مخزن، نفت، مخازن، رانش، اشباع

روش پیشنهادی ترکیبی با روش ژنتیک معمولی 128
شکل 6-6: محل نقاط بهینه چاه های تزریق کننده 129
شکل 7-1: ساختار اصلی سیستم های فازی خالص 133
شکل 7-2: ساختار اصلی سیستم های فازی با فازی ساز و غیرفازی ساز 134
شکل 7-3: بلوک دیاگرام کنترلر فازی پیشنهادی 138
شکل 7-4: جهت دور شدن چاه 141
شکل 7-5: تابع عضویت برای WPAPi,Ii* 142
شکل 7-6: تابع عضویت برای WWPTPi 142
شکل 7-7: تابع عضویت برای جهت خروجی 143
شکل 7-8: منحنی FOPT برای مخزن1 144
شکل 7-9: منحنی FWPT برای مخزن1 145
شکل 7-10: جهت حرکت الگوریتم به ازای شرایط اولیه مختلف 145
شکل 7-11: نفوذپذیری در جهت x 146
شکل 7-12: منحنی FOPT مخزن 2 147
شکل 7-13: منحنی FWPT برای مخزن 2 147
شکل 7-14: موقعیت چاه های مخزن شماره 3 148
شکل 7-15: منحنی FWPT برای مخزن 3 148
شکل 7-16: منحنی FOPT برای مخزن 3 149
شکل 7-17: منحنی FOPT برای مخزن 4 149
شکل 7-18: منحنی FWPT برای مخزن 4 150
شکل 7-19: محل مکان بهینه چاه تزریق در مخزن 4 150
مقدمه‌
1-1- اهمیت مسئله
تامین انرژی مورد نیاز انسان ها یکی از مسائل مهمی است که با افزایش جمعیت جهان، روز به روز بر اهمیت آن افزوده می شود. منابع تامین انرژی متعددند و می توان آن را به دو دسته کلی منابع تجدید پذیر نظیر باد، آب، انرژی خورشیدی و … و منابع تجدید ناپذیر شامل زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت تقسیم بندی کرد. اما علی رغم آن که نقش منابع تجدید پذیر روز به روز در حال پر رنگ تر شدن است، سوخت های فسیلی از جمله نفت همچنان یکی از پرکاربردترین منابع تامین انرژی می باشد که با افزایش برداشت ها رو به اتمام است. به علاوه اکثر میادین نفتی موجود در جهان در مرحله بلوغ بازدهی خود هستند و همچنین تعداد اکتشافات بزرگ مخازن نفت رو به کاهش است. با توجه به حجم تقاضا و محدودیت برداشت ها، توجه هر چه بیشتر به برداشت بهینه، از منابع موجود و کاهش هزینه های عملیاتی و اقتصادی الزامی است. در نتیجه این موضوع باعث شکل گیری مسئله مدیریت مخازن می شود. شکل 1-1 بیانگر افزایش میزان تقاضای جهانی برای نفت در طی سال های اخیر می باشد.
شکل 1-1: میزان تقاضا برای نفت [1]
با استفاده از روش های سنتی مدیریت مخزن، تنها در حدود 10 درصد نفت موجود در مخزن در بازیافت اولیه تولید می شود ( طی رانش نفت به صورت طبیعی ). در بازیافت ثانویه ( تزریق آب یا گاز ) میزان تولید نفت به 20 تا 40 درصد می رسد (DOE 2008). با افزایش قیمت نفت ، بهبود در هر روش مدیریت مخازن به طوری که بتواند میزان تولید و سود را افزایش دهد، مورد توجه است. در نتیجه یکی از موضوعات کلیدی که در مدیریت مخازن مطرح می شود، مکان یابی بهینه، یک یا چند چاه در یک بازه زمانی مشخص به منظور حداکثر کردن میزان تولید و سود حاصل از برداشت با در نظر گرفتن محدودیت های فیزیکی و اقتصادی مسئله می باشد.
در مورد مسئله مکان یابی، مدل سازی و شبیه سازی مخزن از گام های مهم است. هر اندازه مدل مخزن به مدل واقعی نزدیک تر باشد، مکان یابی بهینه مخزن، از دقت بالاتری برخوردار خواهد شد. در اکثر روش های پیشنهادی، مدل سازی مخزن در محورهای مختصات دکارتی، منجر به مدل پیچیده تری می شود. در این پژوهش سعی بر آن است که با ارائه مدل ساده تری برای مخزن بر اساس Streamline ها و بهره جستن از طبیعت حاکم بر حرکت سیال در مخزن، به روندی موثرتر و ساده تر جهت مسئله مکان یابی بهینه چاه ها دست یافت . سرعت و کارایی روش Streamline ، این روش را به یکی از ابزارهای قدرتمند جهت حل مسائل پیچیده بهینه سازی مرتبط با تطبیق تاریخچه مخزن و مکان یابی بهینه چاه ها تبدیل کرده است.
