اندازه گيري و مدل سازي رسوب آسفالتين در شرايط مخزن ٬ توليد و تزريق امتزاجي گاز

در اين بخش نتايج مربوط به مدل تهيه شده جهت پيش بيني رفتار فازي آسفالتين در تركيبات نفت ارائه مي شود. نمونه هاي استفاده شده در اين كار ٬ نمونه هاي نفت زنده از مخازن نفتي داخل كشور بوده و داده آزمايشگاهي بدست آمده در داخل اندازه گيري شده است . مدل بكار برده شده در اين كار با بكار گيري تئوري محلول هاي پليمري و تئوري شبكه قادر است ميزان رسوب آسفالتين را در شرايط مختلف محيطي دما ٬ فشار ( در مسير توليد ) و تزريق به خوبي پيش بيني كند . پارامتر هاي مدل هاي موجود در مدل با استفاده از داده هاي آزمايشگاهي رسوب آسفالتين تنظيم مي شود و مدل تنظيم شده براي پيش بيني اثر پارامتر هاي مختلف در فرآيند توليد يا تزريق بر روي ميزان رسوب بكار برده مي شود. در اين بخش نتايج حاصل از اين مدل براي چندين نمونه از نفت هاي داخل كشور كه داده هاي آزمايشگاهي آنها در دسترس بود٬ آورده شده است. مدل انتخاب شده در اين كار٬ مدل ميلر – فلوري – هاگينز مي باشد كه اين مدل از تلفيق تئوري فلوري – هاگينز و تئوري آنتروپي ميلر ( Miller ) حاصل مي شود. در اين بخش تعادل فازي مايع – بخار از معادله حالت Peng-Robinson مدل ميشود. همانطور كه ملاحظه مي شود نتايج بدست آمده از اين مدل نزديكي زيادي به نتايج آزمايشگاهي دارند.

مقدمه

رسوب آسفالتين از سيالات مخازن در فرآيند هاي توليد و بهره برداري نفت و گاز يكي از اساسي ترين و شايع ترين مشكلات صنعت نفت در بخش هاي بالا دستي و نيز پائين دستي محسوب مي شود.

بر هم خوردن تعادل ترموديناميكي جزء آلي موجو در تركيبات نفتي در اثر تغيير عوامل متعدد محيطي وعملياتي همانند دما ٬ فشار و يا تركيبات نفت در فرآيند هاي تزريق گاز مشكلات و مسائل فراواني را در دارد كه از جمله مهمترين پيامد هاي اين نوع ناپايداري در سيستم تعادلي تركيبات نفتي مي توان به تشكيل ٬ رشد و رسوب جزء آلي سنگين مخصوصا آسفالتين ها اشاره كرد. رسوب آسفالتين سبب انسداد سنگ مخزن ٬ تغيير خواص سنگ مخزن ٬ گرفتگي چاه و تاسيسات سطح الارضي و كاهش ميزان توليد مي شود. اين رسوبات عمدتا در فرآيند هاي تخليه طبيعي٬ تزريق امتزاجي گاز به منظور ازدياد بزداشت از مخازن نفت و نيز در فرآيند هاي پايين دستي نفت اتفاق مي افتد. هزينه هاي زياد و خطرات اجتناب ناپذير اين نوع رسوبات ٬ نياز به تحقيقات وسيع در اين زمينه را باعث مي شود. مدل سازي اين رسوب در فرآيند هاي مختلف يكي از كم هزيمه ترين و اقتصادي ترين راه برخورد با اين مسئله مي باشد.

مدل پيش بيني رسوب آسفالتين

با توجه به مشكلات موجود و نقاط ضعفي مه نرم افزارهاي تجاري در زمينه پيش بيني ميزان و شرايط رسوب آسفالتين دارا هستند و نيز نقاط ضعف آنها در مورد ميادين نفتي داخل٬ مولفين قدم به تهيه مدلي براي پيش بيني رفتار فازي رسوب آسفالتين نمده اند. تئوري هاي بكار رفته در مدل با طبيعت آسفالتين و نحوه رسوبگذاري آن در نفت سازگاري منطقي و نزديك به واقعيت دارد. در اين كار سعي شده ضعف هاي تئوري و نيز ضعف هاي كاربري – كاربردي موجود در نرم افزارهاي تجاري موجود در حد قابل قبولي مرتفع گردد. اساس نرم افزارهاس تجاري كه در زمينه رسوب آسفالتين فعاليت دارند٬ استفاده از مدل هاي جامد مي باشد كه اين مدل ها تماما بر پايه معادلات حالت درجه سه بنا شده اند. استفاده از معادلات حالت براي بيان رفتار فازي جامد در مدل سازي رفتار فازي رسوب آسفالتين نمي تواند درست باشد چرا كه معدلات حالت درجه سه بطور تجربي و براي پيش بيني تعادلات فازي مايع – بخار ارائه شده اند در حاليكه آسفالتين بصورت فاز جامد رسوب كرده و رفتار نسبتا پيچيده اي در محلول هاي نفتي از خود نشان مي دهند. به علاوه در اين مدل ها جزء سنگين نفت به عنوان آسفالتين در نظر گرفته مي شود كه مي تواند حاوي جزء ديگري مانند پارافين ها و آروماتيك ها باشد.

