بررسی اثر نانو ذرات بر فرایند تزریق بخار در مخازن نفت سنگین با استفاده از شبیه سازی

عنوان:

بررسی اثر نانو ذرات بر فرایند تزریق بخار در مخازن نفت سنگین با استفاده از شبیه سازی

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                   صفحه

چکیده ……………………………………………………………………………………………………………… ۱

مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………..۲

  فصل اول: مطالعات کتابخانه ای…………………………………………………………………………………..۶

۱-۱ مقدمه……………………………………………………………………………………………………………۷

۱ فناوری نانو…………………………………………………………………………………………………….۹

۱-۲-۱ ازدیاد برداشت با استفاده از نانو مواد………………………………………………………………..۱۰

۱-۳  اهداف پایان نامه……………………………………………………………………………………………۱۰

۱-۴ ساختار پایان نامه…………………………………………………………………………………………….۱۱

 فصل دوم: ازدیاد برداشت نفت بااستفاده از فناوری نانو ومروری بر مطالعات پیشین……………۱۳

۲-۱  مقدمه…………………………………………………………………………………………………………..۱۴

۲-۲ ازدیاد برداشت نفت با استفاده از فناوری نانو ومروری بر مطالعات پیشین………………………۱۴

۲-۳ اهمیت انتقال حرارت در تزریق بخار به مخزن……………………………………...…………………۱۸

۲-۴ ازدیاد برداشت با استفاده از نانوسیالات…………………………………………………..…………….۱۸

۲-۵ تاثیر سیلابزنی با نانو ذرات برخواص سنگ وسیال………………………………………….……….۱۹

۲-۶ استفاده از نانو ذرات به همراه بخار در فرآیند ازدیاد برداشت نفت…………………………………..۲۰

۲-۷ شبیه سازی و مدل سازی فرایند ازدیاد برداشت نفت با استفاده از نانو ذرات……………………..۲۱

فصل سوم :شبیه سازی فرآیند ازدیاد برداشت نفت با استفاده از تزریق بخاردر حضور نانو ذرات به کمک تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی…………………………………………………………………………۲۴

۳-۱ مقدمه……………………………………………………………………………………………………………..۲۵

۳-۲ مزایای دینامیک سیالات محاسباتی نسبت به سایر روش ها……………………………………………۲۷

۳-۲-۱ اهداف اجرايی روش های CFD.……………………………………………………………………..27

۳-۳ اعتبار سنجی نتایج دینامیک سیالات محاسباتی…………………………………………………………..۲۸

۳-۴ روش های حل  عددی ………………………………………………………………………………………۲۹

۳-۵ دیدگاه های مدل های چند فازی…………………………………………………………………………..۳۰

۳-۵-۱ دیدگاه لاگرانژ………………………………………………………………………………………………۳۱

۳-۵-۲ دیدگاه اولر…………………………………………………………………………………………………..۳۱

۳-۵-۲-۱ مدل حجمی سیال………………………………………………………………………………………۳۲

۳-۵-۲-۲ مدل مخلوط……………………………………………………………………………………………..۳۲

۳-۵-۲-۳ مدل اولری……………………………………………………………………………………………….۳۳

۳-۶ انتخاب مدل چند فازی………………………………………………………………………………………..۳۴

۳-۷ معادلات حاکم بر سامانه………………………………………………………………………………………….۳۴

۳-۸ ایجاد شبکه توسط نرم افزار گمبیت……………………………………………………………………………۳۶

۳-۸-۱ هندسه بستر متخلخل …………………………………………………………………………………….۳۷

۳-۹ فازهای در نظر گرفته‌شده و خواص آن­ها………………………………………………………………..۳۹

  • محاسبه عدد رینولدز جریان و تراوایی بستر……………………………………………………………….۴۱
    • اجرای شبیه­سازی و فرضیات در نظر گرفته‌شده …………………………………………………………۴۲
    • طراحی آزمایش……………………………………………………………………………………………………۴۳

۳-۱۳ بررسی اثر پارامترهای مختلف…………………………………………………………………………….۴۴

فصل چهارم : نتایج وبحث……………………………………………………………………………………………………………………….۴۶

۴-۱ مقدمه……………………………………………………………………………………………………………..۴۷

۴-۲ بررسی استقلال نتایج شبیه‌سازی از شبکه…………………………………………………………………۴۷

۴-۳ بررسی تأثیر گام زمانی بر میزان دقت نتایج عددی……………………………………………………..۴۹

۴-۴ اعتبارسنجی نتایج………………………………………………………………………………………………۵۰

۴-۵مطالعه پارامتری و بهینه­سازی…………………………………………………………………………………۵۳

فصل پنچم : نتیجه گیری و پیشنهادات…………………………………………………………………………………………………..۶۰

۵-۱ نتیحه گیری………………………………………………………………………………………………………………………………………۶۱

۵-۲ پیشنهادها برای پژوهش­های آتی…………………………………………………………………………..۶۲

مراجع………………………………………………………………………………………………………………….۶۳

پیوست ها…………………………………………………………………………………………………………….۶۷

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                 صفحه

شکل۱-۱ انواع روش های تولید از مخازن و روش های ازدیاد برداشت نفت………………….۸

شکل۳-۱ نمایشی از مدل مورد استفاده در آزمایش مغزی وهمکاران…………………………….۳۸

شکل ۴-۱ شبکه متخلخل تولید شده با استفاده از کد محاسباتی متلب …………………………۴۷

شکل ۴-۲ نمایی از شبکه بستر متخلخل…………………………………………………………………..۴۸

شکل ۴-۳ مقایسه نتایج آزمایشگاهی با نتایج شبیه سازی…………………………………………۵۱

شکل ۴-۴ کانتورجزء حجمی نانوسیال در فرایند تزریق نانوسیال وبخار آب در بستر متخلخل..۵۱

شکل ۴-۵ کانتور کسر حجمی نانوسیال در فرایند تزریق نانوسیال و بخاردر بستر متخلخل در زمان­های مختلف…………………………………………………………………………………………………۵۲

شکل ۴-۶ تأثیر نوع نانوذره بر نتایج ضریب بازدهی نفت…………………………………………..۵۵

شکل ۴-۷ تأثیرکسر حجمی نانو ذرات در سیال پایه بر نتایج ضریب بازدهی نفت……..۵۶

شکل۴-۸ تاثیر قطر نانو ذره بر ضریب بازدهی نفت…………………………………………....…۵۶

شکل۴-۹ تأثیر دمای سیال ورودی بر نتایج ضریب بازدهی نفت……………………………….۵۷

شکل ۴-۱۰ کانتور دما در حالت اجرای بهینه……………………………………………………….۵۹

شکل ۴-۱۱ تغییرات گرانروی نفت در اجرای بهینه………………………………………………..۵۹

فهرست جداول

عنوان                                                                                                 صفحه

جدول۳-۱ خصوصیات فیزیکی مدل مورد استفاده……………………………………………………….۳۸

جدول۳-۲ خواص فیزیکی سیال‌های موجود در سامانه………………………………………………….۳۹

جدول ۳-۳ خواص فیزیکی نانو ذرات موجود در سامانه………………………………………………..۴۱

جدول ۳-۴ پارامترها ومقادیر در نظر گرفته شده………………………………………………………….۴۶

جدول ۴-۱ نحوه ی تولید مدل در شبکه……………………………………………………………………۴۸

جدول ۴-۲ نتایج بررسی تأثیر گام زمانی بر دقت نتایج شبیه­سازی………………………………..۴۹

جدول ۴-۳ اجراهای CFD طراحی‌شده بر اساس روش تاگوچی……………………………………..۵۳

جدول ۴-۴ نتایج تحلیل واریانس………………………………………………………………………………………………………۵۴

جدول ۴-۵ سطوح بهینه برای هر پارامتر بر اساس بیشترین ضریب برداشت نفت………………..۵۸


چکیده

پتانسیل بالای روش های ازدیاد برداشت نفت به منظور جابجایی نفت به سمت چاه های تولیدی و همچنین هزینه‌ی بالای به کارگیری آنها، انتخاب صحیح یک روش برای یک مخزن خاص لازم و ضروری می باشد. در این تحقیق ، مشکل تولید نفت درمخازنی که حاوی نفت سنگین هستند، به ویژه بالا بودن ویسکوزیته مورد بررسی قرار گرفته است. درسال های اخیر استفاده از نانو ذرات به عنوان عوامل موثر در روش های ازدیاد برداشت مورد استفاده قرار گرفته و تا حدودی نتایج بدست آمده از این تحقیقات مورد بررسی قرار گرفته است. استفاده از نانو ذرات در مقیاس میدانی نسبت به سایر روش های ازدیاد برداشت بسیار پر هزینه می باشد وشاید استفاده از آن ها در این مقیاس مقرون به صرفه نباشد. در این صورت استفاده از روش های شبیه سازی فضای مطالعات را بیشتر می سازد. روش دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) یکی از روش های قدرتمند محاسباتی است که سالیان اخیر مورد توجه قرار گرفته است. از مزایای  این روش کم کردن زمان و قیمت هنگام طراحی تجهیزات و به دست آوردن اطلاعات کامل در مورد پژوهش می باشد .

این پژوهش شامل سه بخش می باشد که درقسمت اول یک مدل شبیه مدل مخزنی طراحی کرد  که نتایج سیلابزنی را در آن بتوان مورد مطالعه قرار داد. در گام بعدی به دست آوردن یک روش دقیق در نرم افزار مورد نظر (FLUENT)برای شبیه سازی فرایند تزریق نانو سیال در یک مدل مخلوط می باشد. و در قسمت آخر به منظور بدست آوردن مقادیر بهینه ی هر یک از پارامتر های موثر در فرآیند ازدیاد برداشت نفت با استفاده از نانو ذرات میباشد.در این قسمت طراحی آزمایش به کمک نرم افزار دیزاین اکسپرت  وروش تاگوچی انجام شده است . در این قسمت چهار پارامتر نوع نانو ذره( اکسید آلومینیوم، اکسید آهن واکسید مس)، جزء حجمی ذرات در سیال پایه (بخار)، قطر نانو ذره و دمای سیال تزریقی به عنوان عوامل موثر در فرآیند ازدیاد برداشت انتخاب شده اند. با استفاده از نتایج بدست آمده از شبیه سازی مشخص شد که نانو ذرات آلومینیوم با قطر ۲نانومتر ودرصد حجمی۵% ودرحالی که دمای سیال تزریقی ۳۰۰درجه سانتی گراد باشد بیشترین ضریب برداشت نفت(۹۰۴/۶۸) را می تواند داشته باشد .

کلمات کلیدی: نانوسیال،  میکرو مدل، ضریب برداشت نفت، دینامیک سیالات محاسباتی، سیلابزنی،شبیه سازی، طراحی آزمایش، روش تاگوچی.

مقدمه

 تقاضای روز افزون جهاني برای نفت و فراورده های آن و کاهش تولید طبیعی از مخازن نفتی به خصوص مخازن نفت سنگین ودر نهایت افزایش قیمت نفت در چند سال اخیر باعث توجه روز افزون به روشهای  ازدیاد برداشت برداشت[۱] شده است. در نقاط مختلف جهان به خصوص در کشورهای کانادا، ونزوئلا، امریکا، اندونزی، مکزیک، روسیه، ایران و در بعضی کشور های تولید کننده نفت در خاورمیانه منابع عظیمی از نفت های سنگین و بسیار سنگین وجود دارد که با تکنولوژی های متداول به آسانی قابل بهره برداری نمی باشند [۱].

با توجه به حساسیت بالای انجام روش های ازدیاد برداشت از نقطه نظر فنی و همچنین هزینه ی بسیار بالای آنها جهت اعمال در مخازنی که یا به نیمه دوم عمر خود رسیده اند یا دارای نفت سنگین و بسیار سنگین اند ، نیازمند انجام تحقیقات کامل جهت  انتخاب بهترین روش بازیافت نفت با توجه به امکانات موجود می باشد. اساسا” مفهوم تخمین [۲] در مهندسی نفت، انتخاب بهترین روش ازدیاد برداشت با توجه به امکانات موجود، لحاظ پارامترهای تاثیرگذار خواص سنگ و سیال و اعمال سیاست های اقتصادی در آن است . این مسئله به وضوح سبب صرفه جویی در وقت ، هزینه  و باعث کاهش میزان ریسک پذیری می شود . با یک تخمین فنی و اقتصادی مناسب و مهندسی شده می توان زمینه را برای مدل کردن پروژه مورد نظر فراهم آورد. تخمین و انتخاب بهترین روش ازدیاد برداشت با روش های مختلفی انجام می گیرد که از جمله ی آن می توان به  استفاده از جداول و منحنی های حاوی محدوده عددی و غیر عددی پارامترهای مخزن و خواص سنگ و سیال[۳]، منطق فازی[۴]، هوش مصنوعی[۵] و شبکه های عصبی[۶] اشاره کرد [۱].

