=1 داده می شود.

توصيف فرآيند تزريق بخار و برخي پيشرفت ها:

فشار بخار شامل تزريق بخار از چاهي به چاه ديگر است. اين اغلب به صورت يك سيکل پيوسته از مخزن با بخار طراحي شده است تا اينكه نسبت نفت به بخار تا زير حد اقتصادي كاهش يابد.

نسبت نفت به بخار معمولاً در دامنه‌اي از 0/1 – 0/4 m³/m³ است.

فاصله‌گذاري الگو وابسته به ويژگي‌ها و خصوصيات مخزن است.

به سبب حضور يك فاز گازي قابل تراكم، رفتار و عملكرد فشار بخار بسيار متفاوت از پروژه‌هاي تزريق آب است. حضور فاز گازي سبب تقطير اجزاي سبك نفت و حركت آن به سوي قسمت سرد مخزن مي شود. وقتي كه بخار متراكم مي شود اين اجزاي سبك عكس اين عمل را انجام

مي دهند البته گرانروی نفت با افزايش دما كاهش مي يابد و جابه‌جايي آن بهبود مي يابد. مقادير بسيار كمي از اشباعات نفت رسوبي کمتراز 5درصد در اين زمينه گزارش شده است. واضح است كه كارآيي جابه‌جايي در نيروهاي بخار مي تواند بسيار بالا باشد به شرطي كه جريان خوبي بدست آيد. به سبب ماهيت تراكم‌پذير فاز گازي بخار، فشار بخار يك فرآيند جابه‌جايي ثابت است.

بخار سبك تر و تحرک پذیری اش بیشتر از نفت است در نتيجه يكي از مشكلات اساسي تزريق بخار كارآيي جريان ضعيفی است كه به سبب كانال كشي بخار در طول بخش‌هاي نفوذپذير مخزن بوده است. بدیهی است كه موفقيت اقتصادي روش هاي تزريق بخار و ابسته به كارآيي جريان وابسته است .

عملكردهاي پيشرفته:

تكميل انتخابي براي تزريق كننده ها در كاليفرنيا و ونزوئلا مورد آزمايش قرار گرفته است و هدف اصلی تغییر محل تزریق بخار به قسمتهای پایین تراز فاصله مورد نظر می باشد.

هر چند برخي پيشرفت‌ها در نسبت‌هاي بخار/ نفت در نوشته های موجود گزارش شده اما، نتايج به دست آمده موفقیت آمیز نمی باشد.

تكميل‌ انتخابي بوده که بيشتر مسيرهاي جريان را تحت تأثير قرار داده و قادر به اصلاح بقیه مخازن نبوده است.

چاه‌هاي افقي در چندين پروژه مورد استفاده قرار گرفته‌اند که يك تكنيك نويد دهنده براي پيشبرد كارآيي جريان در عملكردهاي بازيافتي گرمايي محسوب می شوند.

استفاده از مواد افزودني

تركيبات مختلفي از گازها براي استفاده به عنوان ماده افزودني به بخار پيشنهاد شده ‌و ازمواد افزودني قابل حل در آب، به ميزان زيادي براي بهبود كارآيي جريان عملكردهاي تزريق بخار استفاده شده است .

استفاده از كف (جوش)

جوش ها پراكندگي حباب هاي گاز هستند كه با فيلم هاي مايع جدا مي شوند. اين فيلم‌ها در واسطه‌ي متخلخل با مكانيزم هاي تقسيم توليد مي شوند. در واسطه‌ي متخلخل، ساختار كف به شدت وابسته به زمين شناختي واسطه‌ي متخلخل است.

فيلم هاي مايع به طور طبيعي غير ثابت هستند و سريعاً دچار شكست مي شوند. كف ها در كاهش جابه جايي گازها در يك دامنه‌ي وسيع از نفوذپذيري موثر هستند، امااز مشاهدات عيني و آزمايشگاهي به نظر مي رسد كه تأثير بيشتري در مناطق با نفوذپذيري بالا دارند در حاليكه واسطه‌ي متخلخل آزمايش شده همگون است.

كاهش در قابليت جابه‌جايي كه در اثر كف ها ايجاد مي شود مي تواند بعنوان جريان فاز مفرد از گرانروی افزايش يافته يا به عنوان يك كاهش در نفوذپذيري نسبي گاز مشاهده شود. قابليت جابه‌جايي پايين گاز در جريان كف مي تواند با افزايش در اشباع گاز محبوس و گرفتگي گلوگاههاي منافذ ايجاد شود.

مكانيزم و بهينه سازي آزاد سازي دی اکسید کربن (CO₂ ) در مخازن كربناته داراي شكست در طول فرآيندهاي تزريق بخار

متلاشي شدن كربنات هاي معدني موجود در سنگ هاي كربنات، عمدتاً دولوميت با حرارت دادن،ميزان زيادي از دی اکسید کربن (CO₂ ) را بدست مي دهد و به طور قابل توجهي در حضور بخار زودتر آغاز مي شود .

شکل 2- حرارت دادن بخار یک شکست ویک ماتریس الگو

با توجه به شکل فوق ، دی اکسید کربن (CO₂ ) از بلوك هاي ماتريس توليد مي شود پس از حرارت دادن و تأثير بخار به درون بلوك سبب متلاشي شدن دولوميت مي شود.

هر چه ميزان رسانايي گرمايي از شكست به درون ماتريس بيشتر باشد، ميزان دی اکسید کربن توليدی افزایش یافته و سريعتر انجام می پذیرد. دی اکسید کربن پس از توليد از منافذ ماتريس به سمت شكست خارج مي شود و سپس در طول شكست به سمت چاه توليدي جريان پيدا

مي كند.

دی اکسید کربن مي تواند در نفت حل شده و حجم نفت را افزايش داده و گرانروی آن را كاهش دهد. همچنين دی اکسید کربن مي تواند نفت را با فشار دادن آن روبه جلو پيش ببرد. ميزان دی اکسید کربن كه مي تواند در يك مخزن كربنات توليد شود محدود است.

تعداد محدودي از بلوك هاي ماتريس در مخزن وجود دارد و هر كدام مي تواند حجم محدودي از دی اکسید کربن را از گرما دادن توليد كند. بنابراين بهينه سازي توليد دی اکسید کربن به سبب ميزان محدود آن بسيار مهم بوده و تأثير بيشتر آن بر بازيافت نفت در طول تزريق بخار مد نظر قرار می گیرد.

براي يك ماتريس مجزا ميزان دی اکسید کربن توليد شده در يك زمان داده شده وابسته به درصد حجم ماتريس دارد كه در آن دوره‌ي زماني گرما داده شده است. اين نشان دهنده‌ي آن است كه براي يك مخزن مشخص، ميزان دی اکسید کربن توليد شده با ميزان رسانايي (هدايت) گرمايي از شكست به درون ماتريس كنترل شده است. Dreher يك شبيه‌ساز گرمايي را براي نشان دادن تأثيرات آزادسازي دی اکسید کربن با عدم انحلال سنگ در طول تزريق بخار در يك مخزن كه به مدت 6 سال سيکل آبي شده بود، بكار برد.

آزاد سازي دی اکسید کربن از ماتريس باعث افزایش يك ميزان توليد نفت كوتاه عمر اما سريع را شده وپس از آن يك كاهش مختصر در ميزان توليد نفت را بدنبال دارد.

در يك طرح ديگر Dreher كارآيي دو فرآيند تزريق بخار از مقادير تزريق مختلف STB W/D 100, 10 وكارآيي فرآيند سيلابي مربوطه براي يافتن تأثير ميزان تزريق بر بازيافت نفت را مورد مقايسه قرار مي دهد(شكل 3).

شكل3- نمودار نرخ توليدي نفت بر حسب زمان

اين طرح ها دوره‌ي زماني مشابه از تزريق بخار به مدت هفتصد روز را پوشش مي دهند.

نتايج آنها نشان داد كه تزريق بخار در 100 STBW/D براي 700 روز يك بازيافت نفت افزايشي از STB 1537 بر روي يك سيل- آب در 100STB W/D را درپی داشت.

تزريق بخار در 10 STB W/D براي 700 روز يك بازيافت نفت افزايشي 308 STB بر روي سيل – آب پيوسته در 10STB W/D دارد و اگر آزادسازي دی اکسید کربن را در بر می گیرد، بازيافت نفت افزايشي در 10STB W/D ، STB 774 دارد.

واضح است كه منافع آزادسازي دی اکسید کربن وابسته به ميزان آن هستند همان طور كه وابسته به اشباع نفت اوليه هستند.

آزاد سازي دی اکسید کربن به نظر مي رسد كه در بقا و حفظ ميزان نفت بويژه در ميزان تزريق بخار پايين كمك می کنند در صورتيكه منافع دی اکسید کربن در مقادير تزريق بالا محدود به يك زمان نسبتاً مختصر پس از اينكه تزريق بخار آغاز می گردد.

بر طبق ارقام و توضیحات بالا چنین استنباط می گردد كه در يك مخزن ويژه، ميزان آزادسازي دی اکسید کربن در طول تزريق بخار، با ميزان هدايت گرمايي از شكست به ماتريس، كنترل

مي شود و هم چنین ميزان انتقال گرما با ميزان تزريق بخار و دما كنترل مي شود.

شكل 4- پاسخ ميزان توليد نفت مرتبط با توليد دی اکسید کربن (CO₂ )

بنابراين يك ميزان تزريق بخار بهينه و دما براي يك حجم مخزن مشخص و اندازه‌ي ذرات قابل مقایسه می باشد.

در ميزان تزريق با دماي بالاتر از اين سطح ,موازنه‌ي مؤثر و كارآمد بين توليد دی اکسید کربن و مكانيزم بسط (توسعه‌ي) گرمايي نخواهد بود. اين بيانگر آن است كه ميزان بالايي از دی اکسید کربن در يك زمان كوتاه پس از تزريق بخار و نفت توليد مي شود و نفتي كه به صورت گرمايي به ميزان زيادي انبساط يافته نمي تواند كليه‌ي دی اکسید کربن آزاد شده را به سبب توانايي كمتر براي حل شدن تجزيه كند اگر اشباع دی اکسید کربن آزاد در شكست ها زياد شود مي تواند از روي نفت عبور كند بدون ارتباط دادن به بازيافت نفت. از طرف ديگرميزان محدودي از دی اکسید کربن وجود دارد كه مي تواند توليد شود .درنتیجه براي همزمان كردن آزادسازي دی اکسید کربن و مكانيزم هاي انبساط گرمايي ميزان تزريق و دما را بایستی بهينه کرد تا يك هدر دهي بوجود نیاید.

بررسی فرایند تزریق بخار

1-واكنش هاي پيروليسيس محتمل ترين واكنش‌هايي هستند كه درطول فرآيند تزريق بخار تحت تأثير دامنه‌ي دما، حضور يا عدم حضور فاز آب، ماتريس مواد معدني و تركيب نفت در مخازن اتفاق مي افتند.

2- گرمادهي مخزن مي تواند ويژگي ‌هاي فيزيكي سنگ و سيالات را تحت تاثیر قرار دهد. گرانروی نفت و چگالي با افزايش دما كاهش مي يابد. همچنین رسانايي گرمايي سنگ و نفت كاهش يافته اما ظرفيت گرمايي با افزایش دمای مخزن افزايش خواهد يافت.

با افزایش دما كشش مشترك ثابت بوده يا به ندرت كاهش مي يابد همچنین زاويه‌ي تماس سطح جامدو آب با افزايش دما كاهش مي يابد .

3-دو نوع از مكانيزم هاي بازيافت در مخازني كه به صورت طبيعي دچار شكست شده‌اند در طول فرآيند تزريق بخار مورد بررسی قرار گرفته اند. اولين گروه از مكانيزم‌هاي بازيافتی شيب فشار مورد نياز را در درون بلوك هاي ماتريس ايجاد مي كنند تا نفت را با فشار به درون شبكه‌ي شكست بفرستد و گره دوم يك شيب فشار را درون شبكه‌ي شكست تحميل کرده تا نفت هاي موجود در شكست‌ها را به درون چاه هاي توليد انتقال دهد .

4-انبساط گرمايي متفاوت بين نفت و حجم منفذ مهم ترين مكانيزم بازيافت افزايشي در بلوك‌هاي ماتريس مخازن شکافدار طبيعي است .در طول تزريق بخار میزان بازيافت اين مكانيزم 20 درصد می باشد. در دماهاي بالاتر واكنش ‌هاي شيميايي مي تواند گازهايي را در درون بلوك ماتريس توليد كند و نفت را به حركت درآورد و همچنين مي تواند درصورت موجود بودن

سنگ هاي رسي آلي، نفت مازاد توليد كند.

5-كاهش نسبت گرانروی آب به نفت در طول تزريق بخار مهمترين مكانيزم بازيافت درشكست‌هاست.

كاهش نسبت گرانروی در كاهش جريان كسري آب گرم مؤثر است و در نتيجه افزايش كارآيي جابه جايي آب گرم رادربردارد.

6-يكي از مشكلات اصلي كه تزريق بخار با آن روبرواست، كارآيي ضعيف جريان (به جريان انداختن) است كه به سبب جاذبه (گرانش) يا كانال كشي بخار در طول نفوذپذيرترين بخش‌هاي مخزن می باشد.

پيشرفت‌ها به دو دسته تقسيم مي شوند:

a): تغييرات عملكردي نظير شكست خوردگي، استفاده از چاه‌هاي افقي، چرخه‌ي فشار، تكميل‌هاي انتخابي يا تزريق در آبده های قوی.

b): استفاده از افزودني هاي تزريق شده با بخار.

7-متلاشي شدن كربنات‌ها (بويژه دولوميت ها) با حرارت دادن در طول تزريق بخار اتفاق مي افتد و دی اکسید کربن آزاد مي كند كه بازيافت نفت را تقويت مي كند.

ميزان آزادسازي دی اکسید کربن با ميزان رسانايي گرمايي از شكست به درون ماتريس كه تابعي از ميزان تزريق بخار و دما است كنترل مي شود. كنترل كردن اين دو پارامتر در بهينه سازي مكانيزم‌هاي آ‍زادسازي دی اکسید کربن و انبساط گرمايي موثراست و موجب افزایش بازیابی نفت می شود.