علمي ـ پژوهشي

کنترل توليد شن: کاربرد هيدروژل ها، روشي نوين در مخازن نفتي

سميرا زرگری مرندی، محسن وفايي سفتي تهران، دانشگاه تربيت مدرس، دانشکده مهندسي شيمي

مهسا باغبان صالحي*+
تهران،پژوهشگاه شيمي و مهندسي شيمي ايران، پژوهشکده مهندسي نفت

عاصفه موسوی مقدم
مالزی، دانشگاه مالايا مالزی، بخش مهندسي شيمي

احمد دادوند کوهي
گيلان، دانشگاه گيلان، بخش مهندسي شيمي

چكيده: توانايي کنترل توليد شن در چاههای مخازن نفتي در تمام دنيا چالش بزرگ صنعتي به شمار ميرود. از اين رو همواره تلاش ميشود تا با به کارگيری روشهای گوناگون، از ميزان توليد شن کاسته و به ميزان توليد نفت افزوده شود. در اين پژوهش برای استحکام سازند به منظور کنترل توليد شن، از روش شيميايي تزريق هيدروژل به دست آمده از پلي اکريل آميد سولفونه آب کافت شده به عنوان پليمر و کروم )III( استات به عنوان عامل شبکهساز ، با قابليت تزريقپذيری در مخزن، استفاده شد. اين روش اگرچه در بندش، روشي شناخته شده است اما در کنترل توليد شن روشي نوين محسوب ميشود. به منظور انتخاب و طراحي ساختار هيدروژل مناسب با تأکيد بر پارامترهای زمان بندش، طول عمر، قابليت تزريق پذيری به بستر شني و استحکام هيدروژل، آزمايشهای بطری، رئولوژی و مقاومت فشاری طراحي و انجام شد. سرانجام کارايي هيدروژلهای انتخاب شده به منظور کاهش توليد شن در سامانه سيلابزني بستر شني بررسي شد. براساس نتيجههای به دست آمده از آزمايشها، مقاومت فشاری بستر شني، پس از تزريق pv 1 هيدروژل ،بهطور متوسط 02 برابرافزايش يافت. افزون بر آن تزريق هيدروژل کاهش 02% توليد شن را به دنبال داشت. اين در حالي است که تغيير تراوايي بستر شني نسبت به آب 77 برابر و نسبت به نفت 4 برابر کاهش يافت. بنابراين با توجه به کاهش شديد تراوايي بستر شني نسبت به آب، هيدروژل ميتواند با کارايي دوگانه کاهش توليد آب و کنترل توليد شن در مخازن نفت و گاز مورد استفاده قرار گيرد.
واژههاي كليدي: هيدروژل؛ زمان بندش؛ توليد شن؛ رئولوژی؛ استحکام هيدروژل؛ سيلابزني مغزه.
KEYWORDS: Hydrogel; Gelation time; Sand production; Rheology; Gel strength; Coreflooding.

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
512
مقدمه
توليد شن در طول مدت بهرهبرداري از مخزن، باعث بروز مشکلهايي از جمله آسيب به تأسيسات درون چاهي و برون چاهي ،کاهش نرخ توليد ،بسته شدن لوله توليدي، از بين رفتن ديواره چاه و در حالتهاي شديد و کنترل نشده باعث از دست رفتن
چاه ميشود. معلق بودن ماسه در سيال توليدي موجب افزايش چگالي سيال شده درنتيجه براي توليد، اختلاف فشار بالاتري مورد نياز است. بنابراين توليد ماسه منجر به کاهش توليد هيدروکربن و در نتيجه کاهش ضريب بازيافت نفت از مخزن ميشود.
مبناي کنترل توليد ماسه بر درجا نگهداشتن دانههاي ماسه است .
بهطور کلي سه روش براي کنترل ماسه وجود دارد [3-1] که عبارتند از: کاهش نيروي کششي، روشهاي مکانيکي و روشهاي شيميايي. کاهش نيروهاي کششي وارد بر دانههاي ماسه سادهترين روش براي کنترل شن است. در اين روش با کم نمودن نرخ توليد يا افزايش سطح مقطع جريان، اصطکاک حرکت سيال درون روزنههاي سازند کاهش يافته و در نتيجه از توليد شن جلوگيري ميشود [4]. در روشهاي مکانيکي از يک غشاي متصل به ديواره چاه، براي مهار نمودن توليد ماسه استفاده ميشود. غشا در محلي که سرعت سيال به بيشترين مقدار خود رسيده است )دهانه چاه(، از توليد ماسه جلوگيري ميکند. تفاوت روشهاي مکانيکي در نوع فيلتر کاربردي، است. روش مکانيکي شامل روشهاي استفاده از توري، آستري شکافدار، گراول پک ،توري قابل انبساط و غيره است [5]. بيشتر روشهاي مکانيکي زمانبر بوده و در نتيجه منجر به افزايش هزينههاي عملياتي ميشوند.
در روش شيميايي با هدف افزايش استحکام سازند، تزريق مواد در اطراف دهانه چاه انجام ميشود. مواد تزريقي همانند چسب عمل کرده و از حرکت دانههاي ماسه جلوگيري ميکنند .شايان توجه است که مهمترين مشکل در اين روش کاهش تراوايي بستر ناشي از پر شدن قسمتي از فضاي روزنههاي سازند توسط مواد تزريق است [6]. روشهاي شيميايي بهطورکلي به دو گروه تقسيم ميشوند: 1- شن پوشيده با رزين به عنوان فيلتر ته چاهي )بدون نصب توري( ،2- استحکام افزايي درجا با تزريق سيال استحکام دهنده. در اين روش از طريق سوراخکاريهاي انجام گرفته، سيال به درون منفذهاي سازند تزريق و پس از پوشاندن
ذرههاي شن و ماسه، مانع از حرکت شن در طول عميلات بهرهبرداري ميشود. اين روش ميبايست در زمان معين يعني پيش از آنکه توليد از حد معيني فراتر رود، استفاده شود [7].
513