جهت تعریف مسئله مکان یابی بهینه چاه های نفت و بررسی چالش های آن آشنایی با مفاهیم اولیه مخازن نفتی لازم به نظر می رسد. بدین منظور در ادامه این فصل، مروری بر خواص سنگ و سیال مخازن نفتی خواهیم داشت.
1-2- مروری بر خواص سنگ و سیال مخازن نفتی
به منظور مکان یابی بهینه چاه های نفت در یک مخزن، نیاز به شبیه سازی مخزن می باشد. در نتیجه لازم است ابتدا مفاهیم و پارامترهای پر اهمیت مخزن معرفی شوند.
1-2-1- زمین شناسی نفت و چگونگی تشکیل مخازن هیدروکربنی
این دانش در مورد چگونگی تشکیل مخازن هیدروکربنی، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی هیدرکربن های از جامد تا گاز، چگونگی حرکت و انباشته شدن این مواد در سنگ ها، لایه ها و طبقات گوناگون زمین بحث و گفتگو می کند. هیدورکربن ها در مخازن زیر زمین به صورت دریاچه وجود ندارند بلکه در خلل و فرج لایه های متخلخل رسوبی خاصی از زمین می توانند جمع شوند [2].
1-2-2- مهاجرت مواد نفتی از رسوبات سنگ مادر به درون سنگ مخزن
ذرات پراکنده ی هیدروکربن ها و آب نمک همراه آن که در رسوبات سنگ مادر قرار دارند، از درون شکاف ها و ترک های موجود در لایه های رسوبی به نقاط با فشار کمتر مهاجرت می کنند. طول مسیر این حرکت گاهی به صدها کیلومتر می رسد.نیروهایی که باعث این حرکت می شوند عبارتند از:
فشردگی لایه های رسوبی
دیاستروفیسم1
نیروی گرانش2
نیروی گرانش سبب می شود تا سیال دارای چگالی کمتر به سمت بالا حرکت کند و در نتیجه سیالات در سنگ مخزن بر حسب چگالی از هم جدا شوند.گاز در قسمت بالای مخزن، نفت در وسط و آب نمک در زیر قرار دارد. این مرحله را مهاجرت ثانویه می نامند.
نیروی موئینگی3
نیروی موئینگی سبب می شود تا سیال تر کننده در خلل و فرج سنگ به سمت بالا حرکت کند. بالا آمدن نفت چراغ در فیتیله بر اساس همین خاصیت است. خاصیت ترکنندگی بستگی به جنس جامد (سنگ مخزن) و جنس و مشخصات سیال (آب ، نفت و گاز) دارد. روی هم رفته آب نسبت به نفت ترکننده تر است و نفت در مقابل گاز ترکننده تر می باشد. بنابراین با وجود سنگین تر بودن آب نسبت به نفت نیروی موئینگی آن را به سمت بالا می کشد تا در نهایت با نیروی گرانش به تعادل برسد [2].
برای اطلاعات بیشتر درباره نحوه چگونگی تشکیل سنگ های مخزن نفت، پوش سنگ و انواع نفتگیر ها و چگونگی تشکیل آن ها به [2] مراجعه کنید.
1-2-3- ویژگی های مخازن هیدروکربنی
یک مخزن نفت شامل نفتگیری است که در خلل و فرج آن گاز، نفت و آب شور به نسبت های گوناگون وجود دارد. این فضاها با هم ارتباط دارند به گونه ای که با حفر چاه سیال درون لایه ها می تواند به درون چاه که دارای فشار کمتری است وارد شود.
یک مخزن هیدروکربنی در صورتی قابل برداشت است که دارای ویژگی های زیر باشد:
سنگ مخزن دارای تخلخل و نفوذ پذیری کافی باشد تا سیالات هیدروکربنی بتوانند با سرعت کافی درون آن حرکت کنند.
حجم گاز و نفت موجود در سنگ در مخزن در حد تجاری باشد.
انرژی لازم جهت رانش به سطح زمین را داشته باشد.
پارامترهای پراهمیت مخزن که در شبیه سازی مخزن با آن ها مواجه خواهیم شد، به شرح زیر است.
