اشاره:
آن‌چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست اولين بخش از مقاله‌ي « آشنايي با روش‌هاي ازدياد برداشت به كمك تزريق گاز(Gas Injection)» 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.
از آن جا كه بيشتر مخازن كشور در نيمه دوم عمر خود به‌سر مي‌برند و هر چه از عمر مخزن مي‌گذرد برداشت از آن دشوار‌تر مي‌شود بايد با روش‌هاي خاصي با توجه به شرايط مخزن، برداشت از آن را بهتر و بيشتر كرد، البته اين نكته را نبايد فراموش كرد كه در روش‌هاي ازدياد برداشت بايد از ميان روش‌هاي مختلف بهترين آن را از لحاظ عملي و اقتصادي انتخاب كرد. در اين مقاله سعي شده روش‌هاي ازدياد برداشت به كمك تزريق گاز و مزيت‌ها، معايب و كاربرد هر يك از آن‌ها توضيح داده شود .
توصيه مي‌شود خوانندگان گرامي قبل از مطالعه اين مقاله، شماره‌هاي 18,14,9 را از 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.
توجه:
كاربران محترم براي دريافت واضح تر تصاوير تهيه شده در متن، آن‌ها‌ را از انتهاي مقاله Save و سپس ملاحظه فرمايند.

واژگان

گرانروي(Viscosity):
مقاومت در برابر جريان يافتن سيالات . 

غني سازي از سيال هيدروكربوري:
در فرايند تزريق گاز كه در اين مقاله درباره‌ي آن توضيح مي‌دهيم 2 فرايند رخ مي‌دهد يا مقداري از مواد هيدروكربوري كه در نفت سنگين باقي‌مانده وارد فاز گاز مي‌شود و گاز غني مي‌شود(Evaporating Gas Drive) يا مولكول‌هاي هيدروكربوري از گاز با نفت سنگين حل شده و نفت غني‌تر و سبك‌تر مي‌شود(Condensing Gas Drive) .

زمان ميان‌بر(Braek Through Time):
زماني كه سيال تزريقي به چاه توليدي و زون مورد بهره‌برداري برسد و مورد بهره‌برداري قرار گيرد .

ازدياد برداشت به كمك تزريق گاز(Gas Injection)

