اشاره:
آن‌چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست اولين بخش از مقاله‌ي « آشنايي با تقسيم بندي مخازن از نظر سيالات مخزني» 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 به معرفي انواع مخازن هيدروكربوري از لحاظ سيال درون آن‌ها بپردازد و با بيان خصوصيات اين سيالات، راه‌كارهاي برداشت بهتر از اين مخازن را پيش‌رو بگذارد.
توصيه مي‌شود خوانندگان گرامي قبل از مطالعه اين مقاله شماره‌هاي 9 و11 از مجموعه مقالات آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت را مطالعه كنند.
خواننده با مطالعه‌ي اين مقالات و همچنين مقالات ديگر مجموعه‌ي مفاهيم مهندسي نفت 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.
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.

واژگان

نقطه شبنم(Dew point)
شرايط دما و فشاري كه در آن اولين قطره مايع ايجاد مي‌شود و تا قبل اين نقطه فقط  فاز گاز داريم.
Cricondenterm
حداكثر دمايي (Tct) كه در آن سيال به صورت دو فازي(گاز و مايع) است.
Critical point
نقطه‌ بحراني حداكثر فشاري كه در آن سيال به صورت دو فازي(گاز و مايع) است.
نقطه‌ي حباب(Bubble Point Pressure):
با افت فشار مخزن، گاز محلول در نفت توانايي آن را پيدا مي‌كند كه از نفت خارج شود، «فشارنقطه‌ي حباب يا (فشار اشباع)» فشاري است كه اولين حباب گاز از نفت جدا مي‌شود. روشن است كه در فشار‌هاي بالاتراز آن تنها يك فاز مايع و در فشار‌هاي پايين ‌تر از آن دو فاز مايع و گاز وجود دارد.

در شكل زير مي‌توانيد منحني‌ نقطه‌ي حباب، نقطه‌ي بحراني و نقطه‌ي شبنم را براي يكي از انواع سيالات مشاهده كنيد.

تقسيم بندي مخازن از نظر سيالات مخزني

تقسيم بندي صحيح يک مخزن نياز به شناخت رفتار ترموديناميکي فازهاي موجود در مخزن(مايع، گاز، جامد) و همچنين شناخت نيروهاي موثر بر مکانيزم توليد دارد. عموما مخازن بر اساس مکان نقطه‌اي که بيانگر فشار اوليه(Pi) و دماي مخزن ( T) در نمودار P-T سيال آن مخزن است تقسيم بندي مي شوند. از اين رو مخازن به دو نوع تقسيم بندي مي شوند که عبارتند از :
1- مخازن نفتي: اگر دماي (T) مخزن کمتر از دماي بحراني ( Tc ) سيال مخزن باشد مخزن به عنوان يک مخزن نفتي تقسيم بندي مي شود.
2- مخازن گازي: اگر دماي (T) مخزن بيشتر از دماي بحراني( Tc ) سيال هيدروکربني باشد مخزن يک مخزن گازي در نظر گرفته مي شود.

مخازن نفتي

با توجه به فشار اوليه مخزن ( Pi ) مخازن نفتي مي توانند به دسته‌هاي کوچک‌تر زير تقسيم شوند:
1- زير اشباع: اگر فشار اوليه مخزن (Pi )، بالاتر از فشار نقطه‌ي حباب (Pb ) سيال مخزن باشد مخزن به عنوان مخزن نفتي زير اشباع طبقه‌بندي مي شود. (نقطه 1 در شکل1).
2- اشباع: هنگامي که فشار اوليه مخزن برابر با فشار نقطه حباب سيال باشد مخزن يک مخزن نفتي اشباع ناميده مي شود . (نقطه‌ي 2 در شکل 1)
3- مخزن با کلاهک گازي : اگر فشار اوليه مخزن پايين‌تر از فشار نقطه حباب سيال مخزن باشد مخزن به عنوان مخزن با کلاهک گازي يا دوفازي شناخته مي شود (نقطه 3 در شکل 1). در اين جا فاز گاز يا بخار از پايين توسط فاز نفت محدود شده است.

