اشاره
آن‌چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست اولين بخش از مقاله‌ي « آشنايي با مخازن گاز چالش هاي پيش رو» با عنوان «آشنايي با رفتار فازي سيالات هيدروكربوري» از مجموعه‌ي متون آموزشي 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 سعي مي‌كند ضمن آشنايي خوانندگان با رفتار فازي سيالات هيدروکربوري ، به توضيح چگونگي رفتار مخازن مختلف، ونحوه‌ي كنترل توليد براي برداشت بهينه از مخازن مختلف با توجه به رفتار فازي آن مخزن بپردازد.
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، آشنايي با مفاهيم تخصصي و فني در هر حوزه را مقدمه‌ي ايجاد يك عرصه‌ عمومي براي گفت وگوي دانشگاهيان و حرفه‌مندان با مديران و سياست‌گزاران درباره‌ي سياست‌ها و استراتژي‌ها و برنامه‌ها در آن حوزه مي‌داند و براي آشنايي خبرنگاران و دانشجويان سياست‌پژوه در حوزه‌هاي تخصصي، اقدام به تدوين و ارائه‌ي اين متون آموزشي در اين‌باره مي‌كند.
مجموعه‌ي مقالات آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت كه به همت مجموعه‌اي از دانشجويان كارشناسي ارشد مهندسي نفت دانشگاه‌ههاي صنعتي اميركبير، تهران، صنعتي شريف و صنعت نفت تدوين شده است با ادبياتي غير فني مفاهيمي فني را براي خواننده توضيح مي‌دهد كه با استفاده از آن تا حدودي مي‌توان به ارزيابي سياست‌گذاري فناوري و سياست‌گذاري توسعه‌ي صنعتي در اين حوزه پرداخت.
خواننده با مطالعه‌ي اين مقالات تا حدودي مي‌تواند درك كند كه در مراحل مختلف مديريت يك مخزن به چه فناوري‌ها و دانش‌هايي نياز است. در واقع مجموعه‌ي اين مقالات با ادبياتي غيرفني مفاهيمي فني را براي خواننده توضيح مي‌دهند كه با استفاده از آن تا حدودي مي‌توان به ارزيابي عملكرد مديريت مخزن پرداخت. پديد آمدن اين امكان براي خبرنگار يا سياست‌پژوه، توانايي ارزيابي و پرسش‌گري بالاتر و دقيق‌تري را در بررسي كلي سياست‌ها و ظرفيت‌هاي شركت‌هاي نفتي ايجاد مي‌كند.
 تعريف ساده واژه‌هاي تخصصي‌، قبل از استفاده از آن ها در هر مقاله امكان درك مطلب را براي هر خواننده‌اي با هر تخصص و دانشي فراهم مي‌كند. توصيه مي‌شود خوانندگان گرامي قبل از مطالعه هر مقاله شماره‌هاي پيشين مجموعه را مطالعه كنند.
سرويس مسائل راهبردي ايران rahbord.isna@gmail.com ضمن اعلام آمادگي براي بررسي دقيق‌تر نياز‌هاي خبرنگاران و سياست‌پژوهان محترم، علاقه‌مندي خود را براي دريافت پيشنهادات و مقالات دانشجويان، پژوهشگران، حرفه‌مندان، سياست‌گذاران، تصميم‌سازان و مديران محترم در اين باره اعلام مي‌كند و اظهار اميدواري مي‌كند ايجاد يك عرصه‌ عمومي براي گفت وگوي دانشگاهيان و حرفه‌مندان با مديران و سياست‌گذاران ضمن مستندسازي تاريخ سياست‌گذاري و نظارت عمومي بيشتر بر فرآيند سياست‌گذاري عمومي، موجب طرح ديدگاه‌هاي جديد و ارتقاي كيفيت فرآيند سياست‌گذاري در هر حوزه شود.
علاقه‌مندان مي‌توانند اولين نسخه از مجله‌ي آشنايي با مقاهيم مهندسي نفت كه شامل لينك ويرايش نخست 13 عنوان از مقالات آموزشي آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و سياست‌پژوهان بخش بالادستي نفت و اقتصاد انرژي است را در بخش اخبار مرتبط كه در انتهاي اين متن آمده است، ملاحظه كنند.
سرويس مسائل راهبردي خبرگزاري دانشجويان ايران از همكاري دانشجويان و متخصصان مهندسي نفت براي تكميل عناوين ارائه شده در اين مجله و يا ويرايش و تكميل هر يك از مقالات ارسال شده استقبال مي‌كند.  

رفتار فازي سيالات هيدروکربوري
با تاكيد بر رفتارشناسي گاز طبيعي 

پيش درآمد
ذخاير نفت و گاز طبيعي عبارتند از ترکيبات هيدروکربني‌اي که به طور طبيعي در مخازن زيرزميني تحت فشار و دماي بالا يافت مي شوند. صنعت نفت و گاز براي تأمين انرژي مورد نياز جوامع امروزي به اکتشاف، توليد و پالايش اين سيالات مبادرت مي ورزد. در اين مقاله اهميت شناخت صحيح رفتار فازي سيالات هيدروکربوري(اين شاخه از علم مهندسي نفت و گاز معمولاً با نام PVT Study شناخته مي شود و بسياري از مفاهيم آن با مهندسي شيمي مشترک است) در مديريت بهينه‌ي کل زنجيره‌ي ارزش نفت و گاز، از توليد تا مصرف، مورد بررسي قرار مي گيرد.
مقدمه
در مهندسي نفت و گاز با ترکيبات پيچيده‌اي از سيالات مواجهيم که رفتارشان به شدت متأثر از ساختار شيميايي آن‌هاست. ساختار اين سيالات را مجموعه‌اي از اجزاء مختلف شيميايي شامل اجزاء غيرهيدروکربني و طيف گسترده‌اي از اجزاء هيدروکربني ـ بالاخص گروه آلکان‌ها با فرمول شيميايي (CnH2n+2) ـ تشکيل مي دهند. معمول‌ترين اجزاء هيدروکربني سيالات نفتي و گازي عبارتند از:
- متان و اتان (اجزاء سبک)
- پروپان و بوتان (اجزاء سبک- مياني)
- پنتان و هگزان ( اجزاء مياني- سنگين)
- و اجزاء سنگين يا C7+ (مولكول‌هايي كه تعداد اتم كربن آن‌ها بيش از 7 است)که بيشتر در نفت خام (به‌ويژه نفت هاي سنگين) يافت مي شوند.
رايج ترين ترکيبات غيرهيدروکربني موجود در نفت و گاز توليدي از مخازن عبارتند از:
- نيتروژن (N2)
- دي اکسيد کربن (CO2)
- سولفيد هيدروژن (H2S)
- آب هم دراغلب مواقع همزمان و به صورت هم‌زاد با نفت و گاز در مخزن وجود دارد و همراه آن‌ها توليد مي شود.
فرآيند مهندسي نفت و گاز در حوزه‌ي عمليات خود علاوه بر گوناگوني ترکيب سيالات، با محدوده‌ي تناوبي وسيعي از دما و فشار نيز مواجه است.
به عنوان نمونه، فرآوري گاز طبيعي مايع شده (LNG)( Liquified Natural Gas) در دماهاي فوق العاده پايين (حدود -160 درجه سانتيگراد) صورت مي‌پذيرد حال آن‌که در فرآيند شکست مولکول‌هاي سنگين (Cracking) در پالايشگاه‌هاي نفت، دماهاي بالاتر از 370 مورد نياز است. در ميان اين دو بازه‌ي زماني، دماهاي حدود 90 درجه يا بيشتر( که سيالات توليدي از مخزن دمايي در اين حدود دارند) و دماي شرايط استاندارد در سطح که 20 درجه سانتيگراد مي باشد، از لحاظ عمليات مهندسي حائز اهميت هستند.
عامل فشار هم در محدوده‌ي وسيعي مابين فشار اتمسفر يا کمتر از آن (در آزمايشات تقطير در خلاء) و فشارهايي تا حدود چند ميليون پاسکال متغيير است. سيالات هيدروکربني تحت شرايطي با دامنه‌ي تغييراتي اين‌چنين گسترده دچار تغيير و تحولاتي شگرف مي‌شوند. اما در نهايت اين سيالات در غالب تک فازي (گاز، مايع يا جامد) و يا چندفازي (گاز-مايع، مايع-جامد، گاز-جامد و گاهي مخلوط مايع-مايع) يافت مي شوند و مورد بهره برداري قرار مي گيرند.
شناخت کنش و واکنش اين سيالات با عوامل ترموديناميکي مؤثر(عواملي كه باعث تغيير در فشار، دما و حجم سيال مي‌شود) بر آنها در آناليز دقيق سيستم هاي مهندسي، اجتناب ناپذير است. بدين منظور مهندسان نفت و گاز مي‌بايست از ابزارهاي قابل اطميناني استفاده کنند که آنها را در پيش بيني رفتار فازي هيدروکربن‌ها، تحت شرايط گوناگون ترموديناميکي، ياري دهند.

رفتار مخزن هيدروکربني

در صنعت نفت و گاز، عمده‌ي توجه مهندسان در قسمت‌هاي عملياتي معطوف به شرايطي است که سيالات همزمان در حالت دو فازي مايع- گاز قرار دارند. يکي از مفيدترين شيوه‌هاي نمايش رفتار فازي سيالات، نمودار فشار- دما(P-T Diagram) مي باشد. در اين نمودار رفتار فازي هر سيال با يک ترکيب مشخص را مي توان با منحني فشار- دماي منحصر به فردي مشخص کرد. درون اين منحني به شرايط حضور همزمان مايع و گاز (با نسبت هاي مختلف) اختصاص دارد و بيرون مرزهاي آن، سيال در حالت تک فازي است. (شکل 1)

شرايط دما و فشار مخزن (با فرض ثابت بودن) را با يک نقطه روي نمودار مشخص مي کنند. بر اين اساس، مسير ترموديناميکي توليد سيال را نيز مي توان در نمودار ترسيم کرد که بيانگر تغيير شرايط دما و فشار سيال از درون مخزن تا روي سطح است. مشاهده‌ي اين مسير به مهندسان اجازه مي‌دهد بهترين شيوه و استراتژي را براي توليد از مخزن تعيين و اجرا کنند.
محل قرار گرفتن نقطه‌ي دما وفشار مخزن نسبت به منحني فازي(Phase Envelope) ، نوع مخزن را تعيين مي کند. قرار گرفتن آن در سمت چپ نقطه‌ي بحراني بيانگر يک مخزن نفتي است، حال آنکه در مخازن گازي اين نقطه سمت راست نقطه ي بحراني واقع مي شود (شکل 2).

