بهينه سازي همزمان در صنايع بالادستي نفت و گاز:
معرفي فناوري و فرصتها
بهنام بلوچی، سعيد شکری، مهدی احمدی مروست[SUP]*[/SUP]
پژوهشگاه صنعت نفت، پژوهشكده توسعه فرآيند و فناوری تجهيزات
- استاديار، ahmadim@ripi.ir
بهينه سازي همزمان نوعي روش كنترل نظارتي است كه هدف آن نگه داشتن فرآيند در حالت بهينه با گذشت زمان و با در نظر گرفتن تغيير مداوم پارامترهاي سيستم ميباشد. در اين مقاله، فناوري بهينه سازي همزمان در صنايع بالادستي نفت و گاز و مخصوصا" فناوري بهينه سازي همزمان توليد مورد بررسي قرار گرفته است. در نهايت دو نمونه اجرايي موفق از پياده سازي اين فناوري در صنعت بالادستي نفت معرفي شده است.
مقدمه
بهينهسازي مي تواند به صورت قابل توجهي بازدهي اقتصادي سيستمها را به همراه ايمني و کيفيت محصولات افزايش دهد. استفاده موفقيت آميز از تكنيكهاي بهينهسازي در فرآيندهاي پايين دستي نفت و گاز نظير پتروشيمي و پالايشگاهها در گوشه و کنار جهان به اثبات رسيده است. با افزايش روز افزون رقابت بين شرکتها در زمينههاي مختلف، شرکتهاي عملياتي در صنايع داراي سيستمهاي فرآيندي نظير صنايع گاز، پتروشيمي، پالايش با فشار زيادي در خصوص افزايش بازدهي، کيفيت توليد و ايمني سيستمهاي فرآيند روبرو هستند. از طرفي به علت تغيير در شرايط عملياتي و پارامترهاي سيستم با گذشت زمان، همواره سيستمهاي فرآيندي از حالت بهينه خود فاصله ميگيرند. بهينه سازي همزمان (RTO[1]) نوعي روش كنترل نظارتي است كه هدف آن نگه داشتن فرآيند در حالت بهينه با گذشت زمان و با در نظر گرفتن تغيير مداوم پارامترهاي سيستم ميباشد[1].
امروزه افزايش توليد و كاهش هزينه‌هاي عملياتي در صنعت بالادستي نفت و گاز در همه‌ي فازها (اكتشاف، حفاري، بهره‌برداري و مديريت مخزن) با توسعه فناوريهاي به روز انجام مي پذيرد. با افزايش روز افزون رقابت بين شرکتهاي توليد كننده نفت و گاز، شرکت هاي بهره بردار از ميادين نفت و گاز بطور پيوسته در حال توسعه فناوريهاي مرتبط با افزايش بازدهي، کيفيت و ايمني توليد مي باشند. يكي از فناوريهايي كه در تحقق اين هدف مورد توجه شركتها قرار گرفته است، فناوري بهينه سازي همزمان است. شركتهاي Statoil، Weatherford، Halliburton، Shell و Schulumberger از پيشگامان توسعه اين فناوري در دنيا براي صنايع بالادستي ميباشند[2].
معرفي فناوري بهينه سازي همزمان در صنايع بالادستي نفت گاز
در صنايع بالادستي نفت و گاز نيز همانند صنايع پايين دستي فرصتهاي زيادي جهت اعمال فناوري بهينه سازي همزمان وجود دارد. زمينههاي اصلي کاربرد اين فناوري در صنايع بالادستي به قرار زير است:
1) بهينه سازي همزمان توليد[SUP][SUP][2][/SUP][/SUP] (RTPO):
هدف از اعمال اين تكنولوژي يافتن مقادير بهينه براي متغيرهاي تصميم گيري در حين توليد شامل تنظيمات چوك سرچاهي، فشار تزريق آب، يا نرخ فرازآوري گاز ميباشند. متغيرهاي اندازه گيري مي تواند شامل متغيرهاي توليد همچون فشار و دبي آب، نفت و گاز باشد. اعمال اين تكنولوژي در اين سطح در قالب بهينهسازي كوتاه مدت براي اهداف مشخص شده خواهد بود. براي مثال مي‌توان به ميزان توليد هدف‌گذاري شده يا نرخ بهره برداري از تأسيسات سطحي اشاره كرد. مدل جريان در چاه‌ها و تأسيسات سطحي در بهينهسازي روزانه توليد نقش مهمي را ايفا مي‌كنند. در مقياس ماهانه تا سالانه، اساساً اين تكنولوژي به مديريت مخزن تبديل مي‌شود[3].
