مقايسة روابط تجربي و تكنيك شبكة عصبي مصنوعي در تخمين خواص PVT نفتهاي خام ايران

مقايسة روابط تجربي و تكنيك شبكة عصبي مصنوعي در تخمين خواص PVT نفتهاي خام ايران

بسياري از محققان براي توسعة روابط تعميم يافتة تجربي، جهت تخمين خواص سيالات مخزن، از نتايج تستهاي آزمايشگاهي PVT استفاده نموده اند. خواص اصلي که توسط روابط تجربي تعيين مي گردند عبارتند از: نقطة حباب، حلاليت پذيري گاز، ضرايب حجمي سيالات، چگالي، تراکم پذيري و گرانروي. اين روابط به صورت شاخص با يک انحراف متوسط در حد چند درصد با داده هاي تجربي به کار رفته در توسعة آنها انطباق مي پذيرند. با اين حال، در صورت به کار گيري اين روابط براي ساير سيالات، مشاهدة انحرافهايي با مراتب بالاتر غير معمول نمي باشد.

تعداد زيادي روابط تجربي براي تخمين خواص PVT نفت وجود دارند که اکثر آنها با استفاده از رگرسيونهاي چندگانة خطي يا غير خطي يا فنون گرافيکي، توسعه يافته اند. هر رابطة تجربي براي محدودة خاصي از خصوصيات سيال مخزن و مناطق جغرافيايي همراه با داده هايي با ترکيبات سيال و گراويتة API مشابه توسعه يافته است. بنابراين دقت اين روابط مورد انتقاد بوده و غالبًا فاقد توسعه و پيشرفت مي باشند. از ميان خواص PVT سيال مخزن، پيش بيني دقيق و صحيح مقادير Pb و Bob در محاسبات مخزن و بهره برداري اهميت بسياري دارد.

تعيين دقيق خواص PVT سيال مخزن، مثل فشار اشباع (Pb ) ، نسبت گاز محلول به نفت (Rs) و ضريب حجمي نفت سازند در فشار اشباع (Bob) جهت ارزيابي هيدروكربور موجود در مخزن، نحوة عملكرد توليد از مخزن، شرايط عملياتي توليد و طراحي تأسيسات سطح الارضي، ضروري به نظر مي رسد. اگرچه اين خواص PVT را مي توان در آزمايشگاه با استفاده از نمونه هاي سيال مخزن اندازه گيري نمود، ليكن گاهي اوقات به دليل عدم دسترسي به نمونه هاي سيال هيدروكربوري مخزن مي توان يك سري از خواص مهمتر PVT سيال را از داده هاي نسبت گاز محلول به نفت، دماي مخزن، چگالي گاز محلول و درجة AP نفت مشخص نمود.

خصوصيات فشار ‐ حجم ‐ دما (PVT) مربوط به سيستمهاي نفتي را مي توان با انجام اندازه گيري هاي آزمايشگاهي بر روي نمونه هاي شاخص (Representative) نفتهاي خام به دست آورد. اما مقادير خواص مايع و گاز را در مواقع عدم دسترسي به داده هاي رفتار فازي حاصل از نتايج آزمايشگاهي دقيق، بايد محاسبه نمود. موضوع عدم دسترسي به داده هاي آزمايشگاهي ممکن است به دليل هزينة نمونه گيري، عدم امکان تأييد داده هاي اندازه گيري شده يا ناتواني از استحصال نمونه هاي کافي از سيال مخزن باشد. خصوصيات رفتار فازي مانند فشار اشباع و ضريب حجمي نفت در فشار اشباع (يا همان فشار نقطة حباب ) جهت محاسبات موجود در مطالعات مخزن لازم مي باشد. اين خصوصيات معمو ً لا با به کارگيري نمونه هاي سيال ته چاهي يا نمونه هاي باز ترکيبي (Recombined) سطحي در سلولهاي اندازه گيري خصوصيات رفتار فازي (PVT Cells) اندازه گيري مي شوند. خواص فازي مذکور به فشار، دما و ترکيب شيميايي سيال وابسته مي باشند.

