مخازن گاز میعانی

 واژگان:

▪ اثر پوسته‌ای (Skin Effect)

این اثر باعث کاهش تماس سنگ مخزن با دهانه چاه می‌شود و مانند یک لایه‌ی نازک سطح سنگ که در تماس با چاه است را می‌پوشاند.

▪ تحریک چاه(Well Stimulation)

هر فرایندی که طی آن بهره دهی چاه افزایش یابد و سیال با سرعت و انرژی بیشتری وارد چاه شود را تحریک چاه گویند مانند: اسید کاری، تزریق مواد شیمیایی و ...

▪ شاخص تولید( Productivity index)

نسبت سیال تولید شده به سیال موجود در مخزن را گویند.

▪ کشش سطحی(IFT)

نیرویی که بین سطح دو سیال(مانند نفت و آب، نفت و گاز، یا گاز و آب) ایجاد می‌شود.

▪ نقطه شبنم(Dew point)

شرایط دما و فشاری که در آن اولین قطره مایع ایجاد می‌شود و تا قبل این نقطه فقط فاز گاز داریم.

▪ Cricondenterm

حداکثر دمایی که در آن سیال به صورت دو فازی(گاز و مایع) است.

▪ Critical point

حداکثر فشاری که در آن سیال به صورت دو فازی(گاز و مایع) است.

▪ Black oil

نفت سنگین.

▪ Volatile oil

نفت سبک.

▪ Gas Condensate

گاز میعانی.

▪ Wet gas

گاز تر.

▪ Dry gas

گاز خشک.

▪ Isothermal هم دما(دمای ثابت)

معمولاً در مخزن دما تقریباً ثابت است و فرآیند‌های داخل مخزن را به صورت هم دما فرض می‌کنند.

اشباع بحرانی میعانات با رسیدن اشباع میعانات به این سقف، فاز مایع در قالب لایه‌ی مایع چسبیده به دیواره‌ شروع به حرکت می‌کند.‌

▪ CVD)Constant Volume Depletion) تخلیه با حجم ثابت

در این آزمایش حجم ثابت گرفته می‌شود و با تغییر پارامتر فشار رفتار سیال را بررسی می‌کنند.

▪ CCE)Constant Composition Expansion) انبساط با ترکیب ثابت

در این آزمایش ترکیب سیال حفظ می‌شود، و هیچ ترکیبی از سیال خارج نمی‌شود.

▪ positive coupling effect

گاز در اثر حرکت سریع خود میعاناتی را که در سر راه خود دارد به درون چاه می‌آورد وباعث تخلیه‌ی میعانات می‌شود.که یک اثر مثبت ایجاد می‌کند

● مخازن گاز - میعانی و چالش های پیش رو

مخازن گاز- میعانی (Gas-Condensate Reservoir) عموماً در عمق بیشتر و در دما و فشاری بالاتر از مخازن نفتی یافت می شوند. در سرتاسر جهان مخازن عظیمی از این نوع در حال بهره برداری است. از آن جمله می توان به میدان پارس جنوبی در حاشیه ی جنوبی ایران و به صورت مشترک با کشور قطر اشاره کرد.

پارس جنوبی حدود نیمی از ذخیره ی گاز ایران را به عنوان دومین کشور دارنده ی گاز در جهان در خود جای داده است. علاوه بر آن حجم انبوه میعانات قابل استحصال از این میدان باعث شد تا رئیس جمهور وقت، به درستی کلید زدن این پروژه ی عظیم ملی را بزرگترین افتخار دولت خود بداند، اما نتایج حاصل از بیش از سه دهه تولید جهانی از این نوع مخازن، نشانگر پیچیدگی های خاصی در برداشت بهینه و مدیریت این مخازن می باشد که در این مقال مروری خلاصه بر آن ها خواهیم داشت.

مخازن گاز- میعانی را عموما ً در قالب مخازن غیر معمول(unconventional reservoir) دسته بندی می کنند. دلیل نام‌گذاری این مخازن رفتار غیرمنتظر(Retrograde Behavior) سیالات هیدروکربوری موجود در آن‌هاست.

