۲-۴- فرازآوری با گاز

بیشتر مقالاتی که تاکنون در مورد فرازآوری با گاز به چاپ رسیده است، در زمینه طراحی و بهینه­سازی این عملیات است. (Redden et al. 1974, Blann and Williams 1984, Mukherjee and Brown 1986) تأثیر عوامل مختلف بر عملکرد فرازآوری با گاز بیشتر با بهره گرفتن از دانسته ­های تجربی متخصصان فرازآوری با گاز به دست آمده و در کتاب­های مختلف به چاپ رسیده است. در این کتاب­ها می­توان تأثیر عواملی مانند حجم تزریق گاز، قطر لوله مغزی، عمق تزریق گاز، فشار سر چاه، فشار ته چاه، فشار جداکننده، نسبت گاز به نفت محلول و میزان دبی نفت ورودی را بر عملکرد فرازآوری با گاز در افزایش دبی تولید نفت و کاهش فشار سر چاه مشاهده کرد. (Brown 1984)
بر اساس دانسته ­های نویسنده، تاکنون مطالعه جامعی در زمینه بررسی اثر دما و ترکیب گاز تزریقی بر عملکرد فرازآوری با گاز انجام نشده است. در میان تحقیقات چاپ شده پیشین، تنها تعداد اندکی پژوهش می­توان یافت که از جهاتی مشابه موضوع پژوهش حاضر باشد. در سال ۱۹۸۹ شرما و همکارانش (Sharma et al. 1989) یک گرمکن ته چاهی را در یک چاه تولید نفت شبیه سازی کردند. اگر چه شرما و همکارانش در چاه تولیدی شبیه سازی شده عملیات فرازآوری با گاز را مورد مطالعه قرار ندادند، اما نتایج کار آن­ها از جهاتی مشابه موضوع پژوهش حاضر است. آن­ها بر اساس نتایج این شبیه سازی اثر بالا رفتن دمای سیال تولیدی بر اثر گرمای گرمکن را بر توزیع فشار درون چاه و افزایش دبی تولید نفت مورد بررسی قرار دادند. آن­ها توضیح دادند که گرمکن ته چاهی با افزایش دادن دمای سیالات تولیدی باعث کاهش گرانروی نفت و تبخیر گاز از سطح مایع و در نتیجه افزایش پیدا کردن گاز آزاد درون چاه می­ شود. به این ترتیب آن­ها انتظار داشتند با تبخیر گاز از سطح مایع به دلیل بالا رفتن دما در لوله مغزی، یک فرایند فرازآوری مصنوعی بر اثر گرمای گرمکن در ته چاه ایجاد شود و با افزایش یافتن میزان گاز درون چاه و کاهش یافتن ماند مایع، افت فشار در طول چاه کاهش پیدا کند و در نتیجه دبی تولید چاه افزایش یابد. آن­ها با بررسی نتایج شبیه­سازی به این نتیجه رسیدند که اگرچه بالا رفتن دمای سیالات تولیدی در ته چاه باعث کاهش افت فشار در طول چاه می­ شود، اما این کاهش فشار مقدار قابل توجهی نیست و تنها در صورتی که مخزن اندیس تولیدکنندگی^[۲۰] بالایی داشته باشد، دبی تولید نفت ممکن است به مقدار مطلوبی افزایش پیدا کند. آن­ها اضافه کردند افزایش دما در چاه می ­تواند راه حل مناسبی برای حل مشکل رسوب وکس در چاه یا تشکیل هیدرات باشد. در سال ۲۰۱۱ مایجونی و همودا (Maijoni and Hamouda 2011) تأثیر ترکیب گاز تزریقی در فرازآوری با گاز را بر پایداری^[۲۱] تولید در دو حالت پایدار^[۲۲] و ناپایدار^[۲۳] مورد مطالعه قرار دادند. آن­ها آنالیز حساسیت را بر روی پارامتر­­هایی از جمله ترکیب گاز تزریقی، دبی گاز تزریقی، فشار تزریق و اندیس تولیدکنندگی انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که چگالی گاز بیشتر، دبی تزریق گاز بیشتر، فشار تزریق بیشتر و اندیس تولیدکنندگی بیشتر می ­تواند چاهی که در آن فرازآوری با گاز انجام می­ شود را پایدار کند.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

فصل سوم: مبانی نظری

۳-۱- مقدمه

اولین گام در بررسی تأثیر دما و ترکیب گاز تزریقی بر عملکرد فرازآوری با گاز، مدلسازی جریان چند فازی در چاه است. در این مدلسازی باید گاز تزریقی از سطح برای فرایند فرازآوری با گاز نیز در نظر گرفته شود. مدل چاه باید یک مدل ترکیبی باشد تا قابلیت نشان دادن تأثیر تغییر ترکیب و دمای گاز تزریقی را با دقت مناسب داشته باشد. به این منظور معادلات موازنه جرم، موازنه انرژی، موازنه مومنتم و تبخیر آنی به کار گرفته شدند تا یک مدل ترکیبی برای فرایند فرازآوری در چاه ارائه شود. در این فصل معادلات حاکم بر سیستم چاه، روش های استفاده شده برای محاسبه خواص سیالات، مدل های در نظر گرفته شده برای تعیین رژیم جریان چند فازی توضیح داده خواهد شد.

۳-۲- مدل جریان چند فازی

۳-۲-۱- پارامتر­های بنیادی جریان چند فازی

جریان چند فازی اصطلاحی است برای نشان دادن جریان چند سیال مختلف که به صورت همزمان و در تماس با یکدیگر در یک محیط حرکت می­ کنند. در صنعت نفت، جریان­های چند فازی در سیستم­های متفاوتی همچون محیط متخلخل مخزن­های هیدروکربنی، چاه­های تولیدی نفت و گاز و خطوط لوله انتقال اتفاق میفتند. در این سیستم ها معمولاً سه فاز گاز، نفت و آب در مجاورت هم حضور دارند. به دلیل تفاوت چشمگیر خواص سیالات مختلف، محاسبات مربوط به این سیستم ها بسیار پیچیده است. بنابر این به عنوان یکی از اولین پیش نیاز های محاسبات مربوط به جریان های چند فازی لازم است پارامتر هایی برای نشان دادن حجمی که هر فاز در سیستم اشغال می­ کند و رابطه فاز ها با یکدیگر تعریف شوند.
مهمترین معادله حاکم بر سیستم های چند فازی که برای محاسبه فشار در حالت پایدار^[۲۴] استفاده می­ شود، معادله مومنتم است که شکل کلی آن به صورت زیر است:
(۳-۱)
جمله سمت چپ معادله نشان دهنده تغییرات فشار کل سیستم با تغییر ارتفاع است. در سمت راست جملات به تر تیب نشان دهنده تغییرات فشار سیستم با تغییر ارتفاع به دلیل تغییر ارتفاع ستون سیالات ( )، اصطکاک ( ) و تغییر سرعت سیالات ( ) است. این معادله می ­تواند به شکل زیر نوشته شود:
(۳-۲)
چگالی، سرعت و ضریب اصطکاک مخلوط سیالات به ترتیب با ، و نشان داده می­شوند. به این ترتیب برای محاسبه افت فشار در سیستم لازم است خواص مخلوط از جمله چگالی مخلوط فاز ها را به دست آوریم. به این منظور پارامتر پس ماند مایع^[۲۵] ( ) به صورت حجمی از لوله که توسط مایع اشغال شده است تعریف می­ شود. با بهره گرفتن از این پارامتر می­توان چگالی و سایر خواص مخلوط مایع و گاز را به دست آورد:
(۳-۳)
چگالی و گرانروی کمتر فاز گاز نسبت به فاز مایع باعث می­ شود گاز در لوله سریع تر از مایع حرکت کند. به این اختلاف سرعت بین فاز ها در یک سیستم دو فازی سرعت لغزش^[۲۶] گفته می­ شود.

