مصنع إنتاج النفط

فيما يلي خيارات تصدير النفط والغاز وانتشارها حول العالم:

• النفط الخام المستقر
  • ضغط بخار ريد RVP < 11  رطل لكل بوصة مربعة (0.76 بار)
  • الرواسب الأساسية والماء ( أقل من 1% بالحجم)
  • خليج المكسيك، الساحل الشرقي لكندا، غرب أفريقيا، إندونيسيا .
• النفط الخام الرطب غير المستقر
  • ضغط البخار الحقيقي 150  رطل لكل بوصة مربعة (10.3 بارا)
  • BS&W 2%
  • بحر الشمال، أذربيجان ، خليج السويس ، ترينيداد .

قد يتم التخلص من الغاز من خلال واحد أو أكثر من المسارات التالية: ^{[ 5 ]}

في وسط وشمال بحر الشمال، يُنقل الغاز إلى محطتي سانت فيرغوس أو تيسايد عبر عدد قليل من  خطوط أنابيب الغاز ذات القطر الكبير (91.4 سم، 36 بوصة). تعمل هذه الخطوط بضغط يتراوح بين 1600 و2500  رطل لكل بوصة مربعة (110-172 بار) في الطور الكثيف، أي فوق الضغط الحرج. يوفر التشغيل في الطور الكثيف عددًا من المزايا:

• يُعد نقل الغاز تحت ضغط عالٍ لمسافات طويلة أكثر كفاءة.
• فهو يزيل مشكلة التدفق متعدد الأطوار
• فهو يلغي الحاجة إلى معالجة الغاز عن طريق إزالة الهيدروكربونات من نقطة الندى

تُقابل هذه المزايا بضغط إضافي مطلوب، مما يستلزم استخدام أنابيب ذات جدران أكثر سمكًا وأكثر تكلفة. ^{[ 4 ]}

من الاعتبارات الأخرى عدد وحدات الفصل وعدد مراحل الفصل. تعمل وحدات معالجة النفط بالتوازي، وتُشغَّل المراحل بالتتابع. يعتمد عدد الوحدات على معدلات التدفق، وتوافر المعدات، ومساحة الأرض المتاحة. تستطيع الوحدة الواحدة معالجة ما بين 150,000 و200,000 برميل من النفط يوميًا (23,847 - 31,797  متر ^مكعب /يوم). يمكن أن يصل قطر الأوعية إلى ما بين 4.3 و5.8 متر (14 إلى 19 قدمًا ) وطولها إلى 9.1 متر (30 قدمًا ) . أما الأوعية في منشآت المياه العميقة في خليج المكسيك، فيتراوح قطرها بين 3.7 و4.3 متر (12 إلى 14 قدمًا ) وطولها بين 18 و21 مترًا (60 إلى 70 قدمًا) . ^{[ 4 ]}    

يعتمد عدد مراحل الانفصال على:

• ضغط رأس البئر
• نسبة الغاز إلى النفط
• مواصفات ضغط البخار لتيار تصدير النفط الخام

تعمل فواصل المرحلة الأولى في خليج المكسيك عادةً عند ضغط يتراوح بين 1500 و1800  رطل لكل بوصة مربعة (103.4 إلى 124.1 بار)، وهي تعمل كفواصل ثنائية الطور للسائل والبخار، بزمن بقاء للسائل يتراوح بين دقيقة ودقيقتين. ويتم إزالة الماء المُنتَج في فاصل ثلاثي الأطوار منخفض الضغط، والذي يعمل عند ضغط يتراوح بين 150 و250  رطل لكل بوصة مربعة (10.3 إلى 17.2 بار). ^{[ 4 ]}

في بحر الشمال، تعمل فواصل المرحلة الأولى عادةً عند ضغط أقل من 750  رطل لكل بوصة مربعة (أقل من 51.72 بار). وتُشغَّل هذه الفواصل كوحدات فصل ثلاثية الأطوار (بخار، زيت، وماء)، ويتم تصميمها لتوفير فترة مكوث للسائل تتراوح بين 3 و5 دقائق. ويتم ضبط الضغوط لتحقيق أقصى قدر من فصل الغازات عند أعلى ضغط ممكن. ويُعد استخدام ما يصل إلى 5 مراحل فصل شائعًا في خليج المكسيك، وما يصل إلى 4 مراحل على المنصات في بحر الشمال. ^{[ 4 ]}

يوضح الجدول معدل الإنتاج، وعدد القطارات، ومراحل الفصل، وضغط فاصل المرحلة الأولى لمجموعة من المنشآت البحرية التاريخية. ^{[ 3 ] [ 6 ]}

تُستخدم مجموعة متنوعة من مواد البناء في مصانع معالجة النفط. ويُستخدم الفولاذ الكربوني على نطاق واسع نظرًا لانخفاض تكلفته. ومع ذلك، فهو غير مناسب للبيئات المسببة للتآكل، حيث يتطلب الأمر استخدام عدد من السبائك والمواد الأخرى المقاومة للتآكل. يوضح الجدول المواد النموذجية المستخدمة في مصانع معالجة السوائل الحمضية. ^{[ 7 ]}

يمكن اعتبار محطة الإنتاج مكتملة بعد صمام جناح الإنتاج في شجرة إنتاج النفط . تُنقل سوائل المكمن من كل بئر عبر خط تدفق إلى صمام خانق ، ينظم معدل التدفق ويخفض ضغط السوائل. ^{[ 2 ]} تُجمع خطوط التدفق من كل بئر عند مشعب أو أكثر من مشعبات المدخل. تُزود كل وحدة إنتاج بمشعبات مدخل خاصة بها، أو تعمل بضغوط مختلفة لمطابقة ضغط رأس البئر مع ضغوط الفواصل المختلفة. تُوجه مشعبات الضغط العالي إلى فاصل المرحلة الأولى ، الذي يفصل أطوار السوائل الثلاثة. يترسب الماء المُنتَج ، وهو الطور الأكثر كثافة، في قاع الفاصل، ويطفو النفط فوق الماء المُنتَج، ويشغل الغاز الجزء العلوي من الفاصل. ^{[ 8 ]} صُمم الفاصل لتوفير زمن مكوث للسائل يتراوح بين 3 و5 دقائق، وهو كافٍ للنفط الخام الخفيف (أكثر من 35 درجة API) كما هو مُنتَج في بحر الشمال. في خليج المكسيك، يعمل فاصل المرحلة الأولى كوعاء ثنائي الطور (غاز وسائل)، وقد تم تصميمه لتوفير وقت إقامة للسائل من 1 إلى 2 دقيقة.

تميل الرمال والمواد الصلبة الأخرى من المكمن إلى الترسيب في قاع الفواصل. وإذا سُمح بتراكمها، فإنها تقلل من حجم السائل المتاح لفصل النفط والغاز والماء، مما يقلل من الكفاءة. يمكن إيقاف تشغيل الوعاء وتفريغه من الماء، ثم إزالة المواد الصلبة يدويًا. أو يمكن استخدام أنابيب حقن الماء في قاعدة الفاصل لتسييل الرمال، والتي يمكن تصريفها من صمامات التصريف في القاعدة.  

يمكن تبريد أو تسخين الزيت الخارج من فاصل المرحلة الأولى في مبادل حراري للمساعدة في فصله بشكل كامل. تميل حقول بحر الشمال إلى العمل عند درجات حرارة أعلى، لذا قد لا يكون التسخين ضروريًا. أما حقول خليج المكسيك فتميل إلى العمل عند درجات حرارة أقل، لذا يلزم التسخين لتحقيق مواصفات بخار التصدير ونسبة الماء والشوائب . تتراوح درجات حرارة التشغيل النموذجية بين 60 و71 درجة مئوية (140-160 درجة فهرنهايت) . ^{[ 4 ]}  

يُوجَّه النفط بعد ذلك إما إلى فاصل مرحلة ثانية، يعمل بضغط أقل من المرحلة الأولى لفصل النفط والغاز والماء بشكل أكبر، أو إلى مُجمِّع لإزالة الماء بشكل إضافي. ^{[ 8 ]} تهدف مراحل الفصل المتعددة، التي تعمل بضغوط أقل تدريجيًا، إلى تقليل كمية الغاز المذاب، وبالتالي خفض نقطة اشتعال النفط لتلبية مواصفات تصدير النفط. ^{[ 9 ]} بالنسبة لمعدلات تدفق النفط العالية، قد يكون من الضروري استخدام سلاسل متوازية من الفواصل للتعامل مع التدفق وتوفير إمكانية التحكم فيه. ^{[ 2 ]} قد تكون المرحلة الأخيرة من الفصل عبارة عن مُجمِّع كهروستاتيكي. يمكن لهذه المُجمِّعات تحقيق محتوى مائي بنسبة 0.5% حجميًا، وتتراوح معدلات التدفق التصميمية النموذجية في حدود 200 برميل نفط يوميًا/قدم ^مربع . ^{[ 4 ]}

يُمكّن فاصل الاختبار (انظر الرسم التوضيحي) من تحديد أداء كل بئر على حدة. يُوصل كل بئر بخط أنابيب الاختبار الذي يوجه السوائل إلى فاصل الاختبار. ويحدث فصل ثلاثي الأطوار إلى نفط وبخار وماء مُنتَج. تُقاس معدلات تدفق هذه الأطوار بدقة أثناء تدفق السوائل إلى نقاط الضغط المنخفض في سلسلة إنتاج النفط. وتُحدد معدلات التدفق أداء البئر من حيث أقصى تدفق له، ونسبة الغاز إلى النفط، ونسبة الماء في السوائل.

بعض حقول النفط تحتوي على نسبة عالية من ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ وكبريتيد الهيدروجين (H₂S ₎ ، مما يؤدي إلى ارتفاع مستوياتهما. وتؤدي عملية الفصل عند درجات حرارة عالية إلى تحويل هذه الغازات إلى الحالة البخارية. ومع ذلك، قد يحتوي النفط الخام على مركبات حمضية تتجاوز الحد المسموح به لكبريتيد الهيدروجين _في النفط الخام، والذي يقل عن 10 جزء في المليون وزناً. يُستخدم عمود ذو صوانٍ، حيث يُغذى النفط الخام الحمضي من أعلى العمود، بينما يُضخ غاز التجريد من أسفله. ^{[ 4 ]}

في المرحلة النهائية من عملية الفصل، أو من وحدة التجميع، يُبرّد النفط ليتوافق مع مواصفات التصدير أو للحد من الإجهادات الحرارية على أنبوب تصدير النفط. يُقاس تدفق النفط بدقة ^{[ 10 ]} ثم يُضخ عبر خط أنابيب إلى المحطة البرية. تحتوي بعض المنشآت، مثل الهياكل الخرسانية ذات القاعدة الثابتة ووحدات الإنتاج والتخزين والتفريغ العائمة (FPSOs )، على خزانات تخزين نفط مدمجة تُملأ باستمرار بالنفط وتُفرغ دوريًا في ناقلات النفط .

يُوجَّه الماء المُنتَج من الفواصل ووحدة التجميع إلى وحدة إزالة الغازات من الماء المُنتَج ، والتي تعمل بضغط قريب من الضغط الجوي، لإزالة الغازات الذائبة من الماء. في بدايات صناعة النفط والغاز البحرية، استُخدمت وحدات فصل الألواح المتوازية لتنظيف الماء المُنتَج قبل التخلص منه في البحر. وفي ثمانينيات القرن الماضي، طُرِحت وحدات الهيدروسيكلون، وهي أكثر إحكامًا. ^{[ 1 ]} تعمل وحدة الهيدروسيكلون على إزالة الزيت والمواد الصلبة العالقة من الماء المُنتَج، والذي يمر بعد ذلك إلى وحدة إزالة الغازات، حيث يُمكن إعادة حقنه في المكمن أو التخلص منه في البحر. ويُستخدم نظام تعويم الغاز المُستحث عندما لا تستطيع وحدة الهيدروسيكلون/إزالة الغازات تحقيق مواصفات نسبة الزيت في الماء. وللتخلص منه في البحر، يجب ألا يتجاوز محتوى الزيت في الماء 30 جزءًا في المليون (ppm). ^{[ 11 ]} وفي منشآت بحر الشمال، تسمح درجات حرارة التشغيل المرتفعة بتحقيق تركيز زيت في الماء يزيد عن 20 جزءًا في المليون (ppm). ^{[ 4 ]}