جهت توسعة يک رابطة تجربي، شرايط زمين شناسي مربوط به داده هاي مورد نظر از اهميت شاياني برخوردار است. به اين دليل که ترکيب شيميايي نفت خام از منطقه اي به منطقة ديگر تغيير پيدا مي کند.

به دست آوردن نتايج دقيق و يکسان از روابط تجربي، براي نمونه هاي نفتي مختلف داراي خصوصيات فيزيکي و شيميايي متفاوت، مشکل به نظر مي رسد. بنابراين جهت بررسي خصوصيات منطقه اي، روابط تجربي رفتار فازي نيازمند اصلاح و تصحيح پيش از کاربرد مي باشند. از سويي به دليل دسترسي به تعداد زيادي از روابط تجربي، تحليل روابط موجود براي مجموعة مشخصي از داده هاي PVT متعلق به منطقة خاص زمين شناسي، سودمند به نظر مي رسد. روابط تجربي رفتار فازي (PVT Correlations)) از داده هاي ميداني توليد (Production Data) از قبيل نسبت گاز محلول به نفت توليدي (Rs) ، درجة API نفت، گراويتة گاز و دماي مخزن جهت محاسبة خواص سيال مخزن استفاده مي کنند.

بانک اطلاعاتي (Database) مورد استفاده در اين مطالعه عبارتست از ۱۳۰ مجموعة شش گانة خواص PVT ، که هر مجموعه شامل پارامترهاي ذيل مي باشد:

- دماي مخزن

- نسبت گاز محلول به نفت

- گراويتة API نفت

- چگالي نسبي گاز

- فشار نقطة حباب

- ضريب حجمي تشکيل نفت در نقطة حباب

نتايج به دست آمده نشان مي دهد که مدل جديد ANN با در نظر گرفتن تمام پارامترهاي آماري، در تخمين Pb و با در نظر گرفتن پارامتر ضريب همبستگي، نسبت به روابط تجربي موجود برتري دارد. پارامترهاي آماري به کار رفته جهت انجام مقايسة بين روابط تجربي و مدل جديد ANN در جدول ۳ و جدول ۴ ارائه شده است.

در پايان با نتيجه گيري اين نکته که روابط تجربي داراي محدوديتهاي متعددي مي باشند و در برخي شرايط نتايج تخميني قابل قبول از نگاه مهندسي را ارائه نمي دهند، و با توجه به نتايج درخشان تکنيک ANN توسعه داده شده جهت تخمين داده هاي PVT ، در مقايسه با روابط تجربي به کار رفته، به کار گيري اين تکنيک جديد در زمينة پيش بيني خواص PVT نفتهاي خام، البته با در نظر گرفتن محدوديتها و برخي نقايص روش مذکور و همچنين تأکيد بر لزوم کسب مهارت تجربي در اين حوزه، پيشنهاد مي گردد.

هدف از اين فصل مقايسة بين عملکرد روابط تجربي PVT ارائه شده و مدل جديد شبکة عصبي، همراه با بيان و ارزيابي دقت هر كدام از اين روشها جهت پيش بيني فشار اشباع و OFVF در فشار اشباع نفت هاي ميادين هيدروكربوري ايران مي باشد. اين مطالعه به بررسي و مقايسة روابط تجربي PVT موجود، با ضرايب و ثابتهاي اصلي آنها پرداخته و مدل ANN جديدي را بر اساس داده هاي PVT جمع آوري شده از ميادين نفتي ايران توسعه مي دهد. در انتهاي کار، ميزان اعتبار و دقت آماري روابط بررسي شده و مدل ANN ، تعيين گشته و از اين ميان، مناسب ترين مدل ها جهت کاربرد بر روي نفتهاي خام ايران پيشنهاد شده است.