به طور کلي مخازن هيدروکربوري را به پنج دسته تقسيم بندي مي کنند:
- نفت سياه(Black Oil)
- نفت فرار(Volatile Oil)
- گاز- ميعاني(Gas Condensate)
- گاز مرطوب(Wet Gas)
- گاز خشک(Dry Gas)
تفاوت اساسي بين سه گاز طبيعي، ترکيب سيال و نسبت محتواي متان (به عنوان جزء سبک) و C7+ (به عنوان جزء سنگين) در آن‌هاست. سه نوع گاز طبيعي در شکل 1 نمايش داده شده است. در حقيقت محل نقطه ي بحراني(نقطه c) و شکل منحني فازي سيال، تابع ترکيب سيال است. طبق يک قانون کلي، با افزايش محتواي اجزاء سنگين، منحني فازي در نمودار فشار – دما به سمت راست ميل مي کند. براين اساس سيال A در مقايسه با دو سيال ديگر حاوي بيشترين مقدار جزء سبک (متان) است. با افزوده شدن بر مقدار C7+ ، از سيال A که معرف گاز خشک است به منحني سيال B که معرف گاز مرطوب است مي رسيم. سيال C از نوع گاز – ميعاني است که نسبت به دو نمونه ي ديگر حاوي بيشترين ميزان اجزاء سنگين است.
تفاوت رفتار فازي اين سه نوع سيال، در هنگام توليد جريان سيال از درون مخزن به سمت چاه (مسيرRDP)( Reservoir Depletion Path) و نيز در زمان توليد سيال از ته چاه به سمت سطح زمين (مسير SDP)( Surface Depletion non-isothermal Path) خود را نشان مي دهند. از آن‌جايي که جريان سيال درون مخزن تغييري در دماي سيال ايجاد نمي کند، مسير اين جريان به صورت يک خط عمودي هم – دما(Isothermal) نشان داده شده است که از مکان اوليه ي دما و فشار مخزن آغاز شده است. با رسيدن سيال به سطح زمين، کاهش هم‌زمان در فشار و دماي سيال توليدي رخ مي دهد که خط خميده ي SDP نمايشگر اين مسير از شرايط ته چاهي تا سطح است. همانطور که در شکل 1 مشخص است از گاز خشک هيچ گونه مايعي چه در درون مخزن و چه در سطح ايجاد نمي شود (به اين معنا که خط مسير توليد وارد منطقه ي دو فازي منحني فازي نمي شود). در عين حال، گاز مرطوب هرچند که در درون مخزن تا ته چاه تک فازي باقي مي ماند، اما با افت فشار و دماي آن، مقداري مايع هيدروکربني از فاز گازي جدا مي شود و در تأسيسات سطح الارضي ترکيبي از گاز و مايعات گازي حاصل مي شود. سيالات گاز ميعاني رفتار متفاوتي از خود نشان مي دهند و افت فشار ناشي از جريان سيال به سمت چاه موجب تشکيل ميعانات گازي در درون مخزن مي شود. بروز اين پديده ي نامطلوب منجر به باقي ماندن ميعانات گران‌بها در درون مخزن و نيز ايجاد اختلال در روند جريان گاز به سمت چاه مي شود. (جهت کسب اطلاعات تکميلي در زمينه ي مخازن گاز-ميعاني به مقاله‌ي «مخازن گاز-ميعاني و چالش‌هاي پيش‌رو»مراجعه شود)

منحني فازي سيالات نفتي به دليل محتواي بالاي اجزاء سنگين که بخش عمده اي از ترکيب نفت را تشکيل مي دهند، بيشتر به سمت راست نمودار فشار – دما تمايل مي يابند و نسبت به منحني سيالات گازي خوابيده ترند.
تشخيص صحيح نوع سيال مخزن و چگوني رفتار آن نکته اي اساسي و بسيار حساس در طراحي تأسيسات سطح الارضي و تعيين استراتژي توليد است. علاوه بر اين، در شبيه سازي کامپيوتري هر مخزن، اين تشخيص بسيار حائز اهميت است تا آن جا که شبيه سازي مخازن بر اساس آن به دو روش متمايز تفکيک شده است:

1-روش نفت سياه
2-شبيه سازي چندجزئي
اگر فرض بر اين باشد که سيال مخزن رفتاري مانند نفت سياه دارد، آنگاه رفتار فازي آن فقط تابعي از دما و فشاربوده و مستقل از ترکيب سيال در نظر گرفته مي شود. در اين حالت سيال تنها ترکيبي از دو جزء، يکي نفت مايع و ديگري گازاست که با افتادن فشار فاز مايع به زير فشار نقطه ي حباب از آن جدا مي شود. اين مدل ساده تنها زماني قابل استفاده است که نمونه ي واقعي سيال، در هر دو فاز مايع و گاز، در طول پروسه ي توليد از مخزن ترکيب ثابتي داشته باشد. اما اين فرض در بسياري از مواقع غير قابل قبول است. شبيه سازي مخازن گاز- ميعاني، عمليات تزريق گاز و حلا ل هاي امتزاج پذير به مخازن نفتي (در پروژه هاي ازدياد برداشت) نمونه هايي از مواردي هستند که بايد در شبيه سازي آنها از روش چندجزئي استفاده کرد. در اين فرآيندهاي پيچيده بايد تأثير هرگونه تغيير دما و فشار را بر تغيير ترکيب سيال و در نتيجه رفتار فازي سيال بررسي کرد. يک عامل بازدارنده در شبيه سازي به روش چندجزئي، به رغم هم‌خواني بيشتر نتايج حاصل از آن با واقعيت، محدوديت توان محاسباتي سيستم هاي کامپيوتري و در نتيجه زمان اجراي بسيار طولاني اين مدل در مقايسه با روش نفت سياه است.

