پيش بيني تشکيل رسوب در فرآيند تزريق آب به مخازن نفتي ايران

در اين مقاله، از مدل پيتزر، براي پيش بيني مقدار و نوع رسوب در فرآيند تزريق آب براي ازدياد برداشت نفت استفاده شده است. رسوب در اثر اختلاط آب سازند با آب تزريقي تشکيل مي شود . محاسبات براي تزريق آب خليج فارس به مخازن نفتي سيري و نصرت و همچنين براي تزريق آب به مخزن نفتي درياي شمال انجام شده و کميت فوق اشباع نسبي براي دماها و فشارهاي مختلف بر حسب درصد آب دريا گزارش شده است . نتايج نشان مي دهد که با افزايش دما، مقدار رسوب سولفات باريم کاهش يافته و مقدار رسوب هاي سولفات اس ترانسيم و سولفات کلسيم افزايش مي يابد. افزايش فشار باعث کاهش مقدار رسوب هاي سولفات مي شود . عليرغم اينکه آب هاي مورد نظر حاوي اجزاي متعددي بوده اند ولي محاسبات متعدد در اين قصل ، تطابق خوب مدل پيشنهادي براي پيش بيني مقدار و نوع رسوب با نتايج گزارش شده ميداني را نشان مي دهد.

۱- مقدمه

تزريق آب به مخازن نفتي، يكي از روش هاي ازدياد برداشت نفت مي باشد . از تزريق آب براي تثبيت و تقويت فشار طبيعي مخزن در زمان برداشت نفت استفاده مي شو د. يکي از مشکلات در اين فرآيند، تشکيل رسوب در اثر تغيير دما يا فشار و اختلاط آب تزريقي با آب سازند در لوله هاي تزريقي و يا در سنگ مخزن مي باشد . در اين زمينه تحقيقات تجربي و نظري متعددي انجام شده است . در تحقيقات انجام شده، موضوع تجانس آب ها بيشتر مورد توجه قرار گرفته است . کميت کليدي که بيانگر امکان تشکيل رسوب مي باشد، کميت فوق اشباع نسبي مي باشد.

رسوب هاي اصلي مخازن ، كربنات كلسيم (CaCO3) ، سولفات كلسيم (CaSO4) ، سولفات باريم (BaSO4) ، كلريد سديم (NaCl) و سولفات استرانسيم (SrSO4) هستند.

Grist & Mitchell ، مشكلات حاصل از تشكيل كربنات و سولفات در مخزن Forties درياي شمال را بررسي کرده و نتيجه گرفتند که اين مشکلات، ناشي از دو عامل اساسي است. يكي از اين عوامل، اختلاط آب مخزن و آب تزريقي مي باشد كه باعث تشکيل رسو بهايي از قبيل سولفات باريم و سولفات استرانسيم مي شود. عامل ديگر، تشكيل رسوب كربنات كلسيم در آب مخزن به علت تغيير دما و فشار در طي پروسه بهره برداري معرفي شده است.

Read & Ringen نيز، آزمايش هايي را با آب دريا و آب سازند درياي شمال، در طي سه مرحله انجام دادند. آنها از ميكروسكوپ الكتروني (SEM) و X-ray diffraction ، براي شناسايي و مقايسه رسوب هاي تشكيل شده استفاده کردند. آنها در مرحله اول، پس از آناليز نمونه آب ها، احتمال تشکيل دو رسوب سولفات باريم واسترانسيم را پيش بيني کردند . در مرحله دوم، آزمايش ها را در ظروف شيشه اي، با اختلاط آب ها و در دماي °C 70 انجام دادند و در مرحله سوم، آزمايش ها را در يک محيط متخلخل اجرا کردند. در مرحله سوم آنها دريافتند که وقتي فقط يک آب در مغزه ١ ها جريان مي يابد، هيچ رسوبي تشکيل نمي شود و افزايش فشاری نيز به وجود نمي آيد.

در سال ۱۹۸۳ ، Lindlof & Stoffer ، مقدار رسوب هاي سولفات هاي استرانسيم، كلسيم و باريم را در اثر تزريق آب دريا به مخزن Arab- D در مناطق شمالي ميدان نفتي Ghawar ارزيابي کردند. نتايج آنها نشان داد که وقتي رسوب ها به طور خالص بررسي مي شوند، حلاليت سولفات استرانسيم مي تواند از mg/L 90 بيشتر باشد. در صورتي كه تعداد هر يک از يون هاي استرانسيم يا سولفات از حد معمول بيشتر باشد، حلاليت به طور چشمگيري كاهش م ييابد. اين پديده به « تأثير يون مشترك » معروف است.

همچنين Vetter به همراه همكارانش، مقدار رسوب ها در پروسه تزريق آب را تابعي از نسبت اختلاط آب ها، آناليز دو آب، دما و فشار در هر نقطه از مخزن دانستند. آنها بر اهميت مسئله تجانس آب تزريقي و آب مخزن تأکيد کردند و نتيجه گرفتند وقتي که فقط آب توليدي از مخزن دوباره به درون آن تزريق مي شود، به علت خارج شدن گازهايي مانند و از آب در سر چاه و در نتيجه تغيير آناليز و pH آب، مشكلاتي در زمينه سازگاري آب ها و تشکيل رسوب، به وجود خواهد آمد. آنها همچنين در مقاله ديگري در سال ۱۹۸۷ ، مطالعاتي در زمينه تشكيل رسوب انجام دادند. اين رسوب، يكي از مهم ترين رسوبهاي تشكيل شده در ميادين نفتي است.

در سال ۱۹۹0 ، Todd & Yuan ، چگونگي تشكيل رسوب هاي و در اثر تزريق آب درياي شمال به مخازن نفتي از جنس ماسه سنگ را به صورت آزمايشگاهي بررسي کردند. آنها با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني، شکل و اندازه كريستال ها و مقدار كاهش نفوذپذيري سنگ مخزن را تعيين کردند و نيز اثر نسبت يون هاي استرانسيم به باريم (Sr/Ba) بر تشکيل رسوب را گزارش کردند. اين محققان در سال ۱۹۹۲ ، اثر دما بر مقدار رسوب هاي سولفات باريم و سولفات استرانسيم را تعيين و گزارش کردند. آنها به كمك ميكروسكوپ الكتروني (SEM) ، ثابت كردند كه تغيير دما، در مقدار كل رسوب تشكيل شده در حفره ها اثري ندارد. البته افزايش دما باعث كاهش مقدار رسوب و افزايش رسوب مي شود.

دكتر مقدسي و همكارانش در سال ۲۰۰2 ، با استفاده از ۸ نمونه سنگ مخزن از ميادين نفتي سيري، مقدار و نوع رسوب تشکيل شده در اثر تزريق آب خليج فارس به مخزن را اندازه گيري کردند. اين محققان نشان دادند که از ميان پارامترهاي كنترل كننده كارآيي مخزن، مقدار نفوذپذيري، پارامتري كليدي محسوب مي شود. آنها به دليل پيچيدگي تأثير متقابل پارامترهاي عملياتي، تنها تعدادي از اين عوامل مانند درجه حرارت، غلظت، ديناميك سيال و نوع محيط متخلخل را بررسي کردند. آنها در سال ۲۰۰۳ نيز دريافتند که در دماهاي بالا، مقدار رسوب هاي سولفات كلسيم و كربنات كلسيم افزايش مي يابد زيرا حلاليت سولفات كلسيم و كربنات كلسيم با افزايش دما، کم مي شود. همچنين آنها نشان دادند که آب هاي شور با درجه بالاتر فوق اشباعي، كاهش بيشتري در تراوايي ايجاد مي كنند و در سرعت هاي بالاتر جريان ، يونهاي كلسيم و سولفات / كربنات بيشتري از محيط متخلخل و در يك مدت زمان داده شده عبور مي كنند . بنابراين فوق اشباعي زياد شده سرعت تشكيل رسوب هاي مذكور، بيشتر خواهد شد.