يُعرف الغاز المصاحب من أعلى الفاصل (أو الفواصل) أيضًا باسم الغاز الرطب أو الغاز المشبع بالماء والهيدروكربونات السائلة. يُمرر الغاز عادةً عبر أجهزة تنقية الغاز ، والضواغط، والمبردات لرفع ضغطه وإزالة السوائل. ^{[ 2 ]} أجهزة تنقية الغاز عبارة عن أوعية رأسية تسمح بإزالة السوائل وفصلها عن تيار الغاز. توضع المبردات بعد الضاغط لإزالة حرارة الضغط. تُستخدم الضواغط الطاردة المركزية بكثرة في المنصات البحرية، فهي أصغر حجمًا وأخف وزنًا من الضواغط الترددية، كما أن تكاليف صيانتها أقل. تُستخدم الضواغط الترددية عند التعامل مع كميات صغيرة من الغاز. يمكن تشغيل الضواغط الطاردة المركزية بواسطة توربينات غازية أو محركات كهربائية. ^{[ 4 ]}

يمكن تصدير الغاز الجاف، أو استخدامه في عمليات الرفع بالغاز ، أو حرقه، أو استخدامه كوقود لمولدات الطاقة في المنشأة، أو إعادة حقنه في المكمن بعد ضغطه . يُقاس معدل تدفق الغاز المُصدَّر بدقة قبل إرساله إلى المحطة البرية عبر خط أنابيب الغاز. وقد تتطلب العملية معالجة إضافية.

تُسخّن وسائط التسخين عادةً عن طريق استعادة الحرارة المهدرة من عوادم توربينات الغاز المستخدمة في توليد الطاقة. ولا تتجاوز درجة الحرارة المطلوبة عادةً 204 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت) ، وتُستخدم سوائل أساسها الزيوت المعدنية. ^{[ 4 ]} كما تُستخدم المياه الساخنة المضغوطة والبخار ومخاليط الجليكول/الماء، مع العلم أن درجات الحرارة عادةً ما تكون أقل من 149 درجة مئوية (300 درجة فهرنهايت) . وفي المنشآت الصغيرة، قد تكون عناصر التسخين الكهربائية الخيار الأمثل لتسخين السوائل. ^{[ 4 ]}    

يمكن تبريد العمليات باستخدام الهواء، أو مياه البحر (المعروف بالتبريد المباشر)، أو وسيط تبريد يتكون من خليط من 30% جليكول (TEG) والماء، ويُعرف بالتبريد غير المباشر. ^{[ 4 ]} عادةً ما تكون منشآت بحر الشمال مكتظة، ولا تتسع للمساحة الكبيرة اللازمة للمبادلات الحرارية المبردة بالهواء. أما المبادلات الحرارية المبردة بالماء، فتشغل مساحة صغيرة نسبيًا. غالبًا ما تُزود منشآت بحر الشمال بوحدات حقن الماء ، والتي تتطلب رفع كميات كبيرة من مياه البحر. وبالتالي، تنخفض التكلفة الإضافية لاستخدام مياه البحر للتبريد بشكل ملحوظ. علاوة على ذلك، يُعد انخفاض ذوبان الهواء في الماء الدافئ ميزة، حيث يجب إزالة الهواء من ماء الحقن. كما أن برودة مياه بحر الشمال تُقلل من حجم المبادلات الحرارية. يُعد التبريد غير المباشر باستخدام وسيط التبريد أقل عرضة لمشاكل التآكل من التبريد المباشر بمياه البحر، والذي قد يتطلب معادن أغلى ثمنًا مثل سبائك النحاس أو التيتانيوم أو الإنكونيل . تتميز أنظمة وسيط التبريد بانخفاض تكاليفها الرأسمالية . كما يسمح السائل النظيف باستخدام مبادلات حرارية مطبوعة، مما يوفر المساحة والوزن. ^{[ 4 ]}