ضمان التدفق

يعمل ضمان التدفق بنهج معقول التكلفة لإنتاج السوائل ونقلها من الخزان إلى مرفق المعالجة. في أثناء إنتاج النفط الخام ونقله، تُعد معرفة خصائص السوائل وظروف التشغيل ضرورية لمنع تكوين المواد الصلبة غير المرغوب فيها (مثل الهيدرات والشمع والأسفلتين والقشور) وترسبها. في حالات درجات الحرارة والضغوط الشديدة، يمكن أن تتبلور هيدرات غاز الميثان أو يترسب الأسفلتين في أنبوب الإنتاج. وإذا لم يتم التحكم فيها بشكل صحيح، فإن بلورات الهيدرات أو جزيئات الأسفلتين أو الشمع قد تترسب وتتكتل إلى درجة تؤدي إلى سد أنبوب الإنتاج. ويمكن أن تكون إزالة المكونات المائية أو الأسفلتية في أنابيب الإنتاج الموجودة تحت سطح البحر مكلفة للغاية وخطيرة.

وتتزايد تحديات ضمان التدفق بسبب الانتقال من احتياطيات النفط المعتادة إلى حقول النفط الناضجة. ومع نضوج حقول النفط، يزداد الجزء المائي. وفي بعض الحالات، يقوم المشغلون بحقن المياه في حقول النفط الناضجة لتعزيز استخلاص الزيت. وتؤدي مستحلبات الماء في الزيت الخام إلى زيادة تعقيد إستراتيجيات ضمان التدفق. ويمكن أن يؤدي وجود تشكّل للماء أو حقنه مع كربونات الكالسيوم إلى تشكّل القشور في ظروف معينة. كما يمكن أن يؤدي تشكّل قشور كربونات الكالسيوم إلى سد معدات أنبوب الإنتاج ومعدات إنتاج المواد الخام مما يجعل حقول النفط الناضجة أقل ربحية. وتصبح معظم مثبطات الهيدرات المتوفرة تجاريًا والمضادة للتكتل أقل فعالية مع زيادة انقطاع المياه. وفي النهاية، يجب تكسير المستحلب لفصل الزيت والماء. قد يكون تكسير المستحلب عبر الطرق الفيزيائية أو الكيميائية مكلفًا للغاية، وخصوصًا بالنسبة لمستحلب الزيت الثقيل الذي يحتوي على مواد صلبة مثبتة للمستحلب مثل الأسفلتين.

لذلك، فمن الضروري دراسة إستراتيجيات معقولة التكلفة لضمان التدفق وتطويرها للتحكم في المواد الصلبة والمستحلبات لتقليل المخاطر الاقتصادية طوال عُمر حقل النفط.

غالبًا ما يحدث تدفق أنبوب الإنتاج متعدد الأطوار في ظل درجة قصوى من الحرارة والضغط مما يجعل أخذ العينات وتحليلها خارج الموقع أمرًا صعبًا أو مستحيلاً. فغالبًا ما يتم التلاعب بالعينات المأخوذة خارج الموقع عن طريق التخفيف أو التشتت الذي يمكن أن يغير المكونات متعددة الأطوار. وغالبًا ما لا يمكن تطبيق القياسات خارج الموقع لاتخاذ قرارات فورية للتحكم وتحسين العملية. ومع ظهور تقنية توصيف الجزيئات في الموقع مثل ParticleTrack وParticleView، يستطيع الفرد قياس سلوك مرحلة الجزيء بسرعة في الموقع - من دون سحب العينات.

تشمل تطبيقات ضمان التدفق ما يلي:

• ترسب الأسفلتين
• تشكّل هيدرات الغاز
• فصل المستحلبات
• درجة حرارة مظهر الشمع وتكوين بلورات الشمع

الأسفلتينات عبارة عن خليط معقد من المركبات العطرية متعددة الحلقات من الأنواع الذرية غير المتجانسة مثل النيتروجين والأكسجين والكبريت إلى جانب المعادن العضوية مثل الحديد والنيكل والفاناديوم. وتوصف الأسفلتينات عادةً بأنها جزء من الزيت الخام غير القابل للذوبان في الألكانات (مثل ن-هيبتان أو ن-بنتان) ولكنه قابل للذوبان في المذيبات العطرية (التولوين أو البنزين). ويمكن أن تؤدي التغييرات في تكوين الزيت الخام والضغط وظروف درجة الحرارة إلى إزالة استقرار الأسفلتينات. فيمكن مثلاً أن يؤدي استنزاف الضغط في أثناء إنتاج النفط الخام إلى ترسب الأسفلت غير المرغوب فيه وتراكمه في حفر الآبار والخزانات. حيث يؤدي ترسيب/تراكم الأسفلتين إلى تلف التكوين، والمستحلبات المستقرة التي يصعب فصلها، وكذلك الانسداد الجزئي/الكامل لأنبوب الإنتاج.

ويعتمد ترسب الأسفلتين على عدة عوامل، والتي تشمل درجة الحرارة والضغط وتكوين السوائل. وبالمثل، يمكن أن يعتمد ترسب الأسفلتين في أنبوب الإنتاج على معدل التدفق، والتفاعل بين الجزيئات، وسطح الأنبوب، إلخ. 

تمت دراسة معدل بداية الظهور وحركيات ترسب الأسفلتين لأربعة زيوت خام وبقايا 190+. حيث تم وضع 40 جم من الزيت الخام في كوب زجاجي وتحريكه بسرعة 400 دورة في الدقيقة. وتم استخدام تقنية ParticleTrack
لدراسة بداية ظهور ترسب الأسفلتين وحركياته ونقطة نهايته   مع إضافة ن-هيبتان.

• تعمل تقنية ParticleTrack على تحديد معدل بداية ظهور الزيوت الخام المختلفة بسرعة - دون الحاجة إلى أخذ العينات
•  تمت إضافة ثلاثة إضافات تجارية - A وB وC - إلى بقايا D-190+ بتركيزات ppmV مختلفة
• تم استخدام تقنية ParticleTrack لفحص نوع الإضافة وتركيزها بسرعة مناسبة لمنع ترسب الأسفلتين
• ومن خلال دراسة هذه التأثيرات الحركية، يمكن للعلماء فهم ترسب الأسفلتين وتراكمه في الزيوت الخام المستمدة من مصادر مختلفة

المرجع: Dufour et. al. Energy Fuels, 2009, 23 (3), 1155-1161.

يغطي هذا العرض المتعمق الذي تقدمه شركة FMC وجامعة تولسا أمثلة صناعية للتحسين في ضمان التدفق، وعمليات الفصل، وترسب الأوساخ، وإدارة المخلفات لتقليل تكاليف الاستكشاف والإنتاج للزيت الخام الداكن في درجات حرارة وضغوط التشغيل القياسية، وذلك دون أخذ عينات أو تخفيفها.

هيدرات الغاز عبارة عن هياكل بلورية تشبه الجليد تتكون عبر تفاعل معقد بين الزيت والغاز والمياه في ظل ضغط مرتفع ودرجة حرارة منخفضة. ولا تزال المعرفة الأساسية حول التحولات الهيكلية، وآلية التشكيل، وحركيات التكوين غير واضحة لهيدرات الغاز.

حيث تحدث الظروف الطبيعية اللازمة لتبلور هيدرات الغاز بشكل متكرر في أنابيب إنتاج البترول. وبعد تنوي جزيئات الهيدرات، يحدث نمو الهيدرات والتكتل. وفي نهاية المطاف، يمكن أن تصبح هذه التكتلات كبيرة بما يكفي لتكوين سدادة من الهيدرات في أنبوب الإنتاج. يؤثر تشكل سدادة الهيدرات سلبًا على تدفق السائل، وفي بعض الحالات القصوى يحدث انسداد كامل لأنبوب الإنتاج. وبالتالي، فإن تكوين هيدرات الغاز له آثار مكلفة بسبب انقطاع الإنتاج عن طريق تقييد التدفق أو انسداد مساره، فضلاً عن تلف المعدات، ومخاطر السلامة على المشغلين.

مثبطات الديناميكا الحرارية (THI) هي معايير الصناعة لمنع الهيدرات بالرغم من التكلفة العالية، والمخاوف البيئية، والتشغيل المرتفع. بدلاً من ذلك، يمكن أن تؤدي "مثبطات الهيدرات منخفضة الجرعات" (LDHI) الأقل تكلفة إلى تمديد فترة التحريض أو منع تكتل جزيئات الهيدرات الأولية والحفاظ على قوام قابل للنقل. ولتطوير إستراتيجيات جديدة معقولة التكلفة لإدارة الهيدرات بدلاً من الوقاية الكاملة، يكون من الضروري تطوير فهم سليم لآليات بلورة الهيدرات والتكتل والترسيب.

إن استخدام تقنيات موثوقة في الموقع لمراقبة تبلور الهيدرات وتكتلها فور وقوعها سيمكّن المشغلين من: 1) تحسين استخدام تقنية THI باهظة الثمن، و2) تقييم موثوقية تقنية LDHI الأقل تكلفة، و3) تطوير إستراتيجية قوية باستخدام كل من تقنيتي THI وKHI.

يُظهر تطبيق ParticleView تكتل كبير للهيدرات في الموقع بدون LDHI (الصورة اليسرى). يؤدي استخدام LDHI إلى استقرار الهيدرات في خليط جيد التشتت (الصورة اليمنى).

المرجع: Duy Nguyen et. al. (تعاون بين Nalco وMETTLER TOLEDO)

تُعد أدوات تقنيات ParticleTrack وParticleView المستندة إلى المسبار مثالية لتوصيف هيدرات غاز الميثان وجزيئات الأسفلتين والقشور ومستحلبات الزيت. في معظم الحالات، تؤدي الظروف (الضغط العالي) التي تتشكل فيها بلورات الهيدرات وترسب الأسفلتين إلى تصعيب أخذ العينات إلى حد كبير. وتكون أنظمة الجزيئات والقطرات حساسة للغاية لتقلبات درجة الحرارة والضغط. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب التقنيات خارج الموقع تخفيف العينات، وهو ما قد يغير حجم القطرات، وتكتل الهيدرات العكسي، وقابلية ذوبان الأسفلتين. وحتى في ظل الظروف التي يكون فيها أخذ العينات ممكنًا، فإن قياس العينات المخففة لا يمثل النظام الفعلي ويوفر مجموعة بيانات محدودة للغاية. من خلال تقنيات مسبار FBRM وPVM، يمكن للباحث تتبع نظام الجزيئات والقطرات الديناميكي بالكامل في الزيت الخام في درجات حرارة وضغوط التشغيل القياسية، وذلك دون أخذ العينات أو تخفيفها.

تُعد إزالة الملوحة خطوة مهمة قبل تكرير الزيت الخام حيث يتم خلالها نقل الأملاح والملوثات غير العضوية  الموجودة في الزيت الخام إلى الطور المائي وإزالتها. ويؤدي الأداء الضعيف لإزالة الملوحة إلى ترسب الأوساخ بمعدات التكرير بسبب انتقال المواد الصلبة، وتآكل برج المادة الخام من تشكّل الحمض، وزيادة تكلفة معالجة المحلول الملحي المتدفق بسبب عدم تصفية الزيت من الشوائب.

تُعد تقنية ParticleTrack حساسة للغاية للتغيرات في عدد القطرات وأبعادها حيث يتغير التحريض - وتؤدي زيادة التحريض إلى انخفاض المتوسط وزيادة عدد القطرات الصغيرة (الأقل من 80 ميكرو متر).

• ويؤثر البعد الأمثل للقطرة وكثافتها بشكل مباشر على انتقال الشوائب إلى الطور المائي في أثناء مرحلة الخلط وفصل الزيت عن الماء في الخزانات الحاوية.
• وتعمل اتجاهات ParticleTrack على التحديد الفوري لمعلمات العملية المهمة (مثل الخلط، وتدفق ماء الغسيل) وتتيح إمكانية التحكم في معلمات العملية لمضاعفة استخلاص الشوائب وتقليل وقت الفصل.

تؤكد صور ParticleView عالية الدقة على تحول القطرات الكبيرة بمعدل 500 دورة في الدقيقة) إلى قطرات أصغر بمعدل 200 دورة في الدقيقة.

توزيع أطوال ParticleTrack الوترية لكل معدل تحريض، مما يمكّن العمليات من استهداف توزيع القطرات لتحسين أداء إزالة الملوحة.

وتساعد المعلومات المستمدة من أدوات عملية ParticleTrack وParticleView على تقليل حركة انتقال المواد الصلبة/نحمل الزيت السفلي، وتحسين استخدام الإضافات الكيميائية، وتسريع تشغيل أداة إزالة الملوحة، ومن ثمَّ منع مشكلات إزالة الملوحة المكلفة مثل التآكل والتلوث.

غالبًا ما يتم تقييم مزيل الاستحلاب لفصل الزيت عن الماء باستخدام اختبار الزجاجة  - وهي تقنية بصرية لا تعتمد على حجم القطرات وخصائص المستحلب. ‏في هذه الدراسة، تم استخدام مسابير ParticleTrack وParticleView لرصد تأثير مزيل الاستحلاب على 30% من الزيت (API ~30) بالإضافة إلى 70% من خليط المحلول الملحي.

a. t= 15 m: في حالة عدم وجود مزيل الاستحلاب، تُظهر صور ParticleView الفورية استمرار استقرار المستحلب طوال مدة التجربة البالغة 15 دقيقة. ويساعد مسبار ParticleView في التأكيد البصري السريع لاستقرار/عدم استقرار المستحلب.

b. t= 0 m: في وجود مزيل الاستحلاب، يُلاحظ وجود قطرات أكبر في البداية. حيث تُلاحظ القطرات في الموقع في بيئتها الطبيعية دون التأثير على السلامة المادية للقطرات عبر أخذ العينات.

c. t= 3 m مع مرور الوقت، تتجمع القطرات الأصغر وتخضع لإعادة الترتيب المورفولوجي لتشكيل قطرات أكبر. يتابع مسبار ParticleView تطور القطرات فوريًا، مما يوفر معلومات أساسية عن ديناميكيات القطرة وتحولها في وجود مزيل الاستحلاب.

d. t = 6 m في النهاية، تنفصل القطرات الكبيرة، تاركة وراءها قطرات زيت صغيرة في المحلول الملحي. يمكن استخدام صور ParticleView في الموقع في التقييم السريع لضمور مرحلة الزيت والماء بعد الفصل.

تتبع توزيعات الجزيئات التغيرات الطارئة على القطرات في وجود مزيل الاستحلاب. حيث يؤثر بُعد القطرة بشكل مباشر على عملية فصل الزيت عن الماء، ويتيح قياس بُعد القطرة إمكانية الفحص/التصميم السريع لمزيل الاستحلاب الفعال

• يُعد فهم تأثير مزيل الاستحلاب لفصل الزيت عن الماء أمرًا بالغ الأهمية في توفير تكلفة نقل الزيت وتكريره
• وتوفر المراقبة في الموقع طريقة مباشرة لرصد العمليات من خلال تتبع التغيرات الطارئة في المستحلب بدقة وتشكيل مزيلات استحلاب أفضل لتحقيق فصل أسرع وأسهل للزيت عن الماء.