2) بهينه سازي همزمان حفاري[SUP][SUP][3][/SUP][/SUP] (RTDO):
هدف از اعمال اين تكنولوژي يافتن مقادير بهينه براي متغيرهاي تصميم گيري در حين حفاري مانند وزن اعمالي روي مته و يا سرعت چرخش مته، جهت رسيدن به حداكثر سرعت حفاري و نيز حداقل سازي هزينه حفاري مي باشد. روش بهينه سازي بكار رفته براساس يك مدل پارامتري است كه پارامترهاي مدل با استفاده از داده هاي اندازه گيري شده از متغيرهاي حين حفاري بصورت بهنگام تخمين زده مي شود. بنابراين براي دسترسي به اين داده ها لازم است يك سيستم اتوماسيون، فيلترينگ و ثبت هوشمند داده هاي عمليات حفاري موجود باشد. اعمال مقادير بهينه متغيرهاي تصميم گيري مي تواند توسط اپراتور حفاري انجام شود [4و5].
با وجود اينكه تحقيقات سنگين و پردامنهاي در سطح دنيا روي بهينه سازي همزمان حفاري در حال انجام است اما هنوز اين فناوري به اندازه فناوري بهينه سازي همزمان توليد، توسعه يافته و اجرايي نشده است. بنابراين در اين مقاله نيز بيشتر به بررسي فناوري بهينه سازي همزمان توليد پرداخته شده است.
اهداف اعمال فناوري بهينه سازي همزمان در سيستم بهره برداري را مي توان به فرم زير خلاصه نمود:
ü افزايش توليد از ميادين نفتي
ü بهبود ضريب بازيافت نفت از مخازن (ازدياد برداشت)
ü برداشت صيانتي از مخازن
ü كاهش مصرف يا اتلاف انرژي
ü كاهش هزينه هاي عملياتي
ü بهبود شاخصهاي HSE
ü بهبود مديريت مخزن
در شكل (1) نمونه اي از چرخه بهينه سازي همزمان توليد در صنايع بالادستي نفت و گاز نشان داده شده است[3].
شكل 1 چرخه بهينه سازي همزمان در صنايع بالادستي نفت و گاز
نمونههاي اجرايي موفق پياده سازي فناوري بهينهسازي همزمان در صنايع بالادستي نفت و گاز در سطح جهان
مواردي كه در ادامه به آن اشاره خواهد شد به عنوان موفقترين نمونههاي عملي پياده شده از اين فناوري مورد اشاره منابع و مقالات معتبر بين المللي قرار گرفته است و مي‌تواند تصميم گيرندگان را با توجه به نيازهاي تجاري خود ياري نمايد.
ميدان Centro-Sur lago
يكي از بهترين نمونههاي پيادهسازي بهينهسازي فرازآوري گاز ، مربوط به ميدان Centro-Sur lago واقع در ونزوئلاست. در اين پروژه هدف بهينه كردن سرعت تزريق، تنظيمات كمپرسور و مصرف بهينه سوخت براي بيش از 500 حلقه چاه بود كه طي آن بتوان توليد نفت را بيشينه كرد. در اين پروژه سعي شده از راه‌حل‌هاي تكنولوژيكي پيشرفته در اتوماتيك نمودن فرآيند استفاده گردد و تا حد امكان به كنترل حلقه اي بسته رسيد [6]:
نتايج حاصله عبارت بودند از:
ü افزايش توليد به ميزان 6-9.2%، بسته به موقعيت چاه‌ها
ü كاهش هزينه‌هاي تراكم‌سازي گاز و سوخت به ميزان بيش از 30%
بهينهسازي توليد از طريق يكپارچه‌سازي در ميدان نفتي كويت
ميدان بزرگ نفتي Burgan واقع در كويت، به مدت قريب به 60 سال در حال توليد ميباشد. اين ميدان از 14 مركز جمع‌آوري (GC)[SUP][SUP][4][/SUP][/SUP]تشكيل شده كه شامل 800 حلقه چاه و پيش از 1400 مورد تكميل چاه است.
در اينجا يكي از مراكز جمع‌آوري انتخاب شده (GC-I)كه طي آن بتوان فرايند توسعه، تست و اجراي يكپارچه‌سازي را روي آن انجام داد. اين مركز جمعاً به ميزان 120 هزار بشکه در روزدر حال توليد بوده كه شامل 56 مورد تكميل باز در 48 چاه ميباشد كه از 5 لايه‌ي مختلف توليد مي‌كنند. شکل 2 ناحيه مربوطه و تجهيزات عمده‌ي اين مركز را در ميدان Burgan کويت نشان ميدهد. محدوديت تجهيزاتي در اين مركز، به عنوان يك سد راه در جهت افزايش توليد اين مركز به شمار مي رفت [7].
شکل 2 ناحيه مربوط به GC-I در ميدان Burgan
نتايج حاصل از اعمال بهينهسازي توليد در ميدان نفتي كويت به قرار زير است:
ü مديريت بهينه و كارآمد چاه‌ها و مخازن و استفاده از تجهيزات با بيشترين ظرفيت
ü كاهش قابل ملاحظه در مدت زمان لازم در نظارت و تأييد داده‌ها و انجام فرايندها نزديك به حالت بهنگام
ü افزايش 45/14 هزار بشکه در روز در ميزان ظرفيت توليد و نيز افزايش عمر مفيد چاه‌ها، كاهش چشمگير در هزينه‌ها
نتيجه گيري
همانگونه که در اين مقاله اشاره شد، بهينهسازي مي‌تواند به صورت قابل توجهي بازدهي اقتصادي سيستمها را به همراه افزايش ايمني و کيفيت محصولات افزايش دهد. استفاده موفقيت‌آميز از بهينهسازي همزمان فرايندهاي پايين دستي نفت و گاز نظير پتروشيمي و پالايشگاهها در گوشه و کنار جهان به اثبات رسيده است. با افزايش روز افزون رقابت بين شرکتها در زمينههاي مختلف، شرکتهاي عملياتي بهره بردار با فشار زيادي در خصوص افزايش بازدهي، کيفيت توليد و ايمني سيستمهاي فرايند روبرو هستند. به طور کلي فناوری RTO برپايه سيستمهاي کنترل با فرايند حلقه بسته هستند که هدف آن‌ها حفظ کردن عملکرد سيستمهاي فرآيندي در شرايط نزديک به شرايط عملکرد بهينه است. فناوری RTO با بهرهگيري از مدلسازي فرايندهاي مختلف، اطلاعات اقتصادي گذشته، حال و آينده سيستم و ساير پارامترهاي موثر در بازدهي سيستم، به پيش‌بيني شرايط عملکرد بهينه سيستم مي‌پردازد.
با توجه به مزاياي بهينه سازي همزمان در صنايع مختلف و بازدهي موفق آن، ضرورت استفاده از فن آوري RTO در صنايع بالادستي نفت و گاز امري روشن است که می تواند نقشی موثر در افزايش بهرهوري در توليد و صيانت از مخازن نفت و گاز داشته باشد. علاوه بر اين، با توجه به اهميت اجزاء مختلف اين فناوری در کارآيي و موفقيت کل سيستم، بررسي و شناخت جزء به جزء اين نوع سيستمها در صنايع بالادستي نفت و گاز به عنوان مقدمه‌‌اي در شناخت مراحل پيشرفت اين تکنولوژي به حساب مي آيد.
مراجع
[1] Naysmith M.R., “Real Time Optimization of Chemical Processes-A Comparison of Closed versus Open Form Equations using Commercial Simulation Packages”, PhD Thesis, 1997.
[2] Mochizuki, S., Saputelli, L.A., Kabir, C.S., Cramer, R., Lochmann, M.J., Reese, R.D., Harms, L.K., Sisk, C.D., Hite, J.R., Escorcia, A., “Real Time Optimization: Classification and Assessment”, SPE Annual Technical Conference and Exhibition 2004, Houston, Texas, USA.
[3] Bieker H.P., Slupphaug O., Johansen T.A., “Real-Time Production Optimization of Offshore Oil and Gas Production Systems: A Technology Survey”, SPE 99446-MS, prepared for presentation in Intelligent Energy Conference and Exhibition, 11-13 April 2006, Amsterdam, The Netherlands.
[4] Rommetveit R., Bjorkevoll K.S., Halsey G.W. and Larsen H.F., “Drilltronics: An Integrated System for Real Time Optimization of the Drilling Process”, IADC/SPE 87124, 2004.
[5] Loo E., Arango F., Millan A., “Real-Time Drilling Optimization in Sihil Field with Remote Operation Center”, SPE Latin American & Caribbean Petroleum Engineering Conference 2010, Lima, Peru.
[6] Johnston D.H. et al., “The Instrumented Oil Field and Emerging Measurement Technologies”, SPE 15075-MS, Offshore Technology Conference, 5 May-8 May 2003, Houston, Texas.
[7] Sinha S.P. et al., “Using an Integrated Approach to Production Optimization in A Mature Field: Burgan Field”, SPE 40182, 2006.
[1] Real Time Optimization
[2] Real Time Production Optimization
[3] Real Time Drilling Optimization
[4] Gathering Center