در اين كار مدل هاي حلاليت كه مبتني بر تئوري محلول هاي پلي مري هستند٬ جهت مدل سازي رفتار فازي آسفالتين بكار گرفته شده اند. مولكول هاي آسفالتين به دليل بزرگي و بالا بودن وزن مولكولي شباهت زيادي با مولكول هاي پلي مري دارند و نحوه رسوبگذاري آنها هم شبيه به فرآيند پليمريزاسيون مي باشد٬ بنابر اين مي توان گفت كه آسفالتين ها تا اندازه زيادي طبيعت پلي مري دارند. به همين دليل بسياري از محققين با استفاده از تئوري محلول هاي پلي مري و تئوري شبكه به مدلسازي و توجيه رفتار فازي آسفالتين ها پرداخته اند.

در اين كار چهار مدل حلاليت استفاده شده است كه از نظر دقت و سادگي تفاوت هايي با يكديگر دارند. مدل اول تئوري ساده فلوري – هاگينز٬ مدل دوم تئوري فلوري – هاگينز با ترم آنتالپي اصلاح شده ٬ مدل سوم تئوري فلوري – هاگينز با ترم آنتالپي و آنتروپي اصلاح شده٬ براي چندين نمونه از نفت هاي زنده ايران كا قبل تز ارائه اين نتايج ٬ به شرح اين مدل مي پردازيم.

مدل ميلر - فلوري – هاگينز

تئوري فلوري – هاگينز با ترم آنتالپي و آنتروپي اصلاح شده كه در اينجا به مدل ميلر – فلوري – هاگينز ( Miller – Flory – Huggins ) نامگذاري شده ٬ از جايگزيني ترم آنتروپي تئوري فلوري – هاگينز به وسيله تئوري ميلر خاصل مي شود. با يادآوري معادله رابطه اصلاح شده قبلي تئوري فلوري – هاگينز كه از اصلاح ترم آنتالپي آن بدست مي آيد مي توان چگونگي حصول مدل ميلر – فلوري – هاگينز با ترم آنتالپي اصلاح شده با روابط زير بيان مي شود:

در اين روابط :

: انرژي گيبس مولي جزئي جزء (1)

: آنتالپي مولي جزئي جزء (1) كه به ترم باقيمانده ( residual ) معروف است.

: آنتروپي مولي جزئي جزء (1) كه به ترم تركيبي ( combinatorial ) معروف است.

iФ : كسر حجمي جزء i

iν : حجم مولي جزء

δ : پارامتر حلاليت جزء

R : ثابت گازها

T : دماي مطلق

: پارامتر متقابل دو جزئي بين حلال و حل شونده

جهت انجام اصلاحيه بر روي عبارت آنتروپي ( combinatorial ) در اين كار٬ رابطه آنتروپي ارائه شده توسط ميلر٬ به جاي رابطه (2) مورد استفاده قرار گرفت. معادله ميلر بصورت زير مي باشد:

پارامتر بسيار مهمي كه در اين رابطه ظاهر شده عدد كئورديناسين ( coordination number ) ٬ z ٬ است. اين عدد نشان دهنده ي تعداد مولكول هايي است كه يك مولكول مركزي را احاطه كرده اند. چنانچه روابط (3) و (4) در رابطه (1) جايگذاري شوند انرژي گيبس مولي جزء 1 در يك مخلوط دو جزئي كه برابر با پتانسيل شيميايي آن جزء است به صورت زير محاسبه خواهد شد:

چنانچه رابطه اخير براي مخلوط دو جزئي نفت – آسفالتين نوشته شود به جاي انديس 1 از انديس a استفاده مي كنيم كه نشان دهنده آسفالتين است و براي بيان جزء نفت انديس L را به كار مي بريم . با اين تغييرات رابطه (5) به صورت زير در مي آيد:

