جراحة اصطناعية

📅 آخر تحديث: ١٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

الرفع الاصطناعي هو استخدام وسائل اصطناعية لزيادة تدفق السوائل، مثل النفط الخام أو الماء، من بئر الإنتاج. ويتحقق ذلك عادةً باستخدام جهاز ميكانيكي داخل البئر (يُعرف بالمضخة أو سلسلة السرعة ) أو بتقليل وزن العمود الهيدروستاتيكي عن طريق حقن الغاز في السائل على مسافة معينة أسفل البئر. وهناك طريقة أحدث تُسمى النقل المستمر بالحزام (CBT) تستخدم حزامًا ماصًا للنفط لاستخراجه من الآبار الهامشية والخاملة. يُستخدم الرفع الاصطناعي في الآبار عندما يكون الضغط في المكمن غير كافٍ لرفع السوائل المنتجة إلى السطح، ولكنه يُستخدم أيضًا في الآبار ذات التدفق الطبيعي (التي لا تحتاج إليه تقنيًا) لزيادة معدل التدفق فوق المعدل الطبيعي. ويمكن أن يكون السائل المنتج نفطًا أو ماءً أو مزيجًا منهما، وعادةً ما يكون ممزوجًا بكمية من الغاز.

الاستخدام

أي خزان منتج للسوائل يمتلك "ضغطًا خزانيًا": وهو مستوى معين من الطاقة أو الجهد الذي يدفع السائل (سائلًا كان أو غازًا أو كليهما) إلى مناطق ذات طاقة أو جهد أقل. يشبه هذا المفهوم ضغط الماء في شبكة المياه البلدية. فبمجرد انخفاض الضغط داخل بئر الإنتاج عن ضغط الخزان، سيعمل الخزان على إعادة ملء البئر، تمامًا كما لو تم فتح صمام في شبكة المياه. وبحسب عمق الخزان وكثافة السائل، قد يمتلك الخزان جهدًا كافيًا لدفع السائل إلى السطح، أو قد لا يمتلكه - فكلما زاد عمق البئر أو كثافة السائل، زادت الحاجة إلى الضغط.

التقنيات

أنظمة الضخ الهيدروليكية

تنقل أنظمة الضخ الهيدروليكية الطاقة إلى قاع البئر عن طريق سائل مضغوط يتدفق إلى أسفل في أنبوب البئر وصولاً إلى مضخة تحت سطحية. يوجد على الأقل ثلاثة أنواع من المضخات الهيدروليكية تحت السطحية:

  1. مضخة مكبس ترددية، حيث يتم تشغيل أحد جانبيها بواسطة سائل الدفع (المحقون) بينما يقوم الجانب الآخر بضخ السوائل المنتجة إلى السطح
  2. مضخة نفاثة، حيث يمر سائل الدفع (المحقون) عبر مزيج من فوهة وحلق فنتوري، ويختلط مع السوائل المنتجة، وبفعل تأثير فنتوري يخلق ضغطًا عاليًا على جانب التفريغ من المضخة.
  3. توربين يعمل بالهيدروليك في قاع البئر (HSP)، حيث يكون محرك الدفع في قاع البئر عبارة عن توربين، متصل ميكانيكيًا بقسم المضخة المزودة بالمروحة والذي يقوم بضخ السائل.

تتميز هذه الأنظمة بتعدد استخداماتها، حيث تُستخدم في الآبار الضحلة (1000  قدم) والآبار العميقة (18000  قدم)، وفي الآبار ذات معدل الإنتاج المنخفض الذي يتراوح بين عشرات البراميل يوميًا، وصولًا إلى الآبار التي تنتج أكثر من 20000 برميل (3200 متر مكعب ) يوميًا. في معظم الحالات، يمكن أن يكون سائل الدفع (المحقون) ماءً أو سوائل منتجة (مزيج من الزيت والماء). ويمكن إضافة بعض المواد الكيميائية إلى السائل المحقون للمساعدة في التحكم في التآكل والبارافين ومشاكل المستحلبات. كما تُعد أنظمة الضخ الهيدروليكية مناسبة للآبار المائلة حيث لا تُجدي المضخات التقليدية، مثل مضخة القضيب، نفعًا.