 شکل1 - نمودار فازي مربوط به يک سيستم چند جزئي

نفت‌هاي خام، گستره‌ي وسيعي از خواص فيزيکي و ترکيبات شيميايي را مي‌پوشانند و معمولا مهم است که بتوان آن‌ها را در گروه‌هاي وسيعي از نفت‌هاي مشابه دسته‌بندي کرد:
1- نفت سياه معمولي
2- نفت خام با کاهش حجم کم
3- نفت خام با کاهش حجم زياد ( فرار )
4- نفت خام تقريبا بحراني
تقسيم بندي فوق، اصولا بستگي به خواص نفت خام از جمله خواص زير دارد :
1- خواص فيزيکي
2- ترکيب
3- نسبت گاز به نفت
4- شکل ظاهري
5- نمودار فازي فشار- دما

1- نفت سياه معولي
نمونه نمودار فازي (P-T) براي يک نفت سياه معمولي در شکل 2 نشان داده شده است. ويژگي اين نمودار فازي خطوط کيفيت آن است که تقريبا در فواصل مساوي از هم قرار دارند.

شکل2 - نمودار P-T براي يك نمونه نفت سياه معمولي

مسير کاهش فشار در (شکل3) مشخص گرديده است ( منحني کاهش حجم مايع ).

شکل3 - منحني كاهش حجم مايع براي نفت سياه

در(شکل3) درصد حجم مايع به عنوان تابعي از فشار رسم شده است. بجز در فشارهاي پايين منحني کاهش حجم مايع تقريبا يک خط راست است. هنگام بهره برداري عموما «نسبت گاز به نفت» در نفت‌هاي سياه معمولي بين دويست تا هفتصد SCF/STB و چگالي آنها بين 15 تا 40 درجه API است . اين نفت در حالت انبار معمولا به رنگ قهوه‌اي تا سبز تيره مي‌باشد.

2- نفت خام با کاهش حجم کم
يک نمودار P-T نمونه براي نفت با کاهش حجم کم در شکل 4 نشان داده شده است . ويژگي اين نمودار خطوط کيفيت آن است که اکثرا نزديک منحني نقطه شبنم قرار دارد.

شکل4 - نمودار فازي براي نفت باكاهش حجم كم

همان طوري که در شکل 5 مشاهده مي شود منحني کاهش حجم مايع، ويژگي کاهش حجم اين دسته از نفت‌هاي خام را نشان مي دهد.

 شکل5- منحني كاهش حجم مايع براي نفت با كاهش حجم كم

خواص ديگر اين نوع نفت خام عبارتند از :
• نسبت گاز به نفت کمتر از 200 SCF/STB
• چگالي نفت کمتر از 15 درجه API
• رنگ سياه يا تيره
• بازيافت قابل توجه مايع در شرايط دستگاه جدا کننده گاز- مايع همان طور که توسط نقطه‌ي G بر روي خط کيفيت 85% شکل نمودار فازي(شکل 4) اين نوع نفت مشخص شده است.

3- نفت خام با كاهش حجم زياد (فرار)
نمودار فازي براي نفت خام فرار ( با کاهش حجم زياد ) در شکل6 نشان داده شده است . همان‌طور که در اين شکل ديده مي شود، خطوط کيفيت بيشتر نزديک منحني نقطه‌ي حباب قرار داشته و در فشار هاي پايين‌تر فواصل بين آنها بيشتر مي شود.

شکل6 - نمودار P-T براي نفت خام فرار

چنان که در( شکل7) نشان داده شده است اين نوع نفت خام معمولا توسط کاهش حجم زياد مايع بلافاصله بعد از نقطه حباب مشخص مي شود .

شکل 7- منحني كاهش حجم مايع براي نفت خام فرار

خواص ويژه‌ي ديگر اين نفت عبارتند از:
• نسبت گاز به نفت بين 2000 تا 3500SCF/STB
• نفت با چگالي بين 45 تا 55 درجه API
• بازيافت کمتر مايع در شرايط جداکننده گاز- مايع همان طور که توسط نقطه G روي شکل نمودار فازي مشخص شده است .
• رنگ سبز فام تا نارنجي

4- نفت خام تقريبا بحراني
همانطورکه در(شکل8) نشان داده شده‌است اگر دماي مخزن (T) نزديک به دماي نقطه‌ي‌بحراني (Tc ) سيستم هيدروکربني باشد مخلوط هيدروکربني به عنوان نفت خام تقريبا بحراني شناخته مي شود . به علت اينکه همه خطوط کيفيت در نقطه‌ي بحراني همگرا هستند با يک افت فشار همدما (خط عمودي EF در شکل8) ممکن است حجم نفت خام از 100% در نقطه حباب به 55% يا کمتر در فشار ده تا پنجاه psi زير نقطه حباب برسد .

