<p style=”direction: rtl;”>استخدام المضخات الهيدروليكية المكبسية للإنتاج الميكانيكي للنفط
ملاحظة مهمة: هذا المقال حصري لموقع AONG ، لا يمكن نقله وإعادة نشره في موقع آخر إلا بذكر رابط المقال .
مقدمة عامة :
إن كميات النفط المنتجة في العالم وبنسبة تتراوح بين %95-90 تنتج بطرق الإنتاج الميكانيكي المتعددة، كما أن لكل طريقة من طرق الإنتاج الميكانيكي سواء كانت طريقة الإنتاج بالضخ المعلق B.P أو الإنتاج بواسطة المضخات الجوفية الكهربائية الغاطسةESP أو الإنتاج بالمضخات الحلزونية الدورانية PCP أو الإنتاج بالمضخات الهيدروليكية المكبسية لها شروط استخدام وعناصر للتشغيل كما لها جملة من المحاسن والمساوئ ،يعتبر مهندس الإنتاج هو المسؤول الأول عن اختيار طريقة الإنتاج استناداً على المعطيات الخزنية والصفات الفيزيائية والكيميائية للموائع المراد إنتاجها وكذلك المواصفات الخزنية للطبقات الحاملة ومعطيات اختبار الآبار، وعليه أن يحدد نظام العمل المشترك لجملة طبقة – بئر بعد تحديد نوع وعمق تثبيت المضخة المختارة وملحقاتها التكنولوجية بهدف تحقيق الإنتاج الأمثل الذي يحقق الكسب المادي والزمني.
إن اختيار أداة الإنتاج يتم بعد الإلمام بكل معطيات ملف البئر المراد الإنتاج منه سواء فيما يتعلق بالطبقة الحاملة للموائع أو الحالة التكنولوجية للبئر المحفورة في هذه الطبقة، وتلعب فيها دوراً كبيراً الخبرة العملية والحسابات التصميمية للأقسام السطحية والجوفية للوحدة المختارة واستخدام المعطيات الحديثة بما فيها برامج التشغيل وبرامج الصيانة والقدرة على حل كافة صعوبات ومشاكل الإنتاج خاصة تلك التي تحصل في الأجهزة الجوفية المنزلة في عمود البئر.
وسنركز في هذا المقال على الإنتاج الميكانيكي للنفط باستخدام المضخات الهيدروليكية المكبسية من حيث مبدأ عمل هذه المضخات و أقسامها الأساسية وملحقاتها و سنتطرق إلى أبرز المحاسن و المساوئ و حدود استخدامها التي من شأنها أن تدل إلى مدى فعالية هذه المضخات في عمليات إنتاج النفط في الحقول النفطية .
المفهوم العام للمضخات الهيدروليكية المكبسية :
تعتبر المضخات الهيدروليكية المكبسية من طرق الرفع الصناعي المفضلة و الأقل كلفة على الإطلاق عند التعامل مع الآبار ذات المحتوى العالي من الغاز إلى السائل (GLR : Gas Liquid Ratio)، و خصوصا عندما تكون الإنتاجية المثلى المراد تحقيقها قليلة (اقل من 200BPD ) و عند وجود البارافينات القادرة على الترسب على جدار البئر عند الإنتاج من الأبار.
و بوجود الآبار ذات الضغط و المحتوى الغازي الكبيرين يكون الجريان الضبابي هو المسيطر (الماء و المكثفات الغازية مبعثرة في الغاز)، و مع الزمن تنخفض سرعة الغاز المنتج كانعكاس لانخفاض الضغط الطبقي و تقل قدرة الغاز على حمل ( السائل و المكثفات )، و عند انخفاض سرعة الغاز إلى السرعة الحدية يبدأ السائل بالتجمع بالبئر و يتغير نظام الجريان في البئر إلى الشكلين الحلقي و الكتلي و بانخفاض الضغط أيضاً يبدأ ظهور النظام الفقاعي و يتوقف الإنتاج كما في الشكل التالي :
يؤدي تراكم السوائل في قاع البئر إلى زيادة ضغط قاع البئر وفي نفس الوقت يتناقص إنتاج الغاز، مما يؤدي إلى تناقص سرعة الغاز أكثر فأكثر، و بالتالي ينفصل الغاز على شكل فقاعات ( جريان فقاعي ) ولن يكون بالإمكان استمرار رفع السائل ( يتوقف تدفق السائل من البئر).
لحل مشكلة الإنتاج هذه لا بد من إعادة دفع كل من السائل إلى السطح و ذلك من خلال بناء الضغط في أسفل مواسير الإنتاج و في الفراغ الحلقي بين مواسير الإنتاج و التغليف و كان لا بد من التقدير الصحيح للزمن اللازم لبناء الضغط اللازم ، و أكبر الصعوبات التي واجهت انجاز الحسابات التقنية للرفع الهيدروليكي المكبسي هي التقدير الدقيق لمقدار ضغط قاع البئر اللازم للرفع بوجود جریان متعدد الأطوار و هذا ما استطاع العالمان Guo and Ghalarnbor إنجازه في عام (2005) ، حيث تمكنا من تقدير الطاقة الحركية اللازمة لرفع السائل في جریان ضبابي لأربعة أطوار (غاز و نفط و ماء و معلقات صلبة ) ، و منه تم الحصول على معادلة الجريان التي تتنبأ بحجم الغاز الأصغري اللازم لهذا الجريان، و من خلال التطبيق العملي لهذه المعادلات تبين أنها الأدق و أن الشروط الجوفية المتحكمة بالإنتاج هي شروط قاع البئر حيث يكون الضغط كبيرا أما الطاقة الحركية فهي صغيرة.
مبدأ عمل المضخات الهيدروليكية المكبسية (Working Principle):
نظام وحدة ضخ هيدروليكية مكبسية يستخدم فيها مكبس قادر على الحركة بحرية في تشكيلة مواسير الإنتاج في البئر. تستخدم هذه التقنية طاقة البئر نفسه عند وجود جریان فقاعي أو كتلي، و الغاية من استخدام هذه التقنية هي كغيرها من تقنيات الرفع الصناعي الأخرى و هي رفع السوائل من البئر إلى السطح و ذلك بوجود ضغط صغير لقاع البئر لا يكفي للرفع الذاتي، يتم في هذه التقنية إسقاط المكبس (Plunger) (و الذي هو عبارة عن قطعة فولاذية ) في مواسير الإنتاج إلى قاع البئر مع إمكانية رجوع هذا المكبس إلى السطح.
يشكل المكبس سطح عازل بين السائل و الغاز، و يتم استخدام طاقة البئر بفعالية لإخراج السائل من البئر( و يتغير دور المكبس هنا إلى إزالة السوائل من الآبار) ، عند عدم وجود المكبس في البئر تكون سرعة الغاز عالية، أما بوجود المكبس فقد تكون سرعة حركة الغاز قليلة جدا و يعمل بقاء و وجود المكبس في قاع البئر على احتجاز ضغط الغاز إلى الحد الذي يكفي لرفع المكبس و كتلة السائل أعلى منه حتى السطح و تكون العملية الإنتاجية مبنية من فترات إغلاق و فترات جریان، و تقسم فترة الجريان التدفق إلى فترة عدم إنتاج و فترة جريان ( تدفق ) بعد وصول المكبس إلى السطح. و يعتمد طول هذه الفترات على القدرة الإنتاجية للأبار و على الضغط الممكن بناؤه فيها ، تبدا الدورة الزمنية في هذه التقنية بفترة التوقف التي تسمح للمكبس بالنزول إلى قاع البئر وفي نفس الوقت تبدأ عملية بناء ضغط ( استعادة ضغط الغاز قرب قاع البئر و في الفراغ الحلقي و تحت المكبس .
ولا بد من أن يكون الزمن كافية لاستعادة الضغط اللازم و الكافي لرفع المكبس و السائل فوقه حتى السطح و متغلبا كذلك على عوامل الاحتكاك على طول مواسير الإنتاج و ضغط رأس البئر اللازم و عند الوصول إلى الزمن الكافي لاستعادة. هذا الضغط يبدأ تفريغ السائل من البئر ، يصعن أو الغاز أعلى المكبس بسرعة إلى خط الإنتاج فكتلة السائل فالمكبس ، و هكذا تحدث عملية تفريغ السائل من البئر و يحدث الجريان مع بقاء المكبس في السطح إلى أن تنخفض سرعة السائل و معدل الجريان لأقل من القيمة الحدية و يسقط المكبس في البئر مرة أخرى، و تتراكم كتلة من السائل فوقه، و.. هكذا و تتكرر العملية يومياً و بمعدل وسطي (3 – 4 )مرات في اليوم حتى يتمكن البئر من استعادة الضغط.
تترافق العملية الإنتاجية مع ارتفاع الضغط في الفراغ الحلقي لأعلى من الضغط عند رأس البئر و فرق الضغط يكون مساوية الضغط الهيدروستاتيكي للسائل في مواسير الإنتاج، و عندما يفتح البئر (ينتج ) ينخفض ضغط مواسير الإنتاج إلى قيمة ضغط خط الإنتاج (Flow Line Pressure) و بسرعة و يبدا الانخفاض لحظة وصول المكبس أو بعدها بقليل ، بينما يكون انخفاض ضغط الفراغ الحلقي أبطأ و كل هذا يترافق مع إنتاج الحد الأدنى من السائل في مواسير الإنتاج، وخلال فترة إغلاق البئر يكون بناء الضغط في الفراغ الحلقي أسرع ( و يتبع ذلك علاقة الجريان الداخلي و الضغط الطبقي ) وسيزداد ضغط مواسير الإنتاج لأكثر من ضغط خط الطرد (Flow line) وقت انقطاع جريان الغاز متتبعا ضغط الفراغ الحلقي ببطء و مقللا من كتلة السائل و بعدها يبدا تزايد الضغط في الفراغ الحلقي وصولا إلى الضغط الأعظمي حتى يفتح البئر مرة أخرى ، و كحال أغلب الآبار التي تعمل بالرفع الهيدروليكي المكبسي فهذه الآبار تعمل بأقل ضغوط تشغيلية لقاع البئر.
في الرفع الهيدروليكي المكبسي يتم الحصول على ضغط قاع البئر الأصغري اللازم للرفع من خلال إغلاق البئر لزمن إغلاق معتبر ، و التطبيق العملي لهذه التقنية يؤكد أنه للحصول على معدلات إنتاج أكبر من كتل السائل فإنه لا بد من توفر ضغوط أكبر قاع البئر و الذي يمكن أن يتحقق من خلال زيادة فترة إغلاق البئر، أما الهدف من تقنية الرفع المكبسي فهو إغلاق البئر لأقل فترة لأجل إنتاج الكمية اللازم رفعها من خلال ضغط قاع البئر الأصغري الذي تمت استعادته.
و تتعلق الإنتاجية بزمن الجريان ( التدفق ) خلال وبعد وصول المكبس إلى السطح و بشكل عام فإن فترات التدفق الصغيرة تتوافق مع معدلات إنتاج قليلة و فترات التدفق الطويلة تتوافق مع إنتاجيات أكبر، و للتحكم بالإنتاجية لابد من التحكم بزمن التدفق. كذلك تتعلق الإنتاجية بمحتوى السائل من الغاز GLR))، و بزیادة محتوى السائل المنتج من الغاز يزداد طول فترات الجريان و تقل فترة التوقفات عن الإنتاج و تقل بذلك عدد دورات المكبس في اليوم إلى دورة أو دورتين وعلى العكس فإن الآبار ذات المحتوى القليل من الغاز إلى السائل (GLR) قد لا تتمكن من الإنتاج بعد وصول المكبس إلى السطح، و قد يحقق المكبس ما يقارب (25) دورة في اليوم إذا تم تشغيل البئر فقط من أجل الزمن الأصغري اللازم للتشغيل، أما إذا تم إغلاق البئر زمنا أكبر من الزمن الأصغري فقد يكون هناك إنتاج بسيط أو قد يتوقف الإنتاج بعد وصول المكبس إلى السطح.
محاسن استخدام وحدات الضخ الهيدروليكية المكبسية :
1-تعتبر التكاليف الرأسمالية و التشغيلية قليلة جداً و هي الأقل بين طرق الرفع الصناعي .
2-ذات فعالية ممتازة، إذ لا توجد طاقة مصروفة للحصول على السائل المنتج، و الاعتماد في الإنتاج على طاقة البئر نفسه.
3- تعتبر المفضلة عندما يراد تشغيل الآبار الإنتاجيات قليلة (BPD100).
4-يمكن استخدامها في آبار ذات مواسير تغليف صغيرة القياس.
5-سهلة التشغيل و التصميم ، و يعتبر كل بئر كنظام مستقل لا يؤثر على غيره.
6-تحتاج لضغط تشغيل عند مقعد المكبس قليل، و أقل من Psi150 .
7-لا تحتاج أي محرك أو أية طاقة للتشغيل.
8-تحتاج لحيز عمل صغير و الضجيج الناتج عن عمل البئر قليل.
9-ممتازة جدا عند وجود الكميات الكبيرة من الغاز في النفط أو السائل ((GLR)) .
10-من الممكن استخدامها في الآبار البحرية بشرط صحة التصميم .
11-ممتازة من أجل الإنتاج من الآبار المائلة و الأفقية.
12-ممتازة للإنتاج من الآبار ذات الترسبات البارافينية و القشرية .
13-يمكن تشغيلها عند مختلف درجات الحرارة في الآبار.
مساوئ استخدام وحدات الضخ الهيدروليكية المكبسية :
1-زيادة تكاليف الصيانة و الإصلاح التي تنتج عن استعصاء المكبس
2-من الصعب التحكم بالإنتاج و بعدد دورات العمل اليومية.
3-لا يمكن أن تستخدم لرفع النفط اللزج.
4-لا يمكن استخدامها لإنتاج أكثر من (BPD200).
5-انتشارها العالمي قليل بسبب قلة التصاميم و قطع التبديل .
6-لم تستخدم في الآبار ذات مجموعتي مواسير إنتاج .
7-لا يمكن استخدمها للإنتاج من الآبار ذات المحتوى الرملي مهما كان قليل.
حدود استخدام وحدات الضخ الهيدروليكية المكبسية :
1-قياس مواسير التغليف متنوع ، و من الممكن استخدام القياسات الصغيرة أقل من (inch 4.5 )
2-العمق الأعظمي 10000 قدم .
3-ضغط مدخل المضخة الجوفية أقل من( 150 Psi ) ولكن لابد من وجود محتوى مناسب من الغاز( GLR ).
4-حدود الإنتاجية بهذه التقنية 200 – 2 BPD .
5-يمكن استخدامها عند مختلف درجات الحرارة .
6-تحتاج إلى إنجاز الحسابات التصميمية لكل بئر على حدا لاختيار الجدود المثلى للتشغيل و التصميم البسيط ولكن قد تحدث مشاكل استعصاء للمكبس .
المراجع:
– هندسة إنتاج النفط – 2 د. ديب – ديب – منشورات جامعة البعث – الجمهورية العربية السورية .
– Herriot wat university – production engineering – part 2
– دراسة بعض طرق الإنتاج الميكانيكي للنفط في بعض الحقول العربية – رسالة نيل درجة بكالوريوس في هندسة النفط .
ملاحظة مهمة: هذا المقال حصري لموقع AONG ، لا يمكن نقله وإعادة نشره في موقع آخر إلا بذكر رابط المقال .