یكی از مسائلی كه با توجه به كاهش فشار و نوع نادر مخازن نفت كشور (كربناته شكافدار و ساختارهای نفت سنگین) باید مورد توجه قرار گیرد، انتخاب روش صحیح ازدیاد برداشت است. یكی از این روشها، روش حرارتی است. در این تحلیل برخی از ابعاد این روش را بررسی خواهیم كرد:
از مهمترین راه‌های ازدیاد برداشت از مخازن نفت، استفاده از روش‌های حرارتی است. در این روشها با استفاده از انرژی حرارتی، برخی از خصوصیات سنگ و سیال را تغییر می‌دهند و خروج نفت از مخزن را تسهیل می‌كنند.
انواع روش‌های حرارتی ازدیاد برداشت
به طور كلی، روش‌های حرارتی ازدیاد برداشت را می‌توان به دو دسته تقسیم كرد.
1- ایجاد حرارت در مخزن با سوزاندن بخشی از نفت: این عمل با تزریق گاز دارای اكسیژن، حفر چاه‌های تزریقی معین و ایجاد یك جبهه آتش پیش‌رونده صورت می‌گیرد. البته برای ایجاد این حرارت روش‌های متفاوتی پیشنهاد شده است؛ ولی تنها در روش‌هایی كه از گاز اكسیژن‌دار استفاده می‌شود، جبهة آتش در یك جهت حركت می‌كند و می‌توان به نتیجة مطلوب رسید
2- تولید حرارت در خارج مخزن و تزریق سیال گرم به عنوان عامل جابه‌جا كننده: این روش شامل تزریق بخار و آب به صورت مرحله‌‌ای و متناوب (تزریق چرخشی یا متناوب) و یا تزریق بخار به‌طور ممتد می‌باشد.
مكانیزمهای تولید نفت در بازیافت حرارتی از مخزن
افزایش درجه حرارت، بر روی خواص فیزیكی سیالات و همچنین تاثیرات متقابل سنگ و سیال، اثرمی‌گذارد. مكانیزمهای اصلی ناشی از این تأثیرات كه به تولید نفت منجر می‌شوند، عبارتند از:
1- كاهش ویسكوزیته خصوصاً در مورد نفت‌های سنگین
2- میزان ترشوندگی سنگ تغییر پیدا می‌كند؛ تمایل به ترشوندگی توسط آب در درجه حرارت بالا افزایش می‌یابد.
3- كشش سطحی بین نفت و آب با افزایش درجه حرارت كاهش پیدا می‌كند.
4- انبساط حرارتی باعث می‌شود كه سیال موجود در خلل و فرج سنگ به بیرون تراوش پیدا كند؛ در این حالت، چون انبساط حرارتی نفت خصوصاً نفت‌های سبك كمتر از آب است، در ابتدا نفت خارج می‌شود.
5- نفت‌های سبك تبخیر می‌شوند.
روش تزریق بخار آب
این روش در چاه‌هایی به كار برده می‌شود كه دارای نفت سنگین با ویسكوزیته بالا هستند. از این روش كه در اواخر دهه پنجاه میلادی كاربرد زیادی داشته است، بیشتر در كالیفرنیا و ونزوئلا استفاده می‌شود؛ زیرا در این مناطق نفت سنگین بیشتری نسبت به سایر نقاط دنیا زیادی وجود دارد.
عاملی كه در روش تزریق بخار باید كنترل شود، سرعت تزریق است؛ سرعت تزریق باید به صورتی باشد كه فرصت كافی برای تبادل حرارتی بخار و نفت وجود داشته باشد تا شیب دمائی درون نفت ایجاد گردد. علاوه بر آن، باید به فاصله بین مخزن و تاسیسات تولید بخار برای محاسبه درجه سیال تزریقی به مخزن و میزان خوردگی در مسیر بخار تزریقی توجه داشت.