شکل8 - نمودار فازي براي نفت تقريبا بحراني

رفتار مشخصه‌ي کاهش حجم نفت خام تقريبا بحراني در( شکل9 ) نشان داده شده‌است.

شکل9 - منحني كاهش حجم مايع براي نفت خام تقريبا بحراني

مخازن گازي

بطور کلي اگر دماي مخزن بالاي دماي بحراني سيستم هيدروکربني باشد مخزن به عنوان يک مخزن گاز طبيعي تقسيم‌بندي مي‌شود. گازهاي طبيعي مي‌توانند بر اساس نمودار فازي خود دسته بندي شوند که متداول‌ترين آن در چهار دسته به اين صورت است :
1- گاز - ميعانات گازي برگشتي
2- گاز- ميعانات گازي تقريبا بحراني
3- گاز تر
4-گازخشک

1- مخازن گاز- ميعانات گازي برگشتي(مخازن گازي غيرمعمول)، (Retrograde Gas Reservoir )
اگر دماي مخزن (T) بين دماي بحراني ( Tc) و خط حداکثر دماي ( Tct ) سيال مخزن قرار بگيرد مخزن به عنوان يک مخزن گاز- مايعات گازي برگشتي طبقه بندي مي شود . اين دسته از مخازن گازي نوع منحصر به فردي از سيستم‌هاي هيدروکربني هستند که رفتار ترموديناميکي مخصوص سيال مخزن، عامل کنترل کننده مهمي در فرايند تجهيز و بهره برداري مخزن مي باشد.

شکل10- نمودار فازي نمونه يك سيستم مايعات گازي برگشتي

فرض کنيد شرايط اوليه يک مخزن گازي برگشتي، توسط نقطه‌ي 1 بر روي نمودار فازي فشار- دما در(شکل10) نمايش داده شده‌ است. بنابراين خط عمودي نشان دهنده ‌ي شرايط مخزن در طول دوره‌ي توليد است. ملاحظه مي‌شود كه ممكن است منحني نقطه‌ي شبنم، دوبار در بالا و پايين خط عمودي را قطع كند. در نقطه‌ي يك چون فشار مخزن بيشتر از فشار نقطه شبنم بالايي است سيستم هيدروکربني به صورت تک فازي (فاز بخار) در مخزن قرار خواهد داشت. با کاهش فشار مخزن از فشار اوليه (نقطه‌ي1) به فشار نقطه‌ي شبنم بالايي(نقطه‌ي2) در دماي ثابت در طول بهره‌برداري، ميعان شروع مي شود. با کاهش بيشتر فشار بر خلاف انتظار که سيستم به سمت انبساط ( در صورت وجود گاز ) يا تبخير ( در صورت وجود مايع ) بايد پيش برود، اما مخلوط هيدروکربني تمايل به ميعان شدن دارد. اين فرايند ميعان برگشتي با کاهش فشار تا هنگامي که ميزان تشکيل مايع به حداکثر خود در نقطه 3 برسد ادامه مي‌يابد. البته منحني نقطه شبنم بايد در نقطه‌اي مجددا قطع شود. يعني همه‌ي مايع تشکيل شده بايد تبخير شود. زيرا که اصولا سيستم در نقطه شبنم پاييني تماما به صورت بخار مي باشد.
منحني کاهش حجم مايع که معمولا منحني تشکيل مايع ناميده مي شود، براي يک سيستم ميعانات گازي در( شکل 11) نشان داده شده‌است. در اکثر مخازن گاز- ميعانات گازي حجم مايع به وجود آمده به‌ندرت از 10 % حجم کل تجاوز مي‌کند. مقدار مايع تشکيل شده آن‌قدر نيست که قادر به جريان باشد. بايد توجه داشت که اين مايع مي تواند در اطراف چاه (جايي که افت فشار زياد است ) آن‌قدر جمع شود که جريان دوفازي گاز و ميعانات گازي ايجاد کند.
بايد توجه كرد که مايع تشکيل شده در اين مخازن بسيار غني است و ترشوندگي سنگ مخزن به اين مايع بالاست؛ در اين شرايط سنگ مخزن سيال را جذب مي‌كند و اجازه جريان يافتن به آن را نمي‌دهد، در نتيجه ميزان توليد كاهش مي‌يابد. به همين دليل تلاش مي‌شود که در اين گونه مخازن حتي الامکان ميعانات تشکيل نشود. براي دست پيدا کردن به اين مهم با تزريق مجدد گاز به مخزن سعي مي شود که فشار مخزن به زير فشار نقطه شبنم نرسد و ميعانات در مخزن توليد نشوند.