كما هو الحال مع جميع الأنظمة، فإن لهذه الأنظمة نطاقات تشغيل خاصة بها، إلا أن هذه النطاقات غالباً ما تُساء فهمها من قِبل المصممين في حالة المضخات الهيدروليكية. قد تكون بعض أنواع المضخات الهيدروليكية حساسة للمواد الصلبة، بينما تستطيع المضخات النفاثة، على سبيل المثال، ضخ نسب حجمية من المواد الصلبة تتجاوز 50%. تُعتبر هذه المضخات أقل طرق الرفع كفاءة، مع العلم أن هذا يختلف باختلاف أنواع المضخات الهيدروليكية، كما أن الفروقات في العديد من التركيبات تكاد تكون معدومة عند النظر إلى إجمالي فقد الطاقة في النظام.

إن تكلفة دورة حياة هذه الأنظمة مماثلة لأنواع الرفع الاصطناعي الأخرى عند تصميمها بشكل مناسب، مع الأخذ في الاعتبار أنها عادة ما تكون قليلة الصيانة، حيث أن المضخات النفاثة على سبيل المثال لها تكاليف تشغيل (طاقة) أعلى قليلاً مع تكلفة شراء أقل بكثير وتكلفة إصلاح شبه معدومة.

إسبانية

تتكون المضخات الغاطسة الكهربائية (ESP) من مضخة قاع البئر (سلسلة من المضخات الطاردة المركزية )، ومحرك كهربائي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية لتشغيل المضخة، وفاصل أو واقي لمنع دخول السوائل المنتجة إلى المحرك الكهربائي، وكابل طاقة كهربائية يربط المحرك بلوحة التحكم السطحية. تُعد المضخات الغاطسة الكهربائية وسيلة رفع اصطناعي متعددة الاستخدامات، وتوجد في بيئات تشغيلية حول العالم. يمكنها التعامل مع نطاق واسع جدًا من معدلات التدفق (من 200 إلى 90,000 برميل (14,000 متر مكعب ) يوميًا) ومتطلبات الرفع (من الصفر تقريبًا إلى 3,000 متر (10,000 قدم)). يمكن تعديلها للتعامل مع الملوثات الشائعة في النفط، والسوائل المسببة للتآكل مثل كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون ، ودرجات الحرارة العالية جدًا في قاع البئر. وقد ثبت أن زيادة نسبة الماء لا تؤثر سلبًا بشكل ملحوظ على أداء المضخات الغاطسة الكهربائية. من الممكن وضعها في الآبار الرأسية أو المائلة أو الأفقية، ولكن يوصى بنشرها في قسم مستقيم من الغلاف لتحقيق الأداء الأمثل لعمر التشغيل.  

رغم أن التطورات الأخيرة تهدف إلى تعزيز قدرات المضخات الغاطسة الكهربائية على التعامل مع الغاز والرمال، إلا أنها لا تزال بحاجة إلى مزيد من التطوير التكنولوجي لتجنب انحباس الغاز والتآكل الداخلي. وحتى وقت قريب، كانت المضخات الغاطسة الكهربائية باهظة الثمن في كثير من الأحيان، نظراً لتكلفة تركيبها التي قد تتجاوز 20 ألف دولار.

تُحسّن أدواتٌ متنوعة، مثل صمامات التحويل التلقائي (ADV) ووحدات SandCats وغيرها من أدوات أنابيب الإنتاج والمضخات، أداء المضخات الغاطسة الكهربائية (ESP). وتُعدّ أنظمة المضخات الغاطسة الكهربائية المزدوجة (Dual ESP Systems) الأكثر استخدامًا في السوق اليوم، وهي عبارة عن تركيب بسيط لمضختين غاطستين كهربائيتين في البئر نفسه. يُوفّر هذا النظام دعمًا أو نظامًا احتياطيًا كاملًا في قاع البئر، مما يُقلّل من وقت التوقف، ويُخفّض تكاليف الصيانة، ويُحقق وفورات في مجالات تشغيلية أخرى. تُساهم أنظمة المضخات الغاطسة الكهربائية المزدوجة في تحسين ربحية البئر بشكل ملحوظ.

نظام الرفع بالغاز

يُعدّ الرفع بالغاز طريقة أخرى شائعة الاستخدام للرفع الاصطناعي. وكما يوحي الاسم، يُحقن الغاز في الأنابيب لتقليل وزن العمود الهيدروستاتيكي ، مما يُقلل الضغط الخلفي ويسمح لضغط المكمن بدفع خليط سوائل الإنتاج والغاز إلى السطح. [ 1 ] يُمكن استخدام الرفع بالغاز في نطاق واسع من ظروف الآبار (من 30,000 برميل/يوم (4,800 متر مكعب /يوم) إلى 15,000 قدم (4,600 متر) ). يُمكن للرفع بالغاز التعامل بكفاءة مع العناصر الكاشطة والرمال، وتكون تكلفة الصيانة والإصلاح في حدها الأدنى.    

تُجهز الآبار التي تعمل بنظام الرفع بالغاز بأنابيب جانبية مزودة بصمامات حقن الغاز. يتيح هذا التصميم حقن الغاز على أعماق أكبر داخل الأنابيب. مع ذلك، يعاني نظام الرفع بالغاز من بعض العيوب، إذ يتطلب وجود مصدر للغاز، وقد يتسبب في بعض مشاكل ضمان التدفق، مثل تكوّن الهيدرات.

تعتمد هذه التقنية على حقن الغاز في تيار السائل، مما يقلل من كثافة السائل ويخفض ضغط قاع البئر. ومع صعود الغاز، تساعد الفقاعات على دفع النفط للأمام. وتعتمد درجة التأثير على ما إذا كان تدفق الغاز مستمرًا أم متقطعًا. يمكن حقن الغاز في نقطة واحدة أسفل السائل، أو يمكن استكماله بحقن متعدد النقاط. ويتحكم جهاز تحكم على السطح في توقيت حقن الغاز. وتعمل هذه الآليات إما بالضغط أو بالسائل. وقد تكون صمامات خانقة أو صمامات تعمل بضغط الغلاف. تتطلب الصمامات التي تعمل بالسائل ارتفاعًا في ضغط الأنابيب لفتحها وانخفاضًا لإغلاقها. أما صمام الضغط الخانق، فيُفتح بارتفاع ضغط الغلاف ويُغلق بانخفاضه. تُركّب صمامات الرفع الغازي التقليدية على محاور الرفع الغازي، بينما تُركّب صمامات الرفع الغازي القابلة للاسترجاع بواسطة سلك في محاور جانبية.

مضخات قضيبية

مضخات القضيب عبارة عن أسطوانات طويلة ورفيعة تحتوي على عناصر ثابتة ومتحركة. صُممت هذه المضخة لتُوضع داخل أنابيب البئر، ووظيفتها الأساسية هي جمع السوائل من أسفل البئر ورفعها إلى السطح. أهم مكوناتها هي: الأسطوانة، والصمامات (المتحركة والثابتة)، والمكبس. كما تحتوي على ما بين 18 إلى 30 مكونًا إضافيًا تُسمى "الوصلات".

عناصر

كل جزء من أجزاء المضخة مهم لعملها بشكل صحيح. فيما يلي وصف لأكثر الأجزاء استخداماً:

  • الماسورة: الماسورة عبارة عن أسطوانة طويلة ، يتراوح طولها بين 10 و 36 قدمًا (11 مترًا) ، وقطرها بين 1.25 بوصة (32 ملم) و 3.75 بوصة (95 ملم) . بعد تجربة العديد من المواد المستخدمة في تصنيعها، اعتمد المعهد الأمريكي للبترول (API) استخدام مادتين أو تركيبتين لهذا الجزء: الفولاذ الكربوني والنحاس الأصفر ، وكلاهما مطلي بالكروم من الداخل . تتميز مادة النحاس الأصفر عن الفولاذ الكربوني الأكثر صلابة بمقاومتها الكاملة للتآكل .   
  • المكبس / الغطاس : عبارة عن أسطوانة فولاذية مطلية بالنيكل توضع داخل الأنبوب. وظيفته الأساسية هي توليد قوة شفط ترفع السوائل الموجودة أسفلها، ثم، بمساعدة الصمامات، تسحب السوائل الموجودة فوقها تدريجيًا من البئر. ويتحقق ذلك بحركة ترددية صعودًا وهبوطًا.
  • الصمامات : تتكون الصمامات من جزأين - المقعد والكرة - اللذين يُحكمان الإغلاق تمامًا. تُصنع المقاعد الأكثر شيوعًا من نتريد الكربون، بينما تُصنع الكرة غالبًا من نتريد السيليكون. في الماضي، كانت تُستخدم كرات من الحديد والسيراميك والتيتانيوم. لا تزال كرات التيتانيوم تُستخدم، ولكن فقط في حالة النفط الخام شديد الكثافة و/أو عند الحاجة إلى رفع كمية كبيرة من السوائل. يتطلب التكوين الأكثر شيوعًا لمضخة القضيب صمامين، يُطلق عليهما صمام الحركة والصمام الثابت (أو الساكن).
  • قضيب المكبس : هو قضيب يربط المكبس بالجزء الخارجي من المضخة. وظيفته الرئيسية هي نقل الطاقة الترددية لأعلى ولأسفل الناتجة عن "وحدة الضخ" ( وحدة الضخ ) المثبتة فوق سطح الأرض.
  • الوصلات: تُسمى باقي أجزاء المضخة بالوصلات، وهي عبارة عن قطع صغيرة مصممة لتثبيت جميع الأجزاء في مكانها الصحيح. صُممت معظم هذه الأجزاء للسماح بمرور السوائل دون انقطاع.
  • المصفاة / المرشح : وظيفة المرشح، كما هو واضح، هي منع دخول الشظايا الكبيرة من الصخور أو المطاط أو أي شوائب أخرى قد تكون عالقة في البئر إلى المضخة. توجد أنواع عديدة من المرشحات، وأكثرها شيوعًا عبارة عن أسطوانة حديدية بها ثقوب كافية لدخول كمية السائل التي تحتاجها المضخة.

