مقدمه
استخراج نفت از مخازن کربناته با چالشهایی همراه است. مهمترین این چالشها شامل انسداد مسیرهای جریان به دلیل رسوبات و کاهش تراوایی است. رسوبات میتوانند شامل ذرات جامد، کلسیت، دولومیت یا مواد آلی ناشی از فرآوردههای نفتی باشند که در نزدیکی چاه تجمع میکنند. این مشکلات باعث کاهش کارایی مخازن و افت تولید نفت میشوند. اسیدکاری یکی از موثرترین روشهای تحریک چاه است که تراوایی را بازگردانده و تولید را بهبود میبخشد. این روش با تزریق اسید و واکنش آن با رسوبات مسدودکننده، مسیرهای جریان را باز کرده و نفوذپذیری محیط را افزایش میدهد. با افزایش تقاضای انرژی و کاهش ذخایر متعارف، بهینهسازی فرآیندهای استخراج از مخازن کربناته ضروری است. یکی از روشهای پیشرفته در این زمینه، مدلسازی و شبیهسازی دقیق با ابزارهایی مانند COMSOL Multiphysics است. این ابزار امکان تحلیل فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی را در محیطهای متخلخل فراهم میکند.
در این پژوهش، سه الگوی جریان اسیدکاری شامل کرمراهه، انحلال یکنواخت و انحلال سطحی بررسی شدهاند. مطالعات پیشین نشان میدهند که نرخ تزریق اسید، نقش مهمی در شکلگیری این الگوها دارد. نرخهای مختلف تزریق میتوانند تأثیر مستقیم بر تراوایی و عملکرد مخزن داشته باشند. در این پروژه، تلاش شده تا با مدلسازی دقیق، فرآیندهای انحلال سازند شبیهسازی شوند. نتایج این مطالعه میتواند به بهبود طراحی و عملکرد عملیات اسیدکاری در مخازن کربناته کمک کند و بهرهوری این روش را افزایش دهد.
روششناسی و مدلسازی
در این پروژه، مدلسازی پیوسته بهعنوان رویکرد اصلی برای شبیهسازی فرآیند اسیدکاری انتخاب شده است. این روش به دلیل توانایی بالا در تحلیل دقیق فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی در محیطهای متخلخل مورد استفاده قرار گرفته است. مدلسازی شامل مجموعهای از معادلات فیزیکی است که رفتار جریان سیال، انتقال جرم و تغییرات ساختاری محیط متخلخل را توصیف میکند.
شبیهسازی جریان با معادله دارسی
برای مدلسازی جریان سیال در محیط متخلخل، از معادله دارسی استفاده شده است که ارتباط بین سرعت جریان، تراوایی محیط، ویسکوزیته سیال و گرادیان فشار را نشان میدهد.
در این پروژه، مقادیر تراوایی و گرادیان فشار با استفاده از دادههای واقعی و شبیهسازی عددی محاسبه شدهاند. نتایج این بخش نشان دادهاند که کاهش تراوایی در برخی نقاط محیط منجر به افزایش گرادیان فشار میشود که به وضوح در نقشههای دوبعدی فشار و سرعت قابل مشاهده است.
انتقال جرم و واکنشهای شیمیایی
برای بررسی نفوذ و واکنش شیمیایی اسید در محیط متخلخل، از معادله انتقال جرم استفاده شده است. این معادله، تأثیر جابجایی، نفوذ و واکنش شیمیایی بر غلظت اسید را توصیف میکند. به کمک این مدل، توزیع غلظت اسید در طول زمان و عمق مخزن شبیهسازی شده است. شبیهسازیها نشان دادهاند که غلظت اسید در نزدیکی سطح ورودی مخزن بیشتر بوده و با نفوذ به عمق مخزن کاهش مییابد.
تغییرات تخلخل و تراوایی در واکنشهای اسیدی
واکنشهای شیمیایی بین اسید و سنگ مخزن باعث تغییرات ساختاری در محیط متخلخل میشود. این تغییرات شامل افزایش یا کاهش تخلخل و تراوایی است که بهصورت ریاضی مدلسازی شدهاند. دادههای بهدستآمده نشان میدهد که نرخ واکنشها و سرعت جریان اسید تأثیر مستقیم بر این تغییرات دارند. بهعنوان مثال، نرخ تزریق پایین اسید موجب افزایش تراوایی در نواحی نزدیک به ورودی میشود، در حالی که نرخ تزریق بالا باعث ایجاد الگوهای غیر یکنواخت میگردد.
برای شبیهسازی، از پارامترهای ثابت و متغیر زیر که در جداول با توضیحات بیشتر تعریف شدهاند استفاده شده است:
- تراوایی اولیه: خاصیت ذاتی محیط برای عبور سیال.
- تخلخل اولیه: درصد فضای خالی موجود در سازند.
- غلظت اسید تزریقی: مقدار اولیه اسید در محلول تزریقی.
- سرعت تزریق: نرخ ورود سیال به مخزن.
ابزار و تنظیمات مدلسازی
مدلسازی با استفاده از نرمافزار COMSOL Multiphysics ورژن 4.4 و 5.4 انجام شده است. این نرمافزار امکان حل همزمان معادلات دیفرانسیل پیچیده را با روش اجزای محدود (FEM) فراهم میکند. برای دقت بیشتر در شبیهسازی، از شبکهبندی ریز و تنظیمات دقیق در حل معادلات استفاده شده است. نتایج مدلسازی تغییرات ساختاری در محیط متخلخل را شبیهسازی کرده و امکان تحلیل تأثیر نرخ تزریق اسید بر الگوهای جریان را فراهم میآورد.