شکل11- منحني نمونه تشكيل مايع

ديگر ويژگي هاي فيزيکي اين دسته عبارتند از :
• نسبت گاز به نفت بين 800 تا 70 هزار SCF/STB  . عموما نسبت گاز به نفت براي سيستم مايعات گازي در طول زمان به دليل تشکيل مايع و رفتن اجزاي سبک‌تر به فاز مايع افزايش مي يابد .
• چگالي مايعات گازي بالاي 50 درجه API
• مايع در شرايط انبار معمولا سفيد بدون رنگ يا اندکي رنگي مي باشد.

2 – مخزن گاز- ميعانات گازي تقريبا بحراني
همان گونه که در شکل12 نشان داده شده است اگر دماي مخزن نزديک دماي نقطه‌ي بحراني باشد، مخلوط هيدروکربني به عنوان گاز- ميعانات گازي تقريباً بحراني تقسيم مي‌شود. رفتار حجمي اين دسته از گازهاي طبيعي توسط کاهش فشار در دماي ثابت ( نمايش داده‌ شده توسط خط عمودي در شکل12) توصيف مي‌گردد.

شکل12- نمودار فازي نمونه يك سيستم مايعات گازي تقريبا بحراني

از آنجايي که تمامي خطوط کيفيت در نقطه بحراني به هم مي رسند با کاهش فشار تا نقطه 2(شکل13) افزايش سريع مقدار مايع بلافاصله پس از نقطه شبنم به وجود خواهد آمد. اين رفتار را مي توان بر اساس واقعيت چنين توجيه کرد که چند خط کيفيت بسرعت توسط خط کاهش فشار دردماي ثابت قطع مي شوند. در نقطه اي که افزايش مقدار مايع متوقف شده و شروع به کاهش مجدد مي‌کند مخزن از حالتي برگشتي به حالت تبخير ساده برمي گردد.

شکل13- منحني كاهش حجم مايع

3- مخازن گازي تر
نمونه‌اي از نمودار فازي گاز تر در (شکل14) نشان داده شده است. در اين جا دماي مخزن بيش از دماي Cricondenterm مي باشد. به همين علت با بهره برداري مخزن در دماي ثابت و در طول خط عمودي AB سيال مخزن هميشه در فاز بخار خواهد ماند. البته همان‌طور که گاز توليد شده به طرف سطح جريان مي يابد فشار و دماي گاز کاهش خواهد يافت. اگر وارد ناحيه دو فازي شود فاز مايع هم تشکيل شده و از طريق جدا کننده هاي سطحي جمع آوري خواهد‌شد.

شکل14 - نمودار فازي براي مخزن گاز تر

ويژگيهاي مخازن «گاز تر» عبارتند از :
• نسبت گاز به نفت بين 60 هزار تا 100 هزار SCF/STB
• چگالي نفت در حالت انبار بالاي 60 درجه API
• مايع بدون رنگ مي باشد
• شرايط عملياتي دستگاه جداکننده مانند فشار و دما در داخل منطقه دوفازي قرار دارد .

4- مخزن گازي خشک
مخلوط هيدروکربن هم در مخزن و هم در تاسيسات سطحي به صورت گاز وجود دارد. تنها مايع همراه با گاز در مخزن گازي خشک، آب مي باشد. نمودار فازي مخزن گازي خشک در شکل 15 نشان داده شده است. معمولا سيستمي که داراي نسبت گاز به نفت بزرگتر از 100 هزار SCF/STB باشد، گاز خشک در نظر گرفته مي‌شود.

 شکل15- نمودار فازي براي مخزن گازي خشك

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