گرانروی بالای نفت از جمله عوامل اصلی کاهش حرکت نفت به سمت چاه های تولیدی می باشد.در سالیان گذشته تزریق بخار در مخازن باعث کاهش گرانروی[۷] نفت مخزن شده و برداشت ازآن را تاحدودی سهولت بخشیده است.لذا تزریق تناوبی بخار که یکی از روش های مرسوم امروزی در ازدیاد برداشت نفت است  مورد استفاده قرار گرفته و تا حدودی دارای مزایایی نسبت به روش تک مرحله ای تزریق بخار می باشد.[۵]

در دهه های اخیر پژوهش های بسیاری چه در مقیاس آزمایشگاهی و چه در مقیاس صنعتی جهت شناخت اثر تزریق سیالات در دمای بالا به داخل مخازن نفت سنگین و یا ایجاد حرارت در داخل مخزن از طریق سوزاندن مقداری نفت درجا و نیز روش های غیر حرارتی ازدیاد برداشت از مخازن انجام گرفته است. بنابراین روش های تولید از این منابع برای کاهش گرانروی متمرکز شده اند و به طور کلی موثر ترین روش،روش های حرارتی تشخیص داده شده اند و سایر روش ها اثر کمتری روی گرانروی دارند.

تزریق بخار به داخل مخزن علاوه بر کاهش گرانروی فواید دیگری از جمله انبساط نفت، تقطیر نفت در درجه حرارت بالا و نیز افزایش فشار مخزن را در بر دارد از میان روش های حرارتی،تزریق بخار بیشترین کاربرد را داشته است. زیرا بخار عامل انتقال بسیار خوبی است.وبا استفاده از مکانیسم های مختلف باعث افزایش برداشت از مخازن نفت سنگین می شود.

استفاده از روش هایی غیرحرارتی تاثیر کمتری بر روی گرانروی  نفت مخزن دارد.سایر روش ها بیشتر افزایش ویسکوزیته وتغییر در تر شوندگی مخزن را لحاظ می کنند. استفاده از مواد پلیمری باعث افزایش ویسکوزیته ی نفت مخزن می شوند واز پدیده هایی مانند انگشتی شدن[۸]در مخزن جلوگیری می کند,که خود این موضوع می تواند یکی از روش های ازدیاد برداشت از مخزن باشد.

ازجمله مواد شیمیایی که برای ازدیاد برداشت استفاده می شود سورفکتانت ها [۹]می باشند,این مواد عمدتا باعث تغییر ترشوندگی سنگ مخزن می شوند واین تغییر ترشوندگی یکی از عوامل اصلی ازدیاد برداشت از مخزن می باشد[۲].

امروزه و در جهان کنونی،‌ نفت و گاز بعنوان حیاتی ترین نیاز سوختی جوامع انسانی به شمار می آیند. حال آنکه با در نظر گرفتن محدودیت منابع نفتی و گازی در جهان و نیز توانائی محدود بشر در اکتشاف، تولید و بهره برداری از منابع هیدروکربوری، نیاز به توسعه فناوری های جدید در جهت توسعه علمی و عملی ازدیادبرداشت احساس می شود. در این میان، فناوری نانو این ظرفیت و پتانسیل را دارد که تغییرات چشم گیری را در حوزه های متنوع نفت و گاز ایجاد نماید.

فناوری نانو توانایی کار در سطح اتم وایجادساختارهایی که نظم مولکولی جدیدی را فراهم می آورد را دارد.با استفاده از فناوری نانو می توان منابع جدیدی راتوسعه داد و از آنجاییکه قدرت و پایداری مواد در صنایع نفت و گاز از اهمیت زیادی برخوردار است به همین دلیل ساخت مواد درمقیاس نانو بسیار مهم می باشد.خوردگی یکی از مشکلات عمده در صنایع نفت وگاز به شمار می آید که سالانه مبالغ زیادی را به خود اختصاص می دهد جایگاه ایران از نظر ملاحظات رشد علمی در مورد فناوری نانو در سال های آتی بسیار چشمگیر بوده است، اما مشخص ساختن حوزه های با پتانسیل بیشتر در خصوص این فناوری در کشور بسیار ضروری است. در حال حاضر صنعت نفت و گاز با میادینى روبروست که یا تولید بیشتر از آنها با فناور ى هاى گذشته امکان پذیر نیست، یا به دلایل متعددى از قبیل عمق زیاد و محل قرار گیرى میدان، یا خصوصیات مخزنى به عنوان نفوذپذیرى بسیار کم، تولید از آنها دشوار است بنابراین سلامت تجهیزات در طول عمر مفیدشان یک مسئله اساسی به حساب می اید لذا استفاده از نانو ذرات سهم قابل توجهی را در پیشرفت های امروزه فناوری وتکنولوژی به خود اختصاص داده است.مخازن نفتی و گازی در حقیقت منابع عظیمی از سیالات هیدروکربوری هستند که دارای شرایط فیزیکی و شیمیائی خاص خود بوده و در طول کل فرآیند اکتشاف[۱۰]،‌ استخراج[۱۱]،‌ تولید و افزایش بهره برداری نیاز است تا رفتار و نیز ساختار زمین شناسی و درونی آنها تا حد امکان به خوبی شناسائی و عملیاتی که بر روی آنها انجام می گیرد، با دیدی باز و علمی تعیین گردد. مدیریت مخازن به اصطلاح به بررسی و پایش، دریافت اطلاعات صحیح از خصوصیات و رفتار مخزن و همچنین کنترل فرآیندهای ناخواسته که بعنوان مانعی بر سر راه تولید قرار می گیرند، اطلاق می شود. از آنجائیکه نانوفناوری بعنوان رویکردی جدید در جهت برطرف نمودن معایب و مشکلات در صنایع مختلف از جمله صنایع بالادستی نفت و گاز می باشد،‌ این موضوع به بررسی مفاهیم بکار رفته در مدیریت مخازن در دو حیطه پایش وضعیت چاهها با استفاده از نانوحسگرها‌ و نیز کنترل شن و ذرات نامطلوب درون چاه با استفاده از نانوغشاءها [۱۲]و نانوذرات می پردازد.

فصل اول

   مطالعات کتابخانه‌ای

                             مقدمه‌ای بر روش‌های ازدیاد برداشت

۱-۱ مقدمه

استفادة صحيح از منابع نفتي كشور، به منظور افزايش طول عمر آنها و برخورداري نسل هاي آينده از اين ذخاير خدادادي، ايجاب مي‌كند تا با مديريت صحيح اين منابع آشنا شويم. از نكات قابل توجه در مديريت مخازن، اتخاذ روش هايي براي حفظ و صيانت مخزن، بالابردن راندمان توليد و سعي بر نگه ‌داشتن آن در حد مطلوب در طول زمان مي باشد. بدين منظور، سعی شده است تا ضمن آشنايي اجمالي با روش هاي ازدياد برداشت از مخازن نفتي، بستري براي انعكاس نظرات محققین به منظور ارائه راه حل هاي مناسب در بهبود عملكرد مخازن نفتي ايجاد شود. مهمترين نيروهاي موجود در مخازن كه نفت به كمك آن به‌طور طبيعي (توليد اولية) جريان مي يابد، عبارتند از:

۱-  نيروي حاصل از فشار گاز حل شده در نفت

۲- نيروي حاصل از فشار گاز جمع‌شده در قسمت بالاي كلاهك

۳- فشار هيدرواستاتيك سفرة آب مخزن كه در زير ستون نفت قرار گرفته است

۴- نيروي ديگري كه برخي مخازن داراي ستون نفت بسيار مرتفع براي توليد طبيعي از آن بهره مي برند، نيروي ريزش ثقلي است.

سهم مشاركت هر يك از اين نيروها در رانش نفت متفاوت است و به وضعيت ساختماني و زمين‌شناسي سنگ مخزن و خواص فيزيكي و ترمو ديناميكي سيال هاي موجود در مخزن بستگي دارد. در مقابل اين نيروها، نيروهاي مخالفي سبب محبوس نگه ‌داشتن يا ايجاد تنگنا در بازيابي نفت مي شوند كه مهمترين اين نيروها، نيروي فشار موئينگي سنگ مخزن و نيروي اصطكاك حاصل از حركت سيال در درون خلل و فرج سنگ مخزن تا ته چاه است. براي استحصال و بازيافت كامل نفت، بايد چنان نيرويي در اعماق مخزن وجود داشته باشد كه بتواند علاوه بر غلبه بر نيروهاي مخالف، موجب رانش نفت به سمت بالا گردد.

 كاهش نيروهاي موافق باعث مي شود تا بازيافت نهايي كم شود. به همين دليل از روش هايي تحت عنوان روش هاي ازدياد برداشت براي بالابردن توليد از مخزن نفتي استفاده مي شود. در واقع روشهای EOR شامل سه بخش اولیه، ثانویه و ثالثیه هستند که  تولید با استفاده از بخش اولیه توسط انرژی طبیعی مخزن صورت می گیرد یعنی در مخازن هیدروکربوری نیرویی که باعث جریان هیدروکربورها از مخزن به چاه می شود, نیروی محرک[۱۳] می گویند که شامل مکانیسم آبران، مکانیسم رانش توسط کلاهک گازی ،گاز محلول و… می باشد. وقتی تولید نفت از یک چاه با مکانیسم طبیعی متوقف می شود، از مرحله ی بازیافت اولیه وارد مرحله ی بازیافت ثانویه می شویم. در بازیافت ثانویه روش های مصنوعی برای بالا بردن تولید به کار برده می شود. ازدیاد برداشت نفت یا بازیافت ثالثیه آخرین قدم برای برداشت نفت باقی مانده در مخزنی است که با بازیافت ثانویه هم خارج نشده است، در طول این روش مواد شوینده تزریق می شوند تا نفت سنگین روان شده و به طرف چاه حرکت کند [۴]. معمولا ۳۰ درصد از نفت به‌طور طبيعي از مخزن برداشت مي گردد و ۷۰ درصد آن نياز‌مند بكارگيري برخي روش هاي ازدياد برداشت مي‌باشد. به طور کلی مراحل ازدیاد برداشت بعد ازبازدهی اولیه به دو قسمت بازدهی ثانویه وثالثیه تقسیم می شوند که مختصرا در شکل(۱-۱) به آن خواهیم پرداخت[۴].

شکل(۱-۱) انواع روش های تولید از مخازن و روش های ازدیاد برداشت نفت

      1-2- فناوری نانو

   نانوتكنولوژي، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن كنترل در سطوح ملكولي و اتمي و استفاده از خواص است  كه در آن  سطوح ظاهر مي­شود. از همين تعريف ساده بر مي­آيد كه نانوتكنولوژي يك رشته جديد نيست، بلكه رويكردي جديد در تمام رشته ها می باشد . براي نانوتكنولوژي كاربردهايي را در حوزه هاي مختلف از غذا، دارو، پزشكي و بيوتكنولوژي تا الكترونيك، كامپيوتر، ارتباطات، حمل­و­نقل، انرژي، محيط زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده اند. كاربردهاي وسيع اين عرصه به همراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن اين فن ­ آوري را به­عنوان يك زمينه فرا رشته­اي و فرابخش مطرح نموده است.[۵]

همانگونه كه اشاره شد بسياري از كشورهاي پيشرفته و در حال پيشرفت، برنامه‌هايي را براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتكنولوژي تدوين و اجرا مي‌نمايند.مطابق پیش بینی های به عمل آمده، افزایش تقاضای جهانی برای انرژی همچنان ادامه خواهد داشت و اگر چه استفاده از انرژی های جایگزین مانند انرژی های هسته ای و انرژی های تجدید پذیر در سال های آتی افزایش می یابد،‌ ولی این افزایش در مقایسه با انرژی های فسیلی کم بوده و نقش اصلی منابع انرژی تجدید پذیر حداقل تا دو دهه آینده نقش تکمیلی و حامی خواهد بود .[۴۳] با درک این واقعیت که میزان تقاضا انرژی جهانی در سال های آتی به بالاترین میزان خود خواهد رسید، نیاز به ایجاد یک تحول علمی و عملی در هسته اصلی علوم مهندسی نفت و گاز، جهت افزایش میزان بهره وری بیش از پیش احساس می شود. در این میان، علم نانو بعنوان علمی که هدف آن بازنگری در ساختار تولیدی مواد و بهینه کردن فرآیند تولید و بهره برداری از آنهاست، این پتانسیل را دارد که انقلابی عظیم در تمامی فناوری های حال حاضر بشری از جمله بهره برداری از منابع هیدروکربوری ایجاد نموده و با استفاده از قابلیت های گسترده خود فناوری هایی پر بازده تر و سالم تر نسبت به آنچه امروزه شاهد هستیم، معرفی نماید. بصورت کلی علم نانو از طریق کنترل ساختار ماده در ابعاد اتمی و ایجاد ساختار بهینه برای مواد، سبب بهبود بسیاری از خواص مانند سطح مفید، استحکام، صرفه جوئی در میزان ماده مصرفی و غیره می گردد. در صنعت نفت و گاز نیز از آنجا که قدرت، پایداری و ابعاد تجهیزات مورد استفاده از اهمیت به سزائی برخوردار است می توان با استفاده از فناوری نانو به تحولات چشمگیری دست یافت. بر اساس نتایج محققین که انتظار می رود با کمک فناوری نانو ضریب برداشت جهانی نفت تا حدود ۱۰% افزایش پیدا کند .[۷] به منظور پاسخگوئی به روند رشد روز افزون تقاضای جهانی جهت تامین منابع نفت و گاز، یا باید منابع جدید هیدروکربنی کشف شده و مورد بهره برداری قرار گیرند و یا با استفاده از فناوری های گوناگون، نفت و گاز در جا و بدون استفاده درون مخزن تحت فرآیند های ازدیاد برداشت مورد بهره برداری قرار گیرد. در این حال و با توجه به شرایط سخت اکتشاف و نیز صیانت از منابع هیدروکربوری موجود، استفاده از روش دوم منطقی تر و اصولی تر می باشد. امروزه فناوری نانو در زمینه ازدیاد برداشت از مخازن نفتی پیشرفت های اساسی را ایجاد نموده است. به عنوان نمونه استفاده از نانو سیال همراه با سیال تزریقی که سبب تغییر در خاصیت ترشوندگی سنگ مخزن شده و نیروی کششی دراگ و اتصال دهنده ها را در جهت پیوستگی شن کاهش می دهند و یا استفاده از نانو مواد فعال سطحی [۱۴] که سبب افزایش میزان برداشت از مخازن به نسبت کاملا کنترل شده می گردد   .[5]

۱-۲-۱روش های ازدیاد برداشت با استفاده از نانو مواد

با توجه به پیشرفت های سال های اخیر درفناوری نانو بسیاری از محققین به مطالعه این روش روی آوردند.در این روش با استفاده از مواد در مقیاس نانو و اضافه کردن آن به سیالاتی مثل آب و الکل، دی اکسید کربن و بخار نانو سیالات تولید می شوند. در این روش در  مقیاس آزمایشگاهی به جواب های بسیار خوبی دست پیدا کردند. این حالت هنوز در حال بررسی می باشد ونیازمند اطلاعات بیشتر برای استفاده در مقیاس میدانی می باشد.[۶]

۱-۳  اهداف پایان نامه

مبنای تحقیق مورد نظر شبیه سازی فرایند ازدیاد برداشت نفت با استفاده از نانو ذرات با استفاده از نرم افزارهای تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی و اهداف این پروژه به صورت زیر می باشد.