برخي از پر کار بردترين روابط تجربي رفتار فازي را مي توان در منابع مربوط به محققان ذيل يافت:

- Standing (1947, 1962, 1977)

- Lasater (1958)

- Arp (1962)

- Glaso (1980)

- Vasquez & Beggs (1980)

- Al-Marhoun (1988)

- Dokla & Osman (1992)

- Kartoatmodjo & Schmidt (1994)

در راستاي تعيين يك سري از خواص مهم PVT سيال از داده هاي دماي مخزن، نسبت گاز محلول به نفت توليدي، چگالي گاز محلول و درجة API نفت، روابط تجربي متعددي بر مبناي داده هاي موجود PVT بيان گرديده است، كه در بين اين روابط، روابط Standing عموميت بيشتري دارند. روابط Standing بر مبناي استفاده از نسبت گاز به نفت محلول، چگالي گاز محلول API نفت و دماي مخزن بيان شده كه در ارائة اين روابط از ۲۲ آناليز PVT متعلق به مخازن كاليفرنيا استفاده شده است.

Standing مقدار ميانگين خطاي نسبي برابر 7/4 درصد را براي تعين فشار اشباع و خطاي متوسط نسبي برابر 7/1 درصد را جهت تعين OFVF در فشار اشباع، گزارش نموده است. Lasater در سال ۱۹۵۸ رابطه اي را براي تعيين فشار نقطة حباب بر اساس استفاده از قانون هنري بيان نمود. رابطة Lasater بر مبناي استفاده از ۱۳۷ آناليز PVT نفت مربوط به ميادين كانادا، آمريكا و آمريكاي جنوبي است كه خطاي نسبي برابر 8/3 درصد براي اين رابطه بيان شده است. Vasquez & Beggs در سال ۱۹۸۰ نيز رابطه اي را بر مبناي داده هاي 600 گزارش PVT از ميادين نفتي در نقاط مختلف دنيا بيان نموده اند. خطاي نسبي اين رابطه، 7/4 درصد در تعين ضريب حجمي نفت سازند مي باشد. اين رابطه به دليل تغيير ترکيب نفت خام (به خصوص مؤلفه هاي پارافيني، نفتني، آروماتيک و آسفالتي نفت ) و نيز غلظت گازهاي غير هيدروکربني براي هر منطقة جغرافيايي از خود ضعف نشان مي دهد.

در عمل، رابطة مذکور به دو بخش تقسيم شده است؛ يکي براي نفتهاي خام داراي درجة API بيش از ۳۰ و ديگري مربوط به نفتهاي داراي درجة API کوچکتر از ۳۰ يا مساوي با آن.

روابط تجربي Glaso در سال ۱۹۸۰ جهت محاسبة فشار نقطة حباب و OFVF در فشار اشباع بر پاية استفاده از ۴۵ نمونة نفت مربوط به ناحية درياي شمال ارائه شده است . Glaso در تعيين فشار اشباع، خطاي نسبي 28/1 درصد و براي OFVF در فشار اشباع، خطاي نسبي 43/0 - درصد را براي روابط خود گزارش كرده است . Al-Mahroun نيز در سالهاي ۱۹۸۸ و 1992 روابطي تجربي را جهت تعيين فشار اشباع و OFVF در فشار اشباع بر مبناي استفاده از ۶۹ نمونة ته چاهي از ميادين نفتي خاورميانه ارائه كرده است. وي براي روابط خود خطاي نسبي برابر 03/0 و 01/0 - درصد را به ترتيب براي فشار نقطة حباب و OFVF در فشار اشباع گزارش داده است. رابطة Osman و Dolka در سال ۱۹۹۲ با كمك ۵۰ دادة سيال مخزن متعلق به امارات متحدة عربي فشار نقطة حباب را با خطاي نسبي 45/0 درصد و OFVF در فشار اشباع را با خطاي نسبي 023/0 درصد تخمين زده است. رابطة Ahmed با كمك 201 دادة سيال مخزن، Bob را با خطاي نسبي 64/0 درصد گزارش داده است. Arp در سال ۱۹62 رابطة ساده شده اي را جهت تخمين ضريب حجمي نفتهاي خام ‐ با توجه به اين که انحلال پذيري گاز در نفت، تابعي قوي از فشار، دما، درجة API نفت و گراويتة مخصوص گاز مي باشد پيشنهاد نمود. رابطة Arp با كمك ۲۵۰ دادة PVT ، Bob را با خطاي نسبي 25/1 درصد ارائه كرده است. براي تخمين ضريب حجمي نفت، Labedi رابطة خود را بر اساس ۱۲۸ نمونة نفتي جمع آوري شده از کشورهاي آفريقايي توسعه داد. اين محقق براي مدل مذکور، خطاي متوسط را در محاسبة Bob برابر مقدار 003/0 در صد گزارش داده است. و در پايان، Alikhan و Elsharkawy ، روابط خود را بر اساس ۱۷۵ آناليز رفتار فازي از نمونه هاي نفت خام کويت توسعه دادند. آنها مقدار خطاي متوسط 44/0 درصد را براي محاسبة Bob گزارش نمودند.

