بررسی فرآیند تزریق متناوب بخار آب و حلال در بازیافت نفت سنگین

1- مقدمه

برای تولید از مخازن نفت سنگین دو راه کلی وجود دارد: اول افزایش دمای نفت سازند که با تزریق سیالات داغ مانند بخار آب به درون سازند میسر می شود. دیگری کاهش لزجت نفت که این با استفاده از تزریق حلال هایی با لزجت کم که با مخلوط شدن با نفت سازند حاصل می شود. در طی بیست سال اخیر روش های SAGD و VAPEX جهت نیل به این منظور توسعه یافتندو در فرآیند SAGD نرخ تولید نفت بالاست ولی مشکلاتی مانند مصرف انرژی و هزینه زیاد ، تولید بیش از حد دی اکسید کربن و تصفیه آب مصرفی را داراست. در حالی که فر آیند VAPEX با وجئد کمتر بودن هزینه در آن با معایبی چون پایین بودن نره تولید و نگرانی در مورد نگهدای حلال توسط مخزن مواجه است. در این چند سال اصلاحاتی ب این روش های فوق الذکر انجام شده است. از جمله این اصلاخات همراه ساختن گاز های غیر میعانی با بخار آب به منظور کاهش اتلاف گرما و یا تزریق همزمان بخار آب و حلال برای رسیدن به تولید بیشتر می باشد. در راستای این اصلاخات روش دیگری موسوم به تزریق متناوب بخار آب و حلال " Steam Alternating Solvent process " یا اختصار " SAS " در دست بررسی است. در این فرآیند کخ شکل چاه ها در آن شبیه روش SAGD می باشد ابتدا بخار آب را به مخزن تزریق می کنند سپس هنگامی که احساس شد اتلاف گرما به لایه های مجاور زیاد شده است تزریق بخار آب قطع و به جای آن حلال هایی مانند پروپان به مخزن تزریق می شود. سپس هنگامی که از نظر اقتصادی با صرفه باشد ادامه پیدا می کند و در نهایت تا آنجایی که امکان دارد حلال های مصرفی با انجام عملیات Blow Down جمع آوری می شود.

2- فرآیند تزریق متناول بخار آب و حلال ( SAS Process )

همانطور که گفته شد شکل کلی چاه ها در این فرآیند دقیقاً شبیه روش SAGD می باشد یعنی یک چاه تزریقی افقی که چاه تولیدی بصورت موازی در زیر آن قرار دارد. یکی از شاخصه های روش SAS این است که می تواند تحت سناریوی متفاوت و الگوهای تولید مخزن انجام گردد. پروسه تولید در این فرآیند به این شرح است :

ابتدا بخار آب خالص برای شروع کار همانند روش SAGD به مخزن تزریق می شود سپس هنگامی که Steam Chamber شکل گرفت و افت گرما شدید گردید این تزریق قطع و تزریق حلال مانند پروپان آغاز می گردد و این چرخه تا زمانی که از لحاظ اقتصادی با صرفه باشد اداماه پیدا می کند. در پایان حلال های در جای مخزن توسط عملیات Blow Down تا حد امکان جمع آوری می گردد. شکل کلی الگوی تولید در این فرآیند بطور خلاصه در نمودار 1 نشان داده شده است. ایده و هدف اصلی فرآیند SAS در واقع جایگزینی مقادیر مصرفی و نسبتاً گران بخار آب توسط حلال های ارزان می باشد. در ضمن دمای عملیاتی در این روش به دلیل کاهش بخار آب مصرفی کمتر از دمای عملیاتی روش SAGD می باشد. بنابر این اثر دما بر لزجت نفت سازند کم رنگ تر شده و در مقابل با حل شدن حلال در نفت جبران می شود. یکی از معیار های انتخاب حلال مناسب در این فرآیند این است که دمای شبنم خلال تزریقی باید بین دمای اولیه مخزن و دمای بخار آب تزریقی باشد. یکی دیگر از ویژگی های فرآیند تزریق متناوب بخار آب و حلال نحوه توزیع سیالات درون Chamber است ، بدین نحو که بخار آب در مناطق بیشتری میعان می یابد در حالی در روش SAGD این بخار آب فقط در منطقه باریک جبهه پیشروی میعان می یافت. در نتیجه سطح تماس حلال با نفت سازند بیشتر شده و انتقال گرما و انتقال جرم بهتری صورت می پذیرد و این به افزایش تولید کمک شایانی می کند.