در ابتدای بازه ی زمانی تولید، این مخازن مانند مخازن گازی تک فاز رفتار می کنند، اما با گذشت زمان و برداشت از مخزن، فشار کاهش یافته و اجزای سنگین تر از فاز گازی جداشده و تجمعی از میعانات گرانبهای میانی (Intermediate Components) ( C۲-C۶ ) شامل مولکول‌هایی که تعداد اتم کربن آن‌ها بین ۲ تا ۶ است، را شکل می دهند.

در نمودار فشار- دمای رفتار سیالات هیدروکربوری، ناحیه ی مربوط به سیالات با رفتار غیر منتظر، در حد فاصل دماهای بحرانی(critical point) و حداکثر دمای دو فازی(Cricondenterm) واقع شده است.

اگر چه انتظار این است که با کاهش فشار گاز، گاز حالت خود را حفظ کرده و منبسط شود، اما برخلاف انتظار در این محدوده ( حد فاصل میان دمای بحرانی و حداکثردمای دوفازی) با کاهش ایزوترمال(هم دما) فشار بر درصد فاز مایع در مخلوط دو فازی افزوده می شود. این روند، بسته به میزان اشباع گاز از ترکیبات میانی، تا سقف انباشت حدود ۲۰% مایع (نقطه N) ادامه یافته و سپس با کاهش بیشتر فشار معکوس شده و فاز مایع به تدریج ناپدید می شود.

با رسیدن فشار مخزن به فشار نقطه شبنم (نقطه M)، سیال در درون مخزن شروع به میعان کرده و هیدروکربور مایع به صورت قطراتی در محیط متخلخل پدیدار می شوند و به مرور به شکل یک لایه ی مایع به دیواره ی منافذ سنگ می چسبند. به دلیل نرخ بالاتر افت فشار در نزدیکی چاه، تجمع میعانات در نزدیکی چاه بیشتر است.

علاوه بر ناحیه ی مذکور(جداره‌ی دیوار چاه) که در آن اشباع میعانات از میزان اشباع بحرانی فزون تر است و در عمل به مانند یک ناحیه ی دو فازی رفتار می کند (Region۱)، ناحیه ی میانی(Region۲) با میزان اشباع اندک و ناحیه ی دوردست (Region۳) که سیال در آنجا به طور کامل در فاز گاز باقی مانده و اثر افت فشار را تجربه نکرده است قابل تشخیص اند.

تجمع میعانی شکل گرفته در ناحیه اول، دو ضرر عمده را موجب می گردد. اول آن‌که حجم نسبتاً زیادی از میعانات بسیار ارزشمند در درون مخزن باقی مانده و امکان برداشت نمی یابد. علاوه بر این، توده ی میعانی با تنگ تر کردن مسیر جریان گاز و بویژه گلوگاه های رابط میان منافذ سنگ ( Pore Throats)، منجر به کاهش نفوذپذیری مؤثر گاز و نتیجتاً افت شدید قابلیت تولید از چاه می گردد.

به طور کلی، در فشارهای بالاتر از فشار نقطه ی شبنم، عوامل مؤثر در تولید از یک مخزن به سه فاکتور ضخامت مخزن، نفوذ پذیری مخزن و گرانروی گاز محدود می شوند. در زیر فشار مذکور به دلیل دو فازی شدن سیال مخزن، میزان اشباع بحرانی میعانات(SCC) و نیز شکل منحنی های نفوذپذیری نسبی گاز و میعانات (Krg , Krc) در قابلیت تولید از مخزن مؤثرند.

در خلال آزمایش هایی با عنوان تخلیه با حجم ثابت (CVD)( Constant Volume Depletion) و انبساط با ترکیب ثابت (CCE)( Constant Composition Expansion) ، که در آزمایشگاه بر روی سیال مخزن انجام می گیرد، درصد میعانات حاصل از افت تدریجی فشار سیال تعیین می گردد.

بیشینه‌ی این درصد، ملاکیست برای تقسیم بندی مخازن گاز میعانی به دو گروه فقیر (Lean) و غنی(Rich). تجارب عملی نشان‌گر آن است که پدیده ی میعان گاز حتی در مخازن بسیار فقیر هم با گذشت زمان به افت شدید بهره وری چاه منجر می شود.

با افزایش اهمیت مخازن گاز- میعانی، تحقیقات گسترده ای به ویژه پس از دهه ی ۸۰ میلادی جهت شناسایی عملکرد این مخازن و مدیریت بهینه ی آن‌ها آغار گردید. اما به دلیل ماهیت پیچیده ی رفتار سیالات در ناحیه ی نزدیک به بحرانی(Near Critical Condition) ، کمتر به نتایج معتبر و جامعی منتج گردیده است.

راهکارهای پذیرفته شده جهت تولید صیانتی از مخازن گاز میعانی را می توان به دو دسته تقسیم کرد. دسته نخست ناظر به روش هایی جهت جلوگیری از ایجاد تجمع میعانات در مخزن و دسته ی دوم معطوف به حذف پوسته ی(Skin Effect) ایجاد شده و تحریک چاه ( Well Stimulation) جهت افزایش بهره وری می باشند.

● روش های جلوگیری از تجمع میعانات در مخزن

در مورد مخازن با نفوذ پذیری بالا ( بیش از ۱۰ تا ۱۵ میلی دارسی ) اصولاً به دلیل نرخ پایین افت فشار در اثر تولید به میزانی مشخص، نگرانی عمده ای از بابت تشکیل تجمع میعانی در نواحی اطراف چاه وجود ندارد، اما در مواردی که با مخازن فشرده (Tight Reservoir) با نفوذ پذیری کمتر از ۱۰ میلی دارسی مواجهیم، می‌بایست تدابیری برای جلوگیری از تشکیل میعانات اندیشید.

روش های اثبات شده جهت افزایش شاخص بهره وری(Productivity Index )(PI) در مخازن گازی (گاز خشک و گاز- میعانی) و جلوگیری از آسیب‌های رایج در مخازن گازی-میعانی شامل:

۱) ایجاد شکاف های هیدرولیکی (hydraulic fracturing)

بر اساس نتایج تحقیقات، ایجاد شکاف هیدرولیکی می تواند تا سه برابر شاخص بهره دهی از چاه های مخازن گاز- میعانی را در هر دو محدوده ی فشار بالا و پایین فشار نقطه ی شبنم افزایش دهد. شکاف هیدرولیکی، متناسب با طول و شاخص بدون بعد رسانایی(Dimensionless Conductivity) خود، می تواند عملکرد چاه را در بلند مدت بهبود بخشد. در حقیقت ایجاد شکاف در دیواره ی چاه (که در اعماق کم در راستای عمودی و در اعماق بیش از ۲۰۰۰ فوت در جهت افقی گسترش می یابند) باعث حذف اثر پوسته ای ناشی از تجمع میعانات و نیر افزایش قابلیت هدایت جریان به سوی چاه می گردد که این خود عاملی جهت به حداقل رسیدن آشفتگی جریان ( Turbulency) بوده و مانع از افت بهره وری چاه می شود.

۲) حفر چاه های افقی

یکی دیگر از راهکارهای ارائه شده برای جلوگیری از آسیب های رایج در مخازن گاز- میعانی،حفر چاه‌های افقی است. از جمله فواید حفر این گونه چاه ها می توان به نرخ بیشتر تولید گاز ومیعانات با افت فشاری بسیار کمتر از چاه های عمودی و در نتیجه جلوگیری از ایجاد پوسته ی میعانی اشاره کرد. یک چاه افقی به مانند یک شکاف با طول و گشودگی بسیار زیاد عمل کرده و سطح تماس چاه با مخزن را افزایش داده و افت فشارناشی از تولید را کاهش می دهد. مطالعات بسیاری در این زمینه در دست انجام است تا با مقایسه ی شرایط تولید از چاه های افقی در مقایسه با چاه های عمودی با شکاف هیدرولیکی و بدون آن، میزان کارآیی حفر این گونه چاه ها در مخازن گاز- میعانی را ارزیابی کنند.