  1. تولید یک میکرو مدل با استفاده از نرم افزار های تجاری موجود و بررسی حرکت سیال در مدل طراحی شده .
  2. بدست آوردن یک روش حل دقیق در نرم افزار فلوئنت[۱۵] وانتخاب یک مدل چند فازی مناسب برای شبیه سازی فرایند تزریق نانو سیال و اعتبار سنجی نتایج بدست آمده از شبیه سازی با  استفاده از داده های آزمایشگاهی.
  3. بدست آوردن مقادیر بهینه هر یک از پارمتر های موثر بر فرآیند ازدیاد برداشت نفت با استفاده از   تزریق بخار در حضور نانو ذرات. (طراحی آزمایش با استفاده از نرم افزار دیزاین اکسپرت[۱۶] و روش تاگوچی).

۱-۴ ساختار پایان نامه

بنا بر اهداف ذکر شده ارائه مطالب وساختار پایان نامه ی حاضر به صورت زیر است:

دراین فصل به بیان مقدمه ای بر ضرورت ازدیاد برداشت نفت وانواع روش های ازدیاد برداشت به صورت مختصر پرداخته شد.

در فصل دوم روش های ازدیاد برداشت نفت شرح داده می شود ومروری بر مطالعات وتحقیقات پیشین ازدیاد برداشت با استفاده از نانو ذرات و بررسی اثر آن در فرآیند تزریق بخار صورت خواهد گرفت.و این بخش به پنج قسمت تاثیر سیلاب زنی با نانو ذرات بر خواص سنگ وسیال, افزایش ضریب برداشت نفت با استفاده از نانو سیالات,ازدیاد برداشت با استفاده از نانو ذرات همراه با مواد فعال سطحی,استفاده از نانو ذرات به همراه بخار و شبیه سازی و مدل سازی فرایند ازدیاد برداشت با استفاده از نانو ذرات تقسیم می شود. در نهایت نتیجه گیری مطالب ذکر شده بیان  و چالش های پیش رو برای استفاده از نانو ذرات در ازدیاد برداشت مطرح می گردد.

در فصل سوم تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی[۱۷]، انواع روش های حل عددی، دیدگاه های مدل سازی چند فازی و استفاده از معادلات حاکم بر سامانه بیان می گردد.همچنین نحوه ی استفاده از نرم افزار گمبیت برای تولید هندسه، و نرم افزار فلوئنت برای حل مسئله در این بخش توضیح داده می شود.روش ساخت مدل، وخصوصیات آن، ویژگی فازهای در نظر گرفته شده، روش شبیه سازی و پارامترهای مورد بررسی برای طراحی آزمایش در بخش به صورت کامل توضیح داده می شود.

در فصل چهارم بررسی استقلال نتایج عددی از شبکه و نیز تاثیر گام زمانی بر میزان دقت روش عددی ارائه شده است.در ادامه این فصل اعتبار سنجی نتایج عددی با نتایج آزمایشگاهی و مطالعه ی پارامتری و بهینه سازی پارامتر ها به کمک طراحی آزمایش انجام می شود. در این بخش تاثیر پارامترهای نوع نانو ذره، قطر نانوذره (نانومتر)، جزءحجمی نانو ذره، ودمای سیال تزریقی بر روی ضریب برداشت نفت در فرآیند تزریق نانو سیال مورد بحث قرار خواهد گرفت و بهترین سطح برای هر پارامتر با توجه به بیشینه بودن ضریب برداشت نفت در نظر گرفته خواهد شد.

درفصل آخر از مطالعات وشبیه سازی های به عمل آمده در این فصل نتیجه گیری خواهد شد و برای بهبود کار وتحقیقات آینده پیشنهادهایی ارائه خواهد شد.

فصل دوم

ازدیاد برداشت نفت با استفاده از فناوری نانو ومروری بر مطالعات پیشین

۲-۱ مقدمه

نانوتکنولوژی یعنی تولید و کاربرد اجسام یا وسایل با مقیاس فوق العاده ریز و کوچک،اینگونه اجسام یا وسایل در حد ۱ تا ۱۰۰ نانومتر ( nm ) می باشند . با توجه به اندازه بسیار ریز، ذرات نانو دارای ساختار فیزیکی وشیمیایی خاصی می باشند که آنان را از مواد دیگر متمایز می سازد.به همین دلیل ذرات نانو هر روزه توجه بیشتری را در ساخت موادجدید با کارکرد نوظهور جلب می نماید.فناوری نانو هم اکنون سهم قابل توجهی را در پیشرفت صنایع از جمله الکترونیک، بیوپزشکی، داروسازی، هوافضا به خود اختصاص داده است.واین پتانسیل را دارد که تغییرات متحول کننده ای را در حوضه های مختلف نفت وگاز نظیر اکتشاف، حفاری، ازدیاد برداشت، پالایش وپخش رابه وجود آورد.به عنوان مثال به کمک نانو حسگرها می توان اطلاعات و داده های بسیار دقیق تر وجزئی تر از یک مخزن نفتی به دست آورد.به خصوص نانو ذرات ساخته شده را می توان برای جلو گیری از تشکیل رسوبات مخزن مورد استفاده قرار داد.به کمک مواد نانو می توان تجهیزات سبکتر ، بادوام تر، و مطمئن تر در صنایع نفت و گاز به وجود آورد.به طور خلاصه حوزه های متعددی وجود دارند که فناوری نانو می تواند به عنوان یک فناوری پر بازده، موثر، واز نظر زیست محیطی نیز سازگار و مطلوب مورد استفاده قرارگیرد. فناوری نانو ابتدای کار خود را می گذراند وهیچ کس با دقت نمی تواند مشخص کند که نتیجه ی شکفتن کامل این فناوری در چند دهه ی آینده چه خواهد بود. اما با این وجود بسیاری از دانشمندان با اطمینان به این موضوع معتقد هستند که فناوری نانو اثرات بر روی مراقبت های بهداشتی و پزشکی وکامپیوتر وسنسورها و امنیت ودفاع جهانی خواهد داشت[۴].

۲-۲ازدیاد برداشت نفت با استفاده از فناوری نانو ومروری بر مطالعات پیشین

فناوریهای میکرو و نانو هم اکنون سهم قابل توجهی را در پیشرفتهای فناوری در شماری از صنایع شامل الکترونیک، بیو پزشکی، داروسازی، مواد، هوافضا، عکاسی و به تازگی در صنایع وابسته به انرژی به خود اختصاص داده اند. فناوریهای میکرو و نانو این ظرفیت و پتانسیل را دارند که تغییرات متحول کننده ای را در حوزه های مختلف نفت و گاز نظیر اکتشاف، حفاری، ازدیاد برداشت و پالایش و پخش به وجود آورند. به عنوان مثال به کمک نانو حسگرها میتوان اطلاعات و داده های بسیار دقیق تر و جزئی تری را از یک مخزن نفتی به دست آورد. به خصوص نانوذرات ساخته شده را می توان برای جلوگیری از تشکیل رسوبات مخزن مورد استفاده قرار داد. به کمک مواد نانو ساختار می توان تجهیزات سبکتر، دقیقتر، مطمئن تر و با دوامتر را که در صنایع نفت و گاز کاربرد دارند، تولید و به کار گرفت. از نانو غشاها نیز می توان برای ارتقا کیفی و کمی جداسازی گاز و ناخالصی ها از نفت و گاز بهره جست. یکی دیگر از کاربردهای نو ظهور فناوری های میکرو و نانو در صنعت نفت را میتوان گونه ای از سیالات دانست که در ازدیاد برداشت و حفاری کاربرد دارند. به طور خلاصه حوزه های متعددی وجود دارند که فناوری نانو میتواند در این حوزه ها به عنوان یک فناوری پربازده، موثر، ارزان و از نظر زیست محیطی نیز سازگار و مطلوب مورد استفاده قرار گیرد.[۶]

آیت الهی وظرافت[۱۸]  [6]در مقاله ای تحت عنوان نانو تکنولوژی وکاربرد آن در ازدیاد برداشت مطالعه کرده ودریافتند که پیشرفتهای حاصله در فناوری نانو این پتانسیل را دارند که صنعت را با استفاده از معرفی فناوریهایی پربازده تر و همچنین از نظر زیست محیطی سازگارتر، به جایی فراتر از منابع جایگزین کنونی سوق دهند . به طور کلی فناوری نانو به زمینه های از فناوری و علوم کاربردی بر می گردد که اصول کلی آن کنترل ماده در مقیاس اتمی و مولکولی )اغلب ۱۰۰ نانو متر یا کمتر ( و ساخت وسایلی که ابعاد آن در این محدوده قرار گرفته اند، است. پیشرفت ها در زمینه ی نانو باعث توسعه مواد، ابزارها و وسایلی با خصوصیات و ویژگیهایی شده اند که به کمک فناوریهای مرسوم نمی توان بدان رسید. تحقیق و توسعه در فناوری نانو ترکیبی از خواص مکانیکی، حرارتی الکترونیکی، نوری، مغناطیسی و شیمیایی مواد در مقیاس نانو را به کار گرفته و مورد تحلیل و بررسی قرار میدهد.

فناوری نانو این قابلیت را دارد که تمام بخشهای صنعت را متحول کند. به عنوان مثال در حوزه های نفت وگاز، با ارتقا قابلیت انتقال حرارت و بهبود جداسازی درون چاهی به کمک فناوری نانو میتوان منابع جدیدی را توسعه داد. از آنجایی که قدرت و پایداری مواد در صنایع نفت و گاز از اهمیت فراوانی برخوردار است، ساخت مواد در مقیاس نانو با دقت بسیار زیاد نه تنها زمین شناسان و مهندسان را قادر میسازد که ابزارهایی که از آنها استفاده میشود را کوچکترسازند، بلکه در تولید و ساخت مواد با کیفیت بهبود یافته آنها را یاری می کند.

تایپی[۱۹][۷] براین عقیده است که به کمک فناوری نانو میتوان روزی ضریب برداشت جهانی نفت وگاز را به دلیل پیشرفتهای سریع در تحقیقات و مطالعات مربوط به کاربرد فناوری نانو در صنایع نفت و گاز، تا حدود ۱۱درصد افزایش داد. .از فلزات در مقیاس نانو هم اکنون برای ترسیم و موقعیت یابی رسوبات فلزی در اکتشافات و تحقیقات ژئوشیمی استفاده می شود . فناوری نانو همچنین در زمینه ازدیاد برداشت نیز به کمک مواد فعال سطحی مناسب چشم اندازهای جذابی را ایجاد کرده است. این مواد را میتوان کاملاً کنترل شده تر نسبت به مواد فعلی به مخزن اضافه کرده، و در پی آن نفت بیشتری نیز به دست آورد. به کمک تکنولوژی نانو میتوان ابزارهای اندازه گیری بیشتری را همانند حسگرهای خیلی کوچک تولید کرده و بدین ترتیب اطلاعات حاصله از مخزن را هم از لحاظ کیفیت و هم از لحاظ کمیت ارتقا داد.

کوایو[۲۰] [۸] نیز در مطالعات خود به این نتیجه رسید که کاربرد نوظهور دیگری که فناوری نانو در صنایع نفت و گاز دارد را میتوان گونه جدید سیالها برای بهبود و ارتقا ازدیاد برداشت و حفاری دانست. این سیالها علاوه بر اینکه حفاری را ارتقا می دهند، باعث تغییر ترشوندگی، کاهش نیروی کششی دراگ و اتصال دهنده ها برای پیوستگی شن میشوند. همچنین سبک سازی بیتومن و نفت خام سنگین به کمک نانو کاتالیستها را نیز میتواند به عنوان یکی دیگر از کاربردهای فناوری نانو در صنعت نفت به حساب آورد.

پاسخگویی به رشد روز افزون تقاضا برای نفت به دو روش امکان پذیر است: یکی با یافتن منابع جدید هیدروکربنی و دیگری با ازدیاد برداشت از مخازن نفتی موجود. به هر حال روند اکتشاف از حوزه های نفتی در حال کاهش است و بسیاری از مخازن نفتی نیز در انتهای بازه تولید خود قرار دارند. اهمیت اصلاح و بهبود روشهای ازدیاد برداشت از این روست که در بسیاری از مخازن نفتی دنیا حدود دو سوم از نفت مخزن درجا و بدون استفاده در مخزن باقی می ماند و به کمک روش های مرسوم نمی توان آن را برداشت کرد. روشهای ازدیاد برداشتی که تا درجات مختلفی از نظر تجاری موفق بوده اند بر سه دسته اند:

۱- برداشت حرارتی

۲- تزریق گاز

۳- تزریق مواد شیمیایی

سیلابزنی شیمیایی نظیر سیلابزنی پلیمر، تزریق آلکالینها یا سیلابزنی مواد فعال سطحی یا ترکیبات مانند اینها، به علت هزینه بالای مواد تزریقی، پتانسیل خوردگی آنها، تلفات مواد تزریقی در طی حرکت درون مخزن، محدود شده اند. هنگامی که این مواد تزریقی در گلوگاه های حفره ها گیر افتادند، کنترل تحركپذیری از دست خارج میشود، نفوذپذیری مطلق کاهش مییابد، برداشت نفت کم میشود و تلفات مربوط به مواد افزایش می یابد .امروزه محققن سعی دارندتا برای ازدیاد برداشت از نانو ذرات استفاده کنند. نانو ذرات در یک نگاه می تواند تزریق ماده ی شیمیایی به حساب آید از طرفی دیگر برخی از محققین روش ها را ترکیب کرده اند مانند روش تزریق بخار و نانو ذره که یکی از روش های حرارتی شیمیایی است. نانوذرات می توانند به کنترل فرآیندهای برداشت که با فناوری های حاضر و یا پیشین هماهنگی ندارد کمک کند. این نانوذرات با ارتقا ژئومکانیک )مکانیک سنگ( مخزن و ارتقا کشش سطحی به همراه بهبود و اصلاح ذخائر که البته این عوامل به طور کامل اثبات نشده اند، میتوانند باعث افزایش برداشت نفت شوند. ویسکوزیته سیالی که به مخزن تزریق میشود تا نفت را جابه جا کند مانند آب، دی اکسیدکربن،بخارو یا محلولهای حاوی مواد فعال سطحی، معمولا از ویسکوزیته نفت کمتر است. در این شرایط اضافه کردن نانوذرات میتواند ویسکوزیته سیال تزریق شده را روی مقدار بهینه تنظیم کرده و حرکت را در مخزن بهبود بخشیده و در نتیجه بازدهی برداشت نفت را افزایش میدهد. تحقیقات بسیاری در زمینه افزایش نانوذرات به سیالها چاپ و منتشر شده است. در این تحقیقات گزارش شده است که بعضی خواص سیال پایه از قبیل چگالی، ویسکوزیته، هدایت حرارتی و گرمای مخصوص میتواند با افزایش نانوذرات به آن، افزایش یابد. نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که ویسکوزیته دی اکسید کربن با اضافه کردن ۱درصد از نانوذرات و مقدار اندکی از توزیع کننده )پخش کننده(تقریبا ۱۴۱ برابر ویسکوزیته دی اکسید کربن معمولی است. بنابراین با توزیع چنین نانوذراتی در سیالهای دی اکسیدکربن پیش ران میتوان به نسبت تحرك پذیری مطلوب و بازدهی جاروبی رسید که این خود منجر به برداشت نفت بیشتر میشود.[۹]

 2-3 اهمیت انتقال حرارت در تزریق بخار به مخزن

از آنجا كه نانوذرات فلزى مى توانند بطور موثرى پلى بين مواد در مقياس بزرگ و ساختارهاى اتمى و مولكولى باشند بسيار موردتوجه قرار گرفته اند. مواد در مقياس بزرگ بدون توجه به اندازه، داراى خواص فيزيكى ثابت هستند، اما اين قضيه در مقياس نانو صدق نمى كند. اما با نزديك شدن اندازه مواد به مقياس نانو و افزايش قابل توجه درصد اتم ها در سطح ماده خواص موادتغيير مى كنند. در تزریق بخار بحث انتقال حرارت بسیار حائز اهمیت است لذا نانو ذرات فلزی نسبت به سایر نانو ذرات بهتر این کار را انجام می دهند. نانوذرات به ازاى حجم مشخصى از ماده، داراى سطح خيلى زياد هستند. اين خاصيت يك نيروى محرك قابل توجه براى نفوذ  به خصوص در دماهاى بالا ايجاد مى كندبا افزودن نانوذرات، خواص سيال پايه )سيال معمول(از قبيل دانسيته، گرانروى، هدايت حرارتى، و گرماى مخصوص  افزايش می یابد. اين افزايش در خواص فيزيكى سيال پايه، براى كاربردهاى انتقال حرارتى مطلوب است.[۱۰]

۲-۴ ازدیاد برداشت با استفاده از نانوسیالات

سیلمانو[۲۱] و همکاران [۱۱] در مقاله ای به عنوان حضور نانو ذرات در ازدیاد برداشت نفت را مطالعه کردندو دریافتند که امروزه نسل جدیدی از سیالات مورد توجه محققین در صنایع نفت و گاز قرار گرفته اند که نانوسیالات نام دارند. و از افزودن نانوذرات با غلظتهای حجمی کم به سیالات به منظور افزایش وبهبود خواص آنها بدست می آید. از مهمترین خواص نانوسیالات میتوان به این امر اشاره نمود که خواص آنها شدیداً تابع ابعاد نانوذرات موجود در آنها می باشد . چنین سیالاتی میتوانند با تغییرترشوندگی، کاهش نیروی کششی و نیز استحکام ماسه، فرآیند ازدیاد برداشت از مخازن را بهبوددهند. راشیت و همکاران[۱۲] روش جدیدی به منظور کاهش ویسکوزیته ی نفت سنگین با استفاده از نانو ذرات فلزی بیان کردند. آنها از نانو ذرات برای بهبود هدایت گرمایی دی اکسید کربن فوق بحرانی یا سیال تزریقی کاهنده گرانروی[۲۲] وکاهش ویسکوزیتهء نفت سنگین بیان کردند.نتایج تحقیقات آنها نشان می دادکه تزریق دی اکسید کربن به تنهایی به۵۸ درصد بازیافت نفت منجر می شود. اما با استفاده از یک نوع نانو ذره مانند اکسید مس این میزان تا ۷۱درصد قابل افزایش است.

۲-۵  تاثیر سیلابزنی با نانو ذرات برخواص سنگ وسیال

از جمله کاربردهای مهم نانو ذرات در این زمینه به استفاده از نانو مواد برای تسهیل جدایش نفت وگاز در داخل مخزن واستفاده از نانو ردیاب ها در داخل سنگ مخزن اشاره نمود. نانو ذرات زمانی که با سنگ های حاوی نفت خام تماس پیدا می کنند، باعث بازیافت نفت خام می شوند.طبق مطالعات انجام شده یکی از تاثیرات اساسی نانو ذرات تغییر دادن میزان تر شوندگی سنگ مخزن است. لذا در تحقیقات[۱۲] تاثیر نانو ذرات برترشوندگی سنگ کربناته به عنوان یکی از عوامل اصلی در ازدیاد برداشت نفت مورد بررسی قرار گرفته است وبدین ترتیب از نانو ذرات ZrO2، TiO2 ،CaCO3 ،SiO2 وغیره استفاده می شود.جو[۲۳] و همکارانش[۱۳] نشان دادندکه استفاده از نانو ذرات پلی سیلیکون می تواند سنگ مخزن را از حالت نفت دوست به آب دوست تغییر دهد. مغزی و همکاران [۱۴] با استفاده از روش قطره چسبیده[۲۴]  زاویه تماس بین آب با درصد وزنی های متفاوت  از اثر ذرات سیلیکا را اندازه گیری کردندو نشان دادند پس از سیلابزنی با نانو ذرات شرایط ترشوندگی سنگ مخزن  به سمت شرایط آب دوست قوی تغییر می کند.آن ها برای انجام آزمایش ازمیکرو مدل شیشه ای برای مشاهده نحوه ی حرکت سیال در محیط متخلخل استفاده کردند که با استفاده از روش جدید بر پایه تکنولوژی لیزر تهیه شده است[۱۵].

تاکنون مطالعات آزمایشگاهی بسیاری برای بررسی تغییر ترشوندگی و کاهش کشش سطحی به کمک نانو ذرات انجام گرفته است. ترشوندگی و کشش بین سطحی تأثیر زیادی روی بازده جابه جایی میکروسکوپی نفت از مخازن دارند. ازاین رو، تغییر ترشوندگی سنگ مخزن و کاهش کشش بین سطحیِ سیالات توسط نانو ذرات یکی از روشهای مناسب برای بهبود بازیافت نفت از مخازن می باشد. آزمایش ها نشان می دهد که استفاده از عوامل شیمیایی مانند سورفکتانت و نانوذرات می تواند با کاهش کشش بین سطحی و تغییر ترشوندگی از حالت نفت دوست به حالت آبدوست یا میانه باعث افزایش بازیافت نفت شود. خراط وهمکاران [۱۶]دریک آزمایش با استفاده از یک میکرو مدل پنج نقطه ای نشان دادند. بازده جابه جاییِ میکروسکوپی به کمک سیلا بزنی شیمیایی در جهت ارزیابی بازده تولید نفت در اثر تزریق نانوذرات به همراه سورفکتانت و به منظور تغییر ترشوندگی و کاهش کشش بین سطحی می تواند موثر باشد. در نهایت به این نتیجه رسیدند که بازده تولید نفت با افزودن نانوذرات به سورفکتانت افزایش می یابد بر اساس مشاهدات کمی و کیفی، استفاده از نانو ذرات به همراه سورفکتانت بازیافت نفت بیشتری نسبت به سیلا بزنی سورفکتانت دارد.

۲-۶استفاده از نانو ذرات به همراه بخار در فرآیند ازدیاد برداشت نفت

بستامی[۲۵][۱۰]  بررسی کرد که نفت هاى سنگين بخشى از منابع قابل توجه نفتى به شمار مى آيند كه به دليل مشكلات استخراج ناشى از بالا بودن گرانروى ، هنوز تاحدودزيادى دست نخورده باقى مانده اند. در حال حاضر، استخراج از مخازن نفت سنگين با استفاده از روش هاى ازدياد برداشت حرارتى تزريق حلال و تزريق گاز امتزاجى صورت مى پذيرد. در اين مقاله، مزاياى سه فرآيند مجزا شامل روش هاى حرارتى، تزريق حلال و تزريق گاز امتزاجى با يكديگرتركيب شده و يك فرآيند نو براى كاهش گرانروى نفت سنگين ارائه شده است. در اين پژوهش، از نانوذرات فلزى براى افزايش هدايت حرارتى دى اكسيد كربن فوق بحرانى يا سيال تزريقى كاهنده گرانروى براى كاهش گرانروى نفت سنگين استفاده شده است. يك ماده فعال سطحى قابل حل در دى اكسيد كربن فوق بحرانى نيز براى تقويت اين كاهش گرانروى به مخلوط اضافه شده است. بنابراين، خواص حرارتى نانوذرات فلزى، خواص شيميايى و حلاليت مواد فعال سطحى و خواص امتزاجى دى اكسيد كربن فوق بحرانى و سيال تزريقى كاهنده گرانروى همه با هم به كاهش گرانروى نفت سنگين و تسهيل در استخراج اين نوع نفت، كمك مى كنند.مخازن نفت سنگين و فوق سنگين به خاطر گرانروى بالا، داراى بازيافت اوليه قابل توجهى نيستند، از اين رو براى بازيافت بیشر از این مخازن معمولا از روش های حرارتی استفاده می شود، به طوريكه بيش از ۸۰ درصد توليد نفت سنگين در مرحله ازدياد برداشت از طريق روش هاى حرارتى انجام مى گيرد [۱۰] . به طور كلى مخازن نفت سنگين و فوق سنگين نيازمند اقداماتى براى كاهش گرانروى نفت و وارد كردن انرژى به مخزن هستند. زمانى كه بخار فوق داغ به مخزن تزريق مى شود، گرانروى نفت كاهش يافته، فشار مخزن از طريق جابه جايى وتقطير جزئى نفت افزايش مى يابد. بخار مى تواند به طور پيوسته به شكل سيلابزنى  يا به صورت منقطع و طى چند چرخه به مخزن تزريق شود. در حالت منقطع، مى توان  بخار را از يك چاه در نقش چاه تزريقى به مخزن تزريق كرد و سپس از همان چاه اين بار در نقش چاه توليدى به استخراج نفت پرداخت.روش تزريق گاز، هم به صورت امتزاجى كه گاز تزريقى و نفت درون مخزن با يكديگر امتزاج يافته و تشكيل سيال واحدى مى دهندو هم به صورت غيرامتزاجى كه گاز تزريقى  پيستون مانند، نفت درون مخزن را به سمت چاه هاى توليدى هدايت مى كند  از روش هاى ازدياد برداشتى هستند كه به طور گسترده، پس از روش هاى حرارتى در استخراج نفت  مورد استفاده قرار گرفته اند [۱۰].

۲-۷شبیه سازی و مدل سازی فرایند ازدیاد برداشت نفت با استفاده از نانو ذرات

با توجه به اینکه در این زمینه مطالعات اندکی صورت گرفته هنوز مکانیزم های تاثیر وجود نانو  ذرات بر ازدیاد برداشت نفت کاملا مشخص نیست به همین دلیل شبیه سازی و مدل سازی فرایند ازدیاد برداشت نفت با حضور نانو ذرات و تاثیر آن بر راندمان برداشت در محیط متخلخل به صورت اندک صورت گرفته و نیاز به مطالعات بیشتری دارد.

یکی از روش های ازدیاد برداشت نفت تزریق گاز است. در صورتی رطوبت گاز در حالت طبیعی حفظ شود می توان آن را با تزریق بخار مقایسه کرد. ودر نهایت وجود نانو ذرات همراه سیال می تواند تاثیر چشمگیری در ازدیاد نفت به روش تزریق بخار داشته باشد. الامین و همکاران[۱۷] یک مدل ریاضی برای توصیف حرکت نانو ذرات که توسط دی اکسید کربن در یک محیط متخلخل ارائه دادند و نیروی شناوری وموئینگی[۲۶] و نیروی نفوذ براونی[۲۷] دراین مدل در نظر گرفته می شود . الامین و همکارنش همچنین یک مدل ریاضی برای توصیف حرکت نانو ذرات حمل شده توسط یک جریان دوفازی  شامل آب ونفت در یک محیط متخلخل بدست آوردند. در این آزمایش ها آن ها با استفاده از یک سری داده های عددی و با توجه به اضافه کردن نانو ذرات تغییر خواص سیال و جامد تغییرات اشباع آب غلظت نانو ذرات و نسبت تخلخل را مطالعه کردند.

نجاتی نژاد وهمکاران[۱۸] تاثیر تزریق نانوذرات سیلیکای آب دوست بر تغییر ترشوندگی سنگ و در نتیجه ازدیاد برداشت نفت مورد بررسی قرار دادند. نخست در مرحله ی آزمایشگاهی، تاثیر حضور نانوذرات در افزایش بهره فرآیند تزریق آب به نمونه مغزه یکی از مخازن نفتی ایران را تعیین و منحنی های تراوایی نسبی دو سیستم ترشونده با نفت، قبل از افزودن نانوذرات و ترشوندگی آن با آب، بعد از تزریق نانوذرات، بررسی کردند که برای حل عددی معادلات حاکم بر سیستم عددی مورد نیاز هستند. در مرحله دوم، با در نظر گرفتن مکانیسم های حرکت نانوذرات درون محیط متخلخل، و با حل معادله پیوستگی، معادله ی نفوذ و معادلات کمکی -دیگر از قبیل کاهش تخلخل و تراوایی، یک مدل عددی تهیه می شود. این مدل ، برای محاسبه غلظت نانوذرات در طول مغزه می باشد ،که قادر است تغییرات تخلخل و تراوایی مطلق را نسبت به زمان تعیین کند. علاوه بر این به دلیل تغییر تدریجی ترشوندگی سیستم، تراوایی های نسبی تابع زمان در نظر گرفته شده اند. نتایج هر دو بخش آزمایشگاهی و مدلسازی نشان می دهند که تزریق نانوذرات سیلیکای آب دوست به محیط متخلخل سبب افزایش بازدهی نهایی تولید می گردد.

نتیجه گیری

طبق تحقیقات انجام شده تا کنون بسیاری از مشکلات و ضعف های که صنعت نفت و گاز،چه در بخش بالا دستی و چه در بخش پایین دستی با آنها رو به رو است می تواند به کمک فناوری نانو مرتفع گردند.

نتایج تحقیقات که در این موضوع مرور شده اند بیان گر این است که:

۱٫ هر نوع نانو ذره ای باعث افزایش بازدهی نفت نمی شود لذا باید در انتخاب نوع نانو ذره دقت لازم را به عمل آورد.

۲٫ نوع و دمای  سیالی که به عنوان محیط پخش شدن نانو ذره است(بخار) بسیار حائز اهمیت می باشد ونقش مهمی بر راندمان ازدیاد برداشت نفت را دارد.

۳٫ وجود نانو سیالات باعث افزایش بازدهی نفت  5-35% می شود این مقدار علاوه بر مقدارسیال اصلی موجود می باشد.این مقدار به نوع نانو ذره، قطر نانو ذره ، نوع سیال و غلظت نانو ذره در آن ، نرخ تزریق سیال, هموژن یا هتروژن بودن بستر و شرایط سنگ و نفت بستگی دارد.

۴٫ با اضافه کردن نانو ذرات به سنگ مخزن تغییر تر شوندگی از نفت_تر به آب_تر مشاهده می شود.

۵٫ نانوذرات به دلیل اینکه سایز بسیار کوچکی دارند به راحتی از گلوگاه ها عبور می کنند و رسوب خیلی کمی در مخزن دارند و به راحتی می توانند در مغزه منتشر شوند.

فناوری نانو می تواند کاربرد های فراوانی در صنعت به ویژه در صنعت نفت دارد اگر چه بسیاری از این قابلیت ها  هنوز در فاز توسعه و تحقیق هستند و دارای مشکلات فراوانی برای استفاده در صنعت می باشند .در صورتی که موانع موجود بر سر راه آنها بر داشته شود بسیار می توانند حائز اهمیت و در صنعت کاربرد فراوان داشته باشند.
 

فصل ۳:

شبیه سازی فرآیند ازدیاد برداشت

نفت با استفاده از تزریق نانو ذرات در حضور بخاربه کمک تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی

۳-۱ مقدمه

سرگذشت پیدایش و گسترش دینامیک سیّالات محاسباتی را نمی‌توان جدای از تاریخ اختراع، رواج، و تکامل کامپیوترهای ارقامی نقل کرد. تا حدود انتهای جنگ جهانی دوٌم، بیشتر شیوه‌های مربوط به حلّ مسائل دینامیک سیالات از طبیعتی تحلیلی یا تجربی برخوردار بود. همچون تمامی نوآوری‌های برجسته علمی، در این مورد هم اشاره به زمان دقیق آغاز دینامیک سیّالات محاسباتی نامیسر است. دینامیک سیالات محاسباتی[۲۸] ابزاری قدرتممند برای بررسی دقیق میدان جریان، درجه حرارت، غلظت و … است. این روش مجموعه ای از فنون حل عددی معادلات حاکم بر پدیده های انتقال ممنتوم، حرارت و جرم درون سیالات است که با توسعه سیستم های سخت افزار و نرم افزار رایانه ها، قابلیت های فراوانی در آن ایجاد شده است CFD با این قابلیت ها به یکی از روش های اصلی تحقیق و پژوهش در رشته های مختلف مهندسی تبدیل شده است. اخیراً استفاده از این روش در مهندسی نفت نیز مورد توجه قرار گرفته است.[۱۹]

دینامیک سیالات نام یکی از شاخه های بسیار پرکاربرد و وسیع مکانیک سیالات است. موضوع مورد مطالعه در این زمینه از علوم چگونگی رفتار مایعات و گازها به هنگام حرکت تحت اثر عوامل گوناگون می باشد. مطالعه رفتار سیالات (در حرکت و در سکون) را باید از مهم ترین بخش های مکانیک قدیم (مکانیک کلاسیک)، فیزیک، ریاضیات کاربردی، و علوم و فنون مهندسی به حساب آورد. دینامیک سیالات محاسباتی  یکی از بزرگ‌ترین زمینه‌هایی‌ست که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی‌های نوین محاسباتی آن در نیمه دوّم قرن بیستم و در سده جدید میلادی وصل می‌کند [۱۹]. دینامیک سیالات محاسباتی علم پیش‌بینی جریان سیال، انتقال حرارت، انتقال جرم، واکنشهای شیمیائی، و پدیده‌های وابسته به آن بوسیله حل معادلات ریاضی، که قوانین فیزیکی را بیان می‌کنند، با استفاده از یک فرآیند عددی است. این معادلات شامل پایستاری جرم، ممنتم، انرژی، ذرات و غیره می‌باشد در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره‌ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری امکان حل عددی این معادلات فراهم می‌شود. با تقسیم ناحیه مورد نظر برای تحلیل به المان‌های کوچک‌تر و اعمال شرایط مرزی برای گره‌های مرزی با اعمال تقریب‌هایی یک دستگاه معادلات خطی بدست می‌آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیة مورد نظر بدست می‌آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می‌توان برآیند نیروهای وارد بر سطوح، و ضریب انتقال حرارت را محاسبه نمود. فلوئنت یک نرم افزار کامپیوتری دینامیک سیالات محاسباتی چند منظوره برای شبیه سازی عددی جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش شیمیایی می باشد. با توجه به محیط مناسب نرم افزار جهت تعریف مساله و شرایط های پیچیده، تعریف شرایط مرزی گوناگون و حل مسایل پیچیده شامل تاثیر پدیده های مختلف به کمک این نرم افزار قابل حل می باشد. این نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی با زبان برنامه نویسی C نوشته شده است و از تمامی توان و قابلیت انعطاف این زبان بهره میبرد .[۲۰] نتیجتا فلوئنت با استفاده از حافظه دینامیک ، ساختار مناسب داده ها و اطلاعات و کنترل انعطاف پذیر ، محاسبات را ممکن می سازد. مدلسازی جریانهای دائم و غیر دائم، جریان لزج و غیر لزج ، احتراق ، جریان مغشوش ، حركت ذرات جامد و قطرات مایع در یك فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر فلوئنت را تبدیل به یك نرم افزار بسیار قوی و مشهور در دینامیک سیالات محاسباتی نموده است. اکنون روش دینامیک سیالات محاسباتی جای خود را در میان روش‌های آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات و انتقال حرارت باز کرده‌است و استفاده از این روش‌ها برای انجام تحلیل‌های مهندسی امری عادی شده‌است. در واقع تحلیل‌های دینامیک سیالات محاسباتی مکمل آزمایشات و تجربیات بوده و مجموع تلاش‌ها و هزینه‌های مورد نیاز در آزمایشگاه را کاهش می‌دهد. دینامیک سیالات محاسباتی بصورت گسترده در زمینه‌های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته می‌شود. از جمله این موارد می‌توان به صنایع خودروسازی، صنایع هوافضا، توربوماشین‌ها، صنایع هسته‌ای، صنایع نظامی، صنایع نفت و گاز و انرژی و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره نمود که دانش دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است. علیرغم اینکه قدمت روش دینامیک سیالات محاسباتی در دنیا چندان زیاد نیست، این شاخه از علم در ایران و در سالهای اخیر، رشد بسیار خوبی داشته است. در هر حال این علم نوپا به سرعت در حال پیشرفت است و هر روز کامپیوترهای جدیدتر و روشهای محاسبه بهتر، سریعتر و دقیق تری به وجود می آید.[۲۱]

۳-۲ مزایای دینامیک سیالات محاسباتی نسبت به سایر روش ها

معمولا سه روش زیر برای حل میدان های جریان به کار می رود:

  1. روش های آزمایشگاهی
  2. روش های نظری
  3. روش های عددی

روش های عددی بر اساس اندازه گیری های  آزمایشگاهی ومعمولا بر اساس نظریه پی باکینگهام[۲۹] استوار است[۲۱]. در این روش با بی بعد سازی معادلات می توان به جای آزمایش بر روی یک مدل حقیقی با اندازه گیری وشرایط خاص یک نمونه ی کوچکتر را آزمایش کرد وسپس با استفاده از قضیه ی پی باکینگهام نتایج بدست آمده را به مدل اصلی تعمیم داد.

روش های تحلیلی یا نظری بر مبنای حل معادلات حاکم در مکانیک سیالات و انتقال حرارت ایجاد شده اند. در بیشتر موارد فرمول بندی قوانین پایه ی مکانیک سیالات و انتقال حرارت به صورت معادلات دیفرانسیل پاره ای مرتبه دومی در می آیند که فقط دارای حل دقیقی می باشند. چون معادلات حاکم در مکانیک سیالات مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل پاره ای غیر خطی وابسته را به وجود می آورند که با شرایط اولیه ومرزی مختلف حل شوند ، بنابراین در بیشتر موارد حل تحلیلی معادلات مکانیک سیالات بسیار محدود است و با اعمال شرایط مرزی این محدودیت ها بیشتر می شود .[۲۱]

۳-۲-۱ اهداف اجرايی روش های CFD

ديناميک سيالات محاسباتی می تواند مستقيماٌ به اهداف مورد نياز صنايع شيميايی کمک کند خصوصاً کاربرد تکنيک های محاسباتی می تواند سبب بهبود موارد زير شود[۲۲]:

·  کوتاه شدن سيکلهای توسعه محصول – فرايند

· بهينه سازی وکنترل فرايندهای موجود برای بهبود بازده و مصرف انرژی

· طراحی کار آمد محصولات و فرايند های جديد

· بهبود در شرايط سلامتی و ايمنی و زيست محيطی

از مزیای CFD نسبت به سایر روش های آزمایشگاهی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • توانایی شبیه سازی ومدل سازی در شرایط ویژه: به عنوان مثال بعضی از تحلیل ها که رسیدن به آنها در شرایط آزمایشگاهی  بسیار خطر ناک یا مشکل ساز است می توان از طریق روش CFD آن را تحلیل نمود.
  • کم کردن زمان و هزینه هنگام طراحی وسایل مورد نیاز: هزینه ی انجام محاسبات CFD کمتر ازهزینه انجام یک آزمایش وساخت آزمایش مورد نیاز است . همچنین در بسیاری از موارد شبیه سازی سرعت بیشتری نسبت به کار آزمایشگاهی دارد.
  • به دست آوردن اطلاعات کامل از سیستم مورد نظر :در بیان مسئله CFD  در هر نطقه از جریان تمام پارامترهای مورد نظر را می توان در نظر گرفت ، اما در روش تجربی فقط در نقاط محدودی می توان اطلاعات را به دست آورد. [۲۳]

۳-۳ اعتبار سنجی[۳۰] نتایج دینامیک سیالات محاسباتی

جهت اطمینان از اعتبار محاسبات CFD باید نتایج عددی با داده های آزمایشگاهی مطابقت داده شود و اگر خطا در حد قابل قبولی می توان از نتایج CFD استفاده کرد. می توان از روش های زیر برای معتبر سازی نتایج استفاده کرد:

۱ – آزمایش های قبلی انجام گرفته

 مقایسه بین حل تحلیلی جریان های مشابه ولی ساده تر:یعنی می توان مسئله ساده تری که دارای حل تحلیلی است را با استفاده از CFD تحلیل کرد و در صورتی که نتایج حاصل از CFD این مسئله وحل تحلیلی آن با هم مطابقت داشته باشند تا حدودی می توان از صحت محاسبات CFD مسئله اصلی اطمینان اصلی اطمینان حاصل کرد.

۲- مقایسه با نتایج مقالات چاپ شده معتبر

  مفهوم CFD آگاهی از رفتار جریان است نه به دست آوردن اعداد دقیق ؛ بنابراین تنها دراین صورت می توان از نتایج بدست آمده استفاده کرد. برای این منظور کافی است که نتایج فقط برای یک حالت صورت گرفته مسئله معتبر شده است وبرای حالت های دیگر می توان بدون معتبر سازی از نتایج  CFDبا اطمینان استفاده کرد. [۲۰]

دراین پژوهش از نتایج بدست آمده توسط مغزی وهمکاران [۱۴]برای اعتبار سنجی حاصل از شبیه سازی استفاده شده است. مغزی و همکاران[۱۴]  از پنج میکرومدل که با نفت سنگین اشباع شده است، استفاده کرده و آب مقطر حاوی درصد های وزنی مختلف (۱/۰تا۵ درصد وزنی) از نانو ذرات سیلیکا را در دما وفشار محیط به عنوان سیال تزریقی به بسترمتخلخل تزریق کردند. تزریق در این میکرو مدل ها به صورت پنج نقطه ای بوده است.میکرو مدل ها را به صورت افقی قرار دادند تا تاثیر گرانش را از بین ببرند. برای سیالی که با ۱/ .درصد وزنی از ذرات سیلیکاتزریق کردند دریافتند که ۷/۸% و برای ۳ درصد وزنی۲۶% بازدهی علاوه بر سیلاب زنی با آب به دست خواهد آمد.آنها مکانیزم های این افزایش بازدهی را تغییر تر شوندگی میکرو مدل از نفت تر به آب تر بیان کردند. همچنین نتایج آنها نشان داد که غلظت۳% وزنی برای نانو ذرات سیلیکا مناسب بوده و در دلیل گرفتگی حفرات و کاهش بازدهی نفت وجود درصد های وزنی بالاتر از۳% بیان کردند.

۳-۴ روش های حل  عددی

روش های حل عددی  CFDعبارتند از: تفاضل محدود[۳۱]، المان محدود[۳۲]، حجم محدود[۳۳] و روش طیفی:

روش تفاضل محدود: در این روش معادلات دیفراسیل پاره ای در مکانیک سیالات و انتقال حرارت را به همان صورت دیفرانسیلی در نظر گرفته و با استفاده از بسط تیلور این معادلات تقریب زده می شود تا تبدیل به یک سری از معادلات جبری بنام معادلات تفاضل محدود شوند.

 روش المان محدود: در این روش معادلات دیفرانسیل پاره ای در مکانیک سیالات و انتقال حرارت به صورت انتگرالی نوشته می شوند و برای تبدیل فرم انتگرالی به فرم معادلاتی جبری از توابع پیوسته چند تکه ای همجوار (خطی یا درجه دوم)  برای تقریب کمیت های مجهول استفاده می گردد.

روش حجم محدود: در واقع نوعی از روش المان محدود است که در آن روش تقریب این انتگرال ها با روش المان محدود متفاوت است. این روش بیشتر برای سیالات وانتقال حرارت مناسب است. نرم افزار فلوئنت از این روش پیروی  می کند. [۲۴]

روش طیفی: در روش طیفی مجهولات با استفاده از سری های  منقطع فوریه و یا سری های چند جمله ای تقریب می زند. این تقریب ها محلی نیستند ولی برای تمام ناحیه محاسباتی معتبر اند .[۲۵]

۳-۵ دیدگاه های مدل های چند فازی

با توجه به سیالات موجود در مخازن ونیز مواد تزریقی برای افزایش برداشت، واضح است که یک جریان چند فازی به وجود می آید. فرایند های باجریان های چند فازی رژیم متفاوتی از جریان را بسته به شرایط عملیاتی و هندسه سیستم نشان می دهند.حتی جزئیات میکرو مدل در ابعاد چون طراحی محل ورودی سیال تزریقی به مخزن می تواند اثر قابل توجهی بر ساختار جریان حاصله داشته باشد . بنابراین بسیار ضروری است که برای طراحی مناسب، شناخت و فهم کافی از ابزار مورد نظر پیش بینی داشت تا نتایج شبیه سازی مناسبی از جریان چند فازی به دست آید[۲۶] . دو رویکرد پایه ای برای مدل سازی جریان های چند فازی به نام دیدگاه اولر[۳۴] ودیدگاه لاگرانژ[۳۵] وجود دارد. در حالت اول چهار چوب اولر برای همه ی فاز ها (بدون محاسبه ی صریح لایه ی مرزی بین دو فاز ) در حالت دوم چهار چوب اولر برای فاز پیوسته و چهار چوب لاگرانژ برای همه ی فاز های پراکنده اعمال می شود[۲۶].

۳-۵-۱ دیدگاه لاگرانژ

در این روش تحلیل مسائل، بر اساس دیدگاه لاگرانژي بنا نهاده شده است. این دیدگاه براساس تعقیب مسیر حرکت ذرات ماده میباشد. پس انتظار اینکه این روش قدرت بالایی در پیش بینی محل مرزهاي ماده و همچنین سرعت و جابجایی مواد داشته باشد، دور از منطق نیست. در حقیقت این روش ایده آل ترین روش براي بدست آوردن تاریخچه حرکت ماده درطول تحلیل است. براي استفاده از این روش محیط حل به صورت یک سري المان تقسیم بندي می شود. نقاط گره اي این المان ها به ماده متصل هستند و با تغییرشکل ماده تغییرمکان می دهند. به همین دلیل شکل هندسی المان ها در هنگام تحلیل دست خوش تغییر خواهد شد.[۲۷]

روش لاگرانژي به دو صورت به روز رسان و ثابت فرمولیته می شود. در هر کدام از این روشها، دستگاه مختصات یا به روز می شود و یا در یک سیستم جهانی، ثابت خواهد بود. درمسائل دینامیکی که اغلب با تغییر فرمهاي بزرگ همراه است، در صورت استفاده از این روش باید دقت نمود؛زیرا با تغییر شکل بیش از حد المان ها،اضلاع المانها همدیگر را قطع می نمایند. بر این محدودیت باید تغییر وافزایش نسبت منظري المان را نیز افزود. این عامل باعث بی کیفیت شدن المان و پاسخ هاي بدون دقت و دور از واقعیت آن خواهد شد. از این رو همیشه در مسائلی که در آن ها ماده دچار تغییر فرم هاي بسیار بزرگ میشود، باید به طریقی بر این مشکل فائق آمد. به عنوان مثال استفاده از المان هاي بیشتر، یکی از راه حل هاي موجود است. البته باید خاطر نشان کرد که استفاده از این روش در مدل سازي جامدات بسیار گسترده می باشد؛ زیرا این دسته از مواد به دلیل ماهیت خود در بارگذاريها،به نسبت دچار تغییر فرم کمتري خواهند شد[۲۷].

۳-۵-۲ دیدگاه اولر

این دیدگاه در مقابل دیدگاه لاگرانژي است؛ از دیدگاه اولري براي شبیه سازي حرکت ماده استفاده می شود. در این روش ناظر ساکن بوده و ماده از کنار آن عبور میکند. به عبارتی در این روش، شبکه بندي ماده در فضاي تحلیل ثابت بوده و این ماده است که در میان شبکه بندي اجازه عبور دارد. به همین دلیل این روش محدودیت روش لاگرانژي را نداشته و در تغییرفرمهاي بسیار بزرگ به راحتی عمل میکند. این عامل باعث شده است که این روش درشبیه سازي حرکت سیالات به وفور مورد استفاده قرار گیرد. اکثر فرمولاسیون دینامیک سیالات محاسباتی بر مبناي این روش نوشته شده است. در این روش معادلات بقاي جرم ،تکانه و انرژي ارضا می شوند. درجات آزادي خروجی این روش، سرعت، فشار و دما هستند. جابجایی ها در این روش توسط انتگرال گیري از سرعت بدست می آیند. این روش به خاطرماهیت ویژه خود در پیش بینی مرزهاي ماده دچار ضعف بزرگی است؛به همین دلیل اغلب براي محاسبه نیروها و فشارهاي عمل کننده بر روي سازه مورد استفاده قرار می گیرد. ازکاربردهاي گسترده این روش، شبیه سازي مسائل بر هم کنش سیال وسازه[۳۶] است. [۲۸]

در نرم افزار فلوئنت سه مدل چند فاز اولر مختلف وجود دارد: مدل حجمی سیال [۳۷]مدل مخلوط[۳۸] ومدل اولر[۳۹]  می باشد.

۳-۵-۲-۱ مدل حجمی سیال

روش VOF بر این مبنا می باشد که دوسیال در همدیگر هیچ نفوذی ندارد ولی دارای فعل و انفعال با هم دیگر هستند. در این روش سطح مشترک فازها وتغییرات آن ها بازمان به دقت قابل بررسی است. از دیگر مزایای روش این است که می تواند دو یا چند سیال غیر قابل امتزاج را با حل یک مجموعه معادلات مدل نماید.در مدل حجمی مجموعه ای از معادلات به جریان ها اختصاص داده می شود وکسر حجمی هریک از المان ها برای هر فاز بررسی می شود. از کاربردهای این روش شامل حرکت حباب های بزرگ در فاز مایع و دنبال کردن پایا وناپایای هر سطح مشترک گاز-مایع است. ورود در فضای خالی وجود ندارد [۲۸] .

۳-۵-۲-۲ مدل مخلوط

عمده ترین وسیله بکار رفته در فرایند انتقال نفت و گاز خط لوله است. در مسیر حرکت سیال در لوله اتفاقات گوناگونی روی می دهد که باعث بوجودآمدن مسائل ویژه ای در درون لوله می شود؛ اعم از ایجاد افت فشارایجاد رژیم های حرکتی مختلف و بوجود آمدن جریانهای حرکتی گوناگونی که با توجه به خصوصیات سیال در حال حرکت می توان به آنها دست یافت. مدل مخلوط یک مدل چند فازی ساده می باشد که می تواند برای مدل کردن جریان های چند فازی که در آنها فاز ها با سرعت مختلف حرکت می کنند مورد بررسی قرار می گیرد. و همچنین این روش برای مدل کردن جریان چند فازی جریان همگن مورد استفاده قرار می گیرد. این مدل می تواند  n فاز را به وسیله حل معادله پیوستگی برای مدل مخلوط مدل نماید برای جریان های با تاثیرگذاری کم و جریان های حبابی که جز حجمی گاز کم است و جریان مایع-مایع قابل استفاده است[۲۹].این مدل دارای محدودیت های زبر می باشد:

  • برای جریان غیر گرانرو[۴۰] به کار نمی رود.
  • قابلیت شبیه سازی انجماد و ذوب را ندارد.
  • این مدل به فاز ها اجاره ی نفوذ درون یکدیگر را می دهد[۲۸].

