הבנת התרמודינמיקה של מערכות מרובותphase היא אבן הפינה של הנדסת נפט.מערכות אלה כרוכות בנוכחות בו זמנית של שלבים מרובים - גז, נוזל (נפט ומים), ולפעמים לחות מוצק או שעווה - בתוך היווצרות רוק ⁇ וציוד ייצור. Mastery של ההתנהגות שלהם תחת לחץ משתנה, טמפרטורה, והרכב מאפשר למהנדסים לחזות ביצועים, מתקני הפרדה יעילים, ואופטימיזציה של תהליך זה מספק מאמר מקיף של מודלים של תעשיות מחקר, מודלים של שיטות מחקר, מודלים מורכבים, מודלים של שיטות מחקר.

יסודות של Multiphase Thermodynamics

תרמודינמיקה רב-phase בוחן את האופן שבו השלבים השונים משותפים ואינטראקציה במאזן.ההנחה המרכזית היא כי באיזון, הפוטנציאל הכימי של כל רכיב שווה בכל השלבים.זה מוביל לשוויון הבסיסי של הנאות לכל רכיב בכל שלב, המהווה את הבסיס לכל חישובי איזון שלב.

שלב ה-Gites שלב

כלל שלב גיבס, (F=C - P + 2\), מגדיר את מספר המשתנים האינטנסיביים העצמאיים (דרגות החופש) שניתן לשנות ללא שינוי מספר השלבים. עבור מאגר פחמי עם הרכב כולל קבוע, הכלל מגביל את השילובים האפשריים של לחץ וטמפרטורה שבו שמן, גז ומים יכולים לסווג את המהנדסים האלה כדי לפרש את השלבים ואת הסיבה לכך שספקים לחץ פורץ דרך או לפירוק גזים מסוימים.

שלב ה-Digital Oil

זמן הלחץ (P-T) דיאגרמות שלב הן הכלי הגרפי העיקרי לתיאור האזור היציב של כל שלב.עבור הרכב נוזל נתון, הדיאגרמה כוללת עקומת נקודת בועה (שם הבועה הראשונה של גז מופיעה) ועקום דה-נקודה (שם הניקוד הנוזלי הראשון של גז נוזלי), האזור בתוך המעטפה מייצג דו-קיום דו-פעמי, נקודה עקשנית (שלב חום) שני תכונות של שמן נוזליות חום או חום כהה).

התנהגות בשלב של Reservoir Fluids

ההתנהגות של נוזלי המאגר במהלך הייצור מוכתבת על ידי הרכב שלהם ואת הנתיב של הלחץ-temperature הם לעקוב אחר. מערכות סיווג מודרני מחלק נוזלי מאגר לתוך חמישה סוגים עיקריים המבוססים על הצורה של המעטפה בשלב שלהם ואת ההתנהגות בתנאים המאגר.

שמן שחור

שמן שחור יש מעטפה שלב גדולה עם יחס נמוך יחסית של גז (GOR) - בדרך כלל פחות מ 2000 scf /STB. טמפרטורת המאגר נמצאת גם מתחת לטמפרטורה הקריטית של התערובת.כפי שהלחץ יורד מתחת לנקודת הבועה, גז יוצא מפתרון, הגדלת פניית הנפט וצמצום הניידות שלו.

שמן פולינלי

שמנים וולטיל יש GOR בין 2000 ל- 3000 קשקשים /STB ושיעור גבוה יותר של פחמימנים קלים (C1-C6), המעטפת בשלב שלהם היא צרה יותר, וטמפרטורת המאגר קרובה לטמפרטורה הקריטית, מה שהופך את נקודת הבועה ואת עקומות דה-ונקודות מתלכדות. במהלך depletion, שמן תנודתי משחרר כמויות גדולות של גז המכיל מרכיבים בינוניים.

גז Condensate

במאגרי גז מתכנסים, הנוזל הראשוני הוא גזי לחלוטין, אבל כמו הלחץ טיפות מתחת לנקודה דהו, נוזל (condensate) טיפות החוצה. זה זיהום רטרודרגתי מתרחשת כי טמפרטורת המאגר שוכנת בין הטמפרטורה הקריטית לבין הקרודן.נוזל condensate הוא עשיר עטים ורכיבים כבדים יותר, והצטברות שלו ליד הגורם הגדלה קרוב יכול "לנקורדמת" לעתים קרובות לנפח קריטי של גז.

גז ודלק יבש

גז Wet מכיל שבריר קטנה של C3+ פחמימנים כי נזיקין כמו נוזל במהלך הפרדה פני השטח.אין צורות נוזלי בתוך המאגר כי הנתיב של הטמפרטורות הלחץ נשאר לחלוטין באזור הגז.גז יבש מכיל למעשה לא מטרות כבדות ניתנות להשגה; הוא נשאר שלב אחד בכל רחבי המאגר ושרשרת החילופין.

התנהגות של שלב המים

מים תמיד נוכחים במערכות נפט, או כמו היווצרות של מים או מוזרקים.התנהגות שלב זה, כולל vaporization לשלב הגז ו condensation, משפיע על salinity ו קנה מידה.תרמודינמיקה של תערובת רזים-hydrocarbons מטופלים באמצעות אותה מסגרת באיכות-היבשה, המוגברת על ידי קורלציות לאינטראקציות במים.

מודלים תרמודינמיקה וקווי חירום של המדינה

הדיוק של חישובים רב-phase תלוי מאוד במשוואה שנבחרה של המדינה.בעוד ש- EOS רבים קיימים, שני מעוקבים שולטים בתעשיית הנפט: Peng-Robinson (PR) ו-Soave- Redlich-Kwong (SRK) שניהם מתאימים לתערובת הידרו-פחמנית אבל יש ביצועים שונים עבור צפיפות נוזלית ו- vapor-liquid שיווי משקל (VLE) תחזיות כוללות את השימוש של כללי תערובת מתקדמים, ונפח מים (C) עם תרכובות, ותרכובות מים מתקדמים (ACC) ותרכובות (C) עם תרכובות עבור למערכות קוביאו-C).

Peng-Robinson Equation of State

Peng-Robinson EOS הוא המודל הנפוץ ביותר עבור נוזלי נפט.צורתו היא / P = / frac {V m - b} - / afrac {a(T)} {V m(V m + b) + b(V m - t m - תואם), שבו (a\) הוא פרמטר משיכה תלוי טמפרטורה ו / b) הוא יתרון ניסיוני עבור נוזל בועה (ki) עם רמת הדיוק של בועות (ki) קרוב ל-i) הוא קרוב לחיזוי של מערכת יעילה עבור בועות משקל (k-i kli- kjvk- kjvjvkli- kjvjvjvjvjvjvjvj) הוא קרוב ל- kjvjvk) קרוב ל- kli-b} פיקסלים) עם פיקסלים) הוא פיקסלים (kli-i) עם פיקסלים) עם פיקסלים (kli- kjklikli- kjvklik jjv j) קרוב ל- kjv kjv kjv kjv kjv kjkli- kjv kjv kjv kjvj

סימולטורים מסחריים רבים מכוונים באופן אוטומטי את ה- PR EOS לדיווחי PVT. עם זאת, עבור שמנים condensate ו-Volatile, תוכנית טרנספורמציה בנפח (למשל, Peneloux-Rauzy-Freze) הוא הכרחי לתקן תחזיות צפיפות נוזלי.ללא זה, צפיפות הנפט מחושבת יכולה להיות כבויה ביותר מ -10%, המשפיעה על איזון חומרי וצנרת הידראולית.

Soave-Redlich-Kwong Equation of State

ה- SRK EOS הוא המועדף על מערכות הנשלטות על ידי רכיבים שאינם קוטביים, וכאשר הטמפרטורה מופחתת גבוהה.צורתו פשוטה יותר: (P =\frac {RT} ; b} - b} -\(a(a(T)}V m(V m(V m + m + b m)}\ עבור מערכות גז רבות-densate ושחורות, מנבא מעט יותר תחזיות גז של גז, אך לעתים קרובות יותר מאשר ל- HIV.

מודלים מתקדמים: רו"ח ו- GERG-2008

מערכות המכילות כמויות משמעותיות של מים, מימן sulfide, או פחמן דו חמצני דורשות מודלים מתוחכמים יותר. אגודה קובית-Plus-Association EOS מוסיפה מונח עבור אינטראקציות מקודמות מימן, מה שהופך אותו מתאים לhydrates, asphaltenes, ו glycol dehydration.GRG-2008 מודל שפותח על ידי קבוצת המחקר הגז האירופית, הוא תקן עבור מערכות גז טבעי ומספק דיוק גבוה עבור בדיקות ספירת סאונד סטנדרטי עבור מספר יקר, אך ורק עבור מספר סימולציה משפטית הוא רק עבור סימולציה מוגבלת.

