مکان یابی بهینه چاه ها در یک مخزن مدل شده به روش .....Streamlines

 

چکیده

مکان یابی بهینه چاه ها در یک مخزن مدل شده به روش Streamlines

تامین انرژی مورد نیاز انسان ها یکی از مسائل مهمی است که با افزایش جمعیت جهان، روز به روز بر اهمیت آن افزوده می شود. منابع تامین انرژی متعددند و می توان آن را به دو دسته کلی منابع تجدید پذیر نظیر باد، آب، انرژی خورشیدی و ... و منابع تجدید ناپذیر شامل زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت تقسیم بندی کرد. اما علی رغم آن که نقش منابع تجدید پذیر روز به روز در حال پر رنگ تر شدن است، سوخت های فسیلی از جمله نفت همچنان یکی از پرکاربردترین منابع تامین انرژی می باشد که با افزایش برداشت ها رو به اتمام است. با توجه به حجم تقاضا و محدودیت برداشت ها، توجه هر چه بیشتر به برداشت بهینه، از منابع موجود الزامی است. در نتیجه این موضوع باعث شکل گیری مسئله مدیریت مخازن می شود.

یکی از موضوعات کلیدی که در مدیریت مخازن مطرح می شود، مکان یابی بهینه، یک یا چند چاه در یک بازه زمانی مشخص به منظور حداکثر کردن میزان تولید و سود حاصل از برداشت با در نظر گرفتن محدودیت های فیزیکی و اقتصادی مسئله می باشد.

در مورد مسئله مکان یابی، مدل سازی و شبیه سازی مخزن از گام های مهم است. هر اندازه مدل مخزن به مدل واقعی نزدیک تر باشد، مکان یابی بهینه چاه های مخزن، از دقت بالاتری برخوردار خواهد شد. در اکثر روش های پیشنهادی، مدل سازی مخزن در محورهای مختصات دکارتی، منجر به مدل پیچیده تری می شود. در این پژوهش سعی بر آن است که با ارائه مدل ساده تری برای مخزن بر اساس Streamline ها و بهره جستن از طبیعت حاکم بر حرکت سیال در مخزن، به روندی موثرتر و ساده تر جهت مسئله مکان یابی بهینه چاه ها دست یافت.

کلمات کلیدی: مکان یابی بهینه چاه های نفت، مدل سازی و شبیه سازی مخزن بر پایه Streamline، چاه تولید و تزریق.

فهرست مطالب عنوان صفحه 1-1- اهمیت مسئله. 13

1-2- مروری بر خواص سنگ و سیال مخازن نفتی. 14

1-2-1- زمین شناسی نفت و چگونگی تشکیل مخازن هیدروکربنی.. 14

1-2-2- مهاجرت مواد نفتی از رسوبات سنگ مادر به درون سنگ مخزن 15

1-2-3- ویژگی های مخازن هیدروکربنی.. 15

1-2-4- اشباع.. 16

1-2-5- نفوذپذیری نسبی.. 16

1-2-6- تخلخل.. 17

1-2-7- ترشوندگی.. 18

1-2-8- فشار موئینگی.. 18

1-3- خواص سیال مخازن. 19

1-3-1- فشار مخزن.. 19

1-3-2- دمای مخزن.. 19

1-4- معادله دارسی. 19

1-5- سیالات موجود در مخزن. 20

1-5-1- آب مخزن.. 20

1-5-2- نفت مخزن.. 20

1-5-3- گاز مخزن.. 20

1-5-4- انرژی مخزن.. 21

1-6- برداشت نفت از مخازن. 21

1-6-1- رانش های طبیعی.. 21

1-6-2- رانش مصنوعی.. 21

1-6-3- بازیافت ثانوی.. 21

1-7- انواع چاه های نفت. 22

1-7-1- چاه های متداول.. 22

1-7-2- چاه های افقی.. 23

1-7-3- چاه های هوشمند.. 23

1-8- مروری بر رئوس مطالب پایان نامه. 23

فصل دوم: تعریف مسئله و مروری بر تاریخچه مکان یابی بهینه چاه ها

2-1- تعریف مسئله مکان یابی چاه های نفت. 26

2-2- مروری بر روش های بهینه سازی. 27

2-2-1- الگوریتم ژنتیک.. 28

2-2-1-1- عملگرهای الگوریتم ژنتیک.. 29

2-2-1-2- پارامترهای الگوریتم ژنتیک.. 33

2-2-2- الگوریتم PSO.. 35

2-2-3- الگوریتم Polytope. 39

2-2-4- الگوریتم Simplex. 41

2-2-5- الگوریتم Hook Jeeves. 42

2-2-6- الگوریتم شاخه و کران.. 44

2-3- تاریخچه مسئله مکان یابی بهینه چاه های نفت. 44

2-3-1- الگوریتم های بهینه سازی.. 45

2-3-2- روش های بهینه سازی آزاد از گرادیان.. 46

2-3-2-1- الگوریتم بهینه سازی تصادفی.. 46

2-3-2-2- روش های بهینه سازی قطعی.. 47

2-3-3- روش های بهینه سازی ترکیبی.. 47

2-3-4- الگوریتم های بهینه سازی مبتنی بر گرادیان.. 48

2-3-5- کاربرد پروکسی ها.. 51

2-3-6- بهینه سازی تحت قید.. 51

فصل سوم: توصیف معادلات حاکم بر مخزن، گسسته سازی و شبیه سازی

3-1- مقدمه. 54

3-2- معادلات مخزن. 54

3-3- گسسته سازی معادلات مخزن. 57

3-4- معادلات مخزن بر پایه Streamline. 59

3-4-1- مفاهیم و تعاریف اولیه Streamline ها.. 60

3-4-1-1- برخی از تعاریف Streamline. 61

3-4-1-2- Potential Flow.. 62

3-4-2- مقدمه ای بر روش Streamline در شبیه سازی مخازن.. 63

3-4-3- تاریخچه مدل سازی مخزن بر پایه Streamline. 64

3-4-4- روش Streamline. 65

3-4-5- مزایا و معایب Streamline ها در شبیه سازی مخزن.. 66

3-4-6- مدل ریاضی مخزن بر پایه Streamline. 68

3-4-6-1- معادله فشار و اشباع در روش IMPES. 68

3-4-6-2- پاسخ معادله فشار.. 70

3-4-6-3- توصیف تحلیلی مسیر Streamline ها.. 70

3-4-6-4- زمان پرواز.. 71

3-4-6-5- تبدیل مختصات در راستای Streamline ها.. 72

3-5- شبیه سازهای مخازن. 72

3-5-1- نرم افزار Eclipse. 73

3-6- نحوه پیاده سازی مسئله مکان یابی چاه ها و ایجاد ارتباط میان نرم افزارهای Eclipse و Matlab. 75

