Surface Facilities in Oil & Natural Gas Production Part.1
أن آبار النفط أو الغاز تنتج مزيج من الغازات الهيدروكاربونية والمكثفات، أو النفط ، والماء مع بعض المعادن الذائبة و كمية من الأملاح وبعض الغازات الأخرى، مثل النتروجين، ثاني أوكسيد الكربون (CO2)، وربما كبريتيد الهيدروجين (H2S)، والمواد الصلبة، بما في ذلك الرمل والشوائب من تآكل الأنابيب.
من أجل الحصول على النفط والغاز بكميات تجارية ليتم بيعها، يجب فصلها عن الماء والمواد الصلبة وبيعها ونقلها عبر خط أنابيب أو الشاحنات أو السكك الحديدية، أو ناقلات النفط الى المستخدم النهائي أما تصدير الغاز فيقتصر عادة على خطوط الأنابيب ولكن يمكن أيضا أن يشحن في الشاحنات او الناقلات وعربات السكك الحديدية بعد ضغطه وتحويله الى الغاز الطبيعي المسال (LNG).
أن الهدف من هذه المنشآت هو انتاج النفط الذي يلبي مواصفات المستهلك والتي تحدد الحد الأقصى المسموح به من الماء والأملاح، أو غيرها من الشوائب. وبالمثل، لا بد من معالجة الغاز لتلبية مواصفات المستهلك من نسبة بخار الماء المسموحة ونقطة الندى Dew Point للحد من التكثيف أثناء النقل. أما الماء المنتج Produced Water فيجب أن يكون مطابقاً للمواصفات البيئية للتخلص منها في المحيط في حالة الآبار البحرية Off-Shore wells أو الحقن الى المكمن بالشكل الذي يضمن عدم حصول أنسداد في مسامات المكمن. كما يمكن أستخدامه لاستخدامات أخرى، مثل تجهيزه الى المراجل الحرارية Boilers أو أستخدامه لأغراض الري أو ماء للشرب في بعض الأحيان .
وتسمى هذه المعدات بين الآبار وخطوط الأنابيب، أو غيرها من نظام النقل Transportation System تسمى منشأت سطحية لحقول النفط.
أن المنشأت السطحية لحقول النفط تختلف عن المصافي أو مصانع المواد الكيميائية في أمور كثيرة. حيث تكون أبسط منها، وتتألف من وحدات الفصل Phase Separation وتغير درجة الحرارة وتغييرات الضغط، ولكن تختلف معها في التفاعلات الكيميائية لصنع جزيئات جديدة.
وفي المصافي يجب معرفة معدل التدفق المغذي للمصفى ومكوناته قبل التصميم. أما في الحقول النفطية فأن المكونات يتم تقديرها إستناداً الى اختبارات الأنتاج من الآبار الاستكشافية Exploration Wells أو من آبار موجودة في حقول مشابهة.
وتقدر معدلات التدفق التصميمية من سجلات الآبار ومن خلال محاكاة المكامن Reservoir Simulation . وحتى لو كانت التقديرات جيدة، فأن معدلات التدفق (الغاز والنفط، والماء) والضغوط ودرجات الحرارة تتغير طوال عمر المكمن مع تقادم الآبار وحفر آبار جديدة.
ويتم مراعاة أقصى معدل تخميني للتدفق عند التصميم على أساس عدد الآبار، ومخططات الإنتاج Production Profile ومجموع النفط أو الغاز التي يمكن أن تنتج من المكمن.
أن معدلات الإنتاج الفعلي للمنشآة النفطية ستزيد مع إكمال الآبار وصولاً الى المعدلات التصميمية. ويتم الحفاظ على هذا المعدل لأطول فترة ممكنة من خلال حفر آبار إضافية وبعد ذلك تبدأ معدلات النفط والغاز بالتراجع، وأنتاج الماء في الزيادة، بالأضافة الى أنخفاض ضغوط الجريان مع استنزاف عمر المكمن. لذا يجب تصميم المعدات في المنشآة النفطية للتعامل مع مدى واسع من معدلات التدفق ، ودرجات الحرارة والمكونات المتغيرة.
تعريف لبعض المصطلحات :
النفط الخام Crude Oil هو مجموعة الهيدروكربونات السائلة المنتجة من المكمن.
المكثفات Condensate هي السوائل الهيدروكربونية المتكثفة من الغاز بأنخفاض الضغط ودرجات الحرارة عند أنتاج الغاز من المكمن خلال الأنبوب والصمام الخانق في الآبار. وتكون المكثفات عادة أفتح لونا وأقل في الوزن الجزيئي واللزوجة من النفط الخام. ويمكن أن يكون للنفط الخام الخفيف خصائص مشابهة للمكثفات.
وتتكون الهيدروكربونات من العديد من العناصر المختلفة أو جزيئات من الكربون وذرات الهيدروجين. بدءا من ذوات الوزن الجزيئي الأقل ، وهي الميثان CH4 الإيثان(C2H6) والبروبان (C3H8) والبيوتان (C4H10)، البنتان (C5H12)، الهكسان (C6H14) صعوداً. وبصعود نسبة ذرات الكربون إلى ذرات الهيدروجين فأن الجزيئات تصبح “أثقل” ويكون لها ميل أكبر في الوجود كسائل بدلا من الغاز.
المنشأت السطحية في حقول النفط Oil Field Facility هي عبارة عن مجموعة من المعدات التي تستخدم لفصل السوائل المنتجة من البئر النفطي أو الغازي الى مكونات مختلفة يمكن بعد ذلك بيعها وإرسالها إلى معمل معالجة الغاز Gas Plant أو المصفى Refinery للمزيد من المعالجة.
محاكاة العملية Process Simulation وهي حسابات تتم عادة بواسطة برنامج كمبيوتر يتنبأ بالمكونات المنتجة من البئر ويتفاعل هذا البرنامج مع التغيرات في الضغط ودرجة الحرارة التي يتم معالجتها في هذه المنشآة.
وهذا ليس تفاعل كيميائي، بل تغير بسيط في الأطوار من خلال تحول السوائل إلى بخار قد تتكثف الى سائل. ومع تقليل الضغط وزيادة درجة الحرارة فأن الجزيئات الأخف وزنا مثل الميثان والإيثان تميل إلى التحول الى الطور البخاري أما معظم الجزيئات الأثقل فتستقر على شكل سوائل.
أن الرواسب والماء (BS & W) هو النسبة المئوية للماء والشوائب الموجودة في النفط. ويجب أن تتراوح بين 0.1 الى 3% ، وتصل النسبة الى 1% حجماً في خليج المكسيك Gulf of Mexico .
نقطة الفقاعة bubblepoint هو الضغط التي تبدأ فيه أول قطرة من السائل الهايدروكاربوني بالظهور في الطور السائل بصعود درجة الحرارة أو خفض الضغط. أن نقطة الفقاعة للسوائل الهيدروكاربونية دالة لدرجة الحرارة والضغط، ومكونات السائل.
ضغط ريد البخاري Reid Vapor Pressure هو الضغط الذي يبدأ فيه الهيدروكربون السائل بالتحول الى بخار في ظل ظروف محددة. ويمكن قياس ذلك في الحقل وفقا لقاياسات الجمعية الأمريكية للأختبارات والمواد القياسية ASTM وأحتساب النتائج في ضغط أقل من الضغط البخاري الحقيقي.
نقطة الندى للهيدروكاربونات Hydrocarbon Dewpoint : هي النقطة التي يبدأ فيها تكثف الهيدروكاربونات السائلة من عينة الغاز عندما يتم خفض درجة الحرارة أو يتم زيادة الضغط، ويعتمد ذلك على تركيب الغاز. ويتم تعيين نقطة ندى الماء لخطوط أنابيب الغاز للسيطرة على تكون الهيدرات لهيدرات والحيلولة دون التآكل .
الهيدرات Hydrates : هي بلورات شبيهة بالثلج تتكون في وجود الغازات الهيدروكربونية والماء . ويمكن أن تتشكل الهيدرات في درجات حرارة أعلى من درجة الأنجماد للماء ويمكن أن تتسبب في حصول أنسدادات في المعدات وخطوط الأنابيب.
وظيفة المنشآت النفطية :
العمليات الرئيسية Main Process :
وهي عبارة عن عمليات فصل النفط والغاز والماء والمواد الصلبة ، ومعالجة النفط للوصول الى المواصفات التسويقية (على سبيل المثال، BS & W، محتوى الماء والأملاح، وضغط البخار ..ألخ) وقياس ونمذجة النفط لتحديد نوعه ومن ثم نقله الى واسطة النقل (أنبوب التصدير – الناقلة البحرية – الشاحنات – أو سكك الحديد).
كما يجب أن تتم معالجة الغاز لأغراض البيع أو التخلص منه (التي كانت تتم في الماضي عن طريق حرقه ) أما الآن فالغاز الذي لا يمكن نقله فيتم كبسه لغرض إعادة الحقن في المكمن. قد تتضمن معالجة الغاز فصله من السوائل فقط ، أو قد تشمل عمليات الكبس والتجفيف Dehydration وإزالة غازات H2S و CO2، أو معالجة الغاز لتحويله الى غاز سائل ليسهل نقله.
العمليات الثانوية Secondary Process :
بالإضافة إلى معالجة النفط والغاز الطبيعي لأغراض البيع، فهناك معالجة الماء المنتج والذي يجب معالجته للتخلص من المواد الصلبة للتمكن من تصريف هذا الماء وعادة ما تتضمن المعالجة إزالة المواد الهيدروكربونية الذائبة وبالإضافة إلى فصل النفط عنه باتخدام قاشطات Skimmers أو مرشحات filters أو وحدات إزالة الايونات deionization ووحدات الضخ Pumping Stations.
وإذا كان المطلوب معالجة المواد الصلبة فقد تشمل ماء الغسيل Wash Water وتحريك المواد الصلبة لإزالة النفط ومن ثم فصل الماء منها.
المنظومات المساعدة Auxiliary Systems :
بالإضافة إلى العمليات الرئيسية والثانوية يجب توافر المنظومات المساعدة مثل عمليات التسخين والتبريد التي قد تحتاجها المنشآة النفطية . وعادة ً تكون هناك حاجة لعمليات التسخين لعملية لمعالجة النفط وغيرها ، اما عملية التبريد فتكون مطلوبة في محطات كبس الغاز مثلاً.
وإذا لزم الأمر، يمكن تشغيل المنشآت النفطية بدون الطاقة الكهربائية حيث أن توليد الطاقة والكهرباء يكون ضمن نفس المنشآة بالأضافة الى توفير مستلزمات السكن للعاملين في هذه المنشآة النفطية.
أن جميع المنشآت النفطية تتطلب نظم السلامة، بما في ذلك أجهزة ومعدات السلامة ومنظومات التوقف الأضطراري Shut Down systems ومتحسسات الكشف عن الحريق والغاز Fire & gas detectors ومعدات مكافحة الحريق، وسائل الإخلاء، مثل قوارب النجاة في المنصات البحرية ومعدات أخرى اعتمادا على الموقع ومدى تعقيد المنشأة .
أقرأ أيضاً المنشآت السطحية لأنتاج النفط والغاز الطبيعي – الجزء الثاني
المصادر :
Petroleum Engineering Handbook – Part 3 – Kenneth E. Arnold
Surface Production Operations – Ken Arnold/ Maurice Stewart