خلاصهیکی 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 استفاده 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 میشود 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 آنتضمین 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 توسعهی 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 ممکنمی 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 1980 از مشکلات مواجه با تحولات اولین میدانهای دریایی در اعماق آب دریا کمتر از 400 متر در کمپوس بیسین[1] 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 کردهاند[1].شکل1 مفهوم تضمین جریان توانایی تولید سیالات به طور اقتصادی از مخزن تا تسهیلات تولید در طول عمر میدان و در همهی 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 میتواند 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 میکند 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 میدهند 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 میشود. کنترل هیدرات تا حد زیادی عملیات سیستم را پیچیده میکند، به عنوان مثال، نیاز بهتزریق حجم زیادی از متانول در هنگام راهاندازی 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 میپردازد، 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، توسعهی درک درست از مواد جامد ضروری است. جامدات نگرانیهای اولیهی هیدرات، موم و آسفالتینها هستند. طراحی استراتژیهای 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 اولیهی توسعه میباشند.اساسا هیچ تجربهی میدانی برای کنترل آسفالتینها در سیستمهای زیر دریا وجود ندارد.موم (پارافین) چیست؟یک هیدروکربن جامد که از سیال تولید شده رسوب میکند. وقتی که دمای سیال به زیر دمای ظاهر شدن موم (WAT) افت میکند شکل میگیرد. در دمای بالا ( بالاتر از WAT) ذوب میشود.شکل2عوامل موثر بر میزان رسوب موم- دمای تشکیل موم، WAT- دمای سیال تولید شده- ویژگیهای سیال از قبیل ویسکوزیتههیدرات چیست؟جامد یخ مانندکه تشکیل میشود وقتی:- به اندازهی کافی آب وجود داشته باشد- تشکیل دهندهی هیدرات (به عنوان مثال, متان) حضور داشته باشد- ترکیب درستی از فشار و دما (فشار بالا/ دمای پایین) [2].شکل3 شکل 4 انسداد معمولی ناشی از تشکیل هیدرات در خط لوله را نشان می دهد. شکل4خطر تشکیل هیدرات از فاز اول پروژه به عنوان یک پارامتر کلیدی برای طراحی سیستم در نظر گرفته میشود. منحنی تفکیک هیدرات توسط شبیهسازی به دست میآید و خطر هیدرات توسط دادههای تجربی شکل5 تایید میشود. به عنوان یک مرجع برای طراحی سیستم، مقدار تفکیک هیدرات 20 انتخاب میشود.شکل5هیدراتهای 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 میشود. هیدراتها در ظاهر مثل برف هستند اما نه به عنوان جامد، به عنوان یخ. مولکولهای آب چارچوب اصلی کریستال هیدرات را تشکیل میدهند. شکل 6شکل6خطر 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 میشود. 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 هزینههای مالی تخمین زده شده بالغ برسالانه 220 میلیون دلار میشود که نشان میدهد درحدود 600000 دلار روزانه در جهان صرف میشود.شرایط مورد نیاز برای تشکیل هیدرات1) فشار بالا2) دمای پایین3) حضور آب آزاد و مولکولهای گاز4) گاز طبیعی در یا زیر نقطهی شبنم5) سرعت و یا تحریک بالا6) حضور گازهای محلول در اسید مانند H2S و CO2روشهای تصویب شده برای جلوگیری از تشکیل هیدرات عبارتند از:- حذف آب- گرم کردن خط- کاهش فشار خط- عایق حرارتی خط- استفاده از بازدارندههای ترمودینامیکیبرای جلوگیری از شکلگیری و رشد کریستالهای هیدرات در خط جریان تولید، تزریق بازدارندههای هیدرات به SPS (سیستم تولید زیردریا) مورد نیاز است. دو نوع از بازدارندهها عبارتند از مونواتیلنگلایکول(MEG) و بازدارندههای هیدرات با دوز کم (LDHI).طرح مهارکنندههای هیدرات میتواند به دو دسته تقسیم شود:تزریق بازدارندههای هیدرات به طور غیرمداوم. تحت شرایط جریان عادی، اگردمای سیال تولیدشده بالاتراز دمای تشکیل هیدرات باقی بماند، تزریق مهارکنندههای هیدرات به طور مداوم ممکن است لازم نباشد.تزریق بازدارندههای هیدرات به طور مداوم. اگر تحت شرایط جریان نرمال، درجه حرارت سیال به زیر دمای تشکیل هیدرات افت پیدا کند، تزریق مهارکنندههای هیدرات مداوم لازم است. به طور معمول این بازدارندههای هیدرات متانول، گلایکول و یا انواع دوز کم مهارکنندههای هیدرات (LDHIها( هستند.MEG به طور مداوم برای جلوگیری از تشکیل هیدرات و یخ در طول عمل طبیعی تزریق میشود. حداکثر غلظت مورد نیاز MEG در آب آزاد (از چگالش بخار و آب تشکیل شده) از بدترین شرایط فشار بالا و دمای پایین به دست میآید. برای تعیین غلظت مورد نیاز MEG در آب آزاد (MEG غنی)، دمای طراحی حاشیه باید به پایینترین دما در بستر دریا کاهش یابد تا شرایط انبساط گاز در خط جریان در طول راهاندازی مجدد را فراهم نماید. مدیریت خطر هیدرات و خوردگی به شدت به درجه حرارت سیال وابسته است.درجه حرارت آب در بستر میتواند منفی باشد، در محدودهای از -1.8 در زمستان تا +1 در تابستان. مدیریت خطرات هیدرات و خوردگی بر اساس دهیدراته کردن سیال به منظور جلوگیری از حضور آب آزاد و به حداقل رساندن استفاده از مواد شیمیایی است[3].LDHIها نیز کاندیدای خوبی برای این هدف میباشند که یکی از این بازدارندهها، بازدارندههای هیدرات جنبشی یا KHIها هستند که اولین تجربهی استفاده از آنها در فاز 2 و 3 پارس جنوبی بود. نتایج نشان داد که خطر تشکیل هیدرات کمتر از فرضیات اولیهی طراحی با توجه به دمای بسیار پایین کف دریا بود. استفاده از تزریق KHI در سال 2007 به طور رسمی آغاز شد[4].مطالعهی تضمین جریان در سه تجزیه و تحلیل اساسی خلاصه میشود: ترمودینامیک، دینامیک سیال و انتقال حرارت. تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی خواص حالت مانند گرمای ویژه برای فشار ثابت و حجم ثابت ( و وزن مخصوص ( را تعریف میکند. اینها برای تعیین مشخصات دما و فشار در امتداد خط استفاده میشوند. بنابراین، با دادههای دما و فشار در امتداد خط، تعیین نقطهی تشکیل هیدرات امکانپذیر است.به طور کلی هیدراتها در سیستمهای نفت و گاز توسط هیدروکربنهای سبک تثبیت شدهاند. هیدراتها بر خلاف یخ میتوانند در دمای بالاتر از در سیستمهای تحت فشار تشکیل شوند و بر خلاف یخ, هیدراتها حاوی هیدروکربن کافی برای سوزاندن هستند.اولین قدم برای بررسی اینکه آیا جریان مطابق با مشخصات پروژه است، به دست آوردن خواص ترمودینامیکی و نمودار فاز است. برای انجام آن برنامه کامپیوتری PVTSIMاستفاده شده است. بر اساس ترکیب معمول گاز دیاگرام فاز زیر به دست آمده است.منحنی فشار-دما نشان میدهد که سیستم باید در یک حالت ثابت و شرایط گذرا به منظور اجتناب از احتمال تشکیل هیدرات عمل کند(شکل7). منطقهی چپ نمودار، منطقهی ثبات هیدرات است. ثبات هیدرات با افزایش فشار و کاهش دما افزایش مییابد. درحالی که سمت راست نمودار به عنوان منطقهی آزاد هیدرات به آن اشاره شده، که در آن سیستم باید به جلوگیری از تشکیل هیدرات عمل کند[5].شکل7با توجه به دمای پایین بستر دریا)(4 و خطرات خاص مرتبط با عملیات حذف موم در سیستم آبهای عمیق، مدیریت موم یک مسالهی بالقوه در نظر گرفته شده است. برای پیشگیری از رسوبات موم، تمرکز بر مدیریت حرارتی ترجیح داده میشود. خطر تشکیل هیدرات در خاموشی و راهاندازی مجدد و همچنین رسوب موم الزاماتی را برای عایق حرارتی گستردهی سیستمهای زیردریا تاسیس میکند..[6]به عنوان یکی از مهم ترین جنبه ها برای مدیریت رسوبات بر اساس دانش دقیق از میدان دما در داخل خط لوله و / یا تجهیزات زیر دریا است، هدف اصلی از این کار به اعمال فیلترهای بیزین برای پیش بینی میدان دمای ناپایدار در مقطع خط لوله در طول دوره خاموشی است.کنترل هیدرات نیازمند توجه مداوم در حین کار است. شاخههای هیدرات میتوانند در عرض چند ساعت تشکیل شود و پس از آن, روزها، هفتهها و یا حتی ماهها زدودن آن زمان ببرد. شایعترین روش استفاده شده برای زدودن پلاگهای هیدرات کاهش فشار سیستم به فشاری کمتر از نقطهای که در آن هیدراتها در دمای محیط (آب دریا) پایدار هستند است. این فشار در حدود 400psi است. از آنجا که شاخههای متعدد مشترک هستند، فرایند میتواند بسیار طولانی و درآمد زیادی را از دست بدهد.محاسبات دمای حالت پایدار از فرایند تضمین جریان استفاده میشود تا میزان جریان و سیستمهای عایقی که مورد نیاز است تا سیستم بالای دمای تشکیل هیدرات حفظ شود را نشان دهد. محاسبات دمای گذرا استفاده میشود تا شرایط راهاندازی و خاموشی را بررسی کند[7].فصل دوم: مدیریت حرارتیمدیریت حرارتی زیر آب یک عنصر کلیدی برای موفقیت عملیات تضمین جریان در میدان آب های عمیق است. تجزیه و تحلیل حرارتی یک سیستم تولید زیر دریای معمولی، که مشخصات دما را در امتداد خط جریان پیشبینی میکند، یکی از مهم ترین مراحل طراحی طرح زیر دریا و به تبع آن راه اندازی می باشد . مدیریت حرارتی میدانهای نفتی دریایی در میان سایر موارد مورد نیاز عملیاتی، یکی از مسائل اصلی برای انجام عملیات بهره برداری نفت است. زیرا زمانی که هیدروکربن ها تولید می شوند و در مسافت های طولانی انتقال داده میشوند، برای تضمین جریان بسیار مهم است که از رسوبات جامد و تشکیل هیدرات با نظارت حرارتی کنترل و جلوگیری شود. تجزیه و تحلیل حرارتی شامل هر دو حالت پایدار و مطالعات گذرا برای مراحل مختلف طول عمر میدان است و باید به عنوان یک ابزار طراحی برای انتخاب عایق های حرارتی و / یا سیستم های گرمایش به منظور جلوگیری از تشکیل رسوب خدمت کنند.در اغلب موارد، زمینهی مدیریت حرارتی حداقل نیاز برای انتخاب بهترین طرح به منظور حفظ دمای سیال در داخل خطوط لوله و تجهیزات تولید زیر دریا بالاتر از حداقل درجه حرارت را تعیین میکند. در عملکرد حالت پایدار ، دمای سیال تولید شده وقتی در امتداد خط لوله جریان مییابد با توجه به انتقال حرارت از طریق دیواره لوله، کاهش می یابد . این مشخصات دمایی حالت پایدار از سیال تولید شده استفاده می شود تا نرخ جریان و سیستم های عایق که برای نگه داشتن سیستم بالای حداقل درجه حرارت بحرانی در هنگام تولید مورد نیاز است را شناسایی کند. اگر در برخی از لحظهها شرایط جریان حالت پایدار قطع شود، مانند شرایط خاموشی، آنالیز انتقال حرارت گذرا برای سیستم زیر دریا لازم است تا اطمینان حاصل شود که دمای سیال بالاتر از محدوده دمای رسوب جامد در زمان مورد نیاز است. رسوبات جامداصلی موم و هیدرات هستند. برای یک سیال داده شده ، این مواد جامد در ترکیب خاصی از فشار و دما رسوب میکنند. رسوبات موم معمولا در دماهای مختلف از تا ظاهر میشوند. دمای تشکیل هیدرات از سوی دیگر، به طور معمول در حدود و در فشار100 بار است. تکنیک های پیشگیری و / یا به حداقل رساندن تشکیل این رسوبات جامد با کمک تجارب میدانی و تلاش تحقیقاتی فشرده مورد حمایت قرار گرفته اند. استراتژیهای اساسی در حال حاضر برای جلوگیری از این مشکلات عبارتند از:- اجازه ندهد تا سیستم وارد منطقه فشار / دما شود که می تواند رسوبات جامد شکل گیرد؛- نصب و راه اندازی امکانات زیر دریا برای توپکهای در حال اجرا (خراشدهندههای مکانیکی)؛- تزریق مواد شیمیایی مهارکننده به خطوط جریان؛- عایق حرارتی برای خطوط جریان و تجهیزات زیر دریا؛- سیستمهای گرمایش برای خطوط جریان و تجهیزات زیر دریا؛- مانیتورینگ لحظه به لحظهی سیستم تولید و حمل و نقل.مهم ترین جنبه های طراحی برای سیستم های تولید آب های عمیق بر اساس دمای پایین خروجی چاه و فشار هیدرواستاتیک بالا است. به طور کلی، سیستم های کنونی برای حمل و نقل سیالات تولید شده از طریق خط لوله طراحی شدهاند با فرض اینکه تلفات حرارتی به محیط زیست قابل توجه نیستند. با این حال، تجزیه و تحلیل انتقال حرارت تجهیزات و سیستم های خط لوله از اهمیت زیادی برای پیش بینی و پیشگیری از رسوبات موم و تشکیل هیدرات برخوردار است. دانش دقیق از میدان دمایی در تجهیزات همراه با دانش از مقادیر دمای بحرانی تشکیل رسوبات جامد به منظور تضمین تداوم تولید در سطوح مورد نظر برای سودآوری باید به اندازه کافی مورد ارزیابی قرار گیرد. این مهم است که اشاره شود که در خطوط لوله، هیدرات می تواند حتی در دماهای نسبتا بالا در مخلوط نفت و گاز و آب که از چاه های تولید پمپ میشود، با توجه به فشار بالای درگیر میتواند تشکیل می شود. به تازگی، فن آوری های جدید برای شناسایی، نظارت و کنترل پارامترهای حیاتی مرتبط با تضمین جریان پدید آمده است، به دنبال اجرای اقدامات اصلاحی ترکیب، زمانی که شرایط غیر عادی شناسایی شود. برای مثال، اندازه گیری فشار، دما، سرعت جریان، ترکیب سیال ، در میان پارامترهای دیگر، ممکن است برای پیش بینی شروع مشکلات عملیاتی مورد استفاده قرار گیرد، در نتیجه اجازهی اقدامات اصلاحی به موقع را میدهد.مانیتورینگ خط لولهی زیر دریا و ساختارها اطلاعات مورد نیاز برای مدیریت عملیات نفت و گاز را فراهم میکند و به جلوگیری از آسیبهای زیست محیطی و شکستهای فاجعهبار کمک میکند. با در دسترس بودن ابزارهای مدیریت دادهها برای انتقال اطلاعات لحظه به لحظهی دادههای زیر دریا به مراکز پشتیبانی و عملیاتی خشکی، اپراتورها اغلب با مقادیر زیادی از دادههای خام اما اطلاعات کمی از آنچه که دادهها نشان میدهند روبهرو هستند. ابزارها باید طوری طراحی شوند که مقدار دادههای ارائه شده را کاهش دهند در حالی که اطلاعات ارائه شده به اپراتورها افزایش مییابد.
تخمین حالت و پیش بینی دما در خطوط لوله با استفاده از فیلتر کالمن word
خلاصهیکی 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 استفاده 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 میشود 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 آنتضمین 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 توسعهی 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 ممکنمی 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 1980 از مشکلات مواجه با تحولات اولین میدانهای دریایی در اعماق آب دریا کمتر از 400 متر در کمپوس بیسین[1] 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 کردهاند[1].شکل1 مفهوم تضمین جریان توانایی تولید سیالات به طور اقتصادی از مخزن تا تسهیلات تولید در طول عمر میدان و در همهی 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 میتواند 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 میکند 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 میدهند 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 میشود. کنترل هیدرات تا حد زیادی عملیات سیستم را پیچیده میکند، به عنوان مثال، نیاز بهتزریق حجم زیادی از متانول در هنگام راهاندازی 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 میپردازد، 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، توسعهی درک درست از مواد جامد ضروری است. جامدات نگرانیهای اولیهی هیدرات، موم و آسفالتینها هستند. طراحی استراتژیهای 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 اولیهی توسعه میباشند.اساسا هیچ تجربهی میدانی برای کنترل آسفالتینها در سیستمهای زیر دریا وجود ندارد.موم (پارافین) چیست؟یک هیدروکربن جامد که از سیال تولید شده رسوب میکند. وقتی که دمای سیال به زیر دمای ظاهر شدن موم (WAT) افت میکند شکل میگیرد. در دمای بالا ( بالاتر از WAT) ذوب میشود.شکل2عوامل موثر بر میزان رسوب موم- دمای تشکیل موم، WAT- دمای سیال تولید شده- ویژگیهای سیال از قبیل ویسکوزیتههیدرات چیست؟جامد یخ مانندکه تشکیل میشود وقتی:- به اندازهی کافی آب وجود داشته باشد- تشکیل دهندهی هیدرات (به عنوان مثال, متان) حضور داشته باشد- ترکیب درستی از فشار و دما (فشار بالا/ دمای پایین) [2].شکل3 شکل 4 انسداد معمولی ناشی از تشکیل هیدرات در خط لوله را نشان می دهد. شکل4خطر تشکیل هیدرات از فاز اول پروژه به عنوان یک پارامتر کلیدی برای طراحی سیستم در نظر گرفته میشود. منحنی تفکیک هیدرات توسط شبیهسازی به دست میآید و خطر هیدرات توسط دادههای تجربی شکل5 تایید میشود. به عنوان یک مرجع برای طراحی سیستم، مقدار تفکیک هیدرات 20 انتخاب میشود.شکل5هیدراتهای 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 میشود. هیدراتها در ظاهر مثل برف هستند اما نه به عنوان جامد، به عنوان یخ. مولکولهای آب چارچوب اصلی کریستال هیدرات را تشکیل میدهند. شکل 6شکل6خطر 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 میشود. 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 هزینههای مالی تخمین زده شده بالغ برسالانه 220 میلیون دلار میشود که نشان میدهد درحدود 600000 دلار روزانه در جهان صرف میشود.شرایط مورد نیاز برای تشکیل هیدرات1) فشار بالا2) دمای پایین3) حضور آب آزاد و مولکولهای گاز4) گاز طبیعی در یا زیر نقطهی شبنم5) سرعت و یا تحریک بالا6) حضور گازهای محلول در اسید مانند H2S و CO2روشهای تصویب شده برای جلوگیری از تشکیل هیدرات عبارتند از:- حذف آب- گرم کردن خط- کاهش فشار خط- عایق حرارتی خط- استفاده از بازدارندههای ترمودینامیکیبرای جلوگیری از شکلگیری و رشد کریستالهای هیدرات در خط جریان تولید، تزریق بازدارندههای هیدرات به SPS (سیستم تولید زیردریا) مورد نیاز است. دو نوع از بازدارندهها عبارتند از مونواتیلنگلایکول(MEG) و بازدارندههای هیدرات با دوز کم (LDHI).طرح مهارکنندههای هیدرات میتواند به دو دسته تقسیم شود:تزریق بازدارندههای هیدرات به طور غیرمداوم. تحت شرایط جریان عادی، اگردمای سیال تولیدشده بالاتراز دمای تشکیل هیدرات باقی بماند، تزریق مهارکنندههای هیدرات به طور مداوم ممکن است لازم نباشد.تزریق بازدارندههای هیدرات به طور مداوم. اگر تحت شرایط جریان نرمال، درجه حرارت سیال به زیر دمای تشکیل هیدرات افت پیدا کند، تزریق مهارکنندههای هیدرات مداوم لازم است. به طور معمول این بازدارندههای هیدرات متانول، گلایکول و یا انواع دوز کم مهارکنندههای هیدرات (LDHIها( هستند.MEG به طور مداوم برای جلوگیری از تشکیل هیدرات و یخ در طول عمل طبیعی تزریق میشود. حداکثر غلظت مورد نیاز MEG در آب آزاد (از چگالش بخار و آب تشکیل شده) از بدترین شرایط فشار بالا و دمای پایین به دست میآید. برای تعیین غلظت مورد نیاز MEG در آب آزاد (MEG غنی)، دمای طراحی حاشیه باید به پایینترین دما در بستر دریا کاهش یابد تا شرایط انبساط گاز در خط جریان در طول راهاندازی مجدد را فراهم نماید. مدیریت خطر هیدرات و خوردگی به شدت به درجه حرارت سیال وابسته است.درجه حرارت آب در بستر میتواند منفی باشد، در محدودهای از -1.8 در زمستان تا +1 در تابستان. مدیریت خطرات هیدرات و خوردگی بر اساس دهیدراته کردن سیال به منظور جلوگیری از حضور آب آزاد و به حداقل رساندن استفاده از مواد شیمیایی است[3].LDHIها نیز کاندیدای خوبی برای این هدف میباشند که یکی از این بازدارندهها، بازدارندههای هیدرات جنبشی یا KHIها هستند که اولین تجربهی استفاده از آنها در فاز 2 و 3 پارس جنوبی بود. نتایج نشان داد که خطر تشکیل هیدرات کمتر از فرضیات اولیهی طراحی با توجه به دمای بسیار پایین کف دریا بود. استفاده از تزریق KHI در سال 2007 به طور رسمی آغاز شد[4].مطالعهی تضمین جریان در سه تجزیه و تحلیل اساسی خلاصه میشود: ترمودینامیک، دینامیک سیال و انتقال حرارت. تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی خواص حالت مانند گرمای ویژه برای فشار ثابت و حجم ثابت ( و وزن مخصوص ( را تعریف میکند. اینها برای تعیین مشخصات دما و فشار در امتداد خط استفاده میشوند. بنابراین، با دادههای دما و فشار در امتداد خط، تعیین نقطهی تشکیل هیدرات امکانپذیر است.به طور کلی هیدراتها در سیستمهای نفت و گاز توسط هیدروکربنهای سبک تثبیت شدهاند. هیدراتها بر خلاف یخ میتوانند در دمای بالاتر از در سیستمهای تحت فشار تشکیل شوند و بر خلاف یخ, هیدراتها حاوی هیدروکربن کافی برای سوزاندن هستند.اولین قدم برای بررسی اینکه آیا جریان مطابق با مشخصات پروژه است، به دست آوردن خواص ترمودینامیکی و نمودار فاز است. برای انجام آن برنامه کامپیوتری PVTSIMاستفاده شده است. بر اساس ترکیب معمول گاز دیاگرام فاز زیر به دست آمده است.منحنی فشار-دما نشان میدهد که سیستم باید در یک حالت ثابت و شرایط گذرا به منظور اجتناب از احتمال تشکیل هیدرات عمل کند(شکل7). منطقهی چپ نمودار، منطقهی ثبات هیدرات است. ثبات هیدرات با افزایش فشار و کاهش دما افزایش مییابد. درحالی که سمت راست نمودار به عنوان منطقهی آزاد هیدرات به آن اشاره شده، که در آن سیستم باید به جلوگیری از تشکیل هیدرات عمل کند[5].شکل7با توجه به دمای پایین بستر دریا)(4 و خطرات خاص مرتبط با عملیات حذف موم در سیستم آبهای عمیق، مدیریت موم یک مسالهی بالقوه در نظر گرفته شده است. برای پیشگیری از رسوبات موم، تمرکز بر مدیریت حرارتی ترجیح داده میشود. خطر تشکیل هیدرات در خاموشی و راهاندازی مجدد و همچنین رسوب موم الزاماتی را برای عایق حرارتی گستردهی سیستمهای زیردریا تاسیس میکند..[6]به عنوان یکی از مهم ترین جنبه ها برای مدیریت رسوبات بر اساس دانش دقیق از میدان دما در داخل خط لوله و / یا تجهیزات زیر دریا است، هدف اصلی از این کار به اعمال فیلترهای بیزین برای پیش بینی میدان دمای ناپایدار در مقطع خط لوله در طول دوره خاموشی است.کنترل هیدرات نیازمند توجه مداوم در حین کار است. شاخههای هیدرات میتوانند در عرض چند ساعت تشکیل شود و پس از آن, روزها، هفتهها و یا حتی ماهها زدودن آن زمان ببرد. شایعترین روش استفاده شده برای زدودن پلاگهای هیدرات کاهش فشار سیستم به فشاری کمتر از نقطهای که در آن هیدراتها در دمای محیط (آب دریا) پایدار هستند است. این فشار در حدود 400psi است. از آنجا که شاخههای متعدد مشترک هستند، فرایند میتواند بسیار طولانی و درآمد زیادی را از دست بدهد.محاسبات دمای حالت پایدار از فرایند تضمین جریان استفاده میشود تا میزان جریان و سیستمهای عایقی که مورد نیاز است تا سیستم بالای دمای تشکیل هیدرات حفظ شود را نشان دهد. محاسبات دمای گذرا استفاده میشود تا شرایط راهاندازی و خاموشی را بررسی کند[7].فصل دوم: مدیریت حرارتیمدیریت حرارتی زیر آب یک عنصر کلیدی برای موفقیت عملیات تضمین جریان در میدان آب های عمیق است. تجزیه و تحلیل حرارتی یک سیستم تولید زیر دریای معمولی، که مشخصات دما را در امتداد خط جریان پیشبینی میکند، یکی از مهم ترین مراحل طراحی طرح زیر دریا و به تبع آن راه اندازی می باشد . مدیریت حرارتی میدانهای نفتی دریایی در میان سایر موارد مورد نیاز عملیاتی، یکی از مسائل اصلی برای انجام عملیات بهره برداری نفت است. زیرا زمانی که هیدروکربن ها تولید می شوند و در مسافت های طولانی انتقال داده میشوند، برای تضمین جریان بسیار مهم است که از رسوبات جامد و تشکیل هیدرات با نظارت حرارتی کنترل و جلوگیری شود. تجزیه و تحلیل حرارتی شامل هر دو حالت پایدار و مطالعات گذرا برای مراحل مختلف طول عمر میدان است و باید به عنوان یک ابزار طراحی برای انتخاب عایق های حرارتی و / یا سیستم های گرمایش به منظور جلوگیری از تشکیل رسوب خدمت کنند.در اغلب موارد، زمینهی مدیریت حرارتی حداقل نیاز برای انتخاب بهترین طرح به منظور حفظ دمای سیال در داخل خطوط لوله و تجهیزات تولید زیر دریا بالاتر از حداقل درجه حرارت را تعیین میکند. در عملکرد حالت پایدار ، دمای سیال تولید شده وقتی در امتداد خط لوله جریان مییابد با توجه به انتقال حرارت از طریق دیواره لوله، کاهش می یابد . این مشخصات دمایی حالت پایدار از سیال تولید شده استفاده می شود تا نرخ جریان و سیستم های عایق که برای نگه داشتن سیستم بالای حداقل درجه حرارت بحرانی در هنگام تولید مورد نیاز است را شناسایی کند. اگر در برخی از لحظهها شرایط جریان حالت پایدار قطع شود، مانند شرایط خاموشی، آنالیز انتقال حرارت گذرا برای سیستم زیر دریا لازم است تا اطمینان حاصل شود که دمای سیال بالاتر از محدوده دمای رسوب جامد در زمان مورد نیاز است. رسوبات جامداصلی موم و هیدرات هستند. برای یک سیال داده شده ، این مواد جامد در ترکیب خاصی از فشار و دما رسوب میکنند. رسوبات موم معمولا در دماهای مختلف از تا ظاهر میشوند. دمای تشکیل هیدرات از سوی دیگر، به طور معمول در حدود و در فشار100 بار است. تکنیک های پیشگیری و / یا به حداقل رساندن تشکیل این رسوبات جامد با کمک تجارب میدانی و تلاش تحقیقاتی فشرده مورد حمایت قرار گرفته اند. استراتژیهای اساسی در حال حاضر برای جلوگیری از این مشکلات عبارتند از:- اجازه ندهد تا سیستم وارد منطقه فشار / دما شود که می تواند رسوبات جامد شکل گیرد؛- نصب و راه اندازی امکانات زیر دریا برای توپکهای در حال اجرا (خراشدهندههای مکانیکی)؛- تزریق مواد شیمیایی مهارکننده به خطوط جریان؛- عایق حرارتی برای خطوط جریان و تجهیزات زیر دریا؛- سیستمهای گرمایش برای خطوط جریان و تجهیزات زیر دریا؛- مانیتورینگ لحظه به لحظهی سیستم تولید و حمل و نقل.مهم ترین جنبه های طراحی برای سیستم های تولید آب های عمیق بر اساس دمای پایین خروجی چاه و فشار هیدرواستاتیک بالا است. به طور کلی، سیستم های کنونی برای حمل و نقل سیالات تولید شده از طریق خط لوله طراحی شدهاند با فرض اینکه تلفات حرارتی به محیط زیست قابل توجه نیستند. با این حال، تجزیه و تحلیل انتقال حرارت تجهیزات و سیستم های خط لوله از اهمیت زیادی برای پیش بینی و پیشگیری از رسوبات موم و تشکیل هیدرات برخوردار است. دانش دقیق از میدان دمایی در تجهیزات همراه با دانش از مقادیر دمای بحرانی تشکیل رسوبات جامد به منظور تضمین تداوم تولید در سطوح مورد نظر برای سودآوری باید به اندازه کافی مورد ارزیابی قرار گیرد. این مهم است که اشاره شود که در خطوط لوله، هیدرات می تواند حتی در دماهای نسبتا بالا در مخلوط نفت و گاز و آب که از چاه های تولید پمپ میشود، با توجه به فشار بالای درگیر میتواند تشکیل می شود. به تازگی، فن آوری های جدید برای شناسایی، نظارت و کنترل پارامترهای حیاتی مرتبط با تضمین جریان پدید آمده است، به دنبال اجرای اقدامات اصلاحی ترکیب، زمانی که شرایط غیر عادی شناسایی شود. برای مثال، اندازه گیری فشار، دما، سرعت جریان، ترکیب سیال ، در میان پارامترهای دیگر، ممکن است برای پیش بینی شروع مشکلات عملیاتی مورد استفاده قرار گیرد، در نتیجه اجازهی اقدامات اصلاحی به موقع را میدهد.مانیتورینگ خط لولهی زیر دریا و ساختارها اطلاعات مورد نیاز برای مدیریت عملیات نفت و گاز را فراهم میکند و به جلوگیری از آسیبهای زیست محیطی و شکستهای فاجعهبار کمک میکند. با در دسترس بودن ابزارهای مدیریت دادهها برای انتقال اطلاعات لحظه به لحظهی دادههای زیر دریا به مراکز پشتیبانی و عملیاتی خشکی، اپراتورها اغلب با مقادیر زیادی از دادههای خام اما اطلاعات کمی از آنچه که دادهها نشان میدهند روبهرو هستند. ابزارها باید طوری طراحی شوند که مقدار دادههای ارائه شده را کاهش دهند در حالی که اطلاعات ارائه شده به اپراتورها افزایش مییابد.