اشاره
آن چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست مقاله‌ي «آشنايي با مفاهيم مدل سازي مخزن» است؛ از مجموعه‌ي متون آموزشي آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و سياست‌پژوهان بخش بالادستي نفت و اقتصاد انرژي است كه در سرويس مسائل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران، تدوين شده است.
اين مقاله كه بر گرفته از بخشي از كتاب «مديريت جامع مخازن نفتي»( Intrgrated petroleum reservoir Management ) نوشته‌ي (Abdus satter & Ganesh C. Takur)است، سعي مي‌كند به توضيح درباره‌ي مدل‌سازي جامع مخزن، براساس داده‌هاي زمين‌شناسي، ژئوفيزيك و مهندسي بپردازد.
خواننده با مطالعه‌ي اين مقاله تا حدودي مي‌تواند اهميت شبيه سازي مخزن را در هدايت مراحل مختلف مديريت يك مخزن درك كند. در واقع اين مقاله با ادبياتي غيرفني براي خواننده توضيح مي‌دهد كه در شبيه سازي يک مخزن به چه علوم و تخصص هايي نياز است و نحوه عملكرد آن ها به چه صورت است. پديد آمدن اين امكان براي خبرنگار يا سياست‌پژوه توانايي امكان ارزيابي و پرسش‌گري بالاتر و دقيق‌تري در بررسي كلي سياست‌ها و ظرفيت‌هاي شركت‌هاي نفتي در مدل سازي مخزن و مديريت آن بر مبناي اطلاعات حاصل از اين مدل ها را پديد مي‌آورد.
توصيه مي‌شود خوانندگان گرامي قبل از مطالعه اين مقاله شماره‌هاي پيشين مجموعه مقالات آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت را مطالعه كنند.
سرويس مسائل راهبردي ايران rahbord.isna@gmail.com آمادگي بررسي دقيق‌تر نياز‌هاي خبرنگاران و سياست‌ پژوهان محترم و انعكاس ديدگاه‌هاي كارشناسان و متخصصان گرامي مهندسي نفت را درباره‌ي مجموعه‌ي اين مقالات دارد.

مدل سازي مخزن

مدل‌سازي مخزن تنها يك علم مهندسي يا يك علم مربوط به زمين‌شناسي (Geosciences) نيست بلكه يك مدل‌ جامع است و حاصل متصل شدن دو علم مهندسي و زمين‌شناسي ست. مدل جامع مخزن نياز به دانش زمين‌شناسي، خصوصيات سنگ و سيال، جريان سيالات درون آن ‌(Fluid Flow)، مكانيسم برداشت، حفاري و تكميل چاه و ... دارد. درمدل زمين‌شناسي از داده‌هاي مغزه (core) ، چاه پيمايي، لرزه‌نگاري، اطلاعات كاني‌شناسي، شناخت محيط رسوب‌گذاري و هم‌چنين فرآيندهاي كه رسوبات، بعداز رسوب‌گذاري متحمل مي شوند(diagenesis) (مانند حفاري هاي موجودات کف دريا،اکسيده شدن رسوبات و... )، استفاده مي‌شود.