بر اساس تعادلات فازي ٬ پتانسيل شيميايي آسفالتين موجود در نفت (L) و فاز غني از آسفالتين (A) در حالت تعادل با هم برابرند و رابطه زير صادق خواهد بود:

گرچه مشاهدات ميداني و آزمايشگاهي حاكي از وجود ديگر تركيبات سنگين در رسوبات ايجاد شده از نفت در شرايط مختلف دارد اما از آنجا كه رسوب آسفالتين تحت تاثير تغيير عوامل خاصي ( عمدتا تغيير فشار و تركيب درصد ) قرار دارد٬ در نقطه تشكيل آسفالتين عمده رسوب ايجاد شده تركيبات آسفالتيني خواهد بود. به همين دليل فاز آسفالتين رسوب كرده را مي توان به صورت خالص فرض نمود. با اين فرض خواهيم داشت . در نتيجه رابطه (7) به شكل زير در مي آيد:

از اين معادله مي توان در محاسبات رسوب آسفالتين از نفت استفاده نمود. رابطه حاصل شده كه آن را مد ميلر – فلوري – هاگينز مي ناميم از دقت پيش بيني بالايي نسبت به مدل هاي قبلي بر پايه تئوري فلوري هاگينز داراست.

تعادلت فازي مايع – بخار با استفاده از معادله حالت Peng-Robinson انجام مي شود كه از اين محاسبات خواص فاز نفت بدست مي آيد. پارامترهاي قابل تنظيم رابطه ( ) با داشتن چندين داده آزمايشگاهي رسوب آسفالتين تعيين مي شوند و سپس مدل حاصل در گستره وسيعي از دما ٬ فشار و تركيب درصد براي پيش بيني ميزان رسوب آسفالتين از نفت قابل بكار گيري خواهد بود. مدل ميلر – فلوري – هاگينز از دقت پيش بيني بالايي نسبت به مدل هاي قبلي بر پايه تئوري فلوري – هاگينز دارد.

نحوه بكارگيري اين مدل

جهت استفاده اين مدل به يك سري داده هاي آزمايشگاهي ساده نياز است كه حداقل داده هاي لازم به يك نرم افزار مي باشند. اين داده ها عبارتند از:

1) تركيب سيال مخزن

2) ميزان آسفالتين موجود در سيال مخزن

3) داده هاي آزمايشگاهي رسوب آسفالتين در دماي مخزن و دامنه فشاري ( از فشار مخزن تا فشار هاي زير نقطه حباب )

پس از وارد كردن داده هاي مورد نياز و پس از محاسبات مربوط به خواص و رفتار فازي سيال ٬ محاسبات مربوط به رسوب آسفالتين شروع مي شود كه اين بخش شامل دو قسمت است:

1. در بخش اول كه پردازش داده هاي آزمايشگاهي آسفالتين يا Regression نام دارد با بكارگيري داده هاي آزمايشگاهي رسوب آسفالتين در فشار هاي مختلف و در دماي مخزن و همچنين خواص محاسبه شده ي سيال و نيز انتخاب پارامترهاي قابل تنظيم مدل و دامنه تغييرات آنها ٬ با استفاده از يك روش بهينه سازي كارْمد و قوي٬ مدل بر اساس اين داده هاي آزمايشگاهي قابل تنظيم شده و پارامترهاي قابل تنظيم بدست مي آيند.

2. در بخش دوم كه شبيه سازي يا Simulation نام دارد٬ بر اساس پارامترهاي بدست آمده مدل٬ ميزان رسوب آسفالتين در شرايط مختلف دما٬ فشار ور تركيب سيال ( تزريق گاز ) قابل پيش بيني خواهد بود.

بطور خلاصه مي توان گفت ٬ اين مدل قادر است رفتار فازي فازي آسفالتين را در سيال مخزن٬ تحت تاثير عوامل محيطي و عملياتي حاكم بر سيستم هاي نفتي به خوبي پيش بيني نمايد. اين تغييرات عبارتند از:

1. تغيير فشار٬ كه در تخليه طبيعي مخزن و همچنين در اثر حركت سيال در محيط متخلل سنگ مخزن ٬ ستون چاه ٬ تاسيسات سرچاهي و غيره اتفاق مي افتد.

2. تغيير دما ٬ كه در اثر حركت سيال در ستون چاه ٬ تاسيسات سرچاهي ٬ لوله انتقال و مخازن ذخيره رخ مي دهد.

3. تغيير تركيب درصد سيال مخزن ٬ كه در اثر آزاد شدن گاز يا تزريق گاز به مخزن در فرآيند هاي ازدياد برداشت نفت اتفاق مي افتد.

اين مدل قادر است در شرايط مختلف فشاري و دمايي از شرايط مخزن تا تاسيسات سطح الارضي ميزان رسوب آسفالتين را به صورت شبه ديناميكي هم پيش بيني نمايد. قابليت و توانايي اين مدل براي شبيه سازي رسوب آسفالتين در دما ٬ فشار و تركيبات مختلف براي تعداد زيادي از نمونه هاي نفت زنده داخل كشور بررسي شده است. در ادامه نتايج اين مدل براي چند نمونه نفت زنده داخل كشور آورده شده است.

نمونه هاي نفت زنده استفاده شده در اين كار

در اينجا آناليز تركيب درصد سيالات مخزن همراه با اطلاعات مربوط به فشار نقطه حباب در دماي مخزن و آناليز هيدروكربن هاي سنگين نفت و نيز نتايج آزمايشگاهي سيستم رسوب براي تعيين فشار ظهور آسفالتين براي چهار نمونه ي نفتي داخل در جداول و اشكال مربوطه آورده مي شود.

جدول 1 - آناليز و تركيب درصد سيالات مخزن

جدول 2 - فشار شروع رسوبگذاري و فشار اشباع سيالات مخازن در دماي مخزن

نتايج

در اينجا نتايج مربوط به پارامترهاي بدست آمده پس از تنظيم مدل براي نمئنه هاي مختلف آورده شده است. در ادامه نتايج مربوط به اثر فشار ٬ دما و تركيب بر روي ميزان رسوب آسفالتين در نمونه ها آورده مي شوند.

جدول 3 - پارامترهاي بدست آمده مدل نمونه ها

شكل 1 - نتايج اين مدل براس رسوب آسفالتين در نمونه شماره يك

شكل 2 - نتايج اين مدل براي رسوب آسفالتين در نمونه شماره دو

شكل 3 - نتايج اين مدل براي رسوب آسفالتين در نمونه شماره سه

شكل 4 - نتايج نرم افزار براي رسوب آسفالتين در نمونه شماره چهار

پيش بيني اين مدل براي تزريق گاز و اثر دما

بعد از وارد كردن اطلاعات آزمايشگاهي ميزان رسوب به مدل و سپس تنظيم آن و در نتيجه بدست آوردن پارامترهاي مدل براي نمونه هاي مختلف ٬ مي توان با استفاده از اين پارامترها در مدل مورد نظر ٬ رسوب آسفالتين را در شرايط مختلف دما ٬ فشار يا تركيب سيال ( تزريق امتزاجي گاز ) قابل پيش بيني نمود. در اينجا به عنوان مثال اثر ميزان تزريق گاز CO2 و نيز اثر دما در مسير توليد ب ميزان رسوب آسفالتين براي يكي از نمونه نفتي داخل در اشكال زير آورده شده است.

شكل 5 - نتايج اين مدل براي پيش بيني اثر تزريق CO2 بر رسوب آسفالتين در نمونه شماره يك

شكل 6 - نتايج اين مدل براي پيش بيني اثر دما بر رسوب آسفالتين در نمونه شماره يك

نتايج

در اين بخش مدل تهيه شده جهت پيش بيني رفتار فازي آسفالتين معرفي گرديد. بدليل بكار گيري تئوري محلول هاي پليمري و تئوري شبكه ٬ مي توان تفسير واقعي تري از رفتار مخلوط آسفالتين – نفت را با استفاده از مدل تهيه شده ارائه داد كه در مقايسه با مدل هاي استفاده شده در نرم افزارهاي تجاري از اعتبار علمي بالايي برخوردار است . علاوه بر اين ٬ چون با استفاده از يك سري داده هاي آزمايشگاهي ساده و قابل دسترس مي توان پارامترهاي قابل تنظيم مدل ها را براحتي تعيين كرد از نظر كاربري نيز با نرم افزار هاي تجاري موجود در اين زمينه رجحيت نسبي دارد. نتايج ارائه شده در اين كار متعلق به نمونه هاي داخل كشور است كه با استفاده از مدل ميلر – فلوري – هاگينز مدلسازي شده اند. نتايج نشان مي دهند كه نتايج اين مدل با دقت قابل قبولي قادر است داده هاي آزمايشگاهي را پوشش دهد. نتايج مدل هاي تنظيم شده براي نمونه هاي مورد استفاده در اين كار براحتي براي پيش بيني رفتار فازي آسفالتين موجود درنفت نحت تاثير پارامترهاي محيطي و عملياتي مختلف قابل كاربرد و استفاده مي باشد.