● روش های بهبود بهره وری پس از تشکیل پوسته ی میعانی

تاکنون دلایل بسیاری برای توجیه افت بهره وری از چاه پس از شکل گیری تجمع میعانات در اطراف آن ذکر شده است. به بیان علمی تر با جدا شدن فاز مایع و رسیدن به اشباع بحرانی و متحرک شدن این فاز، نفوذ پذیری نسبی فاز گاز کاهش چشم گیری می یابد و این خود عاملی برای کاهش بهره وری چاه می باشد. دلیل دیگر آن‌که با خارج شدن سیال از حالت نزدیک به بحرانی و ایجاد ترکیب دو فازی ، کشش سطحی (IFT) بین دو فاز افزایش یافته و نیروهایی موئینه قوت بیشتری می گیرند و در مقابل جریان سیال مقاومت ایجاد می کنند.

راه حل‌هایی که برای غلبه بر پوسته میعانی پیشنهاد شده است شامل:

۱) بازگردانی گاز(Gas Recycling)

عمده ترین راه حلی که تا کنون برای فائق آمدن بر پوسته ی میعانی اندیشیده شده، باز گردانی گاز(Gas Recycling) به درون چاه است . بدین ترتیب که پس از مدتی تولید از چاه و افت فشار جریان ته چاه ، برای بازه ای مشخص گاز را باید به درون چاه تزریق کنند. بهترین منبع برای گاز تزریقی ، گاز تولید شده از همان مخزن است که میعانات آن گرفته شده باشد. در این فرآیند در وهله ی اول فشار مخزن بازیابی می شود و سیال به حالت near-critical (شبه بحرانی) نزدیک می شود. در ضمن آن‌که میعانات ایجاد شده دوباره در گاز تزریقی حل می شوند و پوسته ی ایجاد شده تا حدود زیادی ناپدید می گردد.

۲) عملیات اسید کاری

روش عمومی دیگری که برای تحریک چاه و حذف پوسته صورت می گیرد عملیات اسید کاری است که با شستشوی دیواره ی چاه و حذف پوسته باعث برقراری جریان سیال می گردد.

۳) تزریق حلال های شیمیایی

این روش را می توان آخرین تکنولوژی ارائه شده برای بهبود عملکرد مخازن گاز میعانی دانست. نتایج حاصل از یک بررسی موردی نشانگر دو برابر شدن شاخص تولید در ۴ ماهه ی اول تزریق متانول به درون مخزن بوده که در دراز مدت این تأثیر به نرخ بهبود پنجاه درصدی کاهش یافته است.

۴) افزایش سرعت برداشت

در سال ۱۹۹۴، عده ای از محققان در دانشگاه Heriot-Watt اسکاتلند، که در میان آن‌ها نام دکتر تهرانی و پروفسور دانش، استاد فقید دانشگاه تهران، نیز به چشم می خورد، برای اولین بار به نقش مثبت افزایش سرعت برداشت پس از ایجاد تجمع میعانی در ناحیه ی اطراف چاه، در افزایش نفوذ پذیری نسبی گاز و مایع و در نتیجه افزایش شاخص بهره وری اشاره نمودند. در حالت تک فازی، افزایش سرعت تولید موجب ایجاد جریان آشفته و افزایش نیروهای لختی (Inertia) می گردد که به نوبه ی خود مانعی در برابر جریان سیال ایجاد می کنند، اما آزمایشات نشان داده است در صورت وجود درصد بالایی از میعانات، اثر تزویج مثبت(Positive Coupling Effect) بر اثر نیروهای لختی غلبه کرده و جریان سیال دوفازی را بهبود می بخشند.

آن‌چه مسلم است، اهمیت مخازن گاز میعانی روز به روز در حال افزایش است و با توجه به ارزش اقتصادی تولیدات این مخازن، نیاز به تحقیق و آزمایشات جامع تری جهت رسیدن به نتایجی جامع و کامل، که قابلیت عملیاتی شدن درمقیاس صنعتی را نیز دارا باشند، به وضوح احساس می شود.

در همین راستا همراه با تلاش های بین المللی، در مراکز تحقیقاتی دانشگاه های کشور از جمله دانشگاه صنعت نفت، دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه امیر کبیر و دانشگاه تهران پروژه هایی در مقاطع کارشناسی ارشد و دکترا تعریف و در حال پیگیری است که امید می رود نتایج حاصل از آن‌ها به پیشرفت دانش فنی در زمینه ی تولید از مخازن گاز میعانی بیا‌نجامد.