۳-۵-۲-۳ مدل اولری

در روش اولری معادلات فاز پراکنده همانند فاز سیال شبیه‌سازی می شوند.  در این مدل معادلات حاکم بر جریان دو فار در یک سیستم مختصات اویلری بیان می‌شوند و سپس معادلات حاکم بر فاز پراکنده نظیر معادلات حاکم بر فاز سیال به‌طور مجزا حل می‌شوند. فاز پراکنده به حجم کنترل‌هایی مجزا تقسیم شده که در هر کدام مقداری از ذرات وجود دارند. سپس با استخراج معادلات انتگرالی جرم و ممنتم خطی و با احتساب تمامی اثرات دینامیکی سیال پیوسته روی ذرات، فاز پراکنده نیز مانند فاز پیوسته حل می‌گردد. این مدل دارای محدودیت های زیر می باشد:

  • برای جریان غیر گرانرو به کار نمی رود.
  • قابلیت شبیه سازی انجماد و ذوب را ندارد.
  • جریان تناوبی با شدت جریان جرمی مشخص را نمی توان مدل کرد [۲۸].  

۳-۶ انتخاب مدل چند فازی

اولین قدم در حل مسائل چند فازی انتخاب رژیم جریان است .به طور کلی اگر رژیم جریانی که به بهترین نحو بیان گر سامانه ی چند فازی باشد، تعیین شود، می توان مدل مناسبی برای مدل چند فازی  انتخاب کرد. برای جریان های چند فازی پیچیده که شامل رژیم های جریان چندگانه است، می توان از جریانی که بخش عمده جریان را تشکیل می دهد استفاده کرد و مدلی را انتخاب کرد که برای جریان مناسب تر باشد. اما در نهایت باید دقت کرد که دقت نتایج به خوبی جریان هایی که تنها یک رژيم جریان دارند نیست [۲۸]. در پژوهش حاضر سیال تزریقی  به درون محیط متخلخل یک نوع نانو سیال است و از مدل مخلوط برای فرایند شبیه سازی هیدرودینامیک فازها استفاده شده است. معادلات مربوط به پیوستگی،تکانه وجز حجمی در مدل مخلوط چند فازی که توسط نرم افزار در هر تکرار حل می شود، در ادامه توضیح داده می شود.

۳-۷ معادلات حاکم بر سامانه

مدل مخلوط معادلات پیوستگی، تکانه و انرژی را برای مخلوط فازها و معادله جزء حجمی را برای هر یک از فازهای ثانویه حل می­کند [۳۰]. معادله پیوستگی برای مخلوط به صورت زیر نوشته می­شود:

(۳-۱)

که،  سرعت متوسط جرمی است و به شکل زیر تعیین می­شود:

(۳-۲)

، چگالی مخلوط است و برابر است با:

(۳-۳)

    که، n، تعداد فازها و ، جزء حجمی فاز k ام است. معادله تکانه برای مخلوط به شکل زیر نوشته می­شود:

                                                                          (3-4)

که، F، body force یا نیروی وارده از طرف میدان­های نیروی خارجی است. با توجه به اینکه میکرو مدل به صورت افقی در نظر گرفته شده است، از نیروی گرانش صرفنظر شده است. فشار مخلوط از رابطه زیر محاسبه می­شود:

(۳-۵)

و گرانروی مخلوط، ، برابر است با: 

(۳-۶)

، سرعت نفوذ فاز ثانویه kام است که از رابطه زیر به دست می­آید:

(۳-۷)

معادله جزء حجمی فاز ثانویه kام از معادله پیوستگی به صورت زیر حاصل می­شود:

  (3-8)

معادلات (۳-۱)، (۳-۴) و (۳-۸) با استفاده از روش حجم محدود برای میدان­های فشار، سرعت و جزء حجمی حل می­شوند.

۳-۸ ایجاد شبکه توسط نرم افزار گمبیت

نرم افزار گمبیت می تواند در رشته های مختلف برای تولید هندسه وشبکه بکار رود ،و از سری نرم افزارهای رشته ی مهندسی مکانیک که به طور مستقیم در ارتباط با نرم افزار مشهور فلوئنت می باشد. به طور خلاصه می توان گفت که با استفاده از گمبیت ، تولید هندسه و شبکه بندی انجام می گیرد و سپس در نرم افزار فلوئنت تحلیل ها بر روی فایلی که از نرم افزار گمبیت حاصل شده است، صورت می پذیرد. در واقع فایل خروجی از گمبیت ورودی نرم افزار فلوئنت خواهد بود.کاربردعمده ی این نرم افزار این است،که می توان با آن شبکه هایی درست کرد که توسط نرم افزار فلوئنت تحلیل شوند از مسائل انتقال حرارتی، تا تمامی مباحث سیالاتی.مراحل کار در نرم افزار گمبیت به صورت زیر است:

  1. تولید هندسه
  2. با استفاده از امکانات نرم افزار
  3. وارد کردن هندسه از نرم افزارهای دیگر مانندCAD  وتصحیح آن به کمک ابزارهای تصحیح[۴۱]
  4. ایجاد شبکه
  5. با استفاده از ابزارهای تابع اندازه[۴۲]و لایه های مرزی[۴۳] می توان در برخی از نواحی که بیشتر مد نظر است، شبکه ی ریزتری را ایجاد نمود .بدون استفاده از این ابزار هاو به منظور تولید شبکه ی مناسب،با کل هندسه ایجاد شده را ریزتر نمود. این کار حجم محاسبات را بالا برده و باعث اتلاف زمان می شود.
  6. شبکه کلی (سطوح وحجم ها)
  7. بررسی صحت شبکه بندی
  8. تعریف نواحی و شرایط مرزی
  9. خروج شبکه از نرم افزار گمبیت برای خواندن آن در نرم افزاری مانند فلوئنت

نرم افزار گمبیت بر اساس کلید ماوس طراحی شده است.با استفاده از صفحه کلید وماوس،کار در این نرم افزار ساده تر می باشد. عملکرد ماوس در گمبیت، در مورد منوها وپنجره ها فقط مربوط به کلیدهای چپ و راست ماوس است و به صفحه کلید ارتباط ندارد. بعضی از عملکردهای ماوس در گمبیت فقط با کلید سمت چپ است.کلید سمت راست فقط برای باز کردن پنجره ها ومنوهای اصلی است  ]31[.

۳-۸-۱ هندسه بستر متخلخل

در این مطالعه بستر متخلخل به صورت یک میکرو مدل در نظر گرفته شده است.برای انجام آزمایش های مشاهده ای، از میکرو مدل ها استفاده می شود. این میکرو مدل ها به عنوان شبیه ساز دو بعدی سنگ مخزن نفتی مورد استفاده قرار می گیرند. مهم ترین مزیت این میکرو مدل ها، قابلیت مشاهده حرکت سیال در آن ها است که از لحاظ کیفی به تهیه بهترین مدل های حرکت سیال در محیط متخلخل کمک می نمایند.

 تهیه نمونه شبکه متخلخل، اولین مرحله کار برای تهیه یک میکرومدل است،که می تواند با استفاده از نرم افزارهای کامپیوتری ویا عکس برداری از یک مقطع نازک[۴۴] از سنگ مخزن انجام شود. با توجه به مطالعات انجام شده توسط مغزی وهمکاران ]۱۴[ در زمینه ی فرآیند ازدیاد برداشت با استفاده از نانو ذرات واینکه آنها برای انجام آزمایش های خود از یک میکرو مدل با نمایشی غیر همگن از ذرات استفاده کرداند. دراین مطالعه، سعی شده است تا ابعاد مدل تولید شده مشابه کار آن هادر نظر گرفته شودو خواص فیزیکی و هیدرودینامیکی این بستر متخلخل نزدیک به مدل آن ها باشد تا بتوان مقایسه ی خوبی بین نتایج بدست آمده انجام داد.در شکل ۳-۱ نمایشی از میکرومدل استفاده شده توسط مغزی وهمکاران ]۱۴[ نشان داده شده است. خصوصیات فیزیکی و هیدرودینامیکی مدل مورد استفاده در جدول۳-۱ نشان داده شده است.

شکل(۳-۱) نمایشی از مدل مورد استفاده در آزمایش مغزی وهمکاران]۱۴[

ابعاد (سانتی متر)ضخامت(میکرون)                                                       تخلخل 
6*6650/33

جدول(۳-۱) خصوصیات فیزیکی مدل مورد استفاده در آزمایش مغزی و همکاران]۱۴[

در این پژوهش، تولید هندسه با نرم افزار گمبیت ۲٫۳٫۱۶ انجام شده است.در این نرم افزار سه مرحله زیر اجرا می شود:

  1. ایجاد هندسه میکرو مدل با استفاده از خصوصیات مدل استفاده شده توسط مغزی و همکاران[۱۴].
  2. تولید شبکه: برای تقسیم بندی فضای خالی بستر به حجم های کنترل کوچک، از المان های دو بعدی مثلثی نامنظم[۴۵] استفاده شده است. بدین ترتیب مدل تولید شده،یک هندسه شبکه بندی شده با تعداد خاصی واحد حجم کنترل می باشد. برای بررسی استقلال نتایج عددی از شبکه،در هر مدل با نمایشی مشخص، سه شبکه مش بندی متفاوت ایجاد شده است و مورد مطالعه قرار گرفته است.
  3. تعیین مرزهای نواحی جریان سیال: برای اینکه بتوان تعریف کرد که یک سیال با یک سرعت مشخص وارد مدل می شود، شرط مرزی در سرعت ورودی در نظر گرفته می شود. همچنین برای خروج سیال از بستر متخلخل، شرط مرزی در خروجی هندسه، فشار اتمسفریک تعریف شده است. با توجه به اینکه از بقیه ی مرزها ونواحی دیگر مدل، نه سیالی وارد و نه خارج می شود؛ شرط مرزی سایر مرزها به عنوان دیواره در نظر گرفته می شود.

۳-۹ فازهای در نظر گرفته‌شده و خواص آن­ها

در شبیه­سازی فرایند تزریق نانو سیال در میکرو مدل، فضای خالی مدل در ابتدا پر از نفت در نظر گرفته شد. سپس در زمان صفر نانو سیال متشکل از بخار آب و نانو ذرات از ورودی مدل به داخل آن تزریق گردید. برای انجام فرایند شبیه­سازی لازم است که خواص فازهای نفت، نانو ذرات و بخار آب به‌عنوان ورودی نرم­افزار محاسبه شوند. دمای سامانه و تمامی جریان­ها مطابق با کار تجربی انجام‌شده توسط مغزی و همکاران [۱۴]، ۲۵ درجه سلسیوس در نظر گرفته‌شده و خواص همه فازهای در نظر گرفته‌شده در این دما محاسبه گردید. خواص فیزیکی سیالات مورداستفاده در سامانه در دمای ۵۲ درجه سلسیوس در جدول ۳-۲ نشان داده‌شده است.

جدول (۳-۲) خواص فیزیکی سیال‌های موجود در سامانه در دمای ⁰C 25

فاز در نظر گرفته‌شدهخاصیتمقدار
بخار آبچگالی، ρ (kg/m3)5542/0
گرانروی، μ (kg/m.s)0000134/0
ظرفیت گرمایی، Cp (J/kg.K)2014
هدایت گرمایی، k (w/m.K)0261/0
نفتچگالی، ρ (kg/m3)970
ظرفیت گرمایی، Cp (J/kg.K)097/2086
هدایت گرمایی، k (w/m.K)19/0
وزن مولکولی، Mw، (kgmol/kg)724

چگالی و گرانروی بخار آب نیز در دمای ۲۵ درجه سلسیوس از داده­های موجود در هندبوک­ [۳۲] استخراج گردیده و در جدول ۳-۲ ارائه شده است. نفت مورد استفاده در این پژوهش، یک نفت فوق سنگین با درجه API برابر با ۳/۱۴ از یکی از مخازن نفتی ایران است. برای بدست آوردن هدایت گرمایی و ظرفیت گرمایی این نوع نفت از روابط زیر استفاده شده است[۳۲]:

(۳-۹)
(۳-۱۰)

در روابط بالا دما برحسب درجه فارنهایت، هدایت گرمایی بر حسب ، هدایت گرمایی بر حسب   و d گرانروی ویژه در دمای ۶۰ درجه فارنهاینت است.

 با توجه به اینکه با تزریق بخار آب به درون یک مخزن نفتی، گرانروی نفت کاهش می­یابد. برای در نظر گرفتن این اثر از رابطه زیر استفاده شده است ]۳۳[:

(۳-۱۱)

رابطه بالا با استفاده از زبان برنامه نویسی C++ به صورت یک تابع در نرم افزار فلوئنت تعریف شده است. چگالی و خواص گرمایی نانو ذرات مورداستفاده بر اساس داده‌های ارائه‌ شده]۳۴-۳۶[ تعیین گردیده و برای در نظر گرفتن آن­ها به صورات یک فاز جامد، گرانروی آن­ها یک مقدار بسیار بالا انتخاب شده است. خواص فیزیکی نانو ذرات مورد استفاده در این پژوهش در جدول ۳-۳ گزارش شده است.

جدول (۳-۳) خواص فیزیکی نانو ذرات موجود در سامانه در دمای ⁰C 25

فاز در نظر گرفته‌شدهخاصیتمقدار
آلومیناچگالی، ρ (kg/m3)3880
وزن مولکولی، Mw، (kgmol/kg)96/101
هدایت گرمایی، K، (w/m.k)40
ظرفیت گرمایی، Cp، (kg/m3)880
اکسید مسچگالی، ρ (kg/m3)6500
وزن مولکولی، Mw، (kgmol/kg)545/79
هدایت گرمایی، K، (w/m.k)18
ظرفیت گرمایی، Cp، (kg/m3)540
اکسید آهنچگالی، ρ (kg/m3)5200
وزن مولکولی، Mw، (kgmol/kg)533/231
هدایت گرمایی، K، (w/m.k)6
ظرفیت گرمایی، Cp، (kg/m3)670

در این پژوهش، هندسه سامانه یک محیط متخلخل شبیه­سازی شده است؛ بنابراین، عدد رینولدز از طریق رابطه موجود برای عدد رینولدز بستر متخلخل به شکل زیر قابل محاسبه است [۳۶] :

(۳-۱۰)

که در آن، ، سرعت ظاهری، ، قطر ذرات تشکیل‌دهنده بستر،  و  به ترتیب چگالی و گرانروی سیال جاری در بستر هستند. در این مطالعه مقادیر سرعت ورودی فازهای تشکیل‌دهنده نانو سیال به بستر طوری در نظر گرفته شد که محدوده عدد رینولدز قبل از ورود به محدوده درهم قرار گیرد. چگالی و گرانروی نانو سیال تزریقی به بستر از طریق روابط (۳-۱۱) و (۳-۱۲) محاسبه می­شود [۳۸]:

(۳-۱۱)
(۳-۱۲)

 در روابط بالا bf و nf به ترتیب بیانگر سیال پایه و نانوسیال است. برای به دست آوردن تراوایی در هر یک از مدل­ها، از رابطه کوزنی-کارمن[۴۷] که به‌صورت رابطه­ی (۳-۱۳) است، استفاده می‌شود [۳۹]:

(۳-۱۳)

که در آن ، قطر ذرات تشکیل‌دهنده‌ی بستر، ε تخلخل بستر و  معیاری از پیچش مسیر جریان داخل حفره‌ها است که برای ذرات کروی هموار برابر ۵ در نظر گرفته می‌شود.

برای انجام شبیه­سازی از نرم­افزار فلوئنت استفاده شده و پس پردازش نتایج در نرم­افزار فیلدویو[۴۸] انجام شده است. به این منظور یک ابررایانه ۲۴ هسته­ای [۴۹] استفاده شده است. روش حل‌کننده مبتی بر فشار[۵۰] به‌صورت ضمنی و ناپایدار به کار گرفته شده است. در این تحقیق از روش حل جدا شده[۵۱] استفاده شده و روش ارتباط فشار- سرعت، SIMPLE در نظر گرفته شده است. روش تفکیک سازی مرتبه اول به دلیل همگرایی بهتر نسبت به روش مجزا سازی مرتبه دوم انتخاب شده است، هرچند که روش مرتبه دوم دقت بیشتری دارد. فاکتورهای زیر تخفیف[۵۲] برای معادلات فشار، چگالی، تکانه، سرعت لغزش و جزء حجمی به ترتیب ۳/۰، ۱، ۷/۰، ۱/۰ و ۵/۰ در نظر گرفته شده است تا همگرایی در یک زمان مناسب محقق شود. ابتدا  گام های  زمانی ۱  ،۱/۰ ، ۱٫/۰ در نظر  گرفته شده  و  در نهایت  گام  زمانی    s 1/0 برای انجام حل با سرعت مناسب انتخاب شده و برای حصول اطمینان از همگرایی در هر گام زمانی تعداد تکرار ۵۰۰ در نظر گرفته شده است. نتایج انتخاب گام زمانی مناسب در بخش نتایج و بحث ارائه شده است.

مدل سه فازی مخلوط برای شبیه­سازی سه‌بعدی جریان سیال آرام از درون بستر متخلخل در نظر گرفته شده است. شبیه­سازی سه فازی برای حضور و چگونگی توزیع نانو ذرات در سیال تزریقی به مخزن حاوی نفت انجام شده و برای فاز نانو ذرات از مدل گرانولی استفاده شده است. با فرض این موضوع، قطر نانو ذرات در سامانه مشخص شده است.

برای اعتبارسنجی هندسه ایجادشده، ضریب بازدهی نفت به‌دست‌آمده از شبیه­سازی با استفاده از تزریق نانو سیال با درصد وزنی wt% 4 با نتایج حاصل از همین تزریق در آزمایش­های مغزی و همکاران [۱۴] مقایسه شده است.

        طراحي آزمايش­­ها، به معني تعيين تعداد آزمایش‌ها و متغيرهاي مورد بررسي در هر آزمايش از طريق مطالعه و بررسي توأم چندين متغير فرآيند مي­باشد. به بيان ساده­تر انجام آزمايش­هاي كامل براي دستيابي به كنترل همه‌جانبه فرآيند، انجام بي­نهايت آزمايش را مي­طلبد و اگر براي كاهش تعداد آزمايش­ها فقط چند سطح از هر متغير مورد بررسي قرار گيرد، تعداد آزمايش­ها با افزايش تعداد متغيرها به‌صورت نمايي افزايش مي­يابد كه اين تعداد آزمايش نيز توجیه‌پذیر نيست. بنابراين يكي از اهداف اصلي طراحي آزمایش‌ها انتخاب مهم‌ترین حالات آزمايشي است كه با استفاده از آن بتوان فرآيند را به بهترين نحو بررسي كرد و درعین‌حال تعداد آزمايش­ها توجیه‌پذیر باشد. لذا ابتدا بايد بر اساس طرح­هاي موجود در اين روش تعداد مناسب آزمايش­ها را طراحي و سپس تحليل مربوطه را انجام داد [۴۰].

         این تحلیل‌هـا اغلب به‌وسیله نرم‌افزارهای تحلیل آماری انجام می‌شود که معروف‌ترین آن‌ها مینیتب[۵۳]، دیزاین اکسپرت[۵۴] و کوالیتک ۴[۵۵] می‌باشد. در این پژوهش از نرم‌افزار کوالیتک ۴ برای انجام طراحی آزمایش استفاده شده است. این نرم­افزار، نرم افزار تخصصی برای استفاده از روش تاگوچی به منظور طراحی آزمایش است. این روش جزء روش­هایی است که بازه­ی بین مقادیر بالا و پایین هر پارامتر را به‌صورت گسسته در نظر می­گیرد و در آن نمی­توان اثر مقادیر بین بازه­ی هر پارامتر را نیز در طراحی آزمایش در نظر گرفت. با توجه به پارامترهای مورد بررسی که به آن­ها اشاره خواهد شد، این روش تعداد آزمایش­های کمتری نسبت به بقیه روش­ها دارد.

      3-13 بررسی اثر پارامترهای مختلف

          برای بررسی اثر پارامترهای مختلف، برهمکنش آن­ها بر یکدیگر، میزان تأثیر هر یک بر فرایند ازدیاد برداشت نفت با استفاده از نانو ذرات در میکرو مدل و نیز یافتن ترکیب بهینه­ای از پارامترها برای فرایند انتقال مؤثر، از روش تاگوچی استفاده شد.

روش تاگوچی، یک روش آماری است که توسط جنیچی تاگوچی[۵۶] توسعه یافته است. با استفاده از روش تاگوچی که برای طراحی آزمایشات توسعه یافته است، می توان تست های[۵۷] لازم در یک شبیه سازی یا مدل سازی را نیز طراحی نموده و اثر پارامترهای مختلف را بررسی نمود. مجموعه آرایه های متعامد تاگوچی[۵۸]، می تواند برای کاهش تعداد تست های مورد بررسی به کاربرده شود. با استفاده از این روش تعداد ترکیب های مورد مطالعه از پارامترهای متعدد به میزان زیادی کاهش می یابد و در زمان صرفه جویی می شود. مراحل روش تاگوچی عبارتند از:

(۱) تحلیل مسأله و تعیین تابع هدف

(۲) تشخیص پارامترهای طراحی سطوح و به دست آوردن آرایه های متعامد

(۳) انجام تست های طراحی شده و بررسی عملکرد

(۴) به دست آوردن طراحی بهینه و تأیید ویژگی های کیفیت

در ابتدا با توجه به مطالعات پیشین در زمینه­ی ازدیاد برداشت نفت با استفاده از نانو ذرات، با توجه به اینکه اکثر مخازن نفتی ایران دارای نفت سنگین است، یک نوع نفت با مشخصات یکی از مخازن نفتی مورد استفاده قرار گرفت. همچنین سرعت تزریق نانو سیال cc/min 0006/0 در نظر گرفته شد ]۴۱و۴۲[. با توجه به تاثیر جریان آشفته بر ضریب برداشت نفت و اینکه تزریق در این سرعت نزدیک به سرعت تزریق در عملیات میدانی ازدیاد برداشت در مخازن نفت که(ft/day 2/1) است، این مقدار در نظر گرفته شده است. همچنین نوع بستر متخلخل برای سیلابزنی نانو سیال، مستلزم تهیه مدل­های مختلف و بررسی پارامترهای مختلف در آن است و با توجه به حجم کار و مدت زمان لازم برای انجام آن، تصمیم گرفته شد که سیلابزنی تنها در یک بستر متخلخل غیر شکافدار انجام شود. همچنین با توجه به اینکه روش­های مختلفی می­توان برای اشباع اولیه نفت و چگونگی پخش آب در مدل در نظر گرفت، این فاکتور نیز حذف شد. بدین منظور طراحی آزمایش بر روی پارامترهای مؤثر بر تهیه نانو سیال برای تزریق در فرایند ازدیاد برداشت نفت و بررسی تأثیر این پارامترها بر روی ضریب برداشت نفت صورت گرفت.

در مطالعه پیش رو، سه پارامتر مقداری[۵۹] قطر نانو ذرات، جزء حجمی نانو ذرات و دما بخار ورودی یک پارامتر نوعی[۶۰] نوع نانوذره مورد بررسی قرار گرفت. برای هر یک از فاکتورها سه سطح در نظر گرفته شده که در جدول ۳-۴ ارائه شده است. همان­طور که در جدول ۳-۴ مشاهده می­شود، قطر نانو ذرات در محدوده ۲-۵۰ نانومتر در نظر گرفته شده که مقدار ۵۰ نانو متر با توجه به محدوده طبیعی قطر نانو ذرات (nm 100 >) و همچنین نانو ذرات مورداستفاده در مطالعات پیشین انتخاب شده است. محدوده کسر حجمی نانو ذرات در نانو سیال تزریقی در بازه %۵- %۰ درصد حجمی در نظر گرفته شده است. همچنین سه نوع نانوذره آلومینا، اکسید مس و اکسید آهن در نظر گرفته شد. اشباع اولیه نفت برابر با ۱ در نظر گرفته شد و فرض شد که در ابتدا مدل به‌صورت کامل از نفت اشباع شده است. سپس، برای طراحی اجراهای لازم شبیه­سازی و به دست آوردن آرایه­های متعامد، از نرم­افزار کوالیتک ۴ استفاده شد.


۱٫ Enhanced Oil Recovery (EOR)

۲٫ Evaluation

۳٫ Rock and Fluid Properties

۴٫ Fuzzy Logic

۵٫ Artificial Intelligence

۶٫ Artificial Neural Network

۱٫Viscosity

۲٫ Fingering

 3. Surfactant

۱ .Exploration

۲٫ Extraction

۳٫Nanvghsha

۱٫ Driving Force

۱٫Surfactants

۱٫Fluent

۲٫ Design Expert

۳٫ Computational Fluid Dynamics

۱٫ Ayatollahi & zraft

۱٫ Tippee                  

۲٫ Qiu

۱  Suleimanov

۱. Viscosity Reduction Injectant (VRI)

۲. Ju

۳٫ Sessile Drop

۱٫bastami

۱ . Buoyancy and Capillary Forces                                                               

۲ . Brownian Diffusion

۱٫ Computational Fluid Dynamics

۱٫ π Bukingham Theory

۱٫ Validation

۱٫ Finite Difference (FD)

۲٫ Finite Element (FE)

۳٫ Finite Volume (FV)

۱٫ Eulerian

۲٫ Lagrangian

۱٫ Fluid Solid Intraction (FSI)

۲٫ Volume of Fluid (VOF(

۳٫ Mixture Model

۴٫ Eulerian Model

۴۱٫Viscose

۱٫Clean Up Tools

۲٫ Size Function

۳ .Boundary Layers

 

۱٫ Thin Section

۱٫Tri/Pave

[۴۶] Reynolds Number

[۴۷] Kozney-Carman

[۴۸] Fieldview

[۴۹] ۲۴ Core Super Micro System

[۵۰] Pressure-Based

[۵۱]  Segregated

[۵۲] Under-Relaxation

[۵۳] Minitab  

[۵۴] Design Expert

[۵۵] Qualitek 4

[۵۶] Genichi Taguchi

[۵۷] Runs

[۵۸] Orthogonal Array (OAs)

[۵۹] Numeric

[۶۰] Categoric












 

برچسبها
مطالب مرتبط

دیدگاهی بنویسید.

بهتر است دیدگاه شما در ارتباط با همین مطلب باشد.

0