نقش مدل سازي مخزن

شناخت رفتار مخزن درگذشته و حال و پيش‌بيني رفتار آن درآينده يكي از مهم‌ترين بخش‌هاي مديريت يك مخزن را تشكيل مي‌دهد؛ به عنوان نمونه يك پروژه بازيافت خوب از نظر اقتصادي و كيفي، به‌صورت قابل توجهي تحت تأثير شناخت رفتار مخزن درحال حاضر و پيش‌بيني رفتار آن درآينده است و يا دقت روش‌هاي Material balance وVolumetric (روش هايي هستند که براي تخمين نفت و گاز درجا به کار مي روند) كه در شبيه‌سازهاي بازيابي نفت براي آناليز رفتارمخزن و تخمين هيدروكربور در جاي مخزن استفاده مي‌شوند؛ بستگي به كيفيت مدلي دارد كه براي مخزن پيش‌بيني كرده‌ايم.
در واقع مخزن مانند يک موجود زنده است و افزايش دقت در پيش بيني رفتار آن نياز به يک مدل دقيق دارد. يك مدل شبيه‌سازي شده مي‌تواند چندين نوع زندگي تحت سناريو‌هاي مختلف براي يك مخزن پيش‌بيني كند.
داده‌هايي كه وارد شبيه‌ساز مي‌شوند حكم چند عكس را دارند كه ازيك منظره، پشت سرهم وبا يک فاصله زماني گرفته شده اند اما وضعيت بين اين عكس‌ها مشخص نيست و شبيه‌سازتحت سناريوهاي مختلف اين عكس‌هايي كه وجود ندارند(بين زمان هاي عکاسي شده) را تخمين مي‌زند.ازاين اطلاعات دربهترانجام دادن عمليات ازدياد برداشت، برداشت بهتر و صيانتي از مخزن، و تعيين تاريخچه مخزن استفاده مي‌شود.
درگذشته تنها براي مخازن بزرگ شبيه‌سازي و مطالعات مخزن انجام مي‌شد و مخازن كوچك، باتوجه به وقت‌گير بودن مطالعات و شبيه‌سازي مخزن و همچنين هزينه بالاي آن تحت شبيه‌سازي قرارنمي‌گرفتند اما امروزه مخازن كوچك نيز توسط شبيه‌سازهاي كوچك، شبيه سازي و مديريت مي‌شوند.
مدل كردن مخزن به دلايل زير يكي از مهم‌ترين بخش‌هاي مديريت مخزن است:
1- اين روش شامل مجموعه‌اي از اطلاعات زمين‌شناسي و مهندسي است.
2- اين امكان را به زمين‌شناس مي‌دهد كه اطلاعات شبيه‌ساز را با داده‌هاي واقعي كه از مخزن ثبت كرده است مقايسه و تحليل كند.
3- امكان شناسايي رفتار مخزن درحال حاضر و آينده تحت سناريوهاي مختلف را فراهم مي‌سازد و مهم‌ترين تصميم‌ها را درجهت مديريت مخزن امكان‌پذير مي‌سازد.

درتوسعه مدل مخزن بايد هر 2 علوم زمين‌شناسي و مهندسي به‌طور همزمان استفاده ‌شود اين خود فوايد زير را به همراه دارد:
1- تلفيق اين 2 علم باعث تحليل بهترمخزن و افزايش قطعيت و دقت مدل مي‌شود.
درواقع داده‌هاي زمين‌شناسي حكم يك دستيار را براي تحليلات مهندسي دارند و داده‌هاي مهندسي نيزچراغ جديدي بر سر راه فرضيات زمين‌شناسي روشن مي‌كنند.
2- تيم زمين‌شناسي- مهندسي پيش‌بيني‌هاي گذشته را اصلاح مي‌كنند و باعث كاهش هزينه‌هاي اشتباهي درطول عمر مخزن يا يك ميدان مي‌شوند.
3- از ديگر فوايداين كار گروهي، اين است كه هر بخش ، قسمتي از مطالعه‌ي داده‌ها را برعهده‌ دارد و اين باعث افزايش كيفيت و سرعت انجام مطالعات مي‌شود.
4- مدل مخزني كه حاصل مطالعه اين تيم چند تخصصي (علوم زمين شناسي و مهندسي) است يك تكنيك عملي براي توصيف دقيق مخزن را فراهم مي‌كند كه مي‌تواند منجربه حداكثر برداشت از يك ميدان شود.

درواقع با داشتن چنين شبيه‌سازي (simulator) مي‌توان درموارد زير ازآن به عنوان يك راهنما استفاده كرد:
1- مشخص كردن عملكرد ميدان نفت تحت تزريق گاز يا آب و يا تحت برداشت طبيعي از مخزن
2- مشخص كردن نحوه تزريق آب
3- تخمين اثر نرخ توليد (production rate) روي بازيابي نفت
4- محاسبه كل ميدان گازي براي تحويل دادن به چند چاه دريك مكان خاص(مشخص كردن تعداد و محل چاه‌ها در آن مخزن يا ميدان)
5- پيداكردن بهترين مسير و روش براي بهترين برداشت ازمخزن

امروزه با استفاده از كامپيوتر و نرم افزارهاي شبيه‌سازي متعدد مانند اكليپس(Eclipse)، پترل(Petrel)، پن‌-سيستم(Pan-system) و ...، و با استفاده از اصول مهندسي، زمين‌شناسي و اقتصادي ، حل مشكلات مخازن پيچيده در چارچوب زماني، راحت تر شده است.
در واقع فرآيند شبيه‌سازي شامل توصيف مخزن، تعيين تاريخچه عملكرد مخزن و پيش‌بيني عملكرد آينده مخزن تحت سناريوهاي مختلف است.
بعداز اين‌كه مدل مخزن ساخته شد، بررسي مي‌شود كه آيا اين مدل با تاريخچه قبلي مخزن مطابقت دارد(History Matching)؟ معمولا تغييراتي در مدل در محدوده‌ي زمين‌شناسي و مهندسي براي تطبيق مدل با تاريخچه قبلي مخزن انجام مي‌شود، درواقع مدلي كه ارائه مي‌شود بايد كمترين پيچيدگي را داشته باشد وهم‌زمان بهترين اطلاعات را دراختيار قرار دهد.

Geosciences (علم زمين شناسي)

زمين‌شناسي شايد مهم‌ترين نقش را درمدل‌سازي و مديريت مخزن برعهده دارد.دراين بخش هدف، معرفي نقش زمين‌شناسي درمدل‌سازي مخزن است.
يك مدل به اطلاعاتي درخصوص تغييرات تخلخل ،تراوايي و خصوصيات فشار مويينگي نياز دارد. براي شناسايي ، مخزن را به بلوک هايي تقسيم مي‌كنند و اطلاعات هر يک را مورد مطالعه قرارداده و به آن بلوک نسبت مي‌دهند؛ سپس هر بلوک را به عنوان يك نقطه درنظر مي‌گيرند و مخزن را با اطلاعات اين نقاط مخزن، مطالعه مي‌كنند ابعاد هر بلوک بستگي به چندين عامل مانند فاصله بين چاه‌ها، همگني‌ (يكسان بودن خصوصيات سنگ در همه‌ي قسمت‌هاي سنگ) و غيرهمگني سنگ مخزن، سيال درون مخزن و... دارد.
بخش زمين‌شناسي اطلاعاتي كه به شبيه‌ساز مي‌دهد شامل:
1- مطالعه سنگ است كه جنس سنگ و محيط رسوبگذاري آن و هم‌چنين همگني سنگ مخزن را دراختيار قرارمي‌دهد.
2- مطالعه چارچوب سنگ است كه بخش‌هاي مفيد سنگ مخزن (gross net)(قسمتي که از نظر تخلخل، تراوايي و ذخيره هيدروکربور داراي شرايط مخزني باشد) ازجهت توليد را مشخص مي‌كند.
3- مطالعه كيفي مخزن كه تغييرات تخلخل و ترآوايي و خصوصيات فشار مويينگي (نوعي فشار که در گلوگاه هاي باريک سنگ ايجاد مي شود) را درقسمت‌هاي مختلف سنگ دراختيار قرارمي‌دهد.
4- مطالعات جامع كه درمقياس سه بعدي انجام مي‌شود به مطالعه هيدروكربور موجود در خلل و فرج و نحوه حركت آن مي‌پردازد.

Seismic Data (داده هاي لرزه اي):
عمليات لرزه‌نگاري سه‌بعدي كمك مي‌كند كه مقدار نفت در جاي موجود درمخزن را شناسايي كرد و با آناليز اين اطلاعات به‌وسيله كم كردن توليد از مناطق خشك و كم هيدروكربور نقش به‌سزايي دركاهش هزينه‌ها داشت. عمليات لرزه‌نگاري سه‌بعدي درفاز محاسبه نقش به‌سزايي درطراحي طرح‌هاي توسعه‌اي دارد مانند:
1 - چاه‌هاي بهره‌برداري و تزريقي مشخص مي‌شوند.
2 - حفظ فشار مخزن به خوبي مديريت شود.
3 - عمليات بازسازي (work over) روي چاه انجام شود.