المرجع: Duy Nguyen et. al. (تعاون بين Nalco وMETTLER TOLEDO)

لقد تم استخدام ParticleView وParticleTrack في ضمان التدفق لإنتاج الزيت والغاز من قبل الشركات والمجموعات البحثية الرائدة. اكتشف مجموعة مختارة من المراجع أدناه.

تشكّل هيدرات الغاز

Aline Melchuna, Ana Cameirão, Yamina Ouabbas, Jean-Michel Herri, Philippe Glenat. Transport of hydrate slurry at high water cut. The 8th International Conference on Gas Hydrates, Jul 2014, Pékin, China. pp.T5-16, 2014.

Greaves  D,  Boxall  J,  Mullingan  J,  Sloan  ED, Koh  CA.   Hydrate  Formation  from  High  Water Content-Crude Oil  Emulsions .  Chemical Engineering Science, vol. 63. 2008. p. 4570-4579.

Turner D,  Miller K, & Sloan E. Direct conversion of water droplets to methane hydrate in crude oil. Chemical Engineering Science, 2009 vol: 64 (23) pp: 5066-5072. 10.1016/j.ces.2009.08.013

الأسفلتينات

Marugán J,  Calles J,  Dufour J,  Giménez-Aguirre R,  Peña J, &  Merino-García D. Characterization of the Asphaltene Onset Region by Focused-Beam Laser Reflectance: A Tool for Additives Screening. Energy & Fuels. 2009 vol: 23 (3) pp: 1155-1161. 10.1021/ef800626a.

Ruidiaz EM, Koroishi ET, Kim NR, Trevisan OV, Soares-Bassani G & Merino-Garcia D. Evaluation of Asphaltene Deposition - A Systematic Study and Validation of Online Focused Beam Reflectance Measurement FBRM® at Reservoir Conditions. J Pet Environ Biotechnol 2018, Vol 9(2): 364.  DOI: 10.4172/2157-7463.1000364

Javier Dufour, José A. Calles, Javier Marugán, Raúl Giménez-Aguirre, José Luis Peñaand Daniel Merino-García. Influence of Hydrocarbon Distribution in Crude Oil and Residues on Asphaltene Stability. Energy Fuels, 2010, 24 (4), pp 2281–2286. DOI: 10.1021/ef900934t.

مستحلبات الماء والزيت

Boxall J,  Koh C,  Sloan E,  Sum A,  Wu D. Measurement and Calibration of Droplet Size Distributions in Water-in-Oil Emulsions by Particle Video Microscope and a Focused Beam Reflectance Method. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010 vol: 49 (3) pp: 1412-1418. DOI10.1021/ie901228e.

Less S, &  Vilagines R. Light beam reflectance measurement of droplets diameter distribution in crude oil emulsions, Fuel, 2013 vol: 109 pp: 542-550. DOI10.1016/j.fuel.2013.03.048.

Wang W,  Li K,  Wang P,  Hao S,  Gong J. Effect of interfacial dilational rheology on the breakage of dispersed droplets in a dilute oil–water emulsion. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2014 vol: 441 pp: 43-50. DOI10.1016/j.colsurfa.2013.08.075.

القشور

N. Al Nasser, Waleed & Pitt, Kate & J. Hounslow، Michael وD. Salman, Agba. (2013). Monitoring of aggregation and scaling of calcium carbonate in the presence of ultrasound irradiation using focused beam reflectance measurement. Powder Technology. 238. 151–160. 10.1016/j.powtec.2012.03.021.

N. Al Nasser, Al Salhi F. Scaling and aggregation kinetics determination of calcium carbonate using inline technique. Chemical Engineering Science, 2013 vol: 86 pp: 70-77. 10.1016/j.ces.2012.05.018

Rosário, F.F.,MONTALVÃO, V.T.K., PEREIRA, M.L.O., &  J. F. CAJAIBA DA SILVA (2012) Kinetic Study of Calcium Carbonate Precipitation by Using Real Time FTIR and FBRM Analyses. 13th International Conference on Petroleum Phase Behavior and Fouling, Saint Petersburg, Florida.