نفت و گازي که در درون مخازن قرار دارند تا حدي که انرژي آن‌ها اجازه‌ي بالا آمدن را به آن‌ها مي‌دهد به سطح مي‌آيند براي اينکه اين انرژي چه در زماني که نفت با انرژي ذاتي خود بالا مي آيد چه بعد آن، تقويت شود و نفت به راحتي به سطح زمين برسد، نياز به استفاده از روش‌هاي ازدياد برداشت ثانويه و ثالثيه به منظور افزايش توليد و بازيابي است.
در طول 40 سال اخير، تنوع روش‌هاي ازدياد برداشت گسترش يافته و اين روش‌ها به طور عمده در مخازن بلوغ يافته (Mature ) وهمچنين مخازن تخليه شده (Depleted Reservoir) استفاده مي شوند. به طور معمول تنها 20% تا 40% نفت مخزن توسط روش‌هاي معمول استخراج نفت در بهره برداري اوليه و بهره برداري ثانويه توليد مي شود و به همين علت براي برداشت قسمت اعظم مابقي از روش‌هاي ازدياد برداشت ثالثيه استفاده مي شود.
از روش‌هاي مؤثر در مرحله ثالثيه يكي سيلابزني آبي و ديگري سيلابزني گازي يا تزريق گاز است. در روش سيلابزني آبي، آب با فشار زياد از چاه‌هاي اطراف چاه توليد نفت، وارد مخزن شده و نيروي محركه لازم را براي استخراج نفت به وجود مي آورد. در روش سيلابزني گازي، گاز (مانند گاز طبيعي) با فشار زياد به جاي آب وارد مخزن شده و نفت را به طرف چاه خروجي به جريان مي اندازد.
اگر فشار تزريق گاز در يک مخزن به اندازه‌اي پايين باشد که گاز نتواند ضمن راندن نفت به سمت چاه‌هاي توليدي با آن مخلوط شود، اين فرايند را تزريق غير امتزاجي گويند. گاز يكي از متداول‌ترين سيالات تزريقي براي تامين فشار و ازدياد برداشت است. زيرا اولاً در بسياري از نواحي چه به صورت گاز همراه و چه به صورت مخازن گازي در دسترس است. ثانياً چون گاز در سنگ مخزن واکنش شيميائي پديد نمي آورد تزريق آن با کمترين دشواريي همراه است. البته گاز تزريق شده در مخزن ذخيره مي گردد و مي توان آن را براي مصارف آينده به کار برد. تزريق گاز براي مخازني که ضريب حجمي نفت آنها نسبتاً بالاست، اثر قابل ملاحظه اي را در بازيافت نفت دارند. در مورد تزريق گاز در مخازن، نکات زير بايد مورد توجه قرار گيرند:
1- مخازن شيب دار براي تزريق گاز مناسب‌ترند زيرا نيروي ثقلي در آنها به مکانيزم تخليه نفت کمک مي کند. اگر شيب مخزن کم باشد به علت تحرک زياد گاز، اين گاز سريع تر از درون نفت عبور کرده و Break through مي کند (به چاه توليدي مي رسد بدون اينکه نفت زيادي را حرکت داده باشد) و عملاً نفت زيادي را جابجا نمي کند. لذا راندمان حجمي جاروب (Sweep Efficiency) پائين مي آيد و عمليات بازده‌ي مناسب را ندارد.
2- تراوائي سنگ مخزن به گونه اي باشد که گاز بتواند داخل سنگ مخزن شود و نفت را به حرکت در بياورد.
3- در مورد مخازن چند لايه که در آنها لايه‌هايي با تراوائي بالا و پائين وجود دارند حرکت گاز در داخل مخزن به گونه‌اي است که گاز از لايه‌هايي با نفوذپذيري بالا عبور مي‌کند و با پشت سر گذاشتن نفت در لايه‌هاي کم تراوا، عملاً نفت اين لايه‌ها را در داخل حفرات سنگ باقي مي گذارد.

از عوامل مهمي که در تصميم گيري درباره تزريق گاز در يک مخزن منظور مي شود وجود يک منبع گاز ارزان، به مقدار کافي و نزديک به محل تزريق است. تزريق دوباره گاز توليدي اصلي ترين منبع مي باشد. اين منبع سبب کاهش افت فشار مخزن شده ولي در جلوگيري از افت فشار مخزن به طور کامل ناتوان است. وجود يک منبع گاز ثانويه از مخازن گازي نزديک يا خطوط لوله در دسترس در اين مورد به کار خواهد آمد.
همان‌طوري که گفته شد، گاز ممکن است به دو صورت به يک مخزن نفتي تزريق شود:
• تزريق غير امتزاجي گاز(Immiscible Gas Injection )
• تزريق امتزاجي گاز (Miscible Gas Injection)

تزريق غير امتزاجي
تزريق غير امتزاجي به دو صورت انجام مي گيرد:
• تزريق گاز در کلاهک گازي
• تزريق غير امتزاجي گاز در لايه نفتي

1- تزريق گاز در کلاهک گازي
هنگامي که يک مخزن در ابتدا داراي کلاهک گازي است يا وقتي که کلاهک گازي، در اثر حرکت مولکول هاي گازهاي آزاد شده از نفت به بالاي مخزن طي فرآيند توليد اوليه، تشکيل مي شود، تزريق گاز براي تأمين و نگهداري فشار(Pressure Maintenance) صورت مي گيرد. افزايش فشار کلاهک گازي سبب راندن نفت به سمت چاه هاي توليدي مي گردد. اين فرآيند همانند بالا آمدن سطح تماس آب و نفت در هنگام تزريق آب به آبده پايين مخزن مي باشد.
تزريق در کلاهک گازي در مخازني کاربرد دارد که داراي نفوذپذيري عمودي بالا و ضخامت عمودي لايه نفتي زياد بوده و گرانروي نفت هم کم باشد. در اين حالت بازيافت نفت زياد مي باشد. تزريق گاز اغلب در نقطه اي پايين تر از قله مخزن صورت مي گيرد. نيروي ثقلي سبب مي شود که گاز به طرف بالا حرکت کرده و نفت را به سمت چاه هاي توليدي براند. چنانچه نفوذپذيري عمودي، کم باشد عمل تفکيک ثقلي (تفكيك بر اساس وزن مختلف سيالات)کامل نمي شود. اگر ميزان توليد نفت از ميزان تفکيک ثقلي بيشتر باشد، بازيافت نهايي آن کاهش خواهد يافت.

