35

ماهنامه علمى- ترويجى اكتشاف و توليد نفت و گاز/ شماره ى 122 / ارديبهشت ماه 1394

شبيه سازي تشكيل رسوبات معدني در ميادين كربناته؛ مطالعه ى موردي

محمد زاهدزاده*، سكينه شكراهللا زاده، عماد رعايايى، محمدصابر كرم بيگى، محمدعلى عمادى پژوهشكده ى ازدياد برداشت از مخازن نفت و گاز

اغلب ميادين نفتي به ويژه ميادين تحت رانش آب، با مشــكل تشــكيل رســوب روبرو هستند. شبيه سازي رســوبات معدني اطالعات مفيدي در زمينه ى نوع، محل و مقادير تشــكيل رســوبات ارائه مي دهد. به عالوه شبيه ســاز خطوط جريان1 توانمندي برآورد مقدار ارتباط بين چاه هاي ،(Finite difference) 2اختــالف محدود ،(ScaleSoftPitzer) تزريقــي و توليــدي را دارد. در مطالعه ى حاضر شبيه ســازهاي ترموديناميكياكليپس (Eclipse100)، خطوط جريان (Frontsim) و شبيه ســاز واكنش (CMG_GEM GHG) جهت مطالعه ى رسوب و ارتباط بين چاه ها در ميدان كربناته ى A كه تحت رانش آب اســت به كار گرفته شــدند. با به كارگيري نتايج اين شبيه ســازها، برآورد نوع و مقدار شدت تشكيل رســوبات در ميدان انجام شــد. در مطالعه ى حاضر ســعي شده روش كار و دستورالعمل مناسب شبيه ســازي جامع تشكيل رسوب با استفاده از

داده هــاي ميــدان كربناتــه ى A ارائــه گــردد.شبيه سازي رسوب، مديريت رسوب، مخازن كربناته، اكليپسشبيه سازي رسوب، مديريت رسوب، مخازن كربناته، اكليپس

(m.zahedzadeh@nioc.ir) نويسنده ى عهده دار مكاتبات*

مقدمهمديريت مؤثر رســوبات معدني طي دوره ى عمــر مخزن جهت توليد اقتصادي ســيال هيدروكربني اهميتى حياتي دارد. رســوبات يادشــده با فوق اشــباع شدن محلول شــورابه3 به علت تغيير در شرايط ترموديناميكي و تعادل شــيميايي مانند متغيرهاي قدرت يونيPH ،4، فشار و دما تشكيل

مي شوند [1-7].به طور كلي رسوبات معدني از طريق سه مكانيزم زير تشكيل مي شوند

:[6] كاهش فشــار يا افزايش دماي شــورابه: كه ســبب كاهش حالليت

رسوب و در نتيجه تراسب آن مانند رسوب كربنات كلسيم مي شود. مخلــوط شــدن دو آب نامتجانــس5: معمــوالً آب ســازند غنــي از كاتيون هايي مانند كلســيم، باريم و استرانســيوم است و در تماس با آب دريا كه غني از ســولفات اســت رسوبات ســولفاته مانند سولفات باريم

توليد مي كند. تبخير شورابه: كه سبب افزايش غلظت نمك و افزايش نمك بيش از ميزان حالليت و در نتيجه تراســب آن مي شود. طى تماس گاز خشك با شورابه، مكانيزم يادشــده در اطراف چاه هاي گازي با فشار و دماي زياد

ايجاد شده و معموالً رسوب هاليت (NaCl) تشكيل مي دهد.تشــكيل رسوبات معدني باعث كاهش توان توليد يا تزريق پذيري چاه در اثــر كاهش نفوذپذيــري اطراف چاه و پالگ شــدن خطوط توليد و تسهيالت ســرچاهي مي شود. آسيب هاي يادشــده سبب كاهش بازدهي

توليد، خرابي تســهيالت توليد، توقف توليد، افزايش هزينه ى نگهداري، مخاطرات ايمني و زيست محيطي خواهد شد [8-13].