روش‌های تزریق بخار
تزریق بخار عمدتاً به دو صورت انجام می‌شود:.
روش چرخشی: در این روش، ابتدا مقداری بخار و سپس، آب به‌همراه پلیمر به مخزن تزریق می‌شود. مجدداً بخار آب تزریق می‌شود و به‌همین ترتیب فرایند ادامه پیدا می‌كند. از این روش در سال 1959 در ونزوئلا استفاده می‌شد و در سال 1968 با استفاده این روش در كالیفرنیا حدود 130000بشكه نفت برداشت گردید.
روش تزریق بخار: در این روش، بخار آب به طور ممتد به مخزن تزریق می‌گردد و هم نیروی حرارتی و هم نیروی رانش به وسیله بخار آب ایجاد می‌گردد. تاكنون در آمریكا نزدیك به 50درصد نفت مخازن به این روش استخراج گردیده است.
شرایط لازم برای تزریق بخار آب:
در یك بررسی آماری كه در مورد مخازن نفتی در سرتاسر جهان انجام شده، شرایط لازم برای استفاده از روش حرارتی به صورت ذیل گزارش شده است. البته وجود این شرایط به معنی كفایت این شروط نیست و ازدیاد برداشت به عوامل دیگری از جمله عوامل اقتصادی، زیست‌محیطی وغیره نیز وابسته است.
نمونه‌های موفق از كاربرد روش‌های حرارتی
مخزن كویت در ادامه لایه آسماری ایران قرار دارد. از سپتامبر 1986، عملیات تزریق به این مخزن به‌صورت چرخشی و با حفر چهار چاه تزریقی آغاز شد. برای این منظور، بخار با درجة حرارت 433 درجه فارنهایت و در مدت یك تا سه روز با دبی 1246- 965 بشكه در روز تزریق شد تا فشار بخار به 390psi برسد، نتایج بدست آمده از این مخزن حاكی از موفقیت‌آمیز بودن این روش در این مخزن بوده است. اطلاعات مخزن به صورت ذیل می باشد.
میدان لاك در فرانسه:
میدان نفتی لاك در جنوب غربی فرانسه قرار دارد كه دارای دو نوع سنگ متفاوت است: سنگ آهكی فشرده و سنگ دولومیت نامرغوب. به علت تراكم زیاد شبكه شكاف‌ها، چاه‌های این میدان دارای بهره‌وری خوبی هستند. این مخزن از نوع مخازن تركدار است؛ بنابراین اگر چه تراوایی مخزن پایین است (md 10) اما وجود ترك، تراوایی میانگین را تا حدود md 500، بالا می‌برد.
در سال های 1957- 1949 از منطقه تركدار تولید می‌شد. سپس آشام آب مكانیزم اصلی میدان شد و تمام ترك ها مورد هجوم قرار گرفتند. در سال 1977 هنوز مقدار زیادی نفت در مخزن بجا مانده بود. بنابراین راه های تولید این نفت مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات مهندسی مخازن و تحقیقات آزمایشگاهی منجر به انتخاب روش تزریق ممتد بخار گردید. پروژة راهنمای تزریق بخار بین سالهای 1997 الی 1982 به كار انداخته شد كه نتایج حاصل از آن موفقیت‌آمیز ارزیابی گردید. در این پروژه با تزریق 251هزارتن بخار، 356 هزارتن نفت به‌دست آمد.
این اولین آزمایش ترزیق بخار در یك مخزن كربناته، بود. تأثیر بخار روی سنگ كربناته باعث آزاد شدن مقدار زیادی دی‌اكسید كربن در داخل مخزن شد و یك كلاهك گازی تشكیل گردید. تزریق بخار گرانروی نفت را كاهش داد و راندمان برداشت نسبت به حالت آشام آب بالاتر رفت. برداشت نفت بوسیلة بخار در این میدان، بالغ به 110هزار متر مكعب بوده است. این مقدار فقط از طریق 5 الی 6 چاه بدست آمده است. خصوصیات مخزن لاك عبارتند از:
نتیجه‌گیری و تحلیل:
مطالعات انجام شده در مخازن ایران، حاكی از وجود مخازن نفت سنگین و ساختارهای شكافدار می‌باشد. درك پدیدة بازیافت نفت از فضای ماتریكس از طریق ترزیق سیال با دمای بالا، از روش سیلاب‌زنی و تزریق مواد شیمیایی خیلی پیچیده‌تر است. چرا كه در این روش، بازیافت بستگی به چند مكانیزم دارد. بررسی تجارب انجام شده در تزریق آب گرم به مخازن كربناته شكافدار حاكی از موفقیت آمیز بودن این روش بوده است.
با توجه به خصوصیات مخازن ایران (كربناته شكافدار) و وجود ذخایر نفت سنگین، یكی از مهمترین گزینه‌های قابل مطالعه و تحقیق، روش‌های حرارتی ازدیاد برداشت هستند. یكی از مهمترین گام‌هایی كه باید در این راستا برداشته شود، شبیه‌سازی مخازن كشور به منظور آزمایش تزریق بخار و آب گرم، علی‌الخصوص در میادین نفت سنگین است. لازم به ذكر است كه تاكنون 18 ساختار نفت سنگین در كشور شناسایی شده است و هنوز ارزیابی دقیقی از میزان این ذخایر وجود ندارد. هم‌اكنون مطالعات ازدیاد برداشت و تولید از این نوع مخازن، در برخی از دانشگاه‌های داخل و خارج كشور (مانند كانزاس) در حال انجام است و ضریب بازیافت این مخازن بین 5 تا 10 درصد پیش‌بینی می‌شود. با توجه به پایین‌بودن درجه مرغوبیت، گرانروی بالا، درصد مواد سنگین، همچنین وجود گوگرد فراوان در نفت سنگین نسبت به نفت سبك و نیز فشار كم مخازن، استخراج نفت از این مخازن، احتیاج به روش‌های بازیافت مرحله سوم و در راس آن، روش‌های حرارتی دارد.
از مهمترین راه‌های ازدیاد برداشت از مخازن نفت، استفاده از روش‌های حرارتی است. در این روشها با استفاده از انرژی حرارتی، برخی از خصوصیات سنگ و سیال را تغییر می‌دهند و خروج نفت از مخزن را تسهیل می‌كنند.
انواع روش‌های حرارتی ازدیاد برداشت
به طور كلی، روش‌های حرارتی ازدیاد برداشت را می‌توان به دو دسته تقسیم كرد.
1- ایجاد حرارت در مخزن با سوزاندن بخشی از نفت: این عمل با تزریق گاز دارای اكسیژن، حفر چاه‌های تزریقی معین و ایجاد یك جبهه آتش پیش‌رونده صورت می‌گیرد. البته برای ایجاد این حرارت روش‌های متفاوتی پیشنهاد شده است؛ ولی تنها در روش‌هایی كه از گاز اكسیژن‌دار استفاده می‌شود، جبهة آتش در یك جهت حركت می‌كند و می‌توان به نتیجة مطلوب رسید
2- تولید حرارت در خارج مخزن و تزریق سیال گرم به عنوان عامل جابه‌جا كننده: این روش شامل تزریق بخار و آب به صورت مرحله‌‌ای و متناوب (تزریق چرخشی یا متناوب) و یا تزریق بخار به‌طور ممتد می‌باشد.
مكانیزمهای تولید نفت در بازیافت حرارتی از مخزن
افزایش درجه حرارت، بر روی خواص فیزیكی سیالات و همچنین تاثیرات متقابل سنگ و سیال، اثرمی‌گذارد. مكانیزمهای اصلی ناشی از این تأثیرات كه به تولید نفت منجر می‌شوند، عبارتند از:
1- كاهش ویسكوزیته خصوصاً در مورد نفت‌های سنگین
2- میزان ترشوندگی سنگ تغییر پیدا می‌كند؛ تمایل به ترشوندگی توسط آب در درجه حرارت بالا افزایش می‌یابد.
3- كشش سطحی بین نفت و آب با افزایش درجه حرارت كاهش پیدا می‌كند.
4- انبساط حرارتی باعث می‌شود كه سیال موجود در خلل و فرج سنگ به بیرون تراوش پیدا كند؛ در این حالت، چون انبساط حرارتی نفت خصوصاً نفت‌های سبك كمتر از آب است، در ابتدا نفت خارج می‌شود.
5- نفت‌های سبك تبخیر می‌شوند.
روش تزریق بخار آب
این روش در چاه‌هایی به كار برده می‌شود كه دارای نفت سنگین با ویسكوزیته بالا هستند. از این روش كه در اواخر دهه پنجاه میلادی كاربرد زیادی داشته است، بیشتر در كالیفرنیا و ونزوئلا استفاده می‌شود؛ زیرا در این مناطق نفت سنگین بیشتری نسبت به سایر نقاط دنیا زیادی وجود دارد.
عاملی كه در روش تزریق بخار باید كنترل شود، سرعت تزریق است؛ سرعت تزریق باید به صورتی باشد كه فرصت كافی برای تبادل حرارتی بخار و نفت وجود داشته باشد تا شیب دمائی درون نفت ایجاد گردد. علاوه بر آن، باید به فاصله بین مخزن و تاسیسات تولید بخار برای محاسبه درجه سیال تزریقی به مخزن و میزان خوردگی در مسیر بخار تزریقی توجه داشت.
روش‌های تزریق بخار
تزریق بخار عمدتاً به دو صورت انجام می‌شود:.
روش چرخشی: در این روش، ابتدا مقداری بخار و سپس، آب به‌همراه پلیمر به مخزن تزریق می‌شود. مجدداً بخار آب تزریق می‌شود و به‌همین ترتیب فرایند ادامه پیدا می‌كند. از این روش در سال 1959 در ونزوئلا استفاده می‌شد و در سال 1968 با استفاده این روش در كالیفرنیا حدود 130000بشكه نفت برداشت گردید.
روش تزریق بخار: در این روش، بخار آب به طور ممتد به مخزن تزریق می‌گردد و هم نیروی حرارتی و هم نیروی رانش به وسیله بخار آب ایجاد می‌گردد. تاكنون در آمریكا نزدیك به 50درصد نفت مخازن به این روش استخراج گردیده است.
شرایط لازم برای تزریق بخار آب:
در یك بررسی آماری كه در مورد مخازن نفتی در سرتاسر جهان انجام شده، شرایط لازم برای استفاده از روش حرارتی به صورت ذیل گزارش شده است. البته وجود این شرایط به معنی كفایت این شروط نیست و ازدیاد برداشت به عوامل دیگری از جمله عوامل اقتصادی، زیست‌محیطی وغیره نیز وابسته است.
نمونه‌های موفق از كاربرد روش‌های حرارتی
مخزن كویت در ادامه لایه آسماری ایران قرار دارد. از سپتامبر 1986، عملیات تزریق به این مخزن به‌صورت چرخشی و با حفر چهار چاه تزریقی آغاز شد. برای این منظور، بخار با درجة حرارت 433 درجه فارنهایت و در مدت یك تا سه روز با دبی 1246- 965 بشكه در روز تزریق شد تا فشار بخار به 390psi برسد، نتایج بدست آمده از این مخزن حاكی از موفقیت‌آمیز بودن این روش در این مخزن بوده است. اطلاعات مخزن به صورت ذیل می باشد.