بهطورکلي اين روش به دو صورت اکسيداسيون نفت خام [3] و تزريق مواد پليمري و غير پليمري به داخل سازند، قابل انجام است [11-8]. تاکنون رزينها بيشترين کاربرد را در زمينه کنترل توليد شن داشتهاند. رزينها پليمرهاي مايع با قابليت تغيير فاز به حالت جامد هستند. با وجود استفاده فراوان از رزينها به عنوان سيال استحکام دهنده، تمايل اين مواد به کاهش چشمگير تراوايي سازند، استفاده از اين روش را در هالهايي از ابهام قرار داده است .
همچنين از ديدگاه محيط زيستي [12] و هزينه، رزينها دلخواه نبوده و از نظر عملياتي، جاگذاري درست و مناسب آنها به درون سازند بسيار مشکل است. ايمني نامطلوب سيال ناشي از اسيد و حلالها، و مشکلهاي همراه با تجهيزهاي سطحي و سامانههاي پمپي از جمله محدوديتهاي استفاده از رزينها است [13].
افزون بر آن تزريق محلول رزين با گرانروي بالا به داخل سازند با توجه به محدوديت زمان پمپاژ، منجر به ناکارآمدي عمليات در سازندهايي با تراوايي کمتر از 55 ميلي دارسي خواهد شد [14].
بدينمنظور در اين پژوهش، عملکرد هيدروژلهاي پليمري
پلي آکريل اميد ـ کروم (III) استات به عنوان ماده شيميايي ، که در دهههاي اخير به عنوان يک ماده کارآمد در کاهش توليد آب نيز مورد استفاده قرار گرفتهاند [11-15]، براي اثر بخشي به عنوان يک استحکام دهنده نوين با هدف کاهش توليد شن مورد بررسي قرار گرفته است. به دليل وجود عامل شبکهساز در هيدروژلهاي پليمري مقاومت اين مواد در برابر تنشهاي قوي ناشي از پمپاژ و افت فشار، دماهاي بالا، شوري زياد و محيطهاي شيميايي قوي )حضور H2S و 2CO( بيشتر است. از سويي هيدروژلها ميزان جذب بالاتري نسبت به پليمرها داشته و لايههاي ضخيمتري بر روي سنگ تشکيل ميدهند [25]. در حقيقت هيدروژلها با توجه به غلظت کم، گرانروي قابل پذيرش و قابليت تزريقپذيري به درون مخزن، تشکيل ژل در محل تماس با شن و در نتيجه جلوگيري از حرکت شن و کمک به کاهش توليد آب، نسبت به ساير روشها از برتريهاي ويژهاي برخوردار هستند. مهمترين پارامتر در اين روش زمان بندش هيدروژل است که ميتوان آن را در يک بازه زماني از يک ساعت تا چندين هفته بنا بر نياز طراحي کرد [21].
يکي ديگر از شاخصهاي مهم به منظور بررسي کارايي هيدروژل در کاهش توليد شن، تعيين استحکام سازند به واسطه تزريق اين مواد است. به منظور ارزيابي استحکام مکانيکي، از مقاومت فشاري تک محوره استفاده ميشود. اين مقاومت بالاترين تنشي است که سنگ در طول مدت فشار تک محوري، ميتواند متحمل شود .زماني که بيشترين تنش به سنگ اعمال شود، سازند استحکام مکانيکي خود را از دست داده و مرحله دوم توليد شن، يعني انتقال ذرهها توسط جريان سيال، آغاز ميشود. هرچه کميت مقاومت فشاري بيشتر باشد شن و ماسه پايدارتر خواهد بود. در اين پژوهش، هيدروژل مناسب با تأکيد بر زمان بندش، استحکام ،قابليت تزريق و طول عمر مناسب بر اساس نتيجههاي آزمايشهاي بطري، مقاومت فشاري و رئولوژي، طراحي، و پس از اطمينان از پوشش کامل بستر شني توسط دستگاه سي تي اسکن ،کارايي ژل پليمر در سامانه سيلابزني بستر مورد بررسي قرار گرفته است.
با توجه به حجم انبوه فعاليتها و گستردگي مطالب طرح شده در اين باره، براي درک بهتر و بيشتر موضوع ،نمودار بلوکي که به نوعي بيانگر فرايند پيادهسازي و اجراي آزمايشها است در شکل 1 آورده شده است.

