استفاده از پمپهای پیستونی هیدرولیکی
استفاده از پمپهای جت هیدرولیکی
استفاده از پمپهای خلأ
انتخاب روش فراز آوری مصنوعی برای یک چاه مشخص به عوامل مختلفی بستگی دارد. زمانی که فراز آوری با گاز یکی از روش های مد نظر است، یکی از عوامل مهم که از اهمیت زیادی برخوردار است دسترسی به گاز کافی است. اگر کاز کافی چه به صورت محلول در نفت یا از یک منبع خارجی در دسترس باشد، فراز آوری با گاز میتواند یکی از روش های ایدهآل برای افزایش تولید باشد.(API 1994)
در روش فرازآوری با گاز، گاز که از نفت سبکتر است وارد لوله مغزی میشود و از این طریق با کم کردن چگالی سیال درون لوله مغزی، وزن ستون سیال روی سازند را کاهش میدهد. این کاهش وزن باعث ایجاد یک اختلاف فشار بین چاه و مخزن میشود و به این ترتیب نفت از مخزن به سمت چاه جریان پیدا میکند.

دو روش مختلف برای فرازآوری با گاز در صنعت وجود دارد:
فرازآوری با جریان پیوسته گاز^[۱]
فرازآوری با جریان منقطع گاز^[۲]
در فرازآوری با جریان پیوسته، گاز با فشار نسبتا زیاد به درون ستون سیال داخل چاه تزریق میشود. این گاز تزریقی به سیال درون چاه اضافه میشود تا به وسیله یک یا چند مورد از مکانیزمهای زیر سیال را به سطح زمین برساند:(API 1994)
کاهش دادن چگالی و وزن ستون سیال به صورتی که اختلاف فشار بین چاه و مخزن افزایش پیدا کند.
انبساط گاز تزریقی به نحوی که وزن ستون سیال روی سازند بیشتر کاهش پیدا کند و اختلاف فشار بین چاه و مخزن بیشتر شود.
جابجایی لختههای^[۳] مایع درون چاه به وسیله حبابهای بزرگ گاز تزریقی که مانند پیستون عمل میکنند.
در طراحی فرایند فرازآوری با جریان پیوسته گاز، دو پارامتر مهم وجود دارند. این دو پارامتر نرخ تزریق گاز و عمق تزریق گاز هستند. در طراحی این فرایند باید به موارد زیر دقت شود:(Bellarby 2009)
محدودیتی برای میزانی که میتوان فشار ته چاهی را کاهش داد و در نتیجه اختلاف فشاری که میتوان به مخزن اعمال کرد وجود دارد. به طور کلی گرادیان فشار مینیمم به ندرت کمتر از ۱۵/۰ پام بر فوت میشود.
هر چقدر نقطه تزریق پایین تر انتخاب شود، میتوان فشار ته چاهی را بیشتر کاهش داد. در عمقهای کم در چاه، یک فرازآوری گاز طبیعی بر اثر جداشدن گاز از نفت اتفاق میافتد.
یک مقدار بهینه برای نرخ تزریق گاز وجود دارد. این مقدار معمولاً حدود ۴ میلیون فوت مکعب استاندارد در یک روز است. تزریق مقدار بیشتری گاز باعث میشود فشار هیدرواستاتیکی کاهش پیدا کند اما اصطکاک را افزایش میدهد. در نرخهای تزریق گاز بیشتر از نرخ بهینه، تولید چاه کاهش پیدا میکند زیرا میزان تأثیر منفی که افزایش تزریق گاز به دلیل ایجاد اصطکاک بر جای میگذارد از میزان تأثیر مثبتی که در کاهش چگالی سیال چاه دارد، بیشتر است. بنابر این به بیان دیگر یک نسبت گاز به مایع بهینه برای رساندن نرخ تولید چاه به حداکثر وجود دارد.