اين فعاليت‌ها اطلاعات جديدي را به دست مي دهند كه باعث تغيير و اصلاحاتي در نقشه‌ها، ساختارهاي زير‌زميني(مانند طاقديس، ناوديس و...) و مدل هاي چينه‌شناسي (Stratigraphic) مي‌شوند.
عمليات‌هاي لرزه‌نگاري سه‌بعدي (3D) نقشه‌هاي توسعه‌اي اوليه را تحت تاثير قرارمي‌دهند ؛ با حفاري چاه‌هاي توسعه‌اي، اطلاعات اضافه شده‌ي حاصل از اين چاه‌ها، در بازسازي اطلاعات اوليه به‌كارگرفته مي‌شوند. با گذشت زمان و اضافه شدن داده‌هاي جديد، بعضي از قسمت‌هاي داده‌هاي لرز‌ه‌نگاري كه درابتدا مبهم بودند قابل فهم مي‌شوند.
لرزه‌نگاري سه‌بعدي (3D) به موارد زيركمك مي كند:
1- چهارچوب جغرافيايي(ابعاد و موقعيت) مخزن را مشخص كند
2- معرفي كيفي و كمي خصوصيات سنگ، و سيال درون آن
3- مشخص كردن جريان

آمار و تخمين
هالدرسون و دامسلت (Haldorsen & Damslath) استفاده از تكنيك‌هاي زمين آمار( Geostatistic ) در توصيف مخزن را اين‌گونه شرح مي‌دهند:
قابليت اندازه‌گيري و شناخت خواص و شكل مخزن درهمه مقياس‌ها وجود دارد.همانطور كه در مقاله‌ي مباني شناخت مخزن گفته شد مخزن محصول نهايي فرآيندهاي شيميايي بسيارپيچيده‌اي است كه درطول ميليون‌ها سال انجام شده است. توصيف مخزن تركيبي از مشاهده هدف‌ها كه همان داده‌هاي زمين‌شناسي و رسوب‌شناسي است (قسمت قطعي) و حدس زدن يك فرمول (قسمت زمين آماري) براي آن مي‌باشد.
در واقع به دلايل زير تكنيك‌هاي زمين آماري براي توصيف مخزن‌ها كاربرد دارند:
1- داشتن اطلاعات ناقص درباره مخزن
2- رسوب‌گذاري پيچيده
3- تغيير خصوصيات سنگ(مانند تخلخل، تراوايي و...)
4- دراختيارداشتن تنها قسمتي از اطلاعات چاه
5- رابطه غيرمعلوم بين خصوصيات سنگ
6- راحتي و افزايش سرعت كار.

مدل‌هاي زمين‌آماري به توليد مصنوعي خصوصيات زمين‌شناسي، دريك، دو و سه بعد مي‌پردازد و مدلي که با تاريخچه مخزن (Historical matching) هم خواني بيشتري داشته باشد به عنوان مدل مخزن، براي تخمين آن به کار مي رود.
امروزه استفاده ازروش زمين‌آماري - فركتالي Fractal) geostatistic) و ديگر تكنيك‌هاي آماري براي به نقشه درآوردن تغييرات هرآن‌چه درمخازن غيرهمگن به‌صورت غيرقطعي است، توجه‌ها را به خود جلب کرده است. زمين آمار- فركتالي براين فرض استوار است كه آمار فركتالي مي‌تواند جايگزيني براي نقاط ناهمگن بين ‌چاه‌ها كه ازآن‌ها داده‌اي نداريم، باشد ؛ در واقع با استفاده از Interpolate (به هم وصل کردن نقاطي كه اطلاعات آن‌ها را داريم با توجه به روند قبلي) داده‌ها موجود اين نقاط را تخمين مي‌زنند.
اين تخمين موفقيت‌آميز است زيرا خصوصيات بسياري از مخازن طبيعي با پيش فرض هاي فركتالي هم خواني دارند.
مدل‌هاي آماري / زمين‌آماري مخازن ناهمگن ،درتوليد يك مدل دقيق از مخزن نقش مهمي دارند.اين مدل ها در واقع يك مجموعه‌ از دستگاه‌هاي آناليز داده‌ها هستند كه به عنوان زبان احتمال بين زمين‌شناس، ژئوفيزيك‌دان و مهندسين مخزن مشترك بوده و يك وسيله براي جمع‌آوري انواع منابع اطلاعاتي غيرقطعي است.