توليد، فرآوري و پالايش

سيالات مخزن به شکل مخلوطي از نفت، گاز و آب به سطح زمين مي رسند. پيش از هر چيز اين مخلوط به تأسيسات سطح الارضي وارد مي شود تا در آنجا سه فاز نفت و گاز و آب از يکديگر تفکيک شوند و امکان انتقال نفت و گاز توسط خطوط لوله و نيز دفع آب زائد و گاز غير قابل مصرف، با رعايت ملاحظات زيست محيطي، مهيا شود.
پس از جدا سازي، نفت خام، گاز طبيعي و آب توليدي سرنوشت متفاوتي پيدا مي کنند.معمولاً از آب براي عمليات تزريق آب به مخازن جهت حفظ فشار آنها استفاده مي شود. نفت خام را پس از نم زدائي و تصفيه ذرات جامد ( مانند شن و ديگر مواد رسوبي) به واحدهاي نمک زدايي و شيرين سازي (حذف گاز سمي H2S و ديگر ترکيبات سولفوردار) مي فرستند و در مرحله ي آخر عمليات پايدارسازي(Stabilization) بر روي آن انجام مي گيرد. گاز طبيعي نيز پس از نم زدايي، شيرين سازي و تفکيک مايعات و بخار آب موجود در آن، به خطوط لوله تزريق مي کنند.
بر اين اساس، دو دسته عمليات متمايز در تأسيسات سطح الارضي انجام مي پذيرد. يکي تفکيک نفت و گاز و آب که همراه يکديگر از چاه خارج مي شوند و ديگري حذف ناخالصي ها و مواد زائد از اين سه فاز و آماده سازي آنها براي استفاده در مراحل بعدي شامل انتقال، ذخيره سازي و يا بازگرداني به زير زمين است.
هنگامي که سيالات توليدي وارد تأسيسات سطح الارضي مي شوند و عمليات مذکور بر روي آن‌ها صورت مي گيرد، خواص آنها دچار تغييرات فراواني مي شوند. مهندسان مي بايست در اين فاز روند تغييرات فشار و دماي اعمالي بر سيالات را به گونه اي طراحي کنند که محصول خروجي مطلوب ترين وضعيت ممکن را داشته باشد. لازمه ي اين امر اطلاع صحيح از رفتار فازي سيالات هيدروکربني توليدي است.