ژاكس و همكارانش يک مدل correlation را براي پيش بيني تشکيل رسوب سولفات استرانسيم ارائه دادند . آنها محلول را ايده آل فرض کرده و با استفاده از نتايج تجربي، پارامترهاي مدل خويش را به دست آوردند . مطالعات آنها، همچنين ثابت كرد كه حلاليت با افزايش قدرت يوني، افزايش و با افزايش دما، كاهش مي يابد. نتايج اين مدل نشان مي دهد كه تغيير فشار از ۱۰۰ تا ۳۰00 Psig ، تنها باعث تغييرات خيلي جزئي در حلاليت سولفات استرانسيم مي شود.

Oddo & Tomson نيز يک مدل correlation را براي پيش بيني تشکيل رسوب ارائه کردند. اين دانشمندان، مدل خود را با استفاده از مفهوم فوق اشباعي ارائه و محلول را ايده آل فرض کردند.

در اين پروژه از مدل پيتزر براي پيش بيني مقدار رسوب نمک هاي سولفات باريم، سولفات استرانسيم و سولفات کلسيم پس از تزريق آب خليج فارس به مخازن نفتي سيري و نصرت، استفاده شده است.

2- تئوري

با توجه به تجزيه همه نمک ها در آب و تشکيل يک محلول الکتروليت، در اين پروژه براي تعيين مقدار غير ايده آل بودن محلول، از مدل پيتزر استفاده شده است. در اين مدل، ضريب اکتيويته براي کاتيون ها و آنيون ها از معادلات زير به دست مي آيد:

که در معادلات فوق F و Z از روابط زير به دست مي آيند:

و پارامترهاي مربوط به ضرايب ويريال براي هر نمک و و Yijk ، ضرايب ويريال براي مخلوط الکتروليت ها هستند.

ضريب اکتيويته متوسط نمک ها از رابطه زير به دست مي آيد:

هنگامي كه كاتيو ن و آنيون ، رسوب جامد MX را در محلول به وجود مي آورند، معادل ه تعادلي حلاليت به صورت زير تعريف مي شود:

در معادله فوق، براي ، SrSo4 يا ، n = 0 مي باشد و براي gypsum(. ) ، n = 2 است.

حاصل ضرب حلاليت نمک MX عبارت است از:

که در رابطه فوق ، Qsp ، ريشه دوم حاصل ضرب حلاليت هاي استوكيومتري سولفات ها مي باشد و به صورت زير تعريف مي شود:

مقادير حاصل ضرب حلاليت (Ksp ) براي ، SrSO4 ، و CaSO4 .2H 2O در جدول ) ۱( داده شده است.

جدول1- مقادير حاصل ضرب حلاليت براي نمک هاي مختلف

کميت فوق اشباع نسبي به صورت رابطه زير تعريف مي شود:

نشان مي دهد که محلول در حالت فوق اشباع و براي ، محلول در حالت اشباع اس ت و يون هاي و ، با فاز جامد در تعادل هستند.

3- نتايج مدلسازي

از مدل پيتزر براي پيش بيني مقدار رسوب نمک هاي مختلف براي مخلوط آب دريا و آب سازند مخازن نفتي استفاده شده است . براي پارامترهاي معادله پيتزر استفاده شده است. از آنجايي که مقدار و نوع رسوب تشکيل شده در اثر تزريق آب خليج فارس به مخازن سيري توسط آقاي دکتر مقدسي و همکارانش گزارش شده است، محاسبات براي همين سيستم ها اجرا شده اند.

جدول (2) ، آناليز آب خليج فارس و آب سازند مخازن سيري و نصرت و شکل هاي (1) تا (9)، مقادير کميت فوق اشباع نسبي پيش بيني شده بر حسب درصد آب دريا براي سيستم هاي گزارش شده در مرجع شماره را نشان مي دهد.