3- برآورد فرآیند SAS به کمک شبیه سازی

جهت بررسی نحوه عملکرد فرآیند تزریق متناوب بخار آب و حلال و همچنین مقایسه آن با فرآیند SAGD ، Zaho در سال 2005 به شبیه سازی روی آورد. ایشان این شبیه سازی را به کمک شبیه ساز حرارتی STARS که یکی از مدول های نرم افزار اقاصادی CMG ( Computer Modeling Group ) می باشد انجام دادند. این شبیه ساز یم نئلساز سه فازی چند مولفه ای استه که قابلیت اجرای چندین فرآیند را به طور همزمان داراست.

1-3- توصیف مخزن

در این شبیه سازی از شرایط و خصوصیات سنگ مخزن cold lake استفاده شده است. فشار اولیه این مخزن Kpa 3100 و دمای اولیه آن 12 نی باشد. تحلحل مخزن %33 و ضخامت آن در حدود m 25 گزارش شده است. نفوذ پذیری افقی آن Darcy 5/2 و نفوذ پذیری عمودی این مخازن Darcy 5/1 برآورد شده است. اشباع اولیه نفت در آن %85 . نسبت گاز به نفت اولیه آن 4/3 می باشد. این مخزن با داشتن لزجت حدود mpa*s 47956 در دمای 12 و mpa*s در دمای 220 از زمره مخازن نفت سنگین جهان می باشد. این خصوصیات در جدوب شماره 1 بطور خلاصه آورده شده است.

حلال به کار رفته شده در این شبیه سازی پروپان می باشد . خصوصیات نفت و پروپان و همچنین حلالیت این حلال در نفت سازند توسط Win Prop که یکی دیگر از مدول های نرم افزاری تخصصی CMG می باشد برآورد شده است. ثابت تعادل ( K ) این واکنش در نمودار 2 ترسیم شده است.

2-3- توصیف چاه ها و مدلسازی فرآیند

چاه ها در این مدل سازی به صورت دو چاه افقی با طول m 500 با فاصله m 5 از هم فرض شده اند. چاه تولیدی منطقه 5 متر زیر منطقه نفتی حفر شده تاست. فاصله چاه ها از هم 100 متر می باشد. شیکه بندی بصورت 1*1*500 است و به دلیل تقارن تنها نیمی از آن شبیه سازی شده است. سیستم دو بعدی شبکه بندی و وضعیت قرار گرفتن چاه ها در آن به صورت شماتیک در نمودار 3 نشان داده شده است.

همانطور که اشاره شد در این شبیه سازی دو فرآیند SAGD و SAS در مخزن clod lake مورد شبیه سازی قرار گرفته اند. در فرآیند SAGD بخار آب با کیفیت %85 با فشار Kpa 300 و دمای 237 به مخزن تزریق گردید. در ابتدای عملیات به هر دو چاه تزریقی و تولیدی گرما داده شده تا ارتباط جریانی آن دو بر قرار شود. در فرآیند SAS شرایط عملیاتی در دو سال اول دقیقاً شبیه فرآیند SAGD در دو سال اول می باشد. بعد از دو سال این فرآیند با تزریق متناوب دو ماه بخار آب و چهار ماه حلال دنبال می شود و این چذخه تا سال هشتم ادامه می یابد. در طول این چرخه لخار آب و حلال تزریقی در بیشترین فشار Kpa 3150 کنترل می شوند. حلال تزریقی محلوطی از %20 متان و %80 پروپان می باشد. این مخلوط نیز تا دمای 237 گرم می شود. زمان عملیات در هر دو فرآیند هشت سال است.

در فرآیند SAGD نرخ تزریق بخار آب به مقدار ماکزیمم 120 می رسد و تا پایان سال هشتم به 40 کاهش می یابد. نمودار 4 نرخ تولید نفت را تا پایان سال هشتم نشان می دهد.

3-3- نتایج شبیه سازی

پس از مدل سازی دو فرآیند SAGD و SAS توسط شبیه ساز STARS ، تولید انباشته نفت در این دو فرآیند در نمودار 5 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود تا قبل از 2000 روز بازیافت نفت در هر دو فرآیند یکسان است. اما بعد از گذشت 2900 روز بازیافت نفت در فرآیند SAS حدود %4 افزایش داشته است.

نمودار 5- تولید انباشته نفت در دو فرآیند SAGD و SAS

در نمودار 6 نسبت بخار آب به نفت تولیدی ( SOR ) و همچنین نسبت گاز محلول به نفت تولیدی ( GOR ) نشان داده شده است. در پایان عملیات نقدار SOR در فرآیند SAGD ، 5/2 و در فرآیند SAS ، 2/1 می باشد. یعنی فرآیند SAS حدود %52 در مصرف بخار آب صرفه جویی کرده است. مقدار GOR خالص نیز در این پروسه 1/36 می باشد.