انتقال و توزيع

پس از توليد و فرآوري، سيالات هيدروکربني بايد مسافتي بين چند ده تا چند صد کيلومتر و گاهي بيش از آن را طي کنند تا به محل مصرف برسند. براي اين منظور مي بايست روشي به صرفه را برگزيد. انتقال از طريق خط لوله رايج ترين روش براي رساندن سيال از سر چاه به تأسيسات سطح الارضي و سپس به محل مصرف است. دليل اين امر هزينه ي نسبتاً پايين نگهداري خطوط لوله و نيز تضمين تحويل بي وقفه ي محصول است. با اين حال، خط لوله تنها گزينه براي انتقال نفت و گاز نيست. در مواردي که فواصل چند هزار کيلومتري بين محل توليد و مصرف وجود دارد، کشتي ها با تانکرهاي عظيم خود از طريق اقيانوس و آب هاي آزاد جايگزين خطوط لوله مي شوند. براي استفاده از اين روش در انتفال گاز طبيعي، بايد گاز به مايع تبديل شود تا حجم کمتري اشغال کند.LNG يا گاز طبيعي مايع شده، از کاهش دماي گاز طبيعي به حدود -162°C در فشار اتمسفر حاصل مي شود و حجمي در حدود يک ششصدم گاز طبيعي را اشغال مي کند. در تجارت LNG به واحدهاي مايع سازي در مبدأ و واحدهاي تبديل مجدد مايع به گاز در مقصد نياز است. رفتار فازي گاز در عمليات مهندسي توليد و تبديل LNG باز هم کليد اصلي ماجراست و روند تغيير حالت سيال در اثر تغييرات فشار و دما را تعيين مي کند.
اهميت شناخت رفتار فازي در انتقال سيالات هيدروکربوري از طريق خطوط لوله را مي توان در قالب مثالي در مورد انتقال گاز بيان کرد.
شکل 3 چهار منحني فازي معمول براي سيستم هاي انتقال گاز طبيعي بوسيله ي خطوط لوله را نشان مي دهد. در اين نمونه ها باز هم محتواي اجزاء سنگين که در ترکيب گاز باقي مانده اند متفاوت است. محدوده ي هاشور خورده، منطقه ي فشار و دمايي را که گاز در حين عمليات انتقال تجربه مي کند مشخص کرده است. با تغييرات فشار و دما در طول خط لوله، حسب اين‌که چه نوع گازي را منتقل مي‌کند، شرايط سيال درون آن مي تواند کاملاً تک فازي، ترکيبي از تک فاز و دو فاز يا کاملاً دو فازي باشد. ويژگي هاي طراحي خط لوله و نيز شرايط حاکم بر قرارداد بين فروشنده و خريدار، محدوده ي عملياتي(Operational Region) خط لوله را بر روي نمودار مشخص مي کنند. با توجه به شکل، براي خط لوله اي با محدوده ي عملياتي نشان داده شده، انتقال گازي با ترکيب گاز A منجر به ايجاد هيچ گونه مايعي در ابتدا تا انتهاي خط لوله نخواهد شد چراکه منحني عملياتي(Operational Curve) که ابتداي آن دما و فشار گاز ورودي و انتهاي آن حداقل دما و فشار گاز در کل مسير خط لوله را مشخص مي کند، وارد محدوده ي دو فازي منحني فازي گاز A نمي شود. گاز غني تر C در ابتداي خط لوله تک فازي است اما با کاهش دما و فشار در طول خط لوله و ورود منحني عملياتي به منحني فازي، موجب ايجاد مايع درون خط لوله مي شود. گاز D از ابتداي ورود به خط لوله در شرايط دو فازي است. مکانيک جريان و رفتار فازي سيالات دوفازي درون خط لوله از قوانين و روابط ‌خاصي پيروي مي کنند که جزئيات آن در حوصله‌ي اين بحث نمي گنجد.

  نتيجه گيري

عمليات‌هاي گوناگوني که بر روي سيالات هيدروکربوري پس از توليد تا زماني که بدست مصرف کننده مي رسند اجرا مي‌شود، مي تواند ترکيب و خواص آن‌ها را به شدت تغيير دهد. شناخت صحيح از رفتار فازي سيال که تمام حالات ممکن آن را در شرايط مختلف دما، فشار و ترکيب شيميايي معلوم کند، شرط اساسي براي طراحي عمليات بهينه، ايمن و سودآور در سيستم مهندسي نفت و گاز است. در دست داشتن يک ابزار مطمئن براي پيش بيني رفتار فازي اين سيالات، زيربناي تمام ابعاد مهندسي نفت و گاز از جمله شبيه سازي، تخمين ذخاير، طراحي چاه، اندازه گيري دقيق گاز و کنترل کيفيت آن، طراحي تأسيسات سطح الارضي و شبکه هاي انتقال و توزيع، طراحي کمپرسورها، پروژه هاي ازدياد برداشت از مخازن و ... است.
چنين ابزاري با بهره گيري از معادلات حالت، امکان شناخت رفتار فازي نفت و گاز و درک صحيح فرآيندهاي مهندسي نفت و گاز را فراهم مي کند.

تدوين : مهندس امين غلامي
دانشجوي کارشناسي ارشد مخازن هيدروكربوري-دانشگاه صنعت نفت تهران
خبرنگار نفت سرويس مسايل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران(ISNA)

منابع

• Danesh, A: “PVT and Phase Behaviour of Petroleum Reservoir Fluids,” Developments in Petroleum Science (1998), 47, Elsevier Science B.V.

• McCain, W:” The Properties of Petroleum Fluids,” 2nd edition, PennWell Books, Tulsa, Oklahoma (1990).

• Ayala , F, L “Phase Behaviour of Hydrocarbon Fluids – The Key to Understanding Oil and Gas Engineering Systems,” Business Briefing : Oil and Gas Processing Review 2006.