יישומים בהנדסת נפט

העקרונות התרמודינמיים המתוארים לעיל הם מוחלים מדי יום על פני המגזרים במעלה הזרם והמרכזי. להלן הם האזורים התפעוליים המרכזיים שבהם תרמודינמיקה רב-phase מניעת ישירות עיצוב, אופטימיזציה והחלטות בטיחות.

Reservoir Simulation ו- Performance Prediction

סימולטורים של מאגר קומפוזיציה (למשל, CMG-GEM, Eclipse 300, Intersect) משתמשים ב- mk EOS בכל שלב ו- Networkblock כדי לתפצלות שלב מותנות, רכיב K-values, ו- בשלב דגניציות. חישובים אלה קובעים כמה שלבים הם נוכחים, שלב נייד, וכיצד הקומפוזיציה הנוזלית מתפתחת.

פיתוח שמן משופר (EOR)

תהליכי הזרקת גז – CO2, גז הידרופחמן או חנקן – מסתמכים על השגת עקירה לא נכונה או כמעט בלתי אפשרית, מצב תרמודינמיקה המפתח הוא לחץ השגוי המינימלי (MMP), שהוא הלחץ שבו גז המזרק ושמן המאגר הופכים לרכיבים מרובים של מגע לא תקין.ה-MMP נקבע מניסויים ב-pary או בביצוע חישובים לאורך נתיב סוללת ARM.

בהזרקה של גז (WAG) התרמודינמיקה חייבת להתמודד עם שלוש-phase (שמן, מים, גז) איזון עם האפשרות של CO2 disting בשלב האקווריבי.ה-Peng-Robinson EOS עם תיקון החוק של הנרי עבור CO2 ב- brine הוא גישה נפוצה יותר.

« טובבור זרימה וטיפה מלאכותית

זרימת Multiphase בבארות כוללת את זרימת הנפט, הגז, המים, ולפעמים קשקשים מוצקים.החשבון ירידה הלחץ דורש ניתנות שלב מדויקות ואת הלכידות, אשר באים ממודל תרמודינמי.עבור שמן מזחלת היטב לייצר שמן תנודתי, הלחץ ⁇ משתנה בפתאומיות אם נוזל חוצה את הנקודה בכבד, שינוי של המשטר לזרום מטווח הדבקה או מטווח כפול (בריקני) עם לחץ חזק.

מתקני הפרדה ותהליכים

על פני השטח, מפרידים נועדו להשיג שלב מסוים פיצול.התרמודינמיקה של מערכות מרובותphase קובע את המספר האופטימלי של שלבים, הפעלת לחצים, וטמפרטורות.עבור מפריד שלוש שלבים, הפיזור של שמן גז בשלב הראשון הוא מפונק על ידי פלאש בלחץ גבוה; הנוזל לאחר מכן מזין את השלב השני בלחץ נמוך יותר.

מניעת גז וניהול

hydrates גז הם תרכובות clathrate מוצק כי צורה כאשר הידרופחמנים אור (methane, ethane, propane) לכודים בתוך מים-לחטיצי לחץ גבוה וטמפרטורה נמוכה. היווצרות hydrote יכול לתקע צינורות ושסתום. התנאים התרמודינמיים עבור היווצרות hydrate הם לחזות באמצעות מודלים המבוססים על קרינת האנתל-Plaoteu, לעתים קרובות עם AVI עבור שלב זההמי (ptrame) לשימושים מסחריים.

תחבורה

בצנרת רב-תכליתית למרחקים ארוכים, הרכב הנוזלי משתנה עקב הדבקה או evaporation המונעת על ידי לחץ וטמפרטורה ⁇ s.מודל תרמודינמיקה חייב להיות מסוגל לחזות את כמות התחזוקה הנוזלית, תדירות הגילוח, ואת השעווה deposition על טמפרטורה התחלה. EOS עם אופי הולם של השבר בתוספת (C7+) ו- הסתברות (למשל, שימוש קבוע ברזולוציה) הוא מודל של שימוש קבוע.

שיטות טובות ביותר עבור Thermodynamic Modeling

כדי להשיג תוצאות אמינות, מהנדסים צריכים לעקוב אחר זרימת עבודה שיטתית בעת בניית מודל תרמודינמי למערכת רב-phase:

  1. (FLT:0) Fluid Characterization:FLT:1 בצע ניתוח נוזל מפורט (דוח PVT) הכולל את הרכב (ל- C30+), לחץ השאיבה, התקפושות, וצפיפות. השתמש באלגוריתם רגרסיה כדי לכוון את הפרמטרים של EOS כדי להתאים את הנתונים הניסוייים.
  2. (FLT:0) ,Pseudo-component בחירה: OVAFLT:1 ; קבוצת הידרוקרבמנים הכבדים ל- pseudo-components עם תכונות קריטיות דומות כדי להפחית את זמן החישוב תוך שמירה על צורת המעטפה של השלב.
  3. (FLT:0) פרמטרים אינטראקציה בינאריים (BIPs): השימוש שפורסם BIPs כנקודת התחלה; ואז להתאים אותם כדי להתאים את נקודת הבועה ואת עקומות דה- נקודות מהדו"ח PVT. עבור מערכות CO2 עשירות, חזור על מנת רזות-tube נתונים אם זמין.
  4. (FLT:0) ו-Validation בתנאי שדה: FIRLT:1) לבחון את המודל המתואם נגד נתוני ייצור היסטוריים - מדד זרע GOR, תשואות נעימות, לחץ זורם תחתית.אם מכשולים נמשכים, המודל עשוי להיות צורך בהגדרה מחדש או הכללת אי-hydrocarbons (N2, H2S, H2S2O).
  5. (FLT:0)Consistency Over Software:FLT:1 ודא כי קידוד EOS ו- BIPs מועברים כראוי בין סימולטור מאגר, סימולטור צינורות, ותוכנות עיצוב תהליכים.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות עשרות שנים של התפתחות, תרמודינמיקה רב-פקוד בהנדסת נפט עדיין ניצבת בפני אתגרים משמעותיים.נושא אחד הוא המודל המדויק של משקעים אספלטן, אשר תלוי הן תרמודינמיקה (לחץ, הרכב, כוח פתרון) וגורמים קינטיים.קיימת גישות מבוססות EOS (למשל, מודל ה-PC-SAFT) הם אינטנסיביים חישוביים ולא סטנדרטיים בסימולטורים מסחריים.

אתגר נוסף הוא שילוב של מודלים תרמודינמיים עם טכניקות מתקדמות של למידת מכונה.בעוד רשתות עצביות יכולות להיות מתפצלות הרבה יותר מהר מאשר חישובים של פלאש, הם דורשים נתוני הדרכה נרחבים וחסרות יכולת הניתוק של מודלים המבוססים על פיזיקה.

לבסוף, דחיפה לעבר פעילות פחמן אפסית נטו פירושה כי מהנדסים חייבים להתמודד עם מערכות מרובות-phase חדשות מעורבים מימן, פחמן דו חמצני עבור לכידת, ונוזלים גיאותרמאליים. הפרמטרים של מיקסמי מימן-hydrocarbon עדיין מוגבלים בצורה גרועה, וניסויים בטמפרטורה גבוהה (1000) ותנאים עתירי-טמפרטורה גבוהה (200 מעלות צלזיוס) נדרשים.

משאבים חיצוניים

המקורות הסמכותיים הבאים מספקים עומק נוסף בנושאים המכוסים במאמר זה:

  • (ב) .0PetroWiki: שלב ההתנהגות של שלב 1 (שלב ההתייחסות המקיפה של SPE לנכסים נוזליים ולדיאגרמות שלב.
  • (FLT:0)NIST כימיה WebBook: Thermophysical Properties of Fluid SystemsFIRLT:1 - נתונים ניסיוניים להתאמה ואימות משוואות של המדינה.
  • [ה]ההתמדה של המדינה [ה]: [ה] [ה] [ה] [ה] [ה] [ה]]] [ה]] [ה]][ה]]]][ה]]]] [ההההההההחוקה של המדינה]" (המאמר המלא על ה- PR EOS (SPE באמצעות OnePetro).
  • (FLT:0) התקדמות במודל התרמודינמיקה של CO2 EOR (Transport in Porous Media)FLT:1 - סקירה של טכניקות מודרניות של EOS בלכידת פחמן ואחסון.

על ידי שליטה על התרמודינמיקה של מערכות מרובותphase, מהנדסי נפט פותחים את היכולת לדמות ולייעל כל שלב מהמאגרי לקו המכירות.אם המטרה היא למקסם את ההתאוששות של הנפט, למנוע חסמי צינורות, או עיצוב אתר אחסון CO2, הבנה מוצקה של איזון שלב, משוואות של המדינה, ואת היישומים המעשיים שלהם נשאר הכרחי.