محاكاة الخزان

محاكاة الخزانات هي مجال من مجالات هندسة الخزانات حيث يتم استخدام نماذج الكمبيوتر للتنبؤ بتدفق السوائل (عادةً النفط والماء والغاز) عبر الوسائط المسامية .

يُعدّ إنشاء نماذج لحقول النفط وتطبيق حسابات تطويرها بناءً عليها أحد المجالات الرئيسية لعمل المهندسين وباحثي النفط. فبناءً على المعلومات الجيولوجية والفيزيائية المتعلقة بخصائص حقل النفط أو الغاز أو مكثفات الغاز ، يُسهم النظر في إمكانيات الأنظمة والتقنيات اللازمة لتطويره في تكوين تصورات كمية حول تطوير الحقل ككل. ويُشكّل نظام التصورات الكمية المترابطة حول تطوير الحقل نموذجًا لتطويره، ويتألف من نموذج للمكمن ونموذج لعملية تطوير الحقل. وتُصاغ نماذج الطبقات وعمليات استخراج النفط والغاز منها دائمًا في صيغة رياضية، أي أنها تتميز بعلاقات رياضية محددة. وتتمثل المهمة الرئيسية للمهندس المُختص بحساب تطوير حقل نفطي في وضع نموذج حسابي قائم على مفاهيم فردية مُستمدة من دراسة جيولوجية وجيوفيزيائية للحقل، بالإضافة إلى دراسات ديناميكية مائية للآبار. وبشكل عام، يُمكن استخدام أي توليفة من نماذج المكامن وعمليات التطوير في نموذج تطوير حقل نفطي، طالما أن هذه التوليفة تُعكس بدقة خصائص المكمن وعملياته. في الوقت نفسه، قد يستلزم اختيار نموذج معين للخزان مراعاة أي ميزات إضافية لنموذج العملية والعكس صحيح.

ينبغي التمييز بين نموذج الخزان ومخطط تصميمه، الذي لا يأخذ في الاعتبار سوى الشكل الهندسي للخزان. فعلى سبيل المثال، قد يكون نموذج الخزان خزانًا غير متجانس الطبقات. أما في مخطط التصميم، فيمكن تمثيل الخزان الذي له نفس النموذج كخزان دائري الشكل، أو خزان مستطيل، وما إلى ذلك.

تُهيمن محاكيات الفروق المحدودة التقليدية على كلٍ من العمل النظري والتطبيقي في محاكاة المكامن. وتستند محاكاة الفروق المحدودة التقليدية إلى ثلاثة مفاهيم فيزيائية: حفظ الكتلة ، وسلوك طور المائع متساوي الحرارة ، وتقريب دارسي لتدفق المائع عبر الأوساط المسامية. وتُضيف المحاكيات الحرارية (الأكثر شيوعًا في تطبيقات النفط الخام الثقيل ) حفظ الطاقة إلى هذه القائمة، مما يسمح بتغير درجات الحرارة داخل المكمن.

التقنيات والأساليب العددية الشائعة في أجهزة المحاكاة الحديثة:

• تتيح معظم برامج محاكاة ديناميكيات الموائع الحديثة إنشاء تمثيلات ثلاثية الأبعاد لاستخدامها في نماذج الحقل الكامل أو نماذج البئر الواحد. كما تُستخدم تقريبات ثنائية الأبعاد في نماذج مفاهيمية مختلفة، مثل المقاطع العرضية ونماذج الشبكة الشعاعية ثنائية الأبعاد.
• نظريًا، تسمح نماذج الفروق المحدودة بتقسيم المكمن باستخدام شبكات منظمة وغير منظمة أكثر تعقيدًا لتمثيل هندسة المكمن بدقة. كما تُعدّ تحسينات الشبكة المحلية (شبكة أدقّ مُدمجة داخل شبكة خشنة) ميزةً توفرها العديد من برامج المحاكاة لتمثيل تأثيرات التدفق متعدد الأطوار بالقرب من البئر بدقة أكبر. يُعدّ هذا "التقسيم الشبكي المُحسّن" بالقرب من الآبار بالغ الأهمية عند تحليل مشكلات مثل ظاهرة مخروطية الماء والغاز في المكامن. تشمل أنواع برامج المحاكاة الأخرى طريقة العناصر المحدودة وطريقة خطوط الانسياب.
• يُعدّ تمثيل الأعطال ومعاملات انتقالها من الميزات المتقدمة المتوفرة في العديد من برامج المحاكاة. في هذه النماذج، يجب حساب معاملات انتقال التدفق بين الخلايا للطبقات غير المتجاورة خارج نطاق الاتصالات التقليدية بين الخلايا المتجاورة.
• تُعدّ محاكاة التصدع الطبيعي (المعروفة بالمسامية المزدوجة والنفاذية المزدوجة) ميزة متقدمة تُستخدم لنمذجة الهيدروكربونات في كتل المصفوفة الصخرية الصلبة. ويتدفق السائل من هذه الكتل إلى شبكات التصدع الأكثر نفاذية المحيطة بها، ثم إلى الآبار.
• لا يأخذ جهاز محاكاة النفط الأسود في الاعتبار التغيرات في تكوين الهيدروكربونات أثناء إنتاج الحقل، باستثناء ذوبان أو تطور الغاز المذاب في النفط، أو تبخر أو تساقط المكثفات من الغاز.
• يقوم برنامج محاكاة الخزانات التركيبية بحساب خصائص الضغط والحجم ودرجة الحرارة (PVT) لأطوار النفط والغاز بعد مطابقتها مع معادلة الحالة (EOS) كمزيج من المكونات. ثم يستخدم البرنامج معادلة الحالة المطابقة لتتبع حركة كل من الأطوار والمكونات في الحقل بشكل ديناميكي. ويتم ذلك بتكلفة إضافية من حيث وقت الإعداد، ووقت الحوسبة، وذاكرة الحاسوب.

يحسب نموذج المحاكاة تغير التشبع في الأطوار الثلاثة (النفط والماء والغاز) وضغط كل طور في كل خلية عند كل خطوة زمنية. ونتيجة لانخفاض الضغط، كما هو الحال في دراسة استنزاف المكمن، يتحرر الغاز من النفط. أما إذا ارتفع الضغط نتيجة حقن الماء أو الغاز، فيذوب الغاز مجدداً في طور النفط.

يتطلب مشروع محاكاة حقل نفطي مُطوَّر عادةً " مطابقة البيانات التاريخية "، حيث تُقارن بيانات الإنتاج والضغط التاريخية للحقل بالقيم المحسوبة. وقد تبيّن في مرحلة مبكرة أن هذه العملية هي في جوهرها عملية تحسين، تُطابق مبدأ الاحتمال الأقصى . ولذلك، يُمكن أتمتتها، وهناك العديد من البرامج التجارية والبرمجية المصممة خصيصًا لهذا الغرض. تُعدّل معلمات النموذج حتى يتم التوصل إلى تطابق معقول على مستوى الحقل، وعادةً لجميع الآبار. ومن الشائع مطابقة نسب الماء إلى النفط ونسب الغاز إلى النفط.

بدون نماذج التدفق الجزئي، يمكن حساب تقديرات الاستخلاص ومعدلات إنتاج النفط باستخدام العديد من التقنيات التحليلية، بما في ذلك معادلات توازن المواد (مثل طريقة هافلينا-أوديه وطريقة تارنر)، وطرق منحنى التدفق الجزئي (مثل طريقة باكلي-ليفرت للإزاحة أحادية البعد، وطريقة ديتز للهياكل المائلة، أو نماذج المخروطية)، وتقنيات تقدير كفاءة المسح لحقن الماء وتحليل منحنى التضاؤل. طُوّرت هذه الطرق واستُخدمت قبل أدوات المحاكاة التقليدية، باعتبارها نماذج منخفضة التكلفة حسابيًا تعتمد على وصف بسيط ومتجانس للمكمن. لا تستطيع الطرق التحليلية عمومًا استيعاب جميع تفاصيل المكمن أو العملية، ولكنها عادةً ما تكون سريعة حسابيًا، وفي بعض الأحيان، موثوقة بدرجة كافية. في هندسة المكامن الحديثة، تُستخدم هذه الطرق عادةً كأدوات فحص أو تقييم أولي. تُعدّ الطرق التحليلية مناسبة بشكل خاص لتقييم الأصول المحتملة عندما تكون البيانات محدودة والوقت عاملًا حاسمًا، أو للدراسات الشاملة كأداة فحص أولي إذا كان هناك عدد كبير من العمليات و/أو التقنيات المراد تقييمها. غالباً ما يتم تطوير الأساليب التحليلية والترويج لها في الأوساط الأكاديمية أو داخل الشركات، ومع ذلك توجد أيضاