مدل سازی مخزن

مدل سازی مخزن تنها یک علم مهندسی یا یک علم مربوط به زمین شناسی (Geosciences) نیست بلکه یک مدل جامع است و حاصل متصل شدن دو علم مهندسی و زمین شناسی ست. مدل جامع مخزن نیاز به دانش زمین شناسی، خصوصیات سنگ و سیال، جریان سیالات درون آن (Fluid Flow)، مکانیسم برداشت، حفاری و تکمیل چاه و ... دارد. درمدل زمین شناسی از داده های مغزه (core) ، چاه پیمایی، لرزه نگاری، اطلاعات کانی شناسی، شناخت محیط رسوب گذاری و هم چنین فرآیندهای که رسوبات، بعداز رسوب گذاری متحمل می شوند(diagenesis) (مانند حفاری های موجودات کف دریا،اکسیده شدن رسوبات و... )، استفاده می شود.

نقش مدل سازی مخزن

شناخت رفتار مخزن درگذشته و حال و پیش بینی رفتار آن درآینده یکی از مهم ترین بخش های مدیریت یک مخزن را تشکیل می دهد؛ به عنوان نمونه یک پروژه بازیافت خوب از نظر اقتصادی و کیفی، به صورت قابل توجهی تحت تأثیر شناخت رفتار مخزن درحال حاضر و پیش بینی رفتار آن درآینده است و یا دقت روش های Material balance وVolumetric (روش هایی هستند که برای تخمین نفت و گاز درجا به کار می روند) که در شبیه سازهای بازیابی نفت برای آنالیز رفتارمخزن و تخمین هیدروکربور در جای مخزن استفاده می شوند؛ بستگی به کیفیت مدلی دارد که برای مخزن پیش بینی کرده ایم.

در واقع مخزن مانند یک موجود زنده است و افزایش دقت در پیش بینی رفتار آن نیاز به یک مدل دقیق دارد. یک مدل شبیه سازی شده می تواند چندین نوع زندگی تحت سناریو های مختلف برای یک مخزن پیش بینی کند.

داده هایی که وارد شبیه ساز می شوند حکم چند عکس را دارند که ازیک منظره، پشت سرهم وبا یک فاصله زمانی گرفته شده اند اما وضعیت بین این عکس ها مشخص نیست و شبیه سازتحت سناریوهای مختلف این عکس هایی که وجود ندارند(بین زمان های عکاسی شده) را تخمین می زند.ازاین اطلاعات دربهترانجام دادن عملیات ازدیاد برداشت، برداشت بهتر و صیانتی از مخزن، و تعیین تاریخچه مخزن استفاده می شود.

درگذشته تنها برای مخازن بزرگ شبیه سازی و مطالعات مخزن انجام می شد و مخازن کوچک، باتوجه به وقت گیر بودن مطالعات و شبیه سازی مخزن و همچنین هزینه بالای آن تحت شبیه سازی قرارنمی گرفتند اما امروزه مخازن کوچک نیز توسط شبیه سازهای کوچک، شبیه سازی و مدیریت می شوند.

مدل کردن مخزن به دلایل زیر یکی از مهم ترین بخش های مدیریت مخزن است:

۱) این روش شامل مجموعه ای از اطلاعات زمین شناسی و مهندسی است.

۲) این امکان را به زمین شناس می دهد که اطلاعات شبیه ساز را با داده های واقعی که از مخزن ثبت کرده است مقایسه و تحلیل کند.

۳) امکان شناسایی رفتار مخزن درحال حاضر و آینده تحت سناریوهای مختلف را فراهم می سازد و مهم ترین تصمیم ها را درجهت مدیریت مخزن امکان پذیر می سازد.

درتوسعه مدل مخزن باید هر ۲ علوم زمین شناسی و مهندسی به طور همزمان استفاده شود این خود فواید زیر را به همراه دارد:

۱) تلفیق این ۲ علم باعث تحلیل بهترمخزن و افزایش قطعیت و دقت مدل می شود.

درواقع داده های زمین شناسی حکم یک دستیار را برای تحلیلات مهندسی دارند و داده های مهندسی نیزچراغ جدیدی بر سر راه فرضیات زمین شناسی روشن می کنند.

۲) تیم زمین شناسی مهندسی پیش بینی های گذشته را اصلاح می کنند و باعث کاهش هزینه های اشتباهی درطول عمر مخزن یا یک میدان می شوند.

۳) از دیگر فوایداین کار گروهی، این است که هر بخش ، قسمتی از مطالعه ی داده ها را برعهده دارد و این باعث افزایش کیفیت و سرعت انجام مطالعات می شود.

۴) مدل مخزنی که حاصل مطالعه این تیم چند تخصصی (علوم زمین شناسی و مهندسی) است یک تکنیک عملی برای توصیف دقیق مخزن را فراهم می کند که می تواند منجربه حداکثر برداشت از یک میدان شود.

درواقع با داشتن چنین شبیه سازی (simulator) می توان درموارد زیر ازآن به عنوان یک راهنما استفاده کرد:

۱) مشخص کردن عملکرد میدان نفت تحت تزریق گاز یا آب و یا تحت برداشت طبیعی از مخزن

۲) مشخص کردن نحوه تزریق آب

۳) تخمین اثر نرخ تولید (production rate) روی بازیابی نفت

۴) محاسبه کل میدان گازی برای تحویل دادن به چند چاه دریک مکان خاص(مشخص کردن تعداد و محل چاه ها در آن مخزن یا میدان)

۵) پیداکردن بهترین مسیر و روش برای بهترین برداشت ازمخزن

امروزه با استفاده از کامپیوتر و نرم افزارهای شبیه سازی متعدد مانند اکلیپس(Eclipse)، پترل(Petrel)، پن سیستم(Pan system) و ...، و با استفاده از اصول مهندسی، زمین شناسی و اقتصادی ، حل مشکلات مخازن پیچیده در چارچوب زمانی، راحت تر شده است.

در واقع فرآیند شبیه سازی شامل توصیف مخزن، تعیین تاریخچه عملکرد مخزن و پیش بینی عملکرد آینده مخزن تحت سناریوهای مختلف است.

بعداز این که مدل مخزن ساخته شد، بررسی می شود که آیا این مدل با تاریخچه قبلی مخزن مطابقت دارد(History Matching)؟ معمولا تغییراتی در مدل در محدوده ی زمین شناسی و مهندسی برای تطبیق مدل با تاریخچه قبلی مخزن انجام می شود، درواقع مدلی که ارائه می شود باید کمترین پیچیدگی را داشته باشد وهم زمان بهترین اطلاعات را دراختیار قرار دهد.

Geosciences (علم زمین شناسی)

زمین شناسی شاید مهم ترین نقش را درمدل سازی و مدیریت مخزن برعهده دارد.دراین بخش هدف، معرفی نقش زمین شناسی درمدل سازی مخزن است.

یک مدل به اطلاعاتی درخصوص تغییرات تخلخل ،تراوایی و خصوصیات فشار مویینگی نیاز دارد. برای شناسایی ، مخزن را به بلوک هایی تقسیم می کنند و اطلاعات هر یک را مورد مطالعه قرارداده و به آن بلوک نسبت می دهند؛ سپس هر بلوک را به عنوان یک نقطه درنظر می گیرند و مخزن را با اطلاعات این نقاط مخزن، مطالعه می کنند ابعاد هر بلوک بستگی به چندین عامل مانند فاصله بین چاه ها، همگنی (یکسان بودن خصوصیات سنگ در همه ی قسمت های سنگ) و غیرهمگنی سنگ مخزن، سیال درون مخزن و... دارد.

بخش زمین شناسی اطلاعاتی که به شبیه ساز می دهد شامل:

۱) مطالعه سنگ است که جنس سنگ و محیط رسوبگذاری آن و هم چنین همگنی سنگ مخزن را دراختیار قرارمی دهد.

۲) مطالعه چارچوب سنگ است که بخش های مفید سنگ مخزن (gross net)(قسمتی که از نظر تخلخل، تراوایی و ذخیره هیدروکربور دارای شرایط مخزنی باشد) ازجهت تولید را مشخص می کند.

۳) مطالعه کیفی مخزن که تغییرات تخلخل و ترآوایی و خصوصیات فشار مویینگی (نوعی فشار که در گلوگاه های باریک سنگ ایجاد می شود) را درقسمت های مختلف سنگ دراختیار قرارمی دهد.

۴) مطالعات جامع که درمقیاس سه بعدی انجام می شود به مطالعه هیدروکربور موجود در خلل و فرج و نحوه حرکت آن می پردازد.

Seismic Data (داده های لرزه ای):

عملیات لرزه نگاری سه بعدی کمک می کند که مقدار نفت در جای موجود درمخزن را شناسایی کرد و با آنالیز این اطلاعات به وسیله کم کردن تولید از مناطق خشک و کم هیدروکربور نقش به سزایی درکاهش هزینه ها داشت. عملیات لرزه نگاری سه بعدی درفاز محاسبه نقش به سزایی درطراحی طرح های توسعه ای دارد مانند:

۱) چاه های بهره برداری و تزریقی مشخص می شوند.

۲) حفظ فشار مخزن به خوبی مدیریت شود.

۳) عملیات بازسازی (work over) روی چاه انجام شود.

این فعالیت ها اطلاعات جدیدی را به دست می دهند که باعث تغییر و اصلاحاتی در نقشه ها، ساختارهای زیر زمینی(مانند طاقدیس، ناودیس و...) و مدل های چینه شناسی (Stratigraphic) می شوند.

عملیات های لرزه نگاری سه بعدی (۳D) نقشه های توسعه ای اولیه را تحت تاثیر قرارمی دهند ؛ با حفاری چاه های توسعه ای، اطلاعات اضافه شده ی حاصل از این چاه ها، در بازسازی اطلاعات اولیه به کارگرفته می شوند. با گذشت زمان و اضافه شدن داده های جدید، بعضی از قسمت های داده های لرز ه نگاری که درابتدا مبهم بودند قابل فهم می شوند.

لرزه نگاری سه بعدی (۳D) به موارد زیرکمک می کند:

۱) چهارچوب جغرافیایی(ابعاد و موقعیت) مخزن را مشخص کند

۲) معرفی کیفی و کمی خصوصیات سنگ، و سیال درون آن

۳) مشخص کردن جریان

آمار و تخمین

هالدرسون و دامسلت (Haldorsen & Damslath) استفاده از تکنیک های زمین آمار( Geostatistic ) در توصیف مخزن را این گونه شرح می دهند:

قابلیت اندازه گیری و شناخت خواص و شکل مخزن درهمه مقیاس ها وجود دارد.همانطور که در مقاله ی مبانی شناخت مخزن گفته شد مخزن محصول نهایی فرآیندهای شیمیایی بسیارپیچیده ای است که درطول میلیون ها سال انجام شده است. توصیف مخزن ترکیبی از مشاهده هدف ها که همان داده های زمین شناسی و رسوب شناسی است (قسمت قطعی) و حدس زدن یک فرمول (قسمت زمین آماری) برای آن می باشد.

در واقع به دلایل زیر تکنیک های زمین آماری برای توصیف مخزن ها کاربرد دارند:

۱) داشتن اطلاعات ناقص درباره مخزن

۲) رسوب گذاری پیچیده

۳) تغییر خصوصیات سنگ(مانند تخلخل، تراوایی و...)

۴) دراختیارداشتن تنها قسمتی از اطلاعات چاه

۵) رابطه غیرمعلوم بین خصوصیات سنگ

۶) راحتی و افزایش سرعت کار.

مدل های زمین آماری به تولید مصنوعی خصوصیات زمین شناسی، دریک، دو و سه بعد می پردازد و مدلی که با تاریخچه مخزن (Historical matching) هم خوانی بیشتری داشته باشد به عنوان مدل مخزن، برای تخمین آن به کار می رود.

امروزه استفاده ازروش زمین آماری فرکتالی Fractal) geostatistic) و دیگر تکنیک های آماری برای به نقشه درآوردن تغییرات هرآن چه درمخازن غیرهمگن به صورت غیرقطعی است، توجه ها را به خود جلب کرده است. زمین آمار فرکتالی براین فرض استوار است که آمار فرکتالی می تواند جایگزینی برای نقاط ناهمگن بین چاه ها که ازآن ها داده ای نداریم، باشد ؛ در واقع با استفاده از Interpolate (به هم وصل کردن نقاطی که اطلاعات آن ها را داریم با توجه به روند قبلی) داده ها موجود این نقاط را تخمین می زنند.

این تخمین موفقیت آمیز است زیرا خصوصیات بسیاری از مخازن طبیعی با پیش فرض های فرکتالی هم خوانی دارند.

مدل های آماری / زمین آماری مخازن ناهمگن ،درتولید یک مدل دقیق از مخزن نقش مهمی دارند.این مدل ها در واقع یک مجموعه از دستگاه های آنالیز داده ها هستند که به عنوان زبان احتمال بین زمین شناس، ژئوفیزیک دان و مهندسین مخزن مشترک بوده و یک وسیله برای جمع آوری انواع منابع اطلاعاتی غیرقطعی است.

Engineering (مهندسی)

مهندسین مخزن با استفاده از یک مدل صحیح از آن مخزن به موارد زیر کمک می کند:

ـ پیداکردن و مشخص کردن مخازن متعدد درمیدان موردنظر و خواص فیزیکی آن ها

ـ تحلیل گذشته و پیش بینی رفتار آینده ی مخزن

ـ کاهش حفاری چاه های غیرنیاز

ـ مشخص کردن و اصلاح چاه و سیستم های سطحی

ـ راه انداختن عملیات کنترل در زمان مناسب

ـ درنظرگرفتن همه موقعیت های اقتصادی و فاکتورهای قانونی.

بعداز مشخص کردن مدل زمین شناسی، اطلاعات مهندسی / تولیدی به مدل اضافه می شود.این اطلاعات شامل خصوصیات سنگ و سیال مخزن، محل چاه و تکمیل آن، آزمایشات چاه (Well test ) و ... است.

جمع بندی داده ها برای یک مدل جامع(Integration)

داده های به دست آمده به صورت جدا بررسی می شوند و منجربه چندین مدل مختلف مانند مدل زمین شناسی، مدل ژئوفیزیکی، مدل تولیدی / مهندسی و... می شوند. شاخص زمین آمار همه این اطلاعت را یکی می کند و سپس یک مدل برای مخزن که شامل همه این اطلاعات است فراهم می کند.

اهمیت زمین شناسی با پیش بینی رفتار مخزن به وسیله ی مهندسی مخزن مشخص می شود. با این وجود، چیزی که اهمیت دارد این است که تصویر زمین شناسی ای که بدست آمده، با صرف هزینه کم و ماندگاری بیشتر، قابل انتقال به مدل شبیه سازی باشد.

برنامه های مدل سازی سه بعدی زمین شناسی به گونه ای توسعه یافته اند که به صورت خودکار بتوانند نقشه های زمین شناسی را با استفاده از داده های اکتشافی ترسیم کنند . به دلیل این که این مدل ها به طور مستقیم درارتباط با شبیه سازی مخزن هستند، مهندسین مخزن می توانند ازآن برای توصیف مخزن و به روزکردن (update)مدل با داده های جدید استفاده کرده و نقشه ها را ترسیم کنند.

با آمدن مدل های عددی(Digital) انقلابی در تکنیک های شبیه سازی بوجود آمد. امروزه مهندسین مخزن داده های بیشتری را از مهندسین زمین شناسی و بهره برداری می خواهند (چه درمقیاس کمی و چه در جزئیات).

از طرف دیگر تطابق تاریخچه ای(History matching) مخزن می تواند اطلاعات زمین شناسی را به زمین شناس بازگرداند؛ بنابراین یک همکاری متقابل بین زمین شناس و مهندسین مخازن وجود دارد.در واقع می توان گفت که انقلابی درمدل سازی مخزن از زمان تلفیق علوم زمین شناسی و مهندسی به وجود آمد. که کار را برای استفاده کنندگان بسیار ساده کرده است.

تدوین:

مهندس محسن اطمینان ـ دانشجوی کارشناسی‌ ارشد مهندسی اکتشاف نفت - دانشکده فنی - دانشگاه تهران ـ خبرنگار نفت سرویس مسایل راهبردی دفتر مطالعات خبرگزاری دانشجویان ایران(ISNA)