سرعت واقعی هر فاز برابر است با سرعت ظاهری آن فاز تقسیم بر سطح مقطعی از لوله که توسط آن فاز اشغال شده است. به عبارت دیگر:
(۳-۵)
(۳-۶)
طوری که ، و .
در صورتی که لغزشی بین فازها وجود نداشته باشد، پس ماند مایع را می­توان از نسبت جریان حجمی مایع به جریان حجمی کل به دست آورد. به پس ماند مایعی که از این راه به دست می ­آید پس ماند مایع بدون لغزش^[۲۷] می­گویند.
(۳-۷)
لغزش بین فاز گاز و مایع و سرعت کمتر فاز چگال تر باعث می­ شود پس ماند مایع در لوله افزایش پیدا کند. در سرعت های مختلف فاز ها جریان دو فازی شکل های مختلفی به خود می­گیرد که به آن رژیم جریان^[۲۸] می­گویند. دانستن رژیم جریان برای محاسبه دقیق تر پس ماند مایع و چگالی مخلوط و نهایتا به دست آوردن افت فشار ضروری است.

۳-۲-۲- رژیم­های جریان

تا کنون مدل های زیادی برای تعیین رژیم های جریان در خطوط لوله چند فازی ارائه شده اند. رژیم های جریان با تغییر پارامترهایی مانند سرعت فازها، هندسه خط لوله و میزان انحراف آن و چگالی فازها تغییر میکند. در شکل زیر رژیم های جریان در خطوط لوله عمودی نشان داده شده اند.

شکل ۳- ۱:رژیم­های جریان در یک خط لوله عمودی (Shoham 2006)
در این تحقیق از مدل تیتل و همکاران (Taitel et al. 1980) برای تعیین رژیم­های جریان استفاده شده است. در ادامه به اختصار معادلات گذار از یک رژیم جریان به رژیم­های جریان دیگر در مدل تیتل و همکاران توضیح داده می­ شود.

۳-۲-۲-۱- گذار رژیم حبابی _ رژیم لخته ای

تیتل و همکارانش حداقل قطر لوله ای را که رژیم جریان حبابی^[۲۹] در آن رخ می­دهد به صورت زیر ارائه کردند.
(۳-۸)
آن ها گذار بین رژیم حبابی و لخته ای^[۳۰] را به صورت زیر گزارش کردند.
(۳-۹)
به طوری که:
(۳-۱۰)

۳-۲-۲-۲- گذار به رژیم جریان حبابی پراکنده

در سرعت های ظاهری بالای مایع رژیم جریان حبابی پراکنده^[۳۱] اتفاق می­افتد. گذار به این رژیم جریان به صورت زیر است.
(۳-۱۱)
صرف نظر از اینکه چقدر انرژی آشفتگی^[۳۲] در سیستم وجود دارد که رژیم جریان را به حبابی پراکنده تغییر دهد، در صورتی که گاز بیشتر از ۵۲ درصد حجم لوله را به خود اختصاص دهد، رژیم جریان نمی­تواند حبابی پراکنده باشد. زیرا از نظر تئوری امکان پذیر نیست که حباب­های کروی در کنار هم قرار بگیرند و بدون به هم پیوستن حجم بیشتری از لوله را اشغال کنند. حداکثر سرعت ظاهری گاز که ممکن است در آن رژیم جریان حبابی اتفاق بیفتد از رابطه زیر محاسبه می­ شود.
(۳-۱۲)

۳-۲-۲-۳- گذار به رژیم جریان حلقوی

رژیم جریان حلقوی^[۳۳] زمانی اتفاق میفتد که سرعت گاز به حدی باشد که بتواند از افتادن قطره های مایع جلوگیری کند. در این حالت گاز در وسط لوله است و مایع به صورت یک لایه حلقوی بر روی دیواره لوله حرکت می­ کند. حداقل سرعت ظاهری گاز برای ایجاد رژیم جریان کف آلود از رابطه زیر به دست می ­آید.