1-2-4- اشباع
میزان اشباع شدگی4 یک فاز که با Sp نشان داده می شود، معادل است با آن کسر حجمی از کل فضای خالی قابل پر شدن که فاز p اشغال کرده است، لذا برای یک مخزن نفتی که عمدتاً شامل سه فاز گاز(g) ، آب(w) و نفت(o) می باشد، رابطه (1-1) برقرار است[3] :
S_o+S_g+S_w=1 (1-1)
1-2-5- نفوذپذیری نسبی5
وقتی بیش از یک سیال در محیط متخلخل حرکت کنند، با پدیده نفوذپذیری نسبی مواجه خواهیم شد. نفوذپذیری نسبی، به صورت نفوذپذیری مؤثر یک سیال در یک درجه ای از اشباع به نفوذپذیری سیال در اشباع صد در صد تعریف می شود:
k_rl=k_l/k (1-2)
به طوریکه نفوذپذیری نسبی فاز l و نفوذپذیری مطلق می باشد. باید توجه داشت که محدوده تغییرات حداکثر یک و حداقل صفر می باشد. معمولاً برای نفوذپذیری نسبی، مشابه فشار موئینگی، نتایج آزمایشگاهی بر حسب درجه اشباع فاز ارائه می شود، به طور مثال برای سیستم آب-نفت، مقادیر نفوذپذیری نسبی نفت و نفوذپذیری نسبی آب ، به صورت تابعی از درجه اشباع آب بیان می شود (شکل 1-2).
شکل 1-2: نمایش تابعیت نفوذپذیری نسبی از اشباع[3]
در شکل 1-2 پدیده هیستریزیس6 برقرار است، یعنی بسته به اینکه آزمایش بر اساس پرشدن7 است یا خالی شدن8 ، مقادیر مربوطه فرق می کنند. نقاط حدی و انتهایی منحنی نفوذپذیری نسبی، معروف به مقادیر بازگشت ناپذیر یا تقلیل ناپذیر هستند، یعنی وقتی نفوذپذیری نسبی به سمت صفر میل می کند، مقادیر اشباع شدگی، مقادیر تقلیل ناپذیر هستند. برای شکل 1-2 ، مقادیر تقلیل ناپذیر و ، مربوط به فاز آب و نفت می باشند[4].
1-2-6- تخلخل
تخلخل9 که با φ نمایش می دهند، یکی دیگر از ویژگی های سنگ مخزن می باشد که بیانگر نسبت فضای خالی به کل حجم موجود می باشد. آن را از نظر عددی به صورت کسر (کوچکتر از یک) یا درصد بیان می کنند، و به کمک رابطه زیر قابل محاسبه است.
φ=(v_b-v_s)/v_b (1.3)
که در رابطه فوق v_b بیانگر حجم توده سنگ و منظور از v_s حجم خالصی است که سنگ پر کرده است [5].
1-2-7- ترشوندگی10
وقتی دو سیال امتزاج ناپذیر11 در تماس با یک سطح جامد قرار بگیرند، یکی از آن دو از نظر سطح تماس، بیشتر از دیگری به جامد می چسبد و به عبارتی آن را بیشتر تَر می کند. از نظر پدیدارشناسی، این اختلاف ناشی از رقابت و انرژیهای مابین سطحی است. یک میزان و معیار آزمایشگاهی برای این پدیده، زاویه تماس12 است که با نمایش داده می شود. این زاویه تابع انرژی سطح تماس بین دو فاز جامد و سیال می باشد. به طور مثال برای سیستم آب-نفت-جامد داریم:
(1-4)
به طوریکه انرژی بین سطح نفت و جامد، انرژی بین سطح آب و جامد، انرژی بین سطح آب و نفت، زاویه تماس بر حسب درجه می باشد. اگر کوچکتر از 90 درجه باشد، می گوییم سیستم آب-دوست است، یعنی آب بیشتر از نفت، سطح جامد را تر می کند ولی اگر بزرگتر از 90 درجه باشد، سیستم نفت-دوست می باشد و در صورتیکه سیستم خنثی است[4].