الضخ تحت السطحي

تقوم المضخة تحت السطحية بإزاحة السائل الموجود في قاع البئر، مما يؤدي إلى خفض ضغط قاع البئر. وتساعد حركة المكبس والصمام المتحرك على خلق ضغط منخفض، وبالتالي دفع السائل إلى أعلى البئر. يُفتح الصمام المتحرك أثناء شوط الضغط للأسفل ويُغلق أثناء شوط الضغط للأعلى. وفي شوط الضغط للأعلى، يقوم الصمام بدفع السائل إلى أعلى البئر. يبلغ  طول قضيب الشفط عادةً 25 قدمًا. توجد ثلاثة أنواع من وحدات الضخ: الفئة 1، والمارك 2، والمضخات المتوازنة بالهواء. ويمكن تغيير معدل الإنتاج عن طريق تغيير طول الشوط أو معدل الضخ.

يمكن حساب الإنتاج المقاس بالبراميل في اليوم باستخدام الصيغة التالية: P=SxNxC، حيث P= الإنتاج بالبراميل في اليوم، S= طول شوط الحفرة (بالبوصة)، N= عدد الأشواط في الدقيقة، C= ثابت مشتق مما يلي:

قطر المكبس = ثابت "ج"

1 1/16 بوصة = 0.132
1 1/4 بوصة = 0.182
1 1/2 بوصة = 0.262
1 3/4 بوصة = 0.357
2" = 0.468
2 1/4 بوصة = 0.590
2 1/2" = 0.728
2 3/4 بوصة = 0.881
3 1/4" = 1.231
3 3/4 بوصة = 1.639

للحصول على حاسبة عبر الإنترنت: حاسبة إنتاج مضخات قضيب الشفط من دون-نان (بوحدة برميل في اليوم)

الإنتاج بنسبة 100% هو أمر نظري. أما نسبة 80% فهي حساب إنتاج أكثر واقعية.

مضخة رفع الغاز الهجينة ومضخة قضيب

طُوّرت مؤخرًا تقنية جديدة تجمع بين الرفع بالغاز ومضخة قضيبية، حيث خُصصت سلسلتان منفصلتان من الأنابيب في البئر لكل طريقة رفع. صُممت هذه التقنية خصيصًا لرفع السوائل في الآبار الأفقية/المائلة، وكذلك الآبار الرأسية ذات الطبقات المثقبة العميقة أو الطويلة جدًا، أو التي تحتوي على نسبة عالية جدًا من الغاز إلى السائل (GLR) لا تتناسب مع طرق الرفع الاصطناعي التقليدية. في هذا التصميم، تُوضع المضخة القضيبية في الجزء الرأسي من البئر فوق الطبقة المثقبة أو المائلة، بينما يُستخدم غاز ذو ضغط وحجم منخفضين نسبيًا لرفع سوائل المكمن من الطبقة المثقبة أو المائلة إلى أعلى المضخة القضيبية. بمجرد ارتفاع السوائل فوق المضخة، تُحجز فوق حشوة عازلة ثم تدخل حجرة المضخة حيث تُنقل إلى السطح.

يتغلب هذا التصميم على تكاليف الصيانة المرتفعة، ومشاكل تداخل الغاز، وقيود العمق لتركيب أنظمة الضخ التقليدية في الفترات المثقبة المنحرفة أو الممتدة، كما يتغلب أيضًا على الضغط الخلفي الكبير الذي يمارسه الرفع الغازي التقليدي على الخزان.