3-7- نتیجه گیری. 77

فصل چهارم: شبیه سازی مخزن و اعمال الگوریتم های بهینه سازی

4-1- مقدمه. 80

4-2- شبیه سازی مخزن مدل شده به روش FD و SL. 80

4-2-1- مخزن شماره 1. 81

4-2-1-1- سناریو:.. 81

4-2-1-2- نتیجه گیری.. 86

4-2-2- مخزن شماره 2. 86

4-3- معرفی تابع هدف مسئله مکان یابی چاه ها. 86

4-4- به کارگیری الگوریتم بهینه سازی جهت مسئله مکان یابی چاه ها 87

4-4-1- الگوریتم ژنتیک.. 87

4-4-1-1- جمعیت اولیه.. 88

4-4-1-2- انتخاب طبیعی.. 89

4-4-1-3- انتخاب.. 89

4-4-1-4- جهش.. 89

4-4-1-5- همگرایی.. 90

4-4-1-6- نتایج.. 90

4-4-2- الگوریتم PSO.. 91

4-4-2-1- نتایج.. 91

4-4-3- الگوریتم ILC.. 92

4-3-3-1- الگوریتم ILC نوع P. 93

4-3-3-2- به کار گیری کنترلر ILC در مسئله مکان یابی چاه ها 93

4-3-3-3- نتایج شبیه سازی.. 94

4-4-4- الگوریتم FDG.. 97

4-4-4-1- اعمال الگوریتم در مسئله مکان یابی.. 97

4-4-4-2- الگوریتم تندترین سقوط.. 98

4-4-4-3- شبیه سازی و نتایج.. 99

4-5- نتیجه گیری. 100

فصل پنجم: به کارگیری روش بهینه سازی ترکیبی در مسئله مکان یابی

5-1- مقدمه. 102

5-2- درون یاب خطی وزن دار:. 102

5-3- تعریف تغییرات فاصله. 103

5-4- Kriging. 105

5-4-1- انواع مختلف روش Kriging. 106

5-5- پیاده سازی روش Kriging بر روی یک مثال نمونه. 107

5-5-1- مثال.. 109

5-6- ترکیب الگوریتم ژنتیک و Kriging جهت مسئله مکان یابی چاه ها 109

5-6-1- گام های ترکیب الگوریتم ژنتیک و Kriging. 110

5-6-2- شبیه سازی و نتایج.. 112

5-7- ترکیب الگوریتم FDG و تخمین گر Kriging. 112

5-7-1- گام های ترکیب الگوریتم FDG و Kriging. 113

5-7-2- شبیه سازی و نتایج.. 114

5-8- نتیجه گیری. 116

فصل ششم: به کارگیری اطلاعات مدلسازی مخزن بر پایه SL در مسئله مکان یابی چاه ها

6-1- مقدمه. 118

6-2- معرفی اطلاعات سودمند حاصل از مدل مخزن بر پایه SL 118

6-2-1- ضرایب اختصاص.. 119

6-2-1-1- شبیه سازی.. 120

6-2-2- بازده تزریق کننده ها.. 121

6-2-3- زمان پرواز.. 122

6-3- به کارگیری اطلاعات SL ها در مسئله مکان یابی. 122

6-4- ترکیب بازدهی چاه تزریق با الگوریتم ژنتیک جهت مکان یابی چاه تزریق. 124

6-5- نتایج و شبیه سازی. 125

6-5-1- مخزن همگن.. 125

6-5-2- مخزن ناهمگن.. 127

6-6- نتیجه گیری. 129

فصل هفتم: طراحی کنترل کننده فازی به منظور بهینه سازی یک تابع هدف مشخص در مخازن نفتی

7-1- مقدمه. 131

7-2- تاريخچه کنترل فازی. 131

7-2-1- مبانی سیستمهای فازی.. 132

7-2-2- پایگاه قواعد.. 134

7-2-3- موتور استنتاج فازی.. 134

7-2-4- انواع فازی ساز.. 135

7-2-5- انواع غیر فازی سازها:136

7-3- به کارگیری کنترلر فازی در مسئله مکان یابی چاه ها 137

7-3-1- تابع هدف مسئله.. 138

7-3-2- طراحی کنترلر فازی و قواعد فازی.. 138

7-3-2-1- تعریف قواعد فازی.. 139

7-3-2-2- نحوه اعمال کنترلر فازی.. 141

7-4- شبیه سازی و نتایج. 143

7-4-1- مخزن 1. 143

7-4-2- مخزن 2. 146

7-4-3- مخزن 3. 147

7-4-4- مخزن 4. 149

7-5- نتیجه گیری. 151

فصل هشتم: نتیجه گیری و پیشنهادات

8-1- نتیجه گیری. 153

8-2- پیشنهادات. 154

فهرست مراجع. 155

فهرست جدول‌ها

عنوان صفحه

جدول 4-1: ویژگی مخازن شبیه سازی شده. 80

جدول 4-2: پارامترهای مخزن شماره 1. 81

جدول 4-3: نتایج حاصل از شبیه سازی. 85

جدول 4-4: نتایج شبیه سازی مخزن 2. 86

جدول 4-6: پارامترهای الگوریتم ژنتیک. 90

جدول 4-7: نتایج شبیه سازی الگوریتم ژنتیک. 91

جدول 4-8: زمان شبیه سازی کنترلر ILC.. 97

جدول 4-9: مقایسه مکان یابی FDG و ژنتیک. 99

جدول 5-1: مقایسه روش GA و HGA.. 112

جدول 5-2: مقایسه FDG و روش ترکیبی FDG+Kriging. 115

جدول 5-3: مقایسه FDG و روش ترکیبی FDG+Kriging. 116

جدول 6-1: ضرایب اختصاص برای مخزن همگن با 2چاه تزریق و 4چاه تولید 121

جدول 6-2: بازدهی تزریق کننده ها در مخزن بخش 6-2-1-1 123

جدول 6-3: مقایسه روش پیشنهادی ترکیبی با روش ژنتیک معمولی از لحاظ تعداد شبیه سازی. 126

جدول 6-4: پارامترهای مخزن ناهمگن. 127

جدول 6-5: مقایسه روش پیشنهادی ترکیبی با روش ژنتیک معمولی از لحاظ تعداد شبیه سازی. 128

جدول 7-1: مقایسه غیر فازی سازها. 137

جدول 7-2: قواعد فازی. 140

جدول 7-3: مشخصات مخزن. 143

فهرست شکل ها

عنوان صفحه

شکل 1-1: میزان تقاضا برای نفت. 13

شکل 2-1: نمایش متغیرها در دو فضای ژنوتیپ و فنوتیپ. 29

شکل 2-2: تقاطع تک نقطه ای. 32

شکل 2-3: تقاطع دو نقطه ای. 32

شکل 2-4: تقاطع یکنواخت. 32

شکل 2-5: اپراتور جهش. 33

شکل 2-6: فلوچارت الگوریتم ژنتیک. 35

شکل 2-7: انتخاب جمعیت اولیه از اعضا. 36

شکل 2-8: ارزیابی تابع هدف. 37

شکل 2-9: انتخاب بهترین موقعیت ذرات. 37

شکل 2-10: به روز رسانی سرعت ذرات. 38

شکل 2-11: چگونگی به روز کردن موقعیت ذره در فضای جستجوی دو بعدی 38

شکل 2-12: فلوچارت الگوریتم PSO.. 39

شکل 2-13: الگوریتم Polytope. 41

شکل 2-14: نحوه جستجوی الگوریتم HJ در فضای جستجوی دو بعدی 42

شکل 3-1: گسسته سازی گریدها در راستای محور افقی. 58

شکل 3-2 مجموعه ای از Streamline ها. 60

شکل 3-3: رسم میدان برای . SL ، از شروع شده و تا نقطه دنبال شده است.. 61

شکل 3-4: مسیر SL ها. 70

شکل 3-5: شمای کلی فایل های ورودی وخروجی FrontSim.. 75

شکل 3-6: نحوه ارتباط دو نرم افزار. 77

شکل4- 1: اشباع نفت در اولین بازه زمانی. 82

شکل4- 2: اشباع نفت در آخرین بازه زمانی. 83

شکل4- 3: منحنی FOPT بر حسب زمان شبیه سازی. 83

شکل4- 4: منحنی FWCT بر حسب زمان شبیه سازی. 84

شکل4- 5: اشباع نفت در آخرین بازه زمانی. 85

شکل4- 6: اشباع نفت در اولین بازه زمانی برای مخزن 2. 85

شکل 4-7: منحنی NPV بر حسب مکان های مختلف چاه تزریق. 88

شکل 4-8: مقایسه دو روش بهینه سازی PSO و ژنتیک. 92

شکل 4-9: کنترلر ILC.. 93

شکل 4-10: بلوک دیاگرام مسئله مکان یابی چاه به عنوان مسئله کنترلی 94

شکل 4-11: نتایج خروجی کنترلر در تکرار های مختلف (مخزن مدل شده به روش SL). 96

شکل 4-12: نتایج خروجی کنترلر در تکرار های مختلف (مخزن مدل شده به روش FD). 97

شکل 4-13: نحوه پیاده سازی تکنیک LGR در یک مخزن. 99

شکل 4-14: تکرارهای مختلف الگوریتم جهت رسیدن به نقطه بهینه (شروع قرمز و بهینه آبی). 100

شکل 5-1: منحنی بر حسب . 105

شکل 5-2: فضای دو بعدی که داده ها به طور نامنظم پراکنده شده اند (سیاه رنگ) و نقطه ای که قرار است تخمین زده شود. (سفید رنگ) 108

شکل 5-3: تخمین یک تابع دو بعدی نمونه توسط روش Kriging. 109

شکل 5-4: فلوچارت الگوریتم ترکیبی ژنتیک و Kriging. 111

شکل 5-5: فلوچارت الگوریتم ترکیبی FDG وKriging. 113

شکل 5-6: مکان یابی بهینه چاه تزریق به کمک روش ترکیبی FDG و Kriging. 114

شکل 5-7: مکان یابی بهینه دو چاه تزریق به کمک روش ترکیبی FDG و Kriging. 115

شکل 6-1: ضرایب اختصاص بین یک تولید کننده و یک تزریق کننده به همراه یک آبده. 120

شکل 6-2: مخزن همگن مدل شده برمبنای SL. 121

شکل 6-3: فلوچارت الگوریتم ترکیبی ژنتیک و میزان بازدهی چاه ها 125

شکل 6-4: مقایسه روش پیشنهادی ترکیبی با روش ژنتیک معمولی 126

شکل 6-5: مقایسه روش پیشنهادی ترکیبی با روش ژنتیک معمولی 128

شکل 6-6: محل نقاط بهینه چاه های تزریق کننده. 129

شکل 7-1: ساختار اصلی سیستم های فازی خالص. 133

شکل 7-2: ساختار اصلی سیستم های فازی با فازی ساز و غیرفازی ساز 134

شکل 7-3: بلوک دیاگرام کنترلر فازی پیشنهادی. 138

شکل 7-4: جهت دور شدن چاه. 141

شکل 7-5: تابع عضویت برای . 142

شکل 7-6: تابع عضویت برای 142

شکل 7-7: تابع عضویت برای جهت خروجی. 143

شکل 7-8: منحنی FOPT برای مخزن1. 144

شکل 7-9: منحنی FWPT برای مخزن1. 145

شکل 7-10: جهت حرکت الگوریتم به ازای شرایط اولیه مختلف 145

شکل 7-11: نفوذپذیری در جهت x. 146

شکل 7-12: منحنی FOPT مخزن 2. 147

شکل 7-13: منحنی FWPT برای مخزن 2. 147

شکل 7-14: موقعیت چاه های مخزن شماره 3. 148

شکل 7-15: منحنی FWPT برای مخزن 3. 148

شکل 7-16: منحنی FOPT برای مخزن 3. 149

شکل 7-17: منحنی FOPT برای مخزن 4. 149

شکل 7-18: منحنی FWPT برای مخزن 4. 150

شکل 7-19: محل مکان بهینه چاه تزریق در مخزن 4. 150

فصل اول

مقدمه‌

1-1- اهمیت مسئله

تامین انرژی مورد نیاز انسان ها یکی از مسائل مهمی است که با افزایش جمعیت جهان، روز به روز بر اهمیت آن افزوده می شود. منابع تامین انرژی متعددند و می توان آن را به دو دسته کلی منابع تجدید پذیر نظیر باد، آب، انرژی خورشیدی و ... و منابع تجدید ناپذیر شامل زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت تقسیم بندی کرد. اما علی رغم آن که نقش منابع تجدید پذیر روز به روز در حال پر رنگ تر شدن است، سوخت های فسیلی از جمله نفت همچنان یکی از پرکاربردترین منابع تامین انرژی می باشد که با افزایش برداشت ها رو به اتمام است. به علاوه اکثر میادین نفتی موجود در جهان در مرحله بلوغ بازدهی خود هستند و همچنین تعداد اکتشافات بزرگ مخازن نفت رو به کاهش است.با توجه به حجم تقاضا و محدودیت برداشت ها، توجه هر چه بیشتر به برداشت بهینه، از منابع موجود و کاهش هزینه های عملیاتی و اقتصادی الزامی است. در نتیجه این موضوع باعث شکل گیری مسئله مدیریت مخازن می شود. شکل 1-1 بیانگر افزایش میزان تقاضای جهانی برای نفت در طی سال های اخیر می باشد.

شکل 1-1: میزان تقاضا برای نفت [1]

با استفاده از روش های سنتی مدیریت مخزن، تنها در حدود 10 درصد نفت موجود در مخزن در بازیافت اولیه تولید می شود ( طی رانش نفت به صورت طبیعی ). در بازیافت ثانویه ( تزریق آب یا گاز ) میزان تولید نفت به 20 تا 40 درصد می رسد (DOE 2008). با افزایش قیمت نفت ، بهبود در هر روش مدیریت مخازن به طوری که بتواند میزان تولید و سود را افزایش دهد، مورد توجه است. در نتیجه یکی از موضوعات کلیدی که در مدیریت مخازن مطرح می شود، مکان یابی بهینه، یک یا چند چاه در یک بازه زمانی مشخص به منظور حداکثر کردن میزان تولید و سود حاصل از برداشت با در نظر گرفتن محدودیت های فیزیکی و اقتصادی مسئله می باشد.

در مورد مسئله مکان یابی، مدل سازی و شبیه سازی مخزن از گام های مهم است. هر اندازه مدل مخزن به مدل واقعی نزدیک تر باشد، مکان یابی بهینه مخزن، از دقت بالاتری برخوردار خواهد شد. در اکثر روش های پیشنهادی، مدل سازی مخزن در محورهای مختصات دکارتی، منجر به مدل پیچیده تری می شود. در این پژوهش سعی بر آن است که با ارائه مدل ساده تری برای مخزن بر اساس Streamline ها و بهره جستن از طبیعت حاکم بر حرکت سیال در مخزن، به روندی موثرتر و ساده تر جهت مسئله مکان یابی بهینه چاه ها دست یافت . سرعت و کارایی روش Streamline ، این روش را به یکی از ابزارهای قدرتمند جهت حل مسائل پیچیده بهینه سازی مرتبط با تطبیق تاریخچه مخزن و مکان یابی بهینه چاه ها تبدیل کرده است.

جهت تعریف مسئله مکان یابی بهینه چاه های نفت و بررسی چالش های آن آشنایی با مفاهیم اولیه مخازن نفتی لازم به نظر می رسد. بدین منظور در ادامه این فصل، مروری بر خواص سنگ و سیال مخازن نفتی خواهیم داشت.

1-2- مروری بر خواص سنگ و سیال مخازن نفتی

به منظور مکان یابی بهینه چاه های نفت در یک مخزن، نیاز به شبیه سازی مخزن می باشد. در نتیجه لازم است ابتدا مفاهیم و پارامترهای پر اهمیت مخزن معرفی شوند.

1-2-1- زمین شناسی نفت و چگونگی تشکیل مخازن هیدروکربنی

این دانش در مورد چگونگی تشکیل مخازن هیدروکربنی، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی هیدرکربن های از جامد تا گاز، چگونگی حرکت و انباشته شدن این مواد در سنگ ها، لایه ها و طبقات گوناگون زمین بحث و گفتگو می کند. هیدورکربن ها در مخازن زیر زمین به صورت دریاچه وجود ندارند بلکه در خلل و فرج لایه های متخلخل رسوبی خاصی از زمین می توانند جمع شوند [2].

1-2-2- مهاجرت مواد نفتی از رسوبات سنگ مادر به درون سنگ مخزن

ذرات پراکنده ی هیدروکربن ها و آب نمک همراه آن که در رسوبات سنگ مادر قرار دارند، از درون شکاف ها و ترک های موجود در لایه های رسوبی به نقاط با فشار کمتر مهاجرت می کنند. طول مسیر این حرکت گاهی به صدها کیلومتر می رسد.نیروهایی که باعث این حرکت می شوند عبارتند از:

• فشردگی لایه های رسوبی
• دیاستروفیسم[1]
• نیروی گرانش[2]

نیروی گرانش سبب می شود تا سیال دارای چگالی کمتر به سمت بالا حرکت کند و در نتیجه سیالات در سنگ مخزن بر حسب چگالی از هم جدا شوند.گاز در قسمت بالای مخزن، نفت در وسط و آب نمک در زیر قرار دارد. این مرحله را مهاجرت ثانویه می نامند.

• نیروی موئینگی[3]

نیروی موئینگی سبب می شود تا سیال تر کننده در خلل و فرج سنگ به سمت بالا حرکت کند. بالا آمدن نفت چراغ در فیتیله بر اساس همین خاصیت است. خاصیت ترکنندگی بستگی به جنس جامد (سنگ مخزن) و جنس و مشخصات سیال (آب ، نفت و گاز) دارد. روی هم رفته آب نسبت به نفت ترکننده تر است و نفت در مقابل گاز ترکننده تر می باشد. بنابراین با وجود سنگین تر بودن آب نسبت به نفت نیروی موئینگی آن را به سمت بالا می کشد تا در نهایت با نیروی گرانش به تعادل برسد [2].

برای اطلاعات بیشتر درباره نحوه چگونگی تشکیل سنگ های مخزن نفت، پوش سنگ و انواع نفتگیر ها و چگونگی تشکیل آن ها به [2] مراجعه کنید.

 

1-2-3- ویژگی های مخازن هیدروکربنی

یک مخزن نفت شامل نفتگیری است که در خلل و فرج آن گاز، نفت و آب شور به نسبت های گوناگون وجود دارد. این فضاها با هم ارتباط دارند به گونه ای که با حفر چاه سیال درون لایه ها می تواند به درون چاه که دارای فشار کمتری است وارد شود.

یک مخزن هیدروکربنی در صورتی قابل برداشت است که دارای ویژگی های زیر باشد:

1. سنگ مخزن دارای تخلخل و نفوذ پذیری کافی باشد تا سیالات هیدروکربنی بتوانند با سرعت کافی درون آن حرکت کنند.
2. حجم گاز و نفت موجود در سنگ در مخزن در حد تجاری باشد.
3. انرژی لازم جهت رانش به سطح زمین را داشته باشد.

پارامترهای پراهمیت مخزن که در شبیه سازی مخزن با آن ها مواجه خواهیم شد، به شرح زیر است.

1-2-4- اشباع

میزان اشباع شدگی[4] یک فاز که با S_pنشان داده می شود، معادل است با آن کسر حجمی از کل فضای خالی قابل پر شدن که فاز p اشغال کرده است، لذا برای یک مخزن نفتی که عمدتاً شامل سه فاز گاز(g) ، آب(w) و نفت(o) می باشد، رابطه (1-1) برقرار است[3] :

(1-1)

1-2-5- نفوذپذیری نسبی[5]

وقتی بیش از یک سیال در محیط متخلخل حرکت کنند، با پدیده نفوذپذیری نسبی مواجه خواهیم شد. نفوذپذیری نسبی، به صورت نفوذپذیری مؤثر یک سیال در یک درجه ای از اشباع به نفوذپذیری سیال در اشباع صد در صد تعریف می شود:

(1-2)

به طوریکه نفوذپذیری نسبی فاز lو نفوذپذیری مطلق می باشد. باید توجه داشت که محدوده تغییرات حداکثر یک و حداقل صفر می باشد. معمولاً برای نفوذپذیری نسبی، مشابه فشار موئینگی، نتایج آزمایشگاهی بر حسب درجه اشباع فاز ارائه می شود، به طور مثال برای سیستم آب-نفت، مقادیر نفوذپذیری نسبی نفت و نفوذپذیری نسبی آب ، به صورت تابعی از درجه اشباع آب بیان می شود (شکل 1-2).

شکل 1-2: نمایش تابعیت نفوذپذیری نسبی از اشباع[3]

در شکل 1-2 پدیده هیستریزیس[6] برقرار است، یعنی بسته به اینکه آزمایش بر اساس پرشدن[7] است یا خالی شدن[8] ، مقادیر مربوطه فرق می کنند. نقاط حدی و انتهایی منحنی نفوذپذیری نسبی، معروف به مقادیر بازگشت ناپذیر یا تقلیل ناپذیر هستند، یعنی وقتی نفوذپذیری نسبی به سمت صفر میل می کند، مقادیر اشباع شدگی، مقادیر تقلیل ناپذیر هستند. برای شکل 1-2 ، مقادیر تقلیل ناپذیر و ، مربوط به فاز آب و نفت می باشند[4].

1-2-6- تخلخل

تخلخل[9] که با φ نمایش می دهند، یکی دیگر از ویژگی های سنگ مخزن می باشد که بیانگر نسبت فضای خالی به کل حجم موجود می باشد. آن را از نظر عددی به صورت کسر (کوچکتر از یک) یا درصد بیان می کنند، و به کمک رابطه زیر قابل محاسبه است.

که در رابطه فوق بیانگر حجم توده سنگ و منظور از حجم خالصی است که سنگ پر کرده است[5].

1-2-7- ترشوندگی[10]

وقتی دو سیال امتزاج ناپذیر[11] در تماس با یک سطح جامد قرار بگیرند، یکی از آن دو از نظر سطح تماس، بیشتر از دیگری به جامد می چسبد و به عبارتی آن را بیشتر تَر می کند. از نظر پدیدارشناسی، این اختلاف ناشی از رقابت و انرژیهای مابین سطحی است. یک میزان و معیار آزمایشگاهی برای این پدیده، زاویه تماس[12] است که با نمایش داده می شود. این زاویه تابع انرژی سطح تماس بین دو فاز جامد و سیال می باشد. به طور مثال برای سیستم آب-نفت-جامد داریم:

(1-4)

به طوریکه انرژی بین سطح نفت و جامد، انرژی بین سطح آب و جامد، انرژی بین سطح آب و نفت، زاویه تماس بر حسب درجه می باشد. اگر کوچکتر از 90 درجه باشد، می گوییم سیستم آب-دوست است، یعنی آب بیشتر از نفت، سطح جامد را تر می کند ولی اگر بزرگتر از 90 درجه باشد، سیستم نفت-دوست می باشد و در صورتیکه سیستم خنثی است[4].

1-2-8- فشار موئینگی[13]

فشار موئینگی، اختلاف فشار حاضر بین دو فاز امتزاج ناپذیر در یک سیستم موئینه می باشد. اگر آن را مثبت فرض کنیم، اختلاف فشار فاز غیر ترکننده و فاز تر کننده می باشد، یعنی:

(1-5)

به طور مثال برای سیستم نفت-آب، اگر آب، فاز تر کننده باشد، آنگاه:

(1-6)

نتایج آزمایشگاهی نشان داده است که فشار موئینگی را می توان بر حسب تابعی از درجه اشباع شدگی یکی از فازها بیان کرد [3]، یعنی:

(1-7)

 

1-3- خواص سیال مخازن

چگالی عبارت است از وزن واحد حجم در دمای معین. وزن مخصوص عبارت از وزن واحد حجم مایع به وزن واحد حجم آب در دمای معین [2].

گرانروی[14] یکی از ویژگی های فیزیکی است که نشانگر ترکیب شیمیایی یک نمونه روغن است. گرانروی ترکیبات پارافینی بیش از آروماتیک است. گرانروی مطلق معیاری برای اندازه گیری مقاومت در برابر جریان سیال است و واحد آن پویز[15] است که اندازه گیری آن دشوار است [2].

1-3-1- فشار مخزن

سیال درون سنگ مخزن تحت درجه ای از فشار قرار دارد که فشار مخزن نامیده می شود. این فشار تابع عمق مخزن است. دو نوع فشار تعریف می شود: فشار هیدرواستاتیکی[16] وفشار زیر بار[17] (برای اطلاعات بیشتر به [2] رجوع شود).

1-3-2- دمای مخزن

با توجه به اینکه هسته زمین مذاب است، دما با افزایش عمق زمین زیاد می شود. دمای مخزن در عمق D با رابطه زیر بدست می آید:

(1-8)

که در این رابطه:

دمای مخزن در عمق D.

دمای متوسط سطح زمین و D عمق مخزن است. افزایش دما به ازا هر 100 فوت عمق حدود 6/1 درجه فارنهایت است[2].

1-4- معادله دارسی[18]

حرکت سیال در محیط متخلخل با محیط غیر متخلخل تفاوت دارد. حرکت سیال در محیط متخلخل نخستین بار توسط هنری دارسی (Henry Darcy ) هیدرولوزیست فرانسوی بر روی فیلتر های ماسه ای آب بررسی شد. وی معادله ای تجربی در سال 1856 به دست آورد که معادله دارسی نامیده شد.

[1] Diasrtophism

[2] Gravity Force

[3]Capillary Force

[4] Saturation

[5] Relative permeability

[6]Hysteresis

[7] Imbibition

[8] Drainage

[9] Porosity

[10]Wettability

[11]Immiscible

[12]Contact angle

[13]Capillary

[14] Viscosity

[15] Poise

[16]Hydrostatic Pressure

[17]Overburden Pressure

[18]Darcy Equation