نتایج و تحلیل
الگوهای انحلال در فرآیند اسیدکاری
نتایج شبیهسازی نشان میدهد که نوع الگوی انحلال به نرخ تزریق اسید وابسته است. سه الگوی اصلی شناسایی شده عبارتند از:
انحلال سطحی
در نرخهای تزریق پایین، نفوذ اسید محدود به سطح ورودی سازند است. در این حالت، واکنش شیمیایی به طور کامل در نزدیکی سطح رخ میدهد و تغییرات یکنواختی در ساختار متخلخل سنگ ایجاد میشود. شبیهسازیها نشان میدهند که این نوع انحلال موجب افزایش تراوایی در نواحی نزدیک به چاه میشود اما نفوذ اسید به عمق مخزن محدود باقی میماند. این رفتار معمولاً زمانی رخ میدهد که سرعت تزریق پایین و غلظت اسید نسبتاً بالا باشد. به عنوان مثال، در یکی از آزمایشات مدلسازی، تراوایی در سطح ورودی بیش از 30 درصد افزایش یافت در حالی که تغییرات عمقی بسیار محدود بود.
کرمراهه
در نرخهای تزریق بهینه، اسید از طریق مسیرهای شاخهمانند معروف به کرمراههها به عمق مخزن نفوذ میکند. این ساختارها ناشی از تعادل میان واکنش شیمیایی و نفوذ در سازند متخلخل هستند و موجب ایجاد بیشترین تغییرات در تراوایی میشوند. کرمراههها، با داشتن مسیرهای نفوذ عمیق و کنترلشده، منجر به بازدهی بالای اسیدکاری و کاهش مصرف اضافی اسید میشوند. شبیهسازیها و دادههای تجربی نشان دادهاند که این الگو در نرخ تزریقی حدود 5 میلیلیتر بر دقیقه به بهترین شکل ظاهر میشود. علاوه بر این، مطالعه عمق نفوذ کرمراههها تأیید کرده است که تراوایی در این حالت میتواند تا 200 درصد افزایش یابد.
انحلال یکنواخت
در نرخهای تزریق بالا، سرعت جریان اسید به حدی زیاد است که واکنش شیمیایی فرصت کافی برای تکمیل ندارد. اسید به سرعت از میان سازند عبور کرده و بخش عمدهای از مواد شیمیایی بدون تأثیرگذاری به هدر میرود. در این حالت، تغییرات تراوایی محدود به بخشهایی از سازند است که در تماس مستقیم با اسید قرار گرفتهاند. به طور خاص، در شبیهسازیهای مربوط به این حالت، تنها 10 تا 15 درصد از حجم سازند تحت تأثیر قرار گرفته و بخش عمده اسید مصرفی بدون تأثیر قابل توجهی هدر رفته است.
توزیع فشار و سرعت در محیط متخلخل
یکی از مهمترین نتایج این پروژه، شبیهسازی دقیق توزیع فشار و سرعت در محیط متخلخل بود. این شبیهسازیها:
- نشان دادند که گرادیان فشار در نزدیکی نقاط دارای نفوذپذیری کمتر به شدت افزایش مییابد.
- مسیرهای جریان سیال را در محیط متخلخل مشخص کردند، که به تشخیص نقاط با مقاومت بالا در برابر جریان کمک کرد.
برای درک بهتر این نتایج:
- نقشههای فشار و سرعت در مقاطع مختلف محیط ترسیم شدند.
- تغییرات سرعت و فشار به صورت نمودارهای دوبعدی و سهبعدی ارائه شد که نشاندهنده رفتار جریان در شرایط مختلف بود.
اثر پارامترهای فیزیکی و شیمیایی
تغییرات در نفوذپذیری، تخلخل و ویسکوزیته سیال اثرات قابلتوجهی بر رفتار سیستم دارند. بهعنوان مثال، افزایش ویسکوزیته سیال موجب کاهش عدد پکلِت و تغییر مسیر جریان شده است.
مقایسه نتایج با دادههای تجربی
تحلیل نتایج شبیهسازی در مقایسه با دادههای آزمایشگاهی نشان میدهد که مدلسازیها توانستهاند رفتار واقعی را با دقت بالایی پیشبینی کنند. به عنوان مثال، عمق نفوذ کرمراههها و افزایش تراوایی در مدلسازی با دادههای تجربی تطابق کامل دارد.
نتیجهگیری
این پژوهش با استفاده از شبیهسازی دقیق، الگوهای جریان و واکنش شیمیایی در فرآیند اسیدکاری را به طور جامع بررسی کرده است. نتایج نشان میدهد که نرخ تزریق بهینه نقشی کلیدی در بازدهی فرآیند دارد و انتخاب مناسب آن میتواند مصرف اسید را کاهش داده و بهرهوری را افزایش دهد. شبیهسازیها همچنین توانستهاند رفتارهای پیچیده محیط متخلخل را با استفاده از نرمافزار COMSOL به طور دقیق تحلیل کنند. این نتایج میتوانند مبنای طراحیهای صنعتی و بهبود فرآیندهای اسیدکاری در مخازن کربناته باشند.
شبیه سازی فرآیند اسیدکاری مخازن کربناته در نرم افزار کامسول
در این پروژه، فرآیند اسیدکاری مخازن کربناته با مدلسازی دقیق در نرمافزار کامسول ورژن 4.4 و 5.4 بررسی شده است. نتایج نشاندهنده اهمیت نرخ تزریق اسید در شکلگیری الگوهای انحلال مانند کرمراههها و بهینهسازی تراوایی مخزن است.