جهت مقایسه مصرف انرژی دو فرآیند SAGD و SAS از پارامتر هایی مانند گرمای نهان بخار آب ، انرژی ویژه بخار آب و حلال و مقدار سوزنده حلال باقی مانده استفاده شده است. این نقایسه بصورت انرژی ورودی نسبت به نفت تولیدی در نمودار 7 آورده شده اسن. همانطور که مشاهده می شود شدت مصرف انرژی در فرآیند SAGD حدود ( ) 73/8 و در فرآیند SAS با %18 کاهش حدود ( ) 19/7 می باشد. اگر پس از فرآیند SAS به مدت 5/1 سال عملیات Blow down به منظور کاهش نگهداری حلال توسط مخزن و بازیافت نفت های بیشتر انجام گردد شدن مصرفی انرژی به میزان ( ) 81/5 یعنی %34 کاهش می یابد. این صرفه جویی بدون انجام هیچ گونه عملیات بهینه سازی حاصل می شود. تحقیقات اخیر نشان می دهد هرینه اقتصادی فرۀیند SAGD بیشتر از آن که به نرخ تولید نفت وابسته باشد به شدت مصرف انرژی بستگی دارد.

پروفایل دما در فرآیند SAS در نموار 8 نشان داده شده است. پیکان های مشخص شده در این نمودار شار فاز نفت را نشان می دهد . در روز 789 با شروع تزریق حلال ، نفت از مرز منطقه گرم خارج می شود. پس از این زمان پروفیل دما دیگر مناطق تخلیه شده را نشان می دهد. پروفیل های b و c به ترتیب زمان های شروع و پایان تزریق بخار آب را نشان می دهد. این پروفیل نشان می دهد حتی در زمان چرخه تزریق بخار آب فقط مناطق کمی از قسمت های تحلیه شده دارای دمای بخار آب هستند. همانطور که در نمودار 9 مشاهده می شود تزریق پروپان باعث تجمع حلال درون Chamber شده و با حل شدن در نفت لزجت آن را کاهش می دهد. انتفال گرما ( به صورت انتقالی و همرفت ) و انتقال جرم دو پدیده اساسی اتفاق افتاده درون Chamber می باشند. در واقع تولید نفت در فرآیند SAS هم به علت افزایش دما و هم له علت حل شدن حلال در آن است. لزجت مخلوط نفت ، حلال درون Chamber از لزجت بخار آب ، نفت به تنهایی بیشتر است لذا انتظار می رود بازیافت نفت در این فرآیند کمتر باشد اما در واقع حلاف آن دیده می شود. جهت توضیح این مورد لازم است به معادله دارسی توجه شود. در معادله دارسی نرخ تولید علاوه بر لزجت به نفوذ پذیری نسبی آن نیز بستگی دارد. در فرآیند SAGD گر چه کاهش لزجت مفت بیشتر است اما متقابلاً نفوذ پذیری نسبی نفت نیز به علت تقطیر بخار آب کمتر است در حالی که در فرآیند SAS این نفوذ پذیری نسبی به علت اشباع زیاد نفت بیشتر است و کاهش کم لزجت نفت را جبران می کند.

4-3- آنالیز حساسیت

در این قسمت از شبیه سازی ، حساسیت فرآیند SAS نسبت به الگو های تولید بررسی شده است. در جدول 2 چهار الگوی تولید آورده شده است. این الگو ها متشکل از دو سال تزریق بخار آب و شش ماه تزریق متناوب بخار آب و حلال می باشد. تولید انباشته نفت برای هر الگ. در نمودار 10 نشان داده شده است. بهینه سازی این الگوها بر اساس اقتصادی و تولیدی امری مهم و قابل اعتنا در فرآیند SAS می باشد.

خلاصه و نتیجه گیری

تزریق متناوب بخار آب و حلال یک روش جدید برای بازیافت نفت سنگین از مخازن می باشد که در این فصل به آن پرداخته شد. در این فرآیند که چاه های تزریقی و تولیدی در آن به صورت افقی می باشد بخار آب و حلال به صور متناوب به مخزن تزریق می شود. برای بررسی کامل این فرآیند ، شبیه ساز عددی مخزن Cold Lake که توسط Zaho امجام شده بود آورده شد. نتایج این شبیه سازی نشان داد که تولید نفت در روش SAS بیشتر از روش SAGD می باشد. این به این علت است که کاهش کم ازجت نفت در روش SAS بوسیله افزایش نفوذ پذیری نسبی فاز نفت که این بخاطر بیشتر بودن اشباع نفت است جبران می شود. در حالی که روش SAGD با وجود کاهش چشمگیر لزجت نفت به عات کاهش نفوذ پذیری نسبی نفت که خود به خاطر میعان بخار آب تزریقی حاصل می شود نرخ تولید نفت کمتر است. همچنین برآورد های اولیه نشان می دهد شدت نصرف انرژی در فرآیند SAS تقریباً %18 کمتر از فرآیند SAGD می باشد.