Engineering (مهندسي)

مهندسين مخزن با استفاده از يك مدل صحيح از آن مخزن به موارد زير كمك مي‌كند:
1- پيداكردن و مشخص كردن مخازن متعدد درميدان موردنظر و خواص فيزيكي آن‌ها
2- تحليل گذشته و پيش‌بيني رفتار آينده‌ي مخزن
3- كاهش حفاري چاه‌هاي غيرنياز
4- مشخص كردن و اصلاح چاه و سيستم‌هاي سطحي
5- راه‌انداختن عمليات كنترل در زمان مناسب
6- درنظرگرفتن همه موقعيت‌هاي اقتصادي و فاكتورهاي قانوني.

بعداز مشخص كردن مدل زمين‌شناسي، اطلاعات مهندسي / توليدي به مدل اضافه مي‌شود.اين‌ اطلاعات شامل خصوصيات سنگ و سيال مخزن، محل چاه و تكميل آن، آزمايشات چاه (Well-test ) و ... است.

جمع بندي داده‌ها براي يك مدل جامع(Integration)

داده‌هاي به دست آمده به‌صورت جدا بررسي مي‌شوند و منجربه چندين مدل مختلف مانند مدل زمين‌شناسي،‌ مدل ژئوفيزيكي، مدل توليدي / مهندسي و... مي‌شوند. شاخص زمين‌آمار همه اين اطلاعت را يكي مي‌كند و سپس يك مدل براي مخزن كه شامل همه اين اطلاعات است فراهم مي‌كند.
اهميت زمين‌شناسي با پيش‌بيني رفتار مخزن به‌وسيله‌ي مهندسي مخزن مشخص مي‌شود. با اين وجود، چيزي كه اهميت دارد اين است كه تصوير زمين‌شناسي اي كه بدست آمده، با صرف هزينه كم و ماندگاري بيشتر، قابل انتقال به مدل شبيه‌سازي باشد.
برنامه‌هاي مدل‌سازي سه‌بعدي زمين‌شناسي به‌گونه‌اي توسعه يافته‌اند كه به‌صورت خودكار بتوانند نقشه‌هاي زمين‌شناسي را با استفاده از داده‌هاي اكتشافي ترسيم کنند . به دليل اين‌كه اين مدل‌ها به‌طور مستقيم درارتباط با شبيه‌سازي مخزن هستند، مهندسين مخزن مي‌توانند ازآن براي توصيف مخزن و به‌روزکردن (update)مدل با داده‌هاي جديد استفاده کرده و نقشه‌ها را ترسيم ‌كنند.
با آمدن مدل‌هاي عددي(Digital) انقلابي در تكنيك‌هاي شبيه‌سازي بوجود آمد. امروزه مهندسين مخزن داده‌هاي بيشتري را از مهندسين زمين‌شناسي و بهره‌برداري مي‌خواهند (چه درمقياس كمي و چه در جزئيات).
از طرف ديگر تطابق تاريخچه‌اي(History matching) مخزن مي‌تواند اطلاعات زمين‌شناسي را به زمين‌شناس بازگرداند؛ بنابراين يك همكاري‌ متقابل بين زمين‌شناس و مهندسين مخازن وجود دارد.در واقع مي توان گفت که انقلابي درمدل‌سازي مخزن از زمان تلفيق علوم زمين‌شناسي و مهندسي به وجود آمد. كه كار را براي استفاده‌كنندگان بسيار ساده كرده است.

تدوين: مهندس محسن اطمينان
دانشجوي كارشناسي‌ ارشد مهندسي اکتشاف نفت - دانشکده فني - دانشگاه تهران
خبرنگار نفت سرويس مسايل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران(ISNA)