میدان لاك در فرانسه:
میدان نفتی لاك در جنوب غربی فرانسه قرار دارد كه دارای دو نوع سنگ متفاوت است: سنگ آهكی فشرده و سنگ دولومیت نامرغوب. به علت تراكم زیاد شبكه شكاف‌ها، چاه‌های این میدان دارای بهره‌وری خوبی هستند. این مخزن از نوع مخازن تركدار است؛ بنابراین اگر چه تراوایی مخزن پایین است (md 10) اما وجود ترك، تراوایی میانگین را تا حدود md 500، بالا می‌برد.
در سال های 1957- 1949 از منطقه تركدار تولید می‌شد. سپس آشام آب مكانیزم اصلی میدان شد و تمام ترك ها مورد هجوم قرار گرفتند. در سال 1977 هنوز مقدار زیادی نفت در مخزن بجا مانده بود. بنابراین راه های تولید این نفت مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات مهندسی مخازن و تحقیقات آزمایشگاهی منجر به انتخاب روش تزریق ممتد بخار گردید. پروژة راهنمای تزریق بخار بین سالهای 1997 الی 1982 به كار انداخته شد كه نتایج حاصل از آن موفقیت‌آمیز ارزیابی گردید. در این پروژه با تزریق 251هزارتن بخار، 356 هزارتن نفت به‌دست آمد.
این اولین آزمایش ترزیق بخار در یك مخزن كربناته، بود. تأثیر بخار روی سنگ كربناته باعث آزاد شدن مقدار زیادی دی‌اكسید كربن در داخل مخزن شد و یك كلاهك گازی تشكیل گردید. تزریق بخار گرانروی نفت را كاهش داد و راندمان برداشت نسبت به حالت آشام آب بالاتر رفت. برداشت نفت بوسیلة بخار در این میدان، بالغ به 110هزار متر مكعب بوده است. این مقدار فقط از طریق 5 الی 6 چاه بدست آمده است. خصوصیات مخزن لاك عبارتند از:
نتیجه‌گیری و تحلیل:
مطالعات انجام شده در مخازن ایران، حاكی از وجود مخازن نفت سنگین و ساختارهای شكافدار می‌باشد. درك پدیدة بازیافت نفت از فضای ماتریكس از طریق ترزیق سیال با دمای بالا، از روش سیلاب‌زنی و تزریق مواد شیمیایی خیلی پیچیده‌تر است. چرا كه در این روش، بازیافت بستگی به چند مكانیزم دارد. بررسی تجارب انجام شده در تزریق آب گرم به مخازن كربناته شكافدار حاكی از موفقیت آمیز بودن این روش بوده است.
با توجه به خصوصیات مخازن ایران (كربناته شكافدار) و وجود ذخایر نفت سنگین، یكی از مهمترین گزینه‌های قابل مطالعه و تحقیق، روش‌های حرارتی ازدیاد برداشت هستند. یكی از مهمترین گام‌هایی كه باید در این راستا برداشته شود، شبیه‌سازی مخازن كشور به منظور آزمایش تزریق بخار و آب گرم، علی‌الخصوص در میادین نفت سنگین است. لازم به ذكر است كه تاكنون 18 ساختار نفت سنگین در كشور شناسایی شده است و هنوز ارزیابی دقیقی از میزان این ذخایر وجود ندارد. هم‌اكنون مطالعات ازدیاد برداشت و تولید از این نوع مخازن، در برخی از دانشگاه‌های داخل و خارج كشور (مانند كانزاس) در حال انجام است و ضریب بازیافت این مخازن بین 5 تا 10 درصد پیش‌بینی می‌شود. با توجه به پایین‌بودن درجه مرغوبیت، گرانروی بالا، درصد مواد سنگین، همچنین وجود گوگرد فراوان در نفت سنگین نسبت به نفت سبك و نیز فشار كم مخازن، استخراج نفت از این مخازن، احتیاج به روش‌های بازیافت مرحله سوم و در راس آن، روش‌های حرارتی دارد.