بخش تجربي
مواد مورد استفاده
در اين پژوهش از کوپليمر پلي اکريل آميد سولفونه آب کافت شده )کوپليمر اکريلآميد و نمکسديم Acrylamido Propyl Sulfunated Acid( از شرکت SNF فرانسه با نام تجاري AN125 و ميزان آب کافت 25% و وزن مولکولي 8 ميليون دالتون استفاده شده است. اين نوع کوپليمرها داراي مقاومت دمايي بالاتري نسبت به پليمرهاي معمولي پلي اکريل آميد بوده و همچنين نسبت به يونهاي دو ظرفيتي )کلسيم و منيزيم( موجود در آب سازند، مقاومت بالاتري را از خود نشان ميدهند. از استات کروم )(Cr(CH3Coo)3) )III فراوردهي شرکت Carlo Erba ايتاليا به عنوان عامل شبکهساز و از آب دو بار تقطير) Distilled Water( به عنوان حلال براي تهيه هيدروژلها و از يونهاي MgCl2.2H2O ،CaCl2.2H2O ،NaCl،
3NaHCO و NH4Cl )فراوردهي شرکت Merck آلمان( به منظور ساخت آب سازند، استفاده شد.

آماده سازي هيدروژلها
در ابتدا پودر پليمر با آب مقطر تا غلظت مشخصي حل شده و سرانجام يک محلول همگن به دست ميآيد. در ادامه عامل شبکهساز با غلظت معين به محلول افزوده و با مگنت همزده ميشود .
-42290475717

محلول به دست آمده که ژلانت ناميده ميشود در لوله آزمايش ريخته شده و پس از قرارگيري در آون در دماي 15 درجه سلسيوس،
)0( Gap
زمان بندش و استحکام نمونه توسط روش کدبندي سيدانسک [22] با وارونه کردن بطري و بر اساس ميزان حرکت ژلانت درون بطري، از A تا J کدبندي ميشود. هر کد بيانگر درجهاي از استحکام است [23].

تجهيزها
در اين پژوهش از تجهيزهاي زير استفاده شده است:
دستگاه پرس: ايـن دسـتگاه بـه صـورت هيـدروليکي دسـتي قابل استفاده بوده و داراي ظرفيت 55 تن فشار و مجهـز بـه يـکقالب استوانهاي است )ساخت شرکت:شهاب ماشـين(. ايـن قالـب به طول 4 اينچ و قطر 5/1 اينچ بوده و به منظور سـاخت بسـتر شـني طراحي شده است .
دستگاه سي تي اسکن )CT( : تصويرهاي سي تي اسکن بدون تخريب در سـنگ ، مطالعـه سـاختار داخلـي آن را در جهـت هـاي گوناگون و در مقاطع عرضي و طولي فراهم ميکند. در ايـن پـژوهش ب ه منظ ور اطمين ان از تزري ق کام ل هي دروژل در بس تر ش ني از تصويرهاي CT بستر شني ساخته شده پـيش و پـس از تزريـق هيدروژل استفاده شد.
دستگاه رئومتر MCR300 : ويژگـي هـاي ويسـکو الاسـتيکژلانت توسط اين رئـومتر و در حالـت بسـامد ثابـت بـا ژئـومتريصفحه ـ صفحه با سطح صـيقلي)1(، قطـر mm 55 و بـا فاصـله)2( cm 3 اندازهگيري شد.
سامانه سيلابزني مغزه : به منظور شبيه سازي محيط مخـزنو بررسي کارايي هيدروژل در کنترل و کاهش توليد شـن و تعيـينتأثيرگذاري آن بر کاهش تراوايي، اين سامانه طراحي و اسـتفاده شـد.
شما و اجزاي دستگاه در شکل 2 نشان داده شده است.

تهيه بستر شني
يکي از بخشهاي مهم اين پژوهش ساخت يک بستر شني مناسب براي انجام آزمايشهاي مربوط به سيلابزني مغزه است .
از آنجايي که دانستن مقاومت اوليه بستر شني و يکسان بودن نمونهها از لحاظ استحکام از اهميت ويژهاي برخوردار است، از دستگاه پرس براي ساخت بستر در شرايط يکسان از لحاظ فشار و اندازه، استفاده شد .براي ساخت بستر شني مناسب از نظر استحکام اوليه، آزمايشهاي بسياري در شرايط گوناگون انجام شد .
دانهبندي ماسه و فشار دستگاه پرس از جمله عاملهاي تأثير گذار
)1( Smooth Surface
512

شکل
1
پياده

فرايند

ـ
آزمايش

اجرای

و

سازی
.
ها

شکل

1

پياده

فرايند

ـ

آزمايش



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید