به نام خدا
تخمین حالت و پیش بینی دما در خطوط لوله با بهره گرفتن از فیلتر کالمن
ارائه دهنده:
ارمغان علیزاده
استاد راهنما
دکتر فریدون شعبانی نیا
اساتید مشاور:
دکتر حمیدرضا مومنی
دکتر محمدعلی مسندی شیرازی
خلاصه
یکی از بزرگترین چالش­ها برای تولید نفت در آب­های عمیق تضمین جریان است. درحقیقت، تجزیه و تحلیل انتقال حرارت در خطوط لوله نفت و گاز از اهمیت عمده ای برای پیش بینی و پیشگیری از رسوبات پارافینی و تشکیل هیدرات برخوردار است، که می تواند جریان نفت و گاز را قطع کند و متحمل زیان های مالی بزرگی شود. این موضوع مخصوصا در مورد خطوط لوله در اعماق دریا در تولیدات دور از ساحل استفاده می شود. درسیستم­های تولید نفت زیر دریای معمولی، اطلاعات ارائه شده توسط سیستم نظارتی، با توجه به میدان دما، محدود است. در این کار، ما تخمینی از میدان دمایی در یک خط لوله را از داده های محدود دما در سطح آن که در دسترس است ارائه می­کنیم. یکی از این روش­ها برای پیش بینی میدان دمای سیال تولید شده در یک سیستم خط لوله ، استفاده از فیلتر های بیزین است. مساله­ی تخمین حالت تحت فرضیات با بهره گرفتن از فیلتر کالمن حل شده است. همچنین ما به مقایسه فیلتر کالمن و فیلتر ذره­ای به عنوان مساله­ای از منافع عملی برای صنعت نفت می­پردازیم. عدم قطعیت در تکامل حالت و مدل­های اندازه گیری در نظر گرفته می­ شود با فرض اینکه خطاهای درگیر، افزودنی، به طور معمول توزیع شده و با میانگین­ها و ماتریس­های کوواریانس شناخته شده هستند. تخمین دقیق از میدان دما اجازه­ی پیش بینی مناطق سرد در مخلوط آب و نفت و گاز در داخل خط لوله را می­دهد. به عنوان یک نتیجه، اقدامات پیشگیرانه می تواند به منظور جلوگیری از تشکیل هیدرات و موم انجام شود.

فصل اول: مقدمه­ای بر تضمین جریان و مشکلات آن
تضمین جریان، تجزیه و تحلیل کل سیستم تولید است تا اطمینان حاصل شود که سیالات تولید شده همچنان در طول عمر میدان جریان داشته باشند. تضمین جریان یکی از بزرگترین نگرانی­های صنعت نفت به شمار می­رود و ممکن است یکی از بزرگترین چالش­ها برای توسعه طرح بندی میدان محیط زیست زیردریا در آب­­های خیلی عمیق باشد، که با مشکلات متعدد فنی مربوط به ماهیت دینامیک سیالات تولید شده روبه­رو است. این مشکلات می تواند سراسر طول عمر میدان به تدریج تغییرکند، و به صورت دوره ای نیاز به تنظیم راه حل دارد. راه حل های ممکن می تواند تاثیر قابل توجهی بر جنبه های فنی و اقتصادی معماری نهایی سیستم تولید زیر دریای معمولی داشته باشد.
عبارت “تضمین جریان” توسط پتروبراس در اواسط دهه ۱۹۸۰ از مشکلات مواجه با تحولات اولین میدان­های دریایی در اعماق آب دریا کمتر از ۴۰۰ متر در کمپوس بیسین^[۱] ایجاد شد، که در آن تمام روش های شناخته شده برای حفظ جریان نفت و گاز از چاه­­های از راه دور تا امکانات پردازش راه دور به اجرا در آمد. سیالات از چاه­های اکتشاف شده به منظور ارزیابی خطرات تضمین جریان تجزیه و تحلیل می شوند و نیازهای اولیه برای طراحی سیستم­های تولید زیر دریا و راهبردهای عملیاتی تنظیم می­شوند. فشار بالا، دمای پایین، عملکرد ضعیف بخش دهیدراته سازی، افزایش تولید آب و انعطاف پذیری عملیاتی کم برخی از عواملی هستند که شرایط مطلوب را برای مشکلات تضمین جریان ایجاد کرده ­اند[۱].
شکل۱
مفهوم تضمین جریان توانایی تولید سیالات به طور اقتصادی از مخزن تا تسهیلات تولید در طول عمر میدان و در همه شرایط و محیط­ها است. تضمین جریان شامل: درک زیرسطح، نمونه برداری و تجزیه و تحلیل سیال، طراحی چاه و تاسیسات، عملیات تولید از جمله نظارت، معماری تولید، تعامل بین مخازن، چاه­ها، خطوط تولید و امکانات فرایند و چالش­های این تعامل­ها هم ممکن است وجود داشته باشد. هدف اصلی تضمین جریان این است که اطمینان حاصل شود که محصول هیدروکربنی استخراج و پردازش شده، و به صورت ایمن و تا حد ممکن مؤثر و اقتصادی انتقال داده شود.
عبارت تضمین جریان می ­تواند با ارزیابی اثرات جامدات هیدروکربنی سیال (آسفالتین،موم و هیدرات) و اثر بالقوه­ی آن­ها که با توجه به وضع مواد جامد غیرآلی ناشی از فاز آبی که نیز تهدیدی جدی برای تضمین جریان به شمار می­رود در تولید اخلال ایجاد می­ کند همراه شود. تولید و انتقال گاز از منابع راه دور دریایی منجمد شمالی چالش جدیدی برای مهندسین تضمین جریان است. از نقطه نظر تضمین جریان، اتصالات خط جریان اغلب یک نقطه­ی سرد را تشکیل می­ دهند که نیازمند توجه در طراحی عایق­های حرارتی سیستم است. تکنیک­ها برای کنترل هیدرات و موم برای چند سال در حال توسعه بوده است که توسط تحقیقات فشرده و تجارب میدانی در صنعت گسترده پشتیبانی می­ شود. کنترل هیدرات تا حد زیادی عملیات سیستم را پیچیده می­ کند، به عنوان مثال، نیاز به تزریق حجم زیادی از متانول در هنگام راه ­اندازی و خاموش کردن سیستم. پیشگیری از هیدرات مستلزم آن است که کل سیستم، از جمله بخش­هایی از چاه، باید عایق شودتا زمان را برای اعضای هیات عملیات به منظور تزریق متانول و کاهش فشار افزایش دهد.
به منظور تضمین انتقال آرام از چاه به امکانات فرایند، نظم تضمین جریان مسئول شناسایی و مدیریت خطرات بالقوه مانند تشکیل هیدرات و یخ، ناپایداری­های جریان، رسوبات مواد معدنی و جامد آلی، خوردگی و فرسایش و غیره است. در این موارد، انواع مختلفی از مشکلات بحرانی می­شوند، مانند خوردگی، آسفالتینها و رسوبات موم و تشکیل هیدرات های گاز طبیعی که این تجمع ممکن است باعث کاهش سطح جریان و افزایش زبری دیوار، در نتیجه افزایش افت فشار و کاهش ظرفیت جریان شود که در نهایت می تواند جریان را قطع و متحمل زیان های مالی بزرگ شود. روش های مختلف فیزیکی و شیمیایی هستند که می تواند برای مدیریت رسوبات مورد استفاده قرار گیرند. این روشها عبارتند از “توپک گذاری"، که نشان دهنده یک دستگاه است که به خراش دیواره های لوله می ­پردازد، و تزریق مداوم بازدارنده های شیمیایی به سیستم خط لوله برای به حداقل رساندن تشکیل این تجمعات است. یکی از استراتژی های اصلی برای کاهش این اثرات نامطلوب است، برای به حداقل رساندن تلفات حرارت سیستم ،استفاده از عایق حرارتی و / یا گرم کردن فعال است.
طراحی سیستم­های زیر دریا و دستورالعمل عملیات برای کنترل جامدات در نظر گرفته شده است. به عنوان یک نتیجه، توسعه درک درست از مواد جامد ضروری است. جامدات نگرانی­های اولیه­ هیدرات، موم و آسفالتین­ها هستند. طراحی استراتژی­ های کنترل به شدت بستگی به ورودی از فرایند تضمین جریان دارد. آسفالتین­ها مشکل نسبتا جدیدی برای تولید نفت زیر دریا هستند و تکنیک­های کنترل هنوز در مراحل اولیه­ توسعه می­باشند.اساسا هیچ تجربه­ میدانی برای کنترل آسفالتین­ها در سیستم­های زیر دریا وجود ندارد.
موم (پارافین) چیست؟
یک هیدروکربن جامد که از سیال تولید شده رسوب می­ کند. وقتی که دمای سیال به زیر دمای ظاهر شدن موم (WAT) افت می­ کند شکل می­گیرد. در دمای بالا ( بالاتر از WAT) ذوب می­ شود.
شکل۲
عوامل موثر بر میزان رسوب موم
دمای تشکیل موم، WAT
دمای سیال تولید شده
ویژگی­های سیال از قبیل ویسکوزیته
هیدرات چیست؟
جامد یخ مانندکه تشکیل می­ شود وقتی:
به اندازه­ کافی آب وجود داشته باشد
تشکیل دهنده هیدرات (به عنوان مثال, متان) حضور داشته باشد
ترکیب درستی از فشار و دما (فشار بالا/ دمای پایین) [۲].
شکل۳
شکل ۴ انسداد معمولی ناشی از تشکیل هیدرات در خط لوله را نشان می دهد.
شکل۴
خطر تشکیل هیدرات از فاز اول پروژه به عنوان یک پارامتر کلیدی برای طراحی سیستم در نظر گرفته می­ شود. منحنی تفکیک هیدرات توسط شبیه­سازی به دست می ­آید و خطر هیدرات توسط داده ­های تجربی شکل۵ تایید می­ شود. به عنوان یک مرجع برای طراحی سیستم، مقدار تفکیک هیدرات ۲۰ انتخاب می­ شود.

شکل۵
هیدرات­های گاز ترکیبات کریستالی جامدی هستند که از ترکیب فیزیکی مولکول­های آب و برخی مولکول­های کوچک گازهای هیدروژن (عمدتا متان، اتان،‌پروپان، CO2 و H2S)، تحت فشار و دما که به طور قابل توجهی بالای نقطه انجماد آب هستند تشکیل می­شوند. هیدرات­ها هنگامی که دما زیر برخی دماهای موجود در آب آزاد است شکل می­گیرند. این دما، دمای تشکیل هیدرات نامیده می­ شود. هیدرات­ها در ظاهر مثل برف هستند اما نه به عنوان جامد، به عنوان یخ. مولکول­های آب چارچوب اصلی کریستال هیدرات را تشکیل می­ دهند . شکل ۶
شکل۶
خطر پلاگ­های هیدرات از آنجا که انتقال صنعت نفت و گاز به آب­های عمیقتر صورت می­گیرد و فشار مربوطه­ی بالاتر ناشی از مایع اضافی بالای سر آن افزایش می­یابد، بیشتر می­ شود. اگرچه خطر تشکیل پلاگ هیدرات با تمرکز بر در دسترس بودن توابع حفاظت و آموزش اپراتورها برای روش­های حفاظت به حداقل رسانده شده است اما به طور کامل نمی­تواند حذف شود. شناسایی محل پلاگین در سیستم­های تحت سلطه­ی مایع یک کار دشوار است و تکنیک­های کلاسیک مبتنی بر کاهش فشار نمی­تواند استفاده شود. صنایع انرژی در سراسرجهان برای پیشگیری از تشکیل هیدرات متحمل هزینه­ های مالی تخمین زده شده بالغ برسالانه ۲۲۰ میلیون دلار می­ شود که نشان می­دهد درحدود ۶۰۰۰۰۰ دلار روزانه در جهان صرف می­ شود.
شرایط مورد نیاز برای تشکیل هیدرات
فشار بالا
دمای پایین
حضور آب آزاد و مولکول­های گاز
گاز طبیعی در یا زیر نقطه­ی شبنم
سرعت و یا تحریک بالا
حضور گازهای محلول در اسید مانند H2S و CO2
روش­های تصویب شده برای جلوگیری از تشکیل هیدرات عبارتند از:
حذف آب
گرم کردن خط
کاهش فشار خط