رسوبات معدني همچنين مي توانند در داخل مخزن راسب شده و سبب كاهش يون هاي تشكيل دهنده ى رسوب در اطراف چاه توليدي شوند. با توجه به بزرگى شــعاع مخزن، تشكيل رسوب در آن تأثير قابل توجهي بر

Primary VariablesChemical FormulaName

Partial pressure of CO2, Temperature, Total dissolved salts, pH

CaCO3Calcium Carbonate

Temperature, Total dissolved salts,

Pressure

CaSO4,2H2OCaSO4,12/H2O

CaSO4

Calcium Sulphate:Gypsum

HemihidrateAnhydrite

Temperature, PressureBaSO4Barium Sulphate

Temperature, Pressure, Total dissolved salts

SrSO4Strontium Sulphate

Corrosion, dissolved gases, PH

FeCO3FeS

Fe(OH)2Fe(OH)3

Iron Compounds:Ferrous CarbonateFerrous Sulphide

Ferrous HydroxideFerric Hydroxide

1 رسوبات معمولى در ميادين نفتى [7]

36

مقاالت علمي - پژوهشى

جريان ســيال نخواهد داشــت و اين پديده در مديريت رســوب مطلوب خواهد بود [15و14و6].

در جــدول-1 رســوبات معمــول در ميادين نفتي به همــراه متغيرهاي اثرگذار بر آنها ارائه شده اند.

هــدف از تحقيــق حاضــر به كارگيري انواع شبيه ســازهاي تشــكيل رسوب شــامل شبيه ســاز ترموديناميكي (Scale Soft)، اختالف محدودجريــان خطــوط ،(Eclipse100) اكليپــس ،(Finite difference)(Frontsim) و شبيه ســاز واكنــش (CMG_GEM GHG) بــا هــدف

مطالعه ى پديده ى يادشده در ميدان كربناته ىA است.

A 1- ميدان كربناته ىميدان كربناته ى A با متوســط نفوذپذيري 10 ميلي دارســي و تخلخل 15 درصد از 1999 آغاز به توليد كرده اســت. متوسط فشار مخزن 4000

پام و دماى آن 110 درجه ى ســانتي گراد اســت. از 2001 آب به ميدان تزريق مي شــود. تمامي چاه هاي توليدي و تزريقي از نوع افقي و با طول متوســط يك كيلومتر هستند. طي ساليان تزريق، ميدان همواره با مشكل رسوب و در نتيجه كاهش توان توليد چاه ها روبرو بوده است (شكل-1).همان گونه كه در جدول-2 نشــان داده شــده آب سازند ممكن است با كاهش فشــار در اطراف چاه توليدي، رســوب كلســيت تشكيل داده و همچنيــن در صورت تركيب با آب دريا در شــرايط مخزن و ســطح، رسوبات ســولفات كلسيم و استرانســيوم تشــكيل دهد. آناليز رسوبات تشــكيل شــده در چاه و خطوط توليد نشــانگر وجود رسوبات كلسيت،

سولفات كلسيم و استرانسيوم است.

2- مطالعات شبيه سازيامروزه در مطالعات ريسك تشكيل رسوب، شبيه سازي جريان حركت سيال در مخزن از اهميت وي ژه اي برخوردار است. شبيه سازي هاي يادشده اطالعات مفيدي در زمينه ى محل تشــكيل رسوب در مخزن، چگونگي توســعه ى نواحي بر حسب زمان و موقعيت آن نسبت به چاه هاي توليدي

ارائه مي كند [16و14].

(ScaleSoftPitzer) 2-1- شبيه ساز ترموديناميكيبا اســتفاده از آناليز آبهاي اشــاره شــده در جدول-2، شاخص اشباع (SI)6 رسوب هاي كربنات كلسيم، سولفات كلسيم و سولفات استرانسيوم توســط شبيه ســاز ترموديناميكي (ScalesoftPitzer,1999) در شــرايط مخزن و ســرچاهي محاسبه شــد (شــكل هاي-2و3). دما و فشار مخزن 110 درجه ى ســانتي گراد و 4700 پام و دما و فشار سرچاهي 49 درجه ى ســانتي گراد و 400 پام اســت. همان گونه كه مشاهده مي شــود پتانسيل تشــكيل رســوب كربنات كلسيم هم در شــرايط مخزن و هم در شرايط ســر چاه باالست. رسوب سولفات كلســيم تنها در شرايط مخزن (نسبت آب دريا از صفر تا 0/7) تشكيل مي شود. سولفات استرانسيوم نيز تنها در

شرايط مخزن (نسبت آب دريا از 0/4 تا 0/8) تشكيل مي گردد.

P32 2 شاخص اشباع در شرايط مخزن1 افزايش برش آب و افزايش ريسك تشكيل رسوب در چاه

Sea water(ppm)Formation water (ppm)Component

2141083324Cl-

3110142SO42-

166397HCO3-

1632552Mg2+

4408917Ca2+

1200042800Na+

49988K+

0.42246Fe2+

3.3588Sr2+

-TraceLi+

42145137370TDS

8.066.52PH

2 آناليز آب سازند و دريا

37

ماهنامه علمى- ترويجى اكتشاف و توليد نفت و گاز/ شماره ى 122 / ارديبهشت ماه 1394

(Eclipse100) و اكليپس (Finit Difference) 2-2- شبيه ساز اجزاء محدودنخســتين شبيه ساز معمول، شبيه ساز اجزاء محدود است كه اطالعات مفيدي را در زمينه ى زمــان و حجم آب توليدي ارائه مي كند. به عالوه شبيه ســاز جريان محدود، نقاطى با اشباع آب زياد در مخزن و همچنين نقاطي كه در آنجا اختالط ميان آب هاي تزريقي و ســازند انجام شــده را برآورد مي كند. در آخر از شبيه ســاز يادشده مي توان جهت طراحي جاگذاري7 رســوب بازدارنده ى تشكيل رسوب در عمليات جاگذاري (Squeeze Treatment) رســوب بازدارنده ى رســوب در چاه توليدي

استفاده كرد. (Eclipse100) در مطالعه ى حاضر از شبيه ســاز نفت ســياه اكليپس[17] جهــت تطابــق تاريخچه، حجــم و زمان هاي ميان شــكني آب و همچنين نقاطي با اختالط و اشــباع زياد اســتفاده شد. به عنوان نمونه در P33 شكل-4 تطابق تاريخچه زمان ميان شكني و حجم آب توليدي چاهارائه شده است. نقاطى با اشباع آب زياد در مخزن نيز در شكل-5 نشان

داده شده اند.

(Frontsim) 2-3- شبيه ساز خطوط جرياندومين شبيه ساز استفاده شده، شبيه ساز خطوط جريان است كه جهت مطالعه ى مســير حركت در مخزن به كار مــي رود. چگالى زياد خطوط

جريان نشان دهنده ى حركت بيشتر سيال است [17و14].شبيه ساز خطوط جريان ابزاري قدرتمند جهت كّمي كردن ارتباط ميان چاه هاي تزريقي و توليدي است. ارتباط ميان چاه ها را مي توان به صورت كّمــي (از طريق متغير 8WAF) و به صورت كيفي (با اســتفاده از شــكل چگالى خطوط جريان اطراف چاه) گزارش نمود. چگالى جريان از چاه تزريقي به چاه توليدي، نشــان دهنده ى بخشــي از آب توليدي چاه است كه توســط چاه تزريقــي آمده و مي توان آن را به صــورت كّمي و كيفي گزارش كرد. در مطالعه ى حاضر از شبيه ساز Frontsim جهت محاسبه ى متغير يادشده ى اطراف چاه هاي توليدي استفاده شد. در شكل-6 چگالى خطوط جريان اطراف چاه P33 ارائه شــده است. همچنين در جدول-3

به عنوان نمونه مقادير WAF چاه P33 ارائه شده است.

(CMG-GEM) 2-4- شبيه ساز واكنش شيمياييشبيه ساز آخر، شبيه ساز واكنش شيميايي است كه با هدف مدل سازي واكنــش رســوب در مخزن، تغييــرات نفوذپذيري حاصل از تراســب رســوبات و در آخر ســير تغييرات9 آب توليدي بــه كار مي رود. جهت انجام موارد ذكر شــده از ماژول GHG شبيه ساز CMG-GEM استفاده

گرديد [19و18].با توجه به زمان هاي زياد شبيه ســازي تركيبي10 در هنگام شبيه سازي

3 شاخص اشباع در شرايط سرچاهي

P33 4 تطابق تاريخچه ى زمان ميان شكني و برش آب چاه

5 توزيع اشباع آب در مخزن

P33 6 چگالى خطوط جريان اطراف چاه

38

مقاالت علمي - پژوهشى

واكنش هاي رسوب، از مدل سكتور ميدان استفاده شد. توزيع رسوب هاي CaCO4،CaSO3 و SrSO4 اطراف چاه P33 در شكل هاي-7 تا 9 ارائه شده است. كاهش نفوذپذيري حاصل از تشكيل رسوب هاي باال نيز در

شكل-10 نشان داده شده است.

نتيجه گيري و پيشنهاد مطالعه ى يك پارچه ى شبيه ســازي رســوبات معدنــي اطالعات مفيدي را بر حســب نوع، مقدار و محل تشــكيل رســوب در مخزن

به دست مي دهد. در مطالعه ى ريســك تشكيل رسوبات معدني بهتر است از تمامي شبيه ســازها (ترموديناميكــي، اختــالف محدود، خطــوط جريان و

شبيه ساز واكنش) استفاده شود. راه حل مناسب آني كاهش ريسك تشكيل رسوب در چاه هايى با توليد آب زياد، كاهش تزريق آب در چاه هاي تزريقي اســت كه

با چاه فوق ارتباط زيادى دارند (طبق نتايج شبيه ساز جريان). ضرورى اســت مطالعه ى آزمايشــگاهي جامعى بــا هدف توليد متغيرهاي مورد نياز شبيه ساز و در نتيجه افزايش دقت شبيه سازي انجام

شود.

Contribution%Relevant injecting well/aquifer Productionwell20W31

P33

24W13

4W12

14W32

38W15

100Sum

P33 مربوط به چاه WAF 3

پا نويس ها1.Streamline2.Finite difference3.Brine4.Ionic Strength5.Incompatible

6.Saturation Index7.Placement8.Well Allocation Factors9.Evolution10.Compositional

P33 در اطراف چاه SrSO4 9 تشكيل رسوب

P33 10 (تغييرات) نفوذپذيري حاصل از تشكيل رسوب در اطراف چاه

P33 در اطراف چاه CaCO3 7 تشكيل رسوب

P33 در اطراف چاه CaSO4 8 تشكيل رسوب

39

ماهنامه علمى- ترويجى اكتشاف و توليد نفت و گاز/ شماره ى 122 / ارديبهشت ماه 1394

منــــابع [1] Vetter, O.J., Kandarpa, V., Harouaka, A., “Prediction

of Scale Problems Due to Injection of Incompatible Waters”, Journal of Petroleum Technology.34, 273-1982 ,284.

[2] Jordan, M. M., Sorbie, K. S., Jiang, P.,Yuan, M. D.,“The Effect of Clay Minerals, pH, Calcium and Temperature on the Adsorption of Phosphonate Scale Inhibitor onto Reservoir Core and Mineral Separates”, Presented at NACE 94, Baltimore Convention Centre Baltimore, MD, 28 February to 4 March, 1994.

[3] Oddo, J.E., and Tomson, M.B., “Why Scale Forms and How to Predict It”, Journal of Production and Facilities.9, 471994 ,54-.

[4] Bertero,L., Chierici, G.L., Gottardi, G., Mesini, E., Mormino, G., “Chemical Equilibrium Models: Their Use in Simulating the Injection of Incompatible Waters”, SPE Reservoir Engineering, 3, 288– 294, 1998.

[5] Civan, F., “Reservoir Formation Damage: Fundamentals, Modeling, Assessment and Mitigation”, Gulf Publishing Company, Houston, Texas, 2000.

[6] Mackay, E.J., Jordan, M.M., Feasey, N.D., Shah, D., Kumar, P., Ali, S.A., “Integrated Risk Analysis for Scale Management in Deep Water Developments”, 6th International Symposium on Oilfield Scale Held in Aberdeen, SPE 87459, UK. 2627- May, 2004.

[7] Moghadasi, J., Jamialahmadi, M., Muller Steinhagen, H.,and Sharif, A., “Formation Damage Due to Scale Formation in Porous Media Resulting From Water Injection”, SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control, SPE 86524, Lafayette, Louisiana. Feb. 182004 ,20-.

[8] Vetter, O.J., Phillips, R.C., “Prediction of Deposition of Calcium Sulfate Scale under Down-Hole Conditions”, Journal of Petroleum Technology, 22, 12991970 ,1308-.

[9] Mackay, E.J., “Predicting Insitu Sulphate Scale Deposition and the Impact on Produced Ion Concentrations”, Chemical Engineering Research and Design. 81, 3262003 ,332-.

[10] Moghadasi, J., Jamialahmadi, M., Muller Steinhagen, H., Sharif, A., Ghalambor, A.,Izadpanah, R.M., and Motaie, E., “Scale Formation in Iranian Oil Reservoir and Production Equipment During Water

Injection, SPE 80406, 5th International Oilfield Scale Symposium and Exhibition, Aberdeen, UK. , Jan. 29-2003 ,30.

[11] Stalker, R., Collins, I.R., Graham, G.M., “The Impact of Chemical Incompatibilities in Commingled Fluids on the Efficiency of a Produced Water Reinjection System: A North Sea Example”, SPE 80257, International Symposium on Oilfield Chemistry, Houston, Texas, Feb. 52003 ,7-.

[12] Mackay, J.E. and Jordan, M.M., “Impact of Brine Flow and Mixing in the Reservoir on Scale Control Risk Assessment and Subsurface Treatment Options: Case Histories”, J. Energy Resour. Technol.127, 201-2005 ,213.

[13] Taheri, A., Zahedzadeh, M., Masoudi, R., Ataei, A., Roayaei, E., Fakhri, H., “Simulation and Experimental Studies of Mineral Scale Formation Effects on Performance of Sirri-C Oil Field under Water Injection”, Iran. J. Chem. Chem. Eng. 30, 924,2011-.

[14] Mackay, E.J., Graham, G.M., “The Use of Flow Models in Assessing the Risk of Scale Damage Houston”, SPE 80252, International Symposium on Oilfield Chemistry, Texas, U.S.A., Feb. 202003 ,21-.

[15] Jordan, M. M., KEMP, S., Sorhaug, E., Sjursaether, K., FREER, B., “Effective Management of Scaling From and Within Carbonate Oil Reservoirs”, North sea Basin,Chemical Engineering Research and Design.81, 359–372, 2003.

[16] Zahedzadeh, M., Masoudi, R., Saboormaleki, M., Abbasian, S., Roayaei, E., Ashoori, S., “Feasibility Study of Produced Water Re-Injection in Siri Oil Field”, First International Petroleum Conference & Exhibition, Shiraz, Iran, 4 - 6 May, 2009.

[17] Eclipse Reference Manual, Schlumberger-GeoQuest, Houston, Tex., 2010

[18] Nghiem L., Sammon P., Grabenstetter, J., Ohkuma H., “Modeling CO2 Storage in Aquifers with a Fully-Coupled Geochemical EOS Compositional Simulator”, SPE 89474, SPE/DOE 14th Symposium on Improved Oil Recovery, Tulsa, U.S.A., 1721- April, 2004.

[19] GEM Reference Manual CMG), Computer Modeling Group, Calgary, Canada, 2010.