جدول2- آناليز آب خليج فارس آب سازند سيري و نصرت (بر حسب mg/L )

شکل ۱- پيش بيني رسوب سولفات در ميدان نفتي سيري – c

(دما، ۱۰۰ درجه سانتيگراد و فشار psi 270 )

شکل 2- پيش بيني رسوب سولفات در ميدان نفتي سيري – c

(دما،70 درجه سانتيگراد و فشار psi 270 )

شکل 3- پيش بيني رسوب سولفات در ميدان نفتي سيري – c

(دما، ۱۰۰ درجه سانتيگراد و فشار psi 135 )

شکل 4- پيش بيني رسوب سولفات در ميدان نفتي سيري – c

(دما، 50 درجه سانتيگراد و فشار psi 135 )

شکل 5- پيش بيني رسوب سولفات در ميدان نفتي سيري – D

(دما، ۱۰3 درجه سانتيگراد و فشار psi 270 )

شکل 6- پيش بيني رسوب سولفات در ميدان نفتي سيري – E

(دما، ۱۰۰ درجه سانتيگراد و فشار psi 270 )

شکل 7- پيش بيني رسوب سولفات در ميدان نفتي سيري – E

(دما، 50 درجه سانتيگراد و فشار psi 135 )

شکل ۸- پيش بيني رسوب سولفات در ميدان نفتي نصرت

(دما، 100 درجه سانتيگراد و فشار psi 270 )

شکل 9- پيش بيني رسوب سولفات در ميدان نفتي نصرت

(دما، 50 درجه سانتيگراد و فشار psi 135 )

اين شکل ها نشان مي دهد که با افزايش دما، مقدار فوق اشباع نسبي براي سولفات استرانسيم و سولفات کلسيم، افزايش، و براي سولفات باريم، کاهش مي يابد . در ضمن، افزايش فشار، باعث کاهش فوق اشباع نسبي براي همه نمک هاي سولفات مي شود ولي اثر فشار ناچيز است.

در جدول (۳) نيز براي چهار ميدان نفتي سيري – C ، سيري – D ، سيري – E و نصرت، مقادير محاسبه شده فوق اشباع نسبي براي نمک هاي سولفات باريم، سولفات استرانسيم، سولفات کلسيم دو آبه و سولفات کلسيم بدون آب آورده شده است . اين مقادير براي نسبت حجمي ۲0 ، ۵۰ و ۸۰ درصد آب دريا به آب سازند مي باشند. مقايسه نتايج محاسبه شده فوق اشباع نسبي، به خوبي نوع و مقدار رسوب تشکيل شده نسبت به ساير رسوب ها را مانند نتايج اندازه گيري شده پيش بيني مي کند.

محاسبات فوق براي تزريق آب درياي شمال به يک مخزن نفتي، نيز انجام شده و نتايج آن در جدول (4) آمده است . نتايج تجربي Read & Ringeg در ستون آخر جدول مشاهده مي شود. در اينجا نيز با مقايسه نتايج محاسبه شده فوق اشباع نسبي و نتايج اندازه گيري شده، مي توان دريافت که مدل پيشن هادي، براي پيش بيني مقدار و نوع رسوب در اثر اختلاط آب ها، توانايي و دقت بالايي دارد.

۴- نتيجه گيري

آناليز آب دريا و آب سازند (Formation water ) در جدول (۱) نشان مي دهد که آنها حاوي کاتيون ها و آنيون هاي متعددي هستند. با اين وجود، محاسبات متعدد در اين پروژه، توانايي خوب مدل پيشنهادي براي پيش بيني مقدار و نوع رسوب در اثر اختلاط آب ها را نشان مي دهد . حال با توجه به مشکلات به وجود آمده در اثر تشکيل رسوب در فرآيند تزريق آب به مخازن نفتي، مي توان به اهميت پيش بيني اين پديده قبل از طراحي سيستم پي برد و با فهم بهتر اثر پارامترهاي مختلف مانند دما، فشار و نسبت آب دريا به آب سازند، مي توان طراحي مناسب تري براي افزايش بهره وري انجام داد.