جدول ۱ حوزة كاربرد داده هاي آزمايشگاهي مربوط به هر رابطة تجربي را بيان مي كند. در ابتداي استفاده از هر رابطة تجربي مي بايست دامنة داده هاي موجود PVT ، در جدول 1 مقايسه و تعيين گردد.

در مطالعة هر رابطه با در نظرگرفتن محدودة پارامترها (جدول 1 ) تنها آن سري از داده هاي PVT در ارزيابي رابطه استفاده مي شوند كه در محدودة كاربرد آن رابطه قرار گيرند. اغلب روابط تجربي رفتار فازي، از طريق به کارگيري تکنيک رگرسيون چندگانة خطي يا غير خطي و برخي ديگر با استفاده از تکنيکهاي گرافيکي و برازش منحنيها Curve Fitting) ) توسعه يافته اند. معمو ً لا داده هاي بهره برداري مانند نسبت گاز محلول به نفت توليدي، درجة API نفت خام، گراويتة گاز و دماي مخزن، داده هاي ورودي اين نوع از روابط هستند.

در هر رابطة تجربي PVT ، گراويتة گاز سؤال برانگيزترين خصوصيت مي باشد، چون اين خاصيت به علت هزينة بالا و وابستگي آن به شرايط جداسازي سطحي، به ندرت اندازه گيري مي شود.

در مطالعة ارائه شده جهت تخمين مقدار فشار اشباع (Pb) و ضريب حجمي نفت سازند در فشار اشباع (Bo) از روابط تجربي Standing ، Glaso و ،Al-Marhoun استفاده شده است.

دقت هر رابطه با مقايسة مقادير خطاهاي آماري، مورد مطالعه قرار مي گيرد. آناليز خطا شامل ميانگين درصد خطاي نسبي، ميانگين قدر مطلق درصد خطاي نسبي و ضريب همبستگي مي باشد.

هدف نهايي اين مطالعه، توسعة مدل هاي پيش بيني کنندة Pb و Bob بر اساس تکنيک ANN و با استفاده از داده هاي PVT نفت هاي خام سراسر ايران مي باشد. در اين مطالعه الگوريتم پس انتشار خطا (Back-propagation ) جهت تربيت شبکه هاي عصبي پيش خور (Feed-Forward) به کار رفته است. سپس از ميان ساختارهاي متفاوت شبکه، آن که دقيق تر و پايدارتر از سايرين است انتخاب گرديده و نتايج مقايسة آن با روابط تجربي معمول در تخمين خواص PVT نفت خام ارائه شده است.

در اين مطالعه تعداد ۱۳۰ مجموعه از داده هاي گوناگون PVT از ۶۴ ميدان نفتي مختلف در حوزة جنوبي، مرکزي، غربي و فلات قارة (Offshore) ايران در نظر گرفته شده است. مقادير دماي مخزن (Tres) ، فشار اشباع (Pb) ، ضريب حجمي نفت سازند در فشار اشباع (Bob) ، نسبت گاز محلول به نفت (Rs) ، چگالي نسبي گازهاي محلول در نفت (γg) و چگالي نسبي نفت (يا درجة API نفت ) براي تعداد ۱۳۰ مخلوط نفت و گاز مختلف از آزمايشات PVT آزادسازي آني (Flash Liberation ) و انبساط مرحله اي ((Differential Liberat موجود و مورد استفاده مي باشند. مجموعة داده هاي نامبرده به دو بخش اصلي تقسيم شده است. بخش اول بانک داده اي موجود که شامل ۱۰۰ سري دادة رفتار فازي سيال است، جهت آموزش (يا تربيت) مدل جديد ANN به کار رفته است. اين بخش از داده ها تمامًا محدودة داده هاي PVT مربوط به نفتهاي خام ايران را پوشش مي دهد. نکتة حائز اهميت اين است که اين قسمت از داده ها در مرحلة آزمايش مدل پيشنهادي مورد استفاده قرار نخواهد گرفت.