1-2-8- فشار موئینگی13
فشار موئینگی، اختلاف فشار حاضر بین دو فاز امتزاج ناپذیر در یک سیستم موئینه می باشد. اگر آن را مثبت فرض کنیم، اختلاف فشار فاز غیر ترکننده و فاز تر کننده می باشد، یعنی:
(1-5)
به طور مثال برای سیستم نفت-آب، اگر آب، فاز تر کننده باشد، آنگاه:
(1-6)
نتایج آزمایشگاهی نشان داده است که فشار موئینگی را می توان بر حسب تابعی از درجه اشباع شدگی یکی از فازها بیان کرد [3]، یعنی:
(1-7)
1-3- خواص سیال مخازن
چگالی عبارت است از وزن واحد حجم در دمای معین. وزن مخصوص عبارت از وزن واحد حجم مایع به وزن واحد حجم آب در دمای معین [2].
گرانروی14 یکی از ویژگی های فیزیکی است که نشانگر ترکیب شیمیایی یک نمونه روغن است. گرانروی ترکیبات پارافینی بیش از آروماتیک است. گرانروی مطلق معیاری برای اندازه گیری مقاومت در برابر جریان سیال است و واحد آن پویز15 است که اندازه گیری آن دشوار است [2].
1-3-1- فشار مخزن
سیال درون سنگ مخزن تحت درجه ای از فشار قرار دارد که فشار مخزن نامیده می شود. این فشار تابع عمق مخزن است. دو نوع فشار تعریف می شود: فشار هیدرواستاتیکی16 و فشار زیر بار17 (برای اطلاعات بیشتر به [2] رجوع شود).
1-3-2- دمای مخزن
با توجه به اینکه هسته زمین مذاب است، دما با افزایش عمق زمین زیاد می شود. دمای مخزن در عمق D با رابطه زیر بدست می آید:
T_D=T_α+αD (1-8)
〖 T〗_Dدمای مخزن در عمق D.
T_α دمای متوسط سطح زمین و D عمق مخزن است. افزایش دما به ازا هر 100 فوت عمق حدود 6/1 درجه فارنهایت است [2].
1-4- معادله دارسی18
حرکت سیال در محیط متخلخل با محیط غیر متخلخل تفاوت دارد. حرکت سیال در محیط متخلخل نخستین بار توسط هنری دارسی (Henry Darcy ) هیدرولوزیست فرانسوی بر روی فیلتر های ماسه ای آب بررسی شد. وی معادله ای تجربی در سال 1856 به دست آورد که معادله دارسی نامیده شد.
معادله پیسنهادی دارسی برای عبور جریان آب از درون یک محیط متخلخل به صورت زیر بیان شد:
q=CA (P_1-P_2)/L (1.9)
که در این رابطه، q دبی جریان آب بر حسب سانتی متر مکعب بر ثانیه، A سطح مقطع عمود بر جریان، P_1 و P_2 به ترتیب فشار آب ورودی و خروجی مخزن می باشد. و L طول محیط متخلخل است. C ضریب ثابت است که بستگی به تراوایی محیط متخلخل نسبت به سیال دارد.
معادله دارسی برای عبور جریان سیالات نفتی در مخازن با شرایط زیر درست است.
منافذ سنگ به وسیله یک نوع سیال پر شده باشد. (نفوذپذیری مطلق)
جریان یکنواخت (Steady State) باشد.
دما ثابت باشد.
جریان سیال آرام باشد.
جریان سیال خطی و افقی باشد.
گرانروی سیال ثابت باشد [2].
1-5- سیالات موجود در مخزن
1-5-1- آب مخزن
آب در مخزن به دو صورت، زیر لایه های نفت زا که تمام حجم حفره های مخزن را پر می کند و آب همراه نفت که در جداره حفره های لایه نفت زا قرار دارد، وجود دارد.
1-5-2- نفت مخزن
نفت موجود در حفره های لایه های نفت زا با مقداری گاز حل شده و آب همراه است
1-5-3- گاز مخزن
گاز در مخزن به دو صورت حل شده در نفت و یا به صورت آزاد در بالای کلاهک مخزن موجود است. هرچه فشار بیشتر و دما کمتر باشد حلالیت گاز در نفت بیشتر است.
1-5-4- انرژی مخزن
وجود نفت، گاز و آب در یک مخزن به تنهایی ارزش برداشت از مخزن را تعیین نمی کند بلکه نیروهایی که باعث رانش این سیالات به سطح زمین می شود نیز اهمیت ویژه ای دارد. عواملی که باعث جریان سیال از یک نقطه در مخزن به محفظه ی چاه تولیدی می شوند، عبارتند از: گرادیان فشار ، نیروی ثقل و نیروی موئینگی [2].
