كنترل و بهينه‌سازی توليد نفت با فرازآوری طبيعی گاز – بخش نخست

مقدمه

مفهوم فرازآوری خودكار گاز كه به فرازآوری طبيعي و يا در جاي گاز نيز شهرت يافته است، اولين بار توسط شركت اشلمبرژه در سال ۲۰۰۲ معرفي و استفاده شد. اين شركت اين فرآيند را به عنوان جايگزيني براي فرازآوری مصنوعي گاز معرفي كرد. توليد و تزريق درون چاهي گاز نياز به بسياري از تجهيزات سر چاهي مانند كمپرسورها، جداكننده‌ها، دهيدراتورها، خطوط توزيع و … را حذف مي كند. بنابراين هزينه‌هاي مربوط به نصب و نيز تعمير و نگهداري اين تجهيزات از بين مي رود و فوايد اقتصادي قابل ملاحظهاي نسبت به روش سنتي در بر دارد. از طرف ديگر در بسياري مواقع مشكلاتي مانند قيود فشاري (تشكيل هيدرات و آسفالتين) و محدوديتهاي فضاي قابل استفاده، مانع از نصب تجهيزات در اطراف چاه ميشود. به هرحال، سيستم فرازآوری طبيعي در صورت امكان، ميتواند يك راه حل مناسب براي افزايش توليد از اين چاهها باشد. تزريق گاز توليدي به سيستم توليد نفت مي تواند از طريق شيرهاي كنترلي درون چاهي كنترل شود. سطح مقطع عبوري اين شيرها مي بايست قابل تنظيم باشد تا بتوان نرخ تزريق گاز را به شيوه موثر كنترل كرد. استفاده از شيرهاي كنترل درون چاهي به اين معني است كه چاههاي با فرازآوری طبيعي در گروه چاههاي هوشمند قرار ميگيرند. شيوه تأثيرگذاري سيستم فرازآوری طبيعي نيز مشابه با فرازآوری مصنوعي است، اگر نرخ تزريق گاز از يك نرخ بهينه بيشتر شود به علت افزايش افت فشار اصطكاكي فشار جرياني ته چاهي افزايش يافته و در نتيجه توليد كم مي شود. همچنين، با كم شدن نرخ تزريق نيز افت فشار هيدرواستاتيكي افزايش مي يابد و در نتيجه نرخ توليد نفت كم مي شود. بنابراين اين سيستم نياز به بهينه سازي دارد. اين مفهوم در قاموس مهندسي كنترل بهمعني تعيين مقادير بهينه مقدار مقررنرخ تزريق گاز و به لسان مهندسي عمومي همان بهينهسازي بههنگام (بهشرط تعريف تابع هدف اقتصادي) ميباشد.
در استفاده از سيستم فرازآوري طبيعي اولين مسئله، وجود يك منبع گاز مناسب در اطراف لايه نفتي است. در حقيقت مهمترين تفاوت بين فرازآوري طبيعي و مصنوعي، تفاوت در منبع تأمين گاز است. استفاده از تكنولوژي چاههاي انحرافي و نيز چاههاي هوشمند اين امكان را فراهم مي‌آورد كه بتوان از گاز موجود در يك لايه گازي چه بسا در فواصل نسبتاً دور از لايه نفتي براي فرازآوري طبيعي استفاده كرد. در اين گونه از تكميل چاه، گاز از ناحيه حلقوي و به شيوه كنترل شده هدايت ميشود و در نقطه‌اي مناسب به نفت موجود در لوله مغزي تزريق ميشود. در بعضي موارد از كلاهك گازي موجود به عنوان منبع گاز استفاده ميشود. در اين گونه كاربردها مسئله فرازآوري طبيعي تا هنگامي مطرح است كه پديده مخروط گازي رخ دهد. پس از اين زمان نسبت گاز به نفت سازند به مقدار كافي زياد شده و چاه جريان طبيعي خواهد داشت. اين مسئله به ويژه در لايه هاي نازك نفتي كه توسط چاههاي افقي توليد ميشوند، بسيار مورد مطالعه قرار گرفته است. نكته مهم در استفاده از كلاهك گازي به عنوان منبع گاز فرازآوري اين است كه تخليه گاز موجود در كلاهك ممكن است باعث كم شدن انرژي كلاهك شده و در مجموع باعث كاهش توليد نفت شود.
راه حلي كه براي اين موضوع پيشنهاد ميشود باز تزريق گاز خارج شده از كلاهك گازي از طريق يك چاه تزريقي
است. به طور كلي ميتوان گفت در نقطه ورود گاز به لوله مغزي، فشار مخزن گازي مي بايست بزرگتر از فشار
هيدرواستاتيكي ستون سيال در لوله مغزي باشد. البته در عمل ميبايست افت فشار شير درون چاهي براي تزريق گاز و نيز تغييرات فشار سرچاهي توليد نفت را نيز در نظر گرفت. بعلاوه، حجم گاز ذخيره شده در مخزن گازي مي بايست به اندازه‌اي باشد كه قابليت توليد و فشار مناسب را در طول زمان توليد حفظ نمايد. در صورت مهيا بودن تمام اين شرايط، نوع و تركيب گاز موجود در لايه گازي نيز ميبايست مد نظرقرار گيرد. اگر گاز موجود داراي خاصيت خورندگي باشد، سوددهي سيستم فرازآوري طبيعي ممكن است زير سوال برود.
با توجه به پيچيده بودن سيستم فرازآوري طبيعي به نظر ميرسد استفاده از يك مدل مجتمع شده كه تمام مولفه‌هاي سيستم توليد را در برداشته باشد امري ضروري است. مدلي كه بخشهاي بالادستي يعني مخازن نفتي و گازي، بخش هاي ميان دستي يعني لوله‌هاي انتقال به سطح و در صورت نياز بخشهاي پايين دستي يعني تجهيزات و خطوط انتقال سطحي را به صورت مجتمع شده مدل كند. يكي از اهداف اين تحقيق، استفاده از اين مدل مجتمع و به كار گيري آن براي بهينه سازي سيستم فرازآوري طبيعي است.

بخش تئوری

كنترلكننده كسر گاز -استفاده از شيرهاي كنترل ورود گاز (به صورت مدارباز) به داخل چاه به تنهايي براي مهار
مخزن گازي جهت استفاده در سيستم فرازآوري كافي نميباشد. در مورد سيستم فرازآوري طبيعي با گاز تغييرات
شرايط مخزن گازي اثر مستقيم بر عملكرد سيستم فرازآوري دارد. در اين تحقيق، براي بهبود كارايي سيستم فراز آوري از يك كنترلكننده پسخور از نوع تناسبي- انتگرالي – مشتقي استفاده شده است تا بتوان وضعيت شير كنترلي را به منظور ثابت نگه داشتن نسبت گاز به نفت در يك مقطع از چاه تغيير داد. ايدهاي كه در اينجا مطرح شده است اين است كه كنترل كننده از طريق تغيير سطح مقطع عبوري (شير كنترل درون چاهي) كميت كسر گاز را در مقطع چاه كنترل كند. نكته قابل ذكر اين است كه كسر گاز در مقطع اندازه گيري ناشي از گاز موجود در سازند نفتي و نيز گاز اضافه شده از طريق سيستم فرازآوري طبيعي است. بنابراين به عنوان مثال اگر نسبت گاز به نفت سازند در طول توليد زياد شود كنترل كننده در جهت كاهش گاز وارد شده از سيستم فرازآوري طبيعي عمل خواهد كرد و برعكس. اگر امكان اندازهگيري و كنترل در جا فراهم نباشد، ميتوان از نسبت گاز به نفت بدست آمده در سطح بهصورت كنترل استنباطي استفاده كرد و شير كنترلي درون چاهي را نيز از سطح تغيير داد. البته استفاده از اندازه گيري درجا ميتواند نتايج بهتري حاصل كند. چرا كه اولين مزيت اندازه گيري و كنترل در جا، حذف تاخيرانتقالي در حلقه كنترلي و در نتيجه بهبود پروسه كنترل و بهبود نتايج بهينه سازي خواهد بود. به‌طور خلاصه، حلقه مداربسته شامل جفتسازي متغير كنترلشونده فشار(يا كسر گاز) و متغير كنترلكننده نرخ تزريق و كنترلر پسخور ميباشد.
در اين تحقيق، كنترل كننده در محيط نرم افزار MATLAB طراحي شده است و از طريق ارتباط مكرر با شبيه ساز، كنترل كسر گاز را انجام ميدهد. شكل ارتباط كنترلكننده با شبيه ساز را به صورت شماتيك نشان مي دهد. كسر گاز متغير در زمان (y(t به عنوان سيگنال بازخوردي مورد استفاده قرار ميگيرد. سيگنال خطا بر اساس مقايسه بين (y(t و ميزان مطلوب ) r (مقدار مقرر) به صورت زير محاسبه ميشود:

سيگنال خطاي فيدبك كه يك محاسبه‌ي مستقيم از ميزان دوري كسر گاز از ميزان مطلوب است، به عنوان ورودي به كنترلكننده داده ميشود. براي كنترل كننده PID ميتوان رابطه زير را بين ورودي و خروجي كنترل كننده بیان کرد

نكته مهم طراحي پارامترهاي كنترلكننده يعني KI ، Kp و KD است. طراحي ميبايست به گونه‌اي باشد كه اولاً
كنترلكننده پايدار باشد و ثانياً بتواند در زمان نسبتاً كمي سيگنال خطا را به صفر نزديك كند. براي تنظيم پارامترهاي
كنترلكننده روشي سنتي به نام زيگلر – نيكولز وجود دارد. اين روش اگر چه ميتواند شروع خوبي براي طراحي باشد ولي معمولاً براي مسئله مورد بررسي عملي نميباشد و طراحي كنترلكننده را بايد به صورت سعي و خطا انجام داد.
در اين تحقيق بهينه‌ساز به صورت روز به روز خروجي شبيه ساز را دريافت كرده و مقدارمقرر بهينه مورد نياز كنترلر را توليد ميكند. براي پياده سازي چنين ايده‌اي از امكانات Restart در شبيه ساز Eclipse استفاده شده است. شبيه ساز Eclipse داراي اين قابليت است كه شبيه سازي را تا يك زمان معين پيش ببرد و اطلاعات اين شبيه سازي را در فايلي با پسوند RST حفظ نمايد. اين فايل RST توسط فايل ورودي ديگري قابل فراخواني است و امكان ادامه دادن شبيه‌سازي را بدون نياز به شبيه‌سازي مجدد از زمان صفر فراهم ميآورد. با اين قابليت ميتوان شبيه سازي را يك روز به پيش برد، سپس شبيه‌سازي را متوقف كرد، ميزان كسر گاز مطلوب را به عنوان ورودي براي كنترل كننده محاسبه كرد، وسپس با توجه به خروجي كنترلكننده وضعيت شيرها را به منظور كنترل كسر گاز تغيير داد و سپس مجدداً شبيه سازي را از همان زمان متوقف شده يك روز ديگر پيش برد و پروسه ذكر شده را تكرار كرد.