روش بهره برداري درمهندسي توليد و مهندسي مخزن به خواص فيزيکي و شيميايي هيدروکربن هاي موجود دريک مخزن بستگي دارد دراين بخش خواص فيزيکي وشيميايي نفت هاي خام و هيدروکربن ها مورد بررسي قرارمي گيرد.

 

◄   گازهاي زير سطحي:

 گازهاي طبيعي به مخلوطي ازگازهاي هيدروکربن زيرسطحي گفته مي شود که ممکن است داراي مقاديري گازهاي هيدروکربن نيز باشند.

 

◄   گازهاي غيرهيدروکربن:

گازهاي هيدروکربن مهم درصنعت نفت CO2 وH2S هستند.اين گازها ممکن است به صورت آلي يا غيرآلي تشکيل شوند.منشا غيرآلي معمولا با فرايندهاي زمين گرمايي وآتش فشاني هم راه است.CO2 بيش تراز اکسيداسيون مواد آلي به وجود مي ايد H2S نيز يک گاز مضر است که به واسطهيخاصيت خورندگي اش براي ابزارهاي حفاري ،توليد وانتقال ايجاد مشکل مي کند.ترش ياشيرين بودن گاز بستگي به مقدار H2S آن دارد. ازروش هاي مهم توليد گاز H2S مي توان به نقش باکتري هاي توليد کنندهيسولفات هاي فلزي اشاره نمود.که مي تواند درحضور ترکيبات کربن وآب ،کربنات فلزي به همراه گاز CO2 وH2S طبق رابطه زير توليد کند.

 

(فلز)MSO4→2C+ H2S→(فلز)MCO3+CO2 + H2S

 

ازديگر گازهاي هيدروکربن مي توان به گاز هاي بي اثر (رادون ،کريپتون ،آرگون،نئون وهليوم )اشاره کرد.دربعضي اوقات تجمع گازهاي بي اثر به صورت استثنايي درزير زمين مقادير زيادي از آن ها رادر دسترس قرارمي دهد.مثلا درغرب کانادا دريک لايهيسيلتستوني که برروي تودهيآتش فشاني قراردارد.حدود 2%گاز هليوم درمخزن ديده مي شود.

 

◄   گازهاي هيدروکربني:
      +   گاز آزاد (Free Gas): يک گازهيدروکربني است که هم درمخزن وهم بعد از استخراج به صورت فاز گازي باقي مي ماند.

      +   گاز محلول (Dissolved Gas): گازطبيعي حل شده درنفت خام يک مخزن مي باشد.هنگام بهره برداري نفت ازيک مخزن اغلب دراثرکاهش فشار گاز محلول ازنفت جدا شده وبه صورت گاز آزاد درمي ايد.

      +   گاز هم راه(Associated Gas): گازطبيعي است که به صورت کلاهک گازي (Gas Cap) دربالاي ستون نفت خام يک مخزن حضوردارد.

      +   گازغيرهم راه(Non Associated Gas)" گازطبيعي درون يک مخزن است که فاقد نفت خام است.

گازهاي طبيعي را هم چنين براساس ترکيب هيدروکربنشان طبقه بندي مي شوند.متان CH4 سبک ترين ترکيب هيدروکربني بوده وتشکيل دهندهياغلب گازهاي طبيعي مي باشد.

      +   گازخشک ( Dry Gas): غالبا فقط ازمتان تشکيل شده است درحالي که گاز تر (Wet Gas) علاوه بر متان از ترکيبات هيدروکربني گازي سنگين تر ازقبيل اتان ،پروپان وبوتان تشکيل شده است.بسياري از هيدروکربن ها که درمخزن به صورت مايع درمي ايند وبالعکس برخي از هيدروکربن ها که درمخزن به صورت مايع است درسطح زمين به فاز گازي تغيير حالت مي دهند.

◄   واژه هايي که بيان گر اين حالت هستند عبارتند از:

      +   NGL يا (Natural Gas Liquid): مايع هيدروکربن جدا شده درجريان توليد گاز است که شامل نفت ميعاني مي شود وعمدتا داراي ترکيب پنتاني است.

      +   LPG يا (Liquified Petroleum Gas ): ازهيدروکربن هاي سنگين ترنظير بوتان وپروپان است که تحت تاثير فشار به صورت مايع درآمده است.

      +   LNG يا (Liquified Natural Gas): که غالبا ازمتان تشکيل شده و تحت تاثير فشار به صورت مايع درآورده شده که براي حمل ونقل ونگه داري مناسب است.

◄   چگونگي زايش گازهاي هيدروکربني:

اکثرگازهاي هيدروکربني ازتغييرشکل مواد آلي توليد مي شوند مقداربسيارجزئي ازگازهاي هيدروکربني درفعاليت هاي آتش فشاني وزمين گرمايي وجود دارد ويک گروه ازگازهاي هيدروکربني که به گازهاي مردابي ( Marsh Gas) معروفند به طور بيولوژيکي دراثر تجزيهيباکتريايي مواد آلي تشکيل مي شود اين عمل فقط در سطح يا نزديک سطح زمين اتفاق مي افتد.درصورتي که دراعماق بيش تر زمين عمدتا گاز هاي طبيعي ازتغيير شکل حرارتي مواد حاصل مي شوند.

◄   خواص هيدروکربن هاي گازي:

خواص هيدروکربن هاي گازي هنگامي که روابط حجم، فشار ودما ( PVT) مي تواند به صورت ساده به هم مرتبط شوند نسبتا ساده مي شود اين قانون به نام قانون گاز ايده آل ناميده مي شود.

PV=nRT

         P:psi فشار
         V: حجم (پاي مکعب)
         N: تعدادملکول هاي گاز
         R: ثابت کلي گاز
         T: درجه حرارت مطلق

اين معادله درجايي که فشارکم وثابت فرض شود باارزش مي باشد ولي درمخازن هيدروکربن واقعي که درجه حرارت وفشاربالاست درفشارگازها ازقانون کارايده آل منحرف مي شود.درچنين حالتي رفتاراين گازهاي حقيقي بافاکتور تراکم پذيري يا Z تصحيح مي شود.وبه صورت قانون گازحقيقي درمي ايد.

PV=ZnRT =Z فاکتور تراکم پذيري


فاکتورZ به ترکيب گاز ،فشارودرجه حرارت بستگي داردهم چنين هرچه که فشاربه صفرنزديک مي شود تاثيرمتقابل ملکولي کم مي شود ورفتارگازبه گاز ايده آل نزديک مي شود.به عبارتي Z به يک نزديک مي شود.ارتباط بين حجم گازهاي زير سطحي وسطحي بااستفاده از قانون حقيقي قابل مطالعه است.زيرا که خريدو فروش گاز برحسب حجم آن درشرايط استاندارد (حرارت وفشار استاندارد) محاسبه مي شود.براي پي بردن به تغييرات حجمي گاز ازشرايط فشار ودرجه حرارت وفشار استاندارد درسطح زمين ازفاکتور انبساط گازي (Expansion Factor)مي توان استفاده کرد.

E= ؟


مقدار E مي تواند براي گاز يک مخزن بافشارPودرجه حرارت T به صورت زير محاسبه شود:

 

E= ؟


ارزش E بنابه فشارودرجه حرارت مخزن مي تواند بسيار متغير باشد ولي به صورت معمول مقدارEحدود 200برابرمي باشد.شرايط استاندارد درجه حرارت وفشارمعمولا 60درجهيفارنهايت ويک اتمسفر يا 7/14psi مي باشد وبالاخره چگالي گاز(Pg) مي تواند درهرفشارودرجه حرارتي براي قانون گاز حقيقي محاسبه شود.از رابطهيزير:
 

؟


که درآن Mوزن ملکولي گاز مي باشد
 

چگالي گاز درشرايط مخزن براي محاسبهيشيب فشارگاز مناسب است.زماني که درجه حرارت وفشارگاز افزايش مي يابد گرانروي گاز بيش تر مي شود.چون حرکت کم ترملکول ها با هم وتصادف آزادانهيبيش ترآن ها اتفاق مي افتد گرانروي يا ويسکوزيته برحسب پوآز يا سانتي پوآز اندازه گيري مي شود.يک سانتي پوآز گران روي آب دردماي ˚c20 است.دامنهيتغييرات گران روي گاز درمخزن 01/0 تا 05/0 سانتي پوآز مي باشد.اندازه گيري گران روي گازدرفشارودرجه حرارت مخزن يک روش پيچيده است واغلب به صورت تقريبي به کاربرده مي شود.

◄   نفت خام (Crude Oil) :
نفت خام مخلوطي طبيعي از هيدروکربن هاي مايع است که هم درمخازن زيرزميني وهم درسطح بعد از گذر از تفکيک کننده هاي مختلف به صورت مايع باقي مي ماند.خواص فيزيکي وشيميايي هيدروکربن براي مهندسي مخزن وتوليد بسيارمهم است.زيرا خواص فيزيکي وشيميايي هيدروکربن برروي حرکت درون مخزن ومقدارواقعي توليد هيدروکربن تاثيرخواهد گذاشت.

◄   انواع عمده نفت خام:
نفت خام عمدتا شامل هيدروژن وکربن است ولي علاوه برآن مقدارکمي N,S,O ومقاديرکم تري فلزات کم ياب مانند واناديوم ونيکل دارد.عموما 4 گروه ترکيبات عمده درنفت خام وجود دارد که شامل پارافين ها ،نفتن ها ،آروماتيک ها،رزين ها وآسفالتين ها مي باشد.

      +   پارافين ها: اولين نوع عمدهينفت خام پارافين ها هستند که آلکينز هم ناميده مي شوند فرمول کلي اين گروهCnHn+2 مي باشد. ساده ترين وسبک ترين ملکول سري پارافين ها متان (CH4) مي باشد.پارافين ها با کم تراز 5اتم کربن (متان ،اتان،پروپان،بوتان) درفشاروحرارت عادي به شکل گاز مي باشند.از C5 تا C15 پارافين ها درحرارت وفشار عادي مايع مي باشند واز C15 بيش تر به شدت گران رو يا ويسکوز مي باشند.وحالت واکس جامد به خود مي گيرند.پارافين ها تشکيل دهندهياصلي هيدروکربن هاي گازي هستندهم چنين درنفت سفيد وگازولين(بنزين)که بيش از 30%نفت خام راتشکيل مي دهندفراوان اند.پارافين ها هيدروکربن هاي اشباع مي باشند.

      +   نفتن ها يا سيکلوآلکينزها: دومين هيدروکربن عمده درنفت خام است با فرمول کلي CnH2n اشباع شده مي باشند ولي داراي ساختمان ملکولي حلقوي مي باشند.

 


      +    آروماتيک ها: سومين گروه اصلي ترکيبات هيدروکربن ها درنفت هاي خام آروماتيک ها هستند که برخلاف نفتن ها وپارافين ها نسبت به هيدروژن غيراشباع هستند ساختمان آن ها برپايهييک حلقهيشش اتمي کربني است که با توجه به ساده ترين عضو اين خانواده يعني بنزن C6H6 ،حلقهيبنزني ناميده مي شود.مهم ترين ترکيبات آروماتيکي درنفت خام تولوئن مي باشد که درآن CH3 جانشين يک حلقهيهيدروژني مي شود.

 


هيدروکربن هاي آروماتيک درفشارو حرارت عادي مايع هستند آن ها درنفت سبک به مقدار کم ترودرنفت هاي سنگين بيش تر مي باشد.

      +    رزين ها وآسفالتين ها: چهارمين گروه مهم ترکيبات نفت خام رزين ها ياآسفالتين ها مي باشند اين هيدروکربن هايناخالص اغلب داراي مقدارزيادي N,S,O مي باشند که باعث بالارفتن وزن ملکولي هيدروکربن مي شود.پس رزين ها وآسفالتين ها سنگين ترين اجزاي تشکيل دهندهينفت هاي خام مي باشند.

 

◄   عناصر فرعي درنفت خام:

پس ازکربن وهيدروژن گوگرد سومين عنصرفراوان درنفت خام است که حدود 65/0%وزني راتشکيل مي دهد نفت خامي که داراي کم تراز 1%گوگرد باشد نفت کم گوگرد ونفت خام داراي بيش تريک درصد گوگرد به نفت هاي پرگوگرد معروفند.پس ازگوگرد اکسيژن باحدود نيم درصد وزني درنفت خام ديده مي شود.اکسيژن عمدتا درترکيبات آلي که شامل اسيد ها والکل هاست ديده مي شود.پس ازاکسيژن نيتروژن قراردارد (بين 9/0- 1/0) درصدوپس از آن ترکيبات ارگانومتالوژي (آلي فلزي) که مهم ترين آن ها واناديوم ونيکل مي باشند (1200PPM-1).

◄   تشخيص انواع هيدروکربن هاي نفت خام از يک ديگر:
براي تشخيص ترکيب نفت مي توان ازکروماتوگراف گازاستفاده کرد.دراين آزمايش نفت دريک حلال حل شده وسپس دريک وسيلهيخاص به نمونه حرارت داده مي شود چون نقطهيجوش ترکيبات مختلف هيدروکربن با يکديگر متفاوت است لذا درنمونه ابتدا نفت هاي خام با درجه جوش پايين تر(سبک تر) بخارمي شوند وسپس آنهايي که درجهيبالاتري دارند بخارمي شوند (نفت هاي سنگين). پديدهيبخارشدن هرترکيب به صورت پيک هاي مشخص درروي منحني ظاهر مي گردد هرپيک بسته به درجه حرارتش نشان دهندهييک نوع هيدروکربن مي باشد. شکل زير