قسمت دوم از سري داده ها، حاوي 30 سري دادة PVT ، به منظور آزمايش دقت مدل پيشنهاد شده و تحليل تبعيت آن از قوانين فيزيکي رفتار فازي سيالات هيدروکربوري مي باشد. اين قسمت از داده ها قب ً لا در مرحلة آموزش مدل پيشنهادي به کار نرفته است. نکتة بسيار مهم و قابل توجه ديگر، محدودة تغييرات اين سري از داده ها است، که به صورت اصولي، حتمًا بايستي در بازة داده هاي مرحلة آموزش شبکه قرار گيرد. به اين معني که تمام داده هاي مجموعة آزمايش بايد بين مقادير حداکثر و حداقل داده هاي مجموعة آموزش قرار گيرند. محدودة مقادير داده هاي PVT به کار رفته در اين مطالعه در جدول ۲ ارائه شده است.

پس از آموزش مدل ANN ، دقت اين مدل همراه با مدلهاي (روابط تجربي ) تعيين شده، جهت تخمين فشار اشباع و ضريب حجمي تشکيل نفتهاي خام ايران، به کمک بخش دوم از بانک داده اي (داده هاي سري آزمايش ) ، محاسبه گرديده و در جدول ۳ و جدول ۴ ارائه شده است. جدول هاي مذکور، نتايج آماري حاصل از محاسبات، يعني مقادير ميانگين خطاهاي نسبي (Average Relative Error) ، ميانگين قدر مطلق خطاهاي نسبي (Average Absolute Relative Error ) ، و ضريب همبستگي (Correlation Coefficient ) انواع مدلها را جهت مقايسة مدلهاي ذکر شده در تخمين خواص PVT نفت خام نشان مي دهد.

جدول ۳ مقادير خطاها و ضريب همبستگي را براي سه رابطة مورد مطالعه و مدل جديد ANN مشخص مي كند. مطابق جدول، مدل جديد كمترين خطا و بيشترين ضريب همبستگي، و ساير روابط، مقادير بيشتري براي خطاها و مقادير کمتري براي ضرايب همبستگي را نشان مي دهند.

جدول ۴ مقادير خطاها ( شامل خطاي متوسط و قدر مطلق خطاي متوسط ) و ضريب همبستگي در روابط به كار گرفته شده در تخمين Bob را نشان مي دهد. همانگونه که در اين جدول مشخص است مدل جديد ANN از لحاظ برخورداري از بالاترين ضريب همبستگي در ميان ساير روابط، در رتبة اول و از لحاظ مقادير خطاي تخمين، پس از رابطة Al-Marhoun در رتبة دوم قرار دارد.

از مقايسة شكل ها و جداول ارائه شده در تخمين Pb و Bo اين نكته مشخص مي گردد كه روابط تخمين Bob دقت بهتري نسبت به روابط تخمين Pb دارند. به هرحال، هدف از اين مطالعه، خصوصيت يابي نفتهاي مخازن ايران و مطالعة دقت روابط تجربي گوناگون ‐ به ويژه آنها كه در سالهاي اخير ارائه شده اند ‐ در ارزيابي تخمين Pb و Bo ميادين نفتي ايران مي باشد. در اين ارتباط، مدل جديد و سپس رابطة Glaso ، تخمين بهتري را براي فشار اشباع داشته اند.

در تخمين Bob تمام روابط مقادير خطاي محدودي دارند. ليكن مدل جديد ANN ، بهترين مدل در تخمين Bob از لحاظ ضريب همبستگي بوده و داراي کمترين مقادير خطا پس از رابطة Al-Marhoun مي باشد.

پایان پارت ۱

...ادامه در پارت ۲