PCP

تُستخدم مضخات التجويف التقدمي (PCP) على نطاق واسع في صناعة النفط. تتكون هذه المضخات من جزء ثابت وجزء دوار . يدور الجزء الدوار إما بمحرك علوي أو محرك سفلي. تُدفع التجاويف المتسلسلة الناتجة عن الدوران والسوائل المنتجة إلى السطح. تتميز مضخات التجويف التقدمي بمرونتها العالية وتطبيقاتها الواسعة من حيث معدل التدفق (حتى 5000 برميل/يوم (790 متر مكعب /يوم) وعمق 6000 قدم (1800 متر) ). توفر هذه المضخات مقاومة فائقة للمواد الكاشطة والصلبة، ولكنها محدودة في أعماق ودرجات حرارة التشغيل. كما أن بعض مكونات السوائل المنتجة، مثل المركبات العطرية، قد تُؤدي إلى تدهور المطاط الصناعي للجزء الثابت.    

ضخ بدون قضيب

يمكن أن تكون هذه المضخات غاطسة هيدروليكية أو كهربائية. تستخدم المضخات الهيدروليكية سائلًا عالي الضغط لتشغيل محرك سائل داخل البئر. يقوم المحرك بدوره بتحريك مكبس يدفع السائل إلى السطح. يمكن أن يكون نظام السائل مفتوحًا أو مغلقًا، وذلك حسب إمكانية خلط السائل مع سائل البئر. عادةً ما يحتوي هذا النوع من الأنظمة على مضخات سائل فوق سطح الأرض وخزان. أما المضخات الغاطسة الكهربائية فهي نوع آخر من أنظمة الضخ بدون قضيب. تستخدم هذه المضخات مضخة كهربائية مغمورة في البئر ومتصلة بسلسلة من المحولات ومعدات التحكم التي توفر الطاقة وتتحكم في معدل الضخ. في هذا النظام، يكون المحرك الكهربائي معزولًا عن الزيت بواسطة واقي. يحتوي مدخل السائل، الموجود قبل آلية المضخة، على فاصل غاز، كما يساعد صندوق التوصيل الموجود على السطح في تبديد أي غاز قد يكون قد تسرب عبر خطوط الطاقة.

تُساعد آليات الضخ ذات القضيب وبدون قضيب بشكل أساسي على تحريك السوائل عن طريق خفض ضغط قاع البئر بإزاحة السائل الموجود فوقه ميكانيكيًا. وهناك طريقة أخرى هي آلية رفع المكبس التي تستخدم سلسلة الأنابيب كأسطر، وتستخدم الغاز لتشغيل المكبس.

توجد عدة أشكال مختلفة لهذه الطرق، منها: الضخ النفاث الذي يستخدم مضخة هيدروليكية وفوهة لنقل زخم السائل مباشرةً إلى السائل المنتج، أو الرفع بالغرفة، وهو آلية رفع غازية معدلة لا تعتمد على الضغط العكسي. كما توجد وحدات ضخ قضيبية معدلة تستخدم إما رافعة أو آلية هوائية للتشغيل.

النقل المستمر بالسيور

تستخدم هذه الطريقة حزامًا ناقلًا مستمرًا ماصًا للزيت لنقل النفط الثقيل كبديل للضخ. يدور حزام أحادي الجانب على شكل حرف "O"، مدفوع بوحدة سطحية من نوع موبيوس، بشكل مستمر إلى الوحدة الجوفية أسفل مستوى السكون، حيث يلتقط الزيت وينقله إلى الوحدة السطحية لجمعه. تضمن الخصائص المحبة للزيت في الحزام عدم التقاط الرمل والبارافين ومعظم الماء.

نظراً لانخفاض معدل استخلاص النفط نسبياً (أقل من 130 برميلاً يومياً على عمق أقصى يبلغ 4000 متر)، وانخفاض تكلفة التشغيل، تُستخدم هذه الطريقة بشكل أساسي في الآبار قليلة الإنتاج، والآبار الهامشية، والآبار الخاملة، والآبار المهجورة . ويُعدّ تكوين النفط الأمثل لهذه الطريقة هو المكامن التي تحتوي على نفط متوسط، أو ثقيل، أو ثقيل جداً، عند درجة حرارة قصوى تبلغ 130 درجة مئوية. أما آبار النفط الخفيف ذات الإنتاجية العالية فلا تُناسب هذه الطريقة.

انظر أيضاً

مراجع

مراجع

  1. ↑ هاري، س.؛ كريشنا، شانكر؛ باتيل، ماناف؛ بهاتيا، بوجا؛ فيج، راكيش كومار (1 يونيو 2022). "تأثير ضغط رأس البئر ونسبة الماء في تحسين إنتاج النفط من الآبار المرفوعة بالغاز" . بحوث البترول . 7 (2): 253-262 . Bibcode : 2022PetRe...7..253H . doi : 10.1016/j.ptlrs.2021.09.008 . ISSN 2096-2495 . S2CID 239227477 .