در شکل ۱-۱ شمای کلی یک فرایند فرازآوری با جریان پیوسته گاز دیده میشود.(Bellarby 2009)

شکل ۱- ۱: شمای کلی و مرحله به مرحله فرازآوری با جریان پیوسته گاز (Bellarby 2009)
اگر فشار مخزن کم باشد یا چاه با نرخ بسیار کم تولید کند، از روش فرازآوری با جریان منقطع استفاده میشود. در این روش گاز به صورت منقطع به چاه تزریق میشود. چون نرخ تولید از مخزن کم است ابتدا زمان کافی برای انباشته شدن یک ستون سیال در چاه، در نظر گرفته میشود. سپس با تزریق گاز با فشار زیاد به درون چاه و زیر ستون سیال، سیال به سمت بالا رانده شده و تولید میگردد. این فرایند شبیه شلیک یک گلوله از لوله یک تفنگ بر اثر فشار گاز ایجاد شده پشت آن است. مدت زمان بین دو تزریق گاز متوالی به زمان لازم برای تجمع نفت در چاه
و تشکیل ستون سیال وابسته است. طول مرحله تزریق گاز نیز با توجه به زمان لازم برای تولید ستون سیال مشخص میشود.(API 1994)
در طراحی سیستم فراز آوری با گاز عوامل زیادی باید در نظر گرفته شوند تا عملکرد سیستم مطابق با میزان توان مخزن برای تولید نفت باشد. گامهای اساسی در امکان سنجی، طراحی و اجرایی کردن سیستم فرازآوری با گاز به شرح زیرند: (Forero et al. 1993)
مشخص کردن رفتار مخزن و جمع آوری داده های مورد نیاز برای طراحی فرازآوری با گاز
انجام مطالعات امکان سنجی فرازآوری با گاز (و مقایسه این روش با سایر روش های فرازآوری مصنوعی)
طراحی چاه و امکانات مورد نیاز
طراحی سیستم فرازآوری با گاز و جزئیات تکمیل چاه
مدیریت تولید و بهینهسازی
از مهمترین ابزارهای مورد نیاز در مطالعات مربوط به امکان سنجی، طراحی و اجرایی کردن سیستم فرازآوری با گاز، نرم افزارهای شبیه ساز عملکرد چاه هستند. خروجی این نرمافزارها که بر اساس معادلات ارائه شده برای پیش بینی رفتار جریانهای چند فازی طراحی شده اند، معمولاً پروفایل فشار در چاه و نرخ تولید است. بیشتر شبیه سازهای عملکرد چاه که تا کنون ارائه شده اند بر اساس مدل نفت سیاه^[۴] عمل میکنند که فقط سه فاز جدا از هم نفت، گاز و آب را در نظر میگیرد. در این شبیه سازها ترکیب نفت و گاز در طول چاه ثابت در نظر گرفته میشود. در مدل نفت سیاه گاز امکان حل شدن در نفت را دارد اما ویژگیهای هر فاز مانند چگالی، گرانروی و حجم مخصوص از روابط تجربی ارائه شده، به عنوان تابعی از دما، فشار و جرم ویژه به دست میآیند. با توجه به اینکه سیال جاری در چاه ترکیبی از اجزای مختلف است و از آنجا که تأثیر تغییرات ترکیب فازها در این شبیه سازها در نظر گرفته نمی
شود، به نظر میرسد دقت این شبیه سازها در حالتهایی که تغییرات شدید فشار و دما وجود داشته باشد، سؤال برانگیز است.
در این پژوهش یک نرم افزار برای شبیه سازی فرایند فرازآوری با گاز بر اساس یک مدل چاه جدید تهیه شده است. هنگامی که در فرایند فرازآوری با گاز تغییرات زیاد دما در طول چاه و یا تغییر ترکیب گاز تزریقی وجود داشته باشد، استفاده از شبیه سازهای موجود که بر اساس مدل نفت سیاه کار میکنند با خطای زیادی همراه است. بنابراین برای انجام مطالعه بر روی تأثیر دما و ترکیب گاز تزریقی بر عملکرد فرازآوری با گاز، یک نرم افزار شبیه ساز عملکرد چاه که تحت این شرایط دقت مطلوبی داشته باشد مورد نیاز است.
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته
۲-۱-مدلهای جریان دو فازی و انتقال حرارت در چاه
برای شبیهسازی فرایند فرازآوری با گاز در یک چاه نفتی، در اولین گام لازم است جریان چند فازی در چاه مدلسازی شود. تا کنون روابط زیادی برای مدلسازی جریان چند فازی و انتقال حرارت در چاه ارائه شدهاند.
۲-۱-۱- روابط تجربی
به دلیل پیچیدگی مطالعه جریانهای چند فازی، در اولین مدلهای ارائه شده، از معادلات تجربی برای حل مسائل مربوط به آن استفاده میشد. معادلات تجربی هر کدام برای منظوری خاص و بر اساس تعداد محدودی داده به دست آمده اند، بنا بر این هر کدام در یک دامنه خاص کاربرد دارند و برای استفاده از آن ها در یک دامنه وسیع، محدودیت وجود دارد. . معادلات تجربی زیادی برای محاسبه افت فشار در خطوط لوله قائم ارائه شده اند. این معادلات را میتوان به سه دسته مختلف تقسیم کرد.
دسته اول معادلاتی هستند که لغزش بین فازها و رژیم جریان سیال را در نظر نمیگیرند.(Poettman and Carpenter 1952, Baxendell and Thomas 1961, Fancher Jr and Brown 1963) تنها تفاوت روابط ارائه شده در این دسته نحوه محاسبه ضریب اصطکاک جریان دو فازی است. پوتمن و کارپنتر (Poettman and Carpenter 1952) در سال ۱۹۵۲ یک رابطه تجربی بر اساس داده های میدانی ۴۹ چاه تولید کننده مخلوط نفت، آب و گاز پیشنهاد کردند. در این روابط از افت فشار ناشی از شتاب سیال صرف نظر شده است. بکسندل و توماس (Baxendell and Thomas 1961) در سال ۱۹۶۱ یک رابطه تجربی جدید برای تصحیح ضریب اصطکاک جریان دو فازی برای سرعتهای بالای جریان ارائه نمودند. در سال ۱۹۶۳ فنچر و براون (Fancher Jr and Brown 1963) روابط تجربی مختلفی را برای محاسبه ضریب اصطکاک جریان دو فازی بر حسب میزان تغییرات نسبت گاز به نفت پیشنهاد کردند.
دسته دوم معادلات لغزش بین فازها را در نظر میگیرند اما رژیم جریان سیال را در نظر نمیگیرند. رابطه تجربی هاگدورن و براون (Hagedorn and Brown 1965) که در این دسته قرار میگیرد در سال ۱۹۶۵ بر اساس اطلاعات عملی مربوط به یک چاه آزمایشی به عمق ۱۵۰۰ فوت به دست آمد.
و بالاخره دسته سوم، معادلاتی هستند که لغزش بین فازها و رژیم جریان سیال را در نظر میگیرند. (Duns Jr and Ros 1963, Orkiszewski 1967, Aziz and Govier 1972, Chierici et al. 1974) روابط دانس و راس (Duns Jr and Ros 1963) نتیجه یک مطالعه آزمایشگاهی همه جانبه است. در این روابط مقدار مایع تجمع یافته و تغییرات فشار جریان محاسبه میشود. در سال ۱۹۶۷ ارکیزوسکی(Orkiszewski 1967) با بررسی روابط تجربی مختلف با بهره گرفتن از ۱۴۸ داده میدانی نتیجه گرفت هیچ روشی از روش های موجود به تنهایی نمیتواند در همه رژیمهای جریان دقت کافی داشته باشد. او پیشنهاد کرد برای رژیم جریان مه آلود از روابط دانس و راس (Duns Jr and Ros 1963) برای رژیم جریان حبابی از روش گریفیس و والیس (Griffith and Wallis 1961) و برای رژیم جریان لختهای از روش اصلاح شده گریفیس و والیس (Griffith and Wallis 1961) استفاده شود. در سال ۱۹۷۴ چیریچی و همکارانش (Chierici et al. 1974) اصلاحیه ای برای محاسبات رژیم جریان لختهای در روش ارکیزوسکی ارائه کردند.
۲-۱-۲- مدلهای مکانیکی
از مدلهای دیگری که برای محاسبه گرادیان فشار در لولههای با جریان چند فازی گسترش پیدا کرده است، مدلهای مکانیکی^[۵] است. این معادلات بر اساس فرضیات فیزیکی ساده شده مانند قانون بقای جرم و انرژی نوشته شده اند. برای اینکه عملکرد جریان چند فازی در یک چاه مدلسازی شود باید پارامترهایی از قبیل فشار، دما، سرعت و حجم اشغالی توسط هر فاز مورد استفاده قرار بگیرند. در جریانهای چند فازی سطح تماس فازهای مختلف، شکلهای متفاوتی به خود میگیرند که به عنوان الگوهای جریان^[۶] شناخته میشوند.(Chen 2001) تشکیل یک الگوی جریان خاص به شرایط فشار، جریان و شکل لوله ای که سیال در آن جریان دارد وابسته است و یکی از مهمترین ویژگیهای جریان دو فازی است.(Hasan and Kabir 1988)