2- تزريق غير امتزاجي گاز در لايه نفتي
همانطور که گفته شد، اگر فشار تزريق گاز در يک مخزن به اندازه اي پايين باشد که گاز نتواند ضمن راندن نفت به سمت چاه‌هاي توليدي با آن مخلوط شود، اين فرايند را تزريق غير امتزاجي گويند. علاوه بر فشار، ترکيب مولکولي گاز نيز عامل موثري در اين فرايند است. به عبارت ديگر توليد نفت بوسيله‌ي تزريق گاز يک فرآيند غير امتزاجي است، مگر آنکه گاز در فشار بالا تزريق شده يا از هيدرو کربن‌هاي ميانه غني استفاده شود. در تزريق غير امتزاجي يک جريان دو فازي مايع ( نفت ) و گاز با سطح تماس مشخص در حفره ها قابل مشاهده است. اين نوع تزريق، در مخازن داراي نفوذ پذيري عمودي خوب يا ضخيم و با شيب تند، کارآمد تر است. کاربرد اين روش اگر چه موثر است ولي با مشکلاتي نيز همراه مي باشد. بالا بودن کشش سطحي و نيروي مويينيگي در حفره‌هاي بسيار کوچک سبب به تله افتادن قطرات نفت درون آن‌ها مي شود. مقدار بالاي نيروي مويينيگي مانع حرکت اين قطرات مي شود. مقدار نفت‌هاي به تله افتاده در کل مخزن قابل توجه است. هر چند با افزايش فشار تزريق گاز مي توان بر اين مشکل تا حدودي غلبه کرد، ولي کاربرد تزريق امتزاجي گاز توصيه مي شود.
موفقيت فرآيند تزريق غيرامتزاجي گاز بستگي به راندمان جابجايي نفت توسط گاز تزريقي و در نتيجه توليد نفت دارد. اگر در يک مخزن که ضخامت لايه نفتي کمي دارد و داراي شيب تندي نيست از روش تزريق غير امتزاجي استفاده شود، پديده کاناليزه شدن گاز اتفاق مي افتد و گاز به سرعت از چاه‌هاي تزريقي به سمت چاه هاي توليدي حرکت مي کند. در اين حالت گاز بدون آنکه نفت زيادي را جابجا کند از چاه توليده خارج شده در نتيجه منجر به توليد بالايي نمي شود.

تزريق امتزاجي
در فرايند جابجاي امتزاجي كه در دهه‌هاي اخير مورد توجه شاياني قرار گرفته است، با حذف نيروهاي مويينگي ميزان بازيافت نفت در نواحي تماس با جبهه امتزاجي تا ميزان صد درصد قابل حصول خواهد بود. معمولا جابجايي امتزاجي به چهار صورت انجام مي‌شود:
1. ايجاد جبهه امتزاجي (Miscible slug) با استفاده از LPG و بدنبال آن تزريق گاز خشك قابل امتزاج
2. ايجاد جبهه امتزاجي با استفاده از LPG و بدنبال آن تزريق گاز خشك امتزاج ناپذير
3. تزريق گاز خشك (Lean gas)در فشار بالا تحت شرايط امتزاج
4. تزريق گاز غني (rich gas)امتزاج پذير با سيال مخزن
در دو روش اول پيش از تزريق گاز، LPG به ميزان كافي به درون مخزن تزريق مي شود. در اين روش‌ها، LPG تزريق شده در واقع بصورت يك حائل بين سيال تزريقي و سيال مخزن عمل كرده و به عنوان جبهه امتزاجي بين سيال مخزن و گاز تزريقي باعث افزايش راندمان جابجايي مي‌گردد. در شکل زير نمائي از عمليات تزريق امتزاجي LPG و به دنبال آن تزريق گاز خشک غير امتزاجي ديده مي شود. فشار امتزاج براي LPG زياد بالا نيست ولي فشار امتزاج گاز خشک با نفت و به ويژه نفت‌هاي با درجه‌ي API نسبتا زياد، بسيار زياد است.لذا اين نوع تزريق نياز به کمپرسورهاي فشار بالا ندارد زيرا تزريق گاز خشک در زير فشار امتزاج انجام مي شود.

ايجاد جبهه امتزاجي با استفاده از LPG و به دنبال آن تزريق گاز خشك امتزاج ناپذير

در روشهاي سوم و چهارم اجزاي مياني هيدروكربوري (مولكول‌هاي بين مولكول‌هاي هيدروكربور سنگين و سبك)از يك فاز به فاز ديگر منتقل مي شوند. اين انتقال ممكن است از فاز مايع به فاز گاز صورت گيرد كه باعث غني شدن گاز خشك تزريقي از مواد هيدروكربوري مي گردد(Evaporating Gas Drive) يا از فاز غني (گازي كه از ابتدا غني بوده يا گازي كه توسط افزودن LPG به آن غني شده باشد) به فاز مايع صورت گيرد كه به نوبه خود باعث غني شدن مايع مي گردد (Condensing Gas Drive). در اين فرايند، جبهه امتزاجي در اثر انتقال ماده بين دو فاز در حال تماس بوجود مي آيد و نيازي به تزريق اوليه LPG به درون مخزن نمي‌باشد. در شکل زير به عنوان مثال، تزريق امتزاجي CO2 بر روي نفت به صورت تک بعدي نشان داده شده است. مکانيزم جابجائي در اين نوع تزريق، هر دو مکانيزم  Evaporating Gas Drive و Condensing Gas Drive مي باشد که در حالت واقعي هم هر دوي آن‌ها اتفاق مي افتد. ولي در مورد شبيه سازي تزريق امتزاجي در مخازن و با استفاده از شبيه سازها، عموماً براي راحتي کار، با توجه به سيال تزريقي و نفت مخزن يکي از دو مکانيزم را به عنوان مکانيزم غالب در نظر مي گيريم. مثلاً در تزريق گاز خشک مکانيزم غالب تبخير اجزاي مياني از درون نفت به درون گاز مي باشد و در تزريق گازهاي غني (Rich Gas) مکانيزم غالب، ميعان اجزاي مياني به درون نفت گرفته مي شود. در نتيجه‌ي اين تبخير و ميعانات، بانکي از سيال تزريقي و سيال مخزني به صورت تک فاز تشکيل مي شود که در اين جبهه، نيروهاي سطحي و ويسکوزيته(گرانروي) بسيار ناچيز مي شوند و لذا به راحتي در درون مخزن شروع به حرکت مي کنند.

تزريق امتزاجي CO2 بر روي نفت به صورت تک بعدي

 هر يك از روش‌هاي فوق دامنه كاربرد خاص خود را دارند. در فرايند تزريق گاز غني اگر حداقل فشار امتزاجي كمتر از psi4500 باشد از نظر اقتصادي به روش اول (استفاده از LPG) ترجيح داده مي شود. در مواردي كه عمق مخزن كم باشد ونيز در مواردي كه سيال مخزن حاوي مقادير كمي تركيبات مياني باشد استفاده از LPG مناسب به نظر مي رسد. در طراحي يك فرايند جابجايي امتزاجي ، اولين اقدام تعيين حداقل فشار امتزاج است. حداقل فشار امتزاج، حداقل فشاري است كه در آن سيال خروجي از مغزه در زمان ميان بر( Break through time) تك فاز باشد و مقدار بازيافت نفت درآن شرايط با افزايش فشار تقريبا ثابت بماند.

انتهاي پيام

تدوين: مهندس شبير نبوي
دانشجوي كارشناسي‌ارشد مهندسي مخازن هيدروكربوري - دانشكده فني - دانشگاه تهران 
خبرنگار مهندسي نفت سرويس مسايل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران(ISNA)