1-6- برداشت نفت از مخازن
برداشت نفت از مخازن به سه روش زیر انجام می شود:
رانش های طبیعی19
رانش های مصنوعی20
بازیافت ثانوی21
1-6-1- رانش های طبیعی
در این حالت انرزی موجود در سیالات مخزن (که با فشار آن ارتباط دارد) در حدی است که با نیروی طبیعی از مخزن به سطح زمین رانده می شود.
1-6-2- رانش مصنوعی
اگر انرزی مخزن جهت برداشت کافی نباشد به کمک پمپ نفت از مخزن بیرون رانده می شود.
1-6-3- بازیافت ثانوی
یک مخزن به دلایل گوناگون ممکن است با تولید بخش کوچکی از نفت درون آن، انرژی لازم جهت رانش طبیعی را از دست بدهد مانند برداشت غیراصولی، بی توجهی در امر نگهداری فشار چاه و نداشتن شناخت کافی از شرایط مخزن. در چنین شرایطی جهت بازیافت باقیمانده نفت با تزریق گاز یا آب به مخزن برداشت دوباره امکان پذیر است. برداشت نفت پس از احیای انرژی مخزن بازیافت دوم نامیده می شود [2].
1-7- انواع چاه های نفت
در یک تقسیم بندی کلی چاه های نفت را می توان به دو دسته کلی چاه های متداول و چاه های غیرمتداول تقسیم بندی کرد:
1-7-1- چاه های متداول22
چاه های متداول به دسته از چاه ها اطلاق می گردد که به صورت عمودی23 و یا با انحراف کم حفر می گردند. ساختار این نوع چاه ها در شکل 1-3 نمایش داده شده است.
شکل 1-3: چاه های متداول [6]
عیب اساسی این چاه ها کم بودن سطح تماسشان با مخزن است. در پایان دهه 80 تکنولوژی حفر چاه ها به صورت افقی حاصل شد. این چاه ها تماس بیشتری با مخزن داشته و در نتیجه برداشت بیشتری توسط این چاه ها حاصل می شود.
1-7-2- چاه های افقی
چاه های افقی یا چاه های با انحراف بالا24 دسته ای دیگر از چاه های غیرمتداول هستند که امروزه به دلیل عملکرد بهتر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. از مزایای این نوع چاه ها در مقایسه با چاه های عمودی می توان به پوشش حجم وسیعی از مخزن توسط این نوع چاه ها و قابلیت تولید نفت بیشتر از نواحی با ضخامت کم اشاره کرد. در واقع یک چاه افقی می تواند به صورت تعدادی چاه عمودی که در کنار یکدیگر حفر شده اند، در نظر گرفته شود.
1-7-3- چاه های هوشمند
چاه های هوشمند، چاه هایی با ساختار غیرمتداول هستند که مجهز به سنسورها و وسایل اندازه کیری و شیرهای کنترل جریان که روی لوله های درون چاه تعبیه شده، می باشند. با استفاده از سنسورها و وسایل اندازه گیری، شیرهای کنترل جریان سیال، اطلاعات دینامیکی مخزن از جمله فشار، دما و میزان جریان سیال هر فاز به طور پیوسته قابل اندازه گیری است. بنابراین چاه های متداول و غیرمتداول با تجهیز به سنسورها و وسایل اندازه گیری می توانند جزء دسته ی چاه های هوشمند قرار گیرند.
1-8- مروری بر رئوس مطالب پایان نامه
در فصل دوم الگوریتم های بهینه سازی پرکاربرد در مسئله مکان یابی بهینه چاه ها معرفی می گردد. سپس تاریخچه ای از کارهای پیشین بیان خواهد شد.
با توجه به اینکه در مسئله مکان یابی بهینه چاه های نفت، معادلات حاکم بر مخزن نقش قیدهای مسئله بهینه سازی را ایفا می کنند، در فصل سوم به طور تفصیلی معادلات حاکم بر مخزن به روش های مختلف نظیر Finite Differnce (FD) و (SL) Streamline توصیف و با یکدگیر مقایسه خواهد شد. همچنین نحوه گسسته سازی و حل این معادلات به کمک شبیه سازها و نحوه برقراری ارتباط میان شبیه ساز مخزن و نرم افزار متلب در این فصل ارائه خواهد شد.
در فصل چهارم ابتدا چند مخزن نمونه بر مبنای مدل FD و SL شبیه سازی خواهد شد. سپس الگوریتم های شناخته شده بهینه سازی نظیر الگوریتم ژنتیک و PSO که از دسته روش های تصادفی می باشند به مسئله مکان یابی چاه ها با مخزن مدل شده بر پایه ی FD