نظرية حقن البخار في استعادة النفط المعزز

1. مقدمة

حقن البخار هو أسلوب استعادة النفط الحراري المعزز (EOR) مستخدم على نطاق واسع بهدف تحسين استخراج النفط الثقيل والبيتومين من الخزانات حيث لا تكون الطرق الأولية والثانوية كافية. تعتمد الطريقة على حقن البخار في الخزان للحد من لزوجة النفط وتحسين حركته، وبالتالي زيادة معدلات الإنتاج.

يوضح هذا المقال المفاهيم النظرية الأساسية وراء حقن البخار، بما في ذلك فيزياء نقل الحرارة في وسائل الإعلام المسامية، وديناميكيات السوائل، والسلوك المرحلي، والتفاعلات المكمنية. يظل التركيز على فهم كيفية تأثير البخار على ظروف الخزانات وتدفق السوائل لتعزيز انتعاش النفط.

—

2. الخلفية والحاجة إلى حقن البخار

غالبًا ما تشكل خزانات النفط الثقيلة والبيتومين تحديات مثل ارتفاع لزوجة النفط، وانخفاض درجة حرارة الخزان، وآليات الدفع الطبيعية الضعيفة. الطرق التقليدية أقل فعالية بسبب صعوبة تعبئة الهيدروكربونات عالية اللزوجة.

يعالج حقن البخار هذه التحديات من خلال توصيل الطاقة الحرارية مباشرة إلى الخزان، مما يزيد درجة الحرارة وبالتالي تقليل لزوجة النفط. هذا يجعل تدفق النفط بحرية أكبر عبر مساحات المسام نحو آبار الإنتاج. تعتبر هذه التقنية طريقة التعافي من الدرجة الثالثة، غالبًا ما يتم تطبيقها بعد فيضانات المياه أو عمليات التعافي الثانوية الأخرى.

—

3. مبادئ حقن البخار

يدور المفهوم الأساسي لحقن البخار حول إدخال بخار عالي درجة الحرارة في الخزان. تزيد الطاقة الحرارية المنقولة من درجة حرارة المكمن وتغير خصائص السوائل، مما يسهل تعزيز حركة النفط.

يتصرف البخار كحامل للحرارة الذي ينتقل عبر مصفوفة الصخر المسامية، وينقل الحرارة عن طريق التوصيل والحمل. ارتفاع درجة الحرارة يقلل من لزوجة النفط أضعافا مضاعفة، مما يمكّن من التشرد أسهل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي وجود البخار إلى تبخر الهيدروكربونات الأخف وزناً، مما يحسن كفاءة إزاحة النفط بشكل عام.

—

4. أنواع طرق حقن البخار

على الرغم من وجود العديد من المتغيرات التشغيلية، إلا أن الإطار النظري يصنف بشكل رئيسي حقن البخار إلى طريقتين رئيسيتين:

تحفيز البخار الدائري (CSS): تعرف أيضًا باسم “huff and puff”، تتضمن هذه الطريقة حقن البخار في بئر لفترة معينة، ثم إغلاق البئر للسماح بنقع الحرارة في الخزان، يليه إنتاج من نفس البئر.

الفيضانات البخارية: حقن البخار المستمر عبر آبار الحقن المخصصة لإزاحة النفط نحو آبار الإنتاج. ينطوي على تكوين منطقة بخارية أو واجهة تتحرك عبر الخزان.

تتشارك كلا الطريقتين الهدف النظري المتمثل في زيادة درجة حرارة الخزان للحد من اللزوجة وتحسين إزاحة النفط، على الرغم من اختلاف ديناميكيات السوائل وسلوكيات نقل الحرارة.

—

5. آليات نقل الحرارة في الخزانات

تعتمد حقن البخار بشكل كبير على نقل الحرارة بكفاءة داخل الصخور الخزان والسوائل. وتشمل الآليات الرئيسية لنقل الحرارة المشاركة ما يلي:

التوصيل: يحدث انتقال الحرارة من البخار الساخن من خلال مصفوفة الصخر الصلب إلى تشبع الزيت والماء.

الحمل: البخار والسوائل الساخنة تتدفق عبر وسائل الإعلام المسامية، تحمل الحرارة معها.

تغيير المرحلة: تكثيف البخار إلى الماء السائل يطلق الحرارة الكامنة، وهي وسيلة عالية الكفاءة لنقل الطاقة الحرارية إلى السوائل المكمنة والصخور.

يعد فهم أنماط نقل الحرارة هذه أمرًا أساسيًا للتنبؤ بانتشار البخار وتوزيع درجات الحرارة، وهما أمران بالغ الأهمية لتحقيق الانتعاش الأمثل.

—

6. ديناميكيات السوائل وسلوك المرحلة

الحقن بالبخار يقدم نظام تدفق متعدد المراحل داخل الخزان. يؤدي التفاعل بين البخار (مرحلة الغاز)، والماء (مرحلة السائل)، والهيدروكربونات (مرحلة السوائل أو الغاز) إلى عمليات إزاحة معقدة.

البخار المحقن يزيل السوائل الخزانية أثناء تكثيف الحرارة وإطلاقها. تحتل المياه المكثفة مساحات المسام، وغالبا ما تخلق واجهات تشبع المياه تؤثر على النفاذية النسبية. تؤثر التغيرات في مرحلة التشبع والتفاعلات في مرحلة السوائل على كفاءة إزاحة النفط.

يجب النظر في السلوك المرحلي تحت ارتفاع درجات الحرارة وظروف الضغط، لأنه يؤثر على كثافة السوائل، واللزوجة، وعلاقات سوء التهم، وكلها تحدد فعالية التعافي.

—

7. تفاعلات الخزان والصخور

يمتد تأثير حقن البخار على صخرة الخزان إلى ما هو أبعد من إزاحة السوائل. تسخين الخزان يتسبب في التوسع الحراري لكل من السوائل والمصفوفة الصخرية. يمكن أن يؤثر هذا التوسع على المسامية والنفاذية.

بالإضافة إلى ذلك، قد يغير حقن البخار خصائص القدرة على الرطبة وقد يؤدي إلى تفاعلات كيميائية داخل الخزان. تؤثر هذه التغييرات على أنماط تدفق السوائل وآليات التعافي.

يجب أيضًا النظر نظريًا في التأثيرات الجيوميكانيكية مثل تغييرات الإجهاد بسبب التوسع الحراري، لأنها يمكن أن تؤثر على ثبات سلوك الكسر.

—

8. العوامل المؤثرة على كفاءة حقن البخار

العديد من العوامل تؤثر على نجاح حقن البخار من وجهة نظرية:

سمك الخزان والتباين: يمكن للخزانات الأكثر سمكا تخزين المزيد من الحرارة، ولكن عدم التجانس يمكن أن يسبب توزيع غير متكافئ للبخار.

النفاذية والمسامية: النفاذية العالية تسهل حركة البخار، في حين أن المسامية المنخفضة تحد من قدرة تخزين السوائل.

درجة حرارة الخزان الأولية: تتطلب درجات الحرارة الأولية المنخفضة مدخلات حرارية أكثر.

خصائص النفط: الزيوت الثقيلة ذات اللزوجة المرتفعة تستفيد أكثر من التدفئة.

جودة البخار ومعدل الحقن: نسبة البخار في البخار ومعدّل تأثير الحقن على توصيل الحرارة وكفاءة المسح.

فقدان الحرارة: يمكن فقدان الطاقة الحرارية من خلال التوصيل إلى التشكيلات المحيطة، مما يؤثر على الكفاءة العامة.

—

9. مزايا و قيود حقن البخار

المزايا:

انخفاض كبير في لزوجة النفط مما يؤدي إلى تحسين التنقل.

إمكانية وجود عوامل انتعاش عالية في خزانات النفط الثقيلة.

البساطة النسبية مقارنة بالطرق الحرارية الأخرى.

القيود:

استهلاك عالي للطاقة لتوليد البخار.

الخسائر الحرارية في الخزان والبيربور.

ضرر التشكيل المحتمل بسبب الإجهاد الحراري.

يتطلب خزانات قابلة للحقن بالبخار (نفاذية وسمك كافية).

—

10. الاعتبارات البيئية

من وجهة نظر نظري، يستتبع حقن البخار مدخلات كبيرة من الطاقة، غالبا ما تولد من الوقود الأحفوري، مما يساهم في انبعاثات غازات الدفيئة. التأثير البيئي هو اعتبار مهم في تصميم مشاريع حقن البخار.

إن الجهود المبذولة لتحسين كفاءة توليد البخار، واستخدام مصادر الطاقة البديلة، وتنفيذ تكنولوجيات احتجاز الكربون ضرورية للتخفيف من الآثار البيئية المرتبطة بحقن البخار EOR.

—

11. خاتمة

توفر نظرية حقن البخار إطارا شاملا لفهم كيفية استخدام الطاقة الحرارية لتحسين انتعاش النفط في خزانات النفط الثقيلة والبيتومين. تستفيد الطريقة من نقل الحرارة وديناميكيات السوائل والسلوك المرحلي للحد من لزوجة النفط وتعزيز حركة السوائل.

الفهم الدقيق لتفاعلات البخار-الصخور-السائل والعوامل المؤثرة على انتشار البخار أمر بالغ الأهمية لتحقيق استراتيجيات الحقن الأمثل. في حين أن حقن البخار يوفر فوائد كبيرة في الخزانات المناسبة، إلا أنه يطرح أيضا تحديات تتعلق باستهلاك الطاقة وإدارة المكمنات.

تهدف التطورات المستقبلية في توليد البخار ورصد الخزانات إلى زيادة الكفاءة والاستدامة البيئية لهذه التقنية المثبتة EOR

بقلم الدكتور نبيل سامح

-مدير تطوير الأعمال بشركة نيلكو

-مدرب بترول دولي معتمد

-أستاذ في شركات وأكاديميات استشارات تدريبية متعددة، بما في ذلك Enviro Oil، أكاديمية زاد، وديب هورايزون

-محاضر بالجامعات داخل مصر وخارجها

-مساهم في مقالات قطاع البترول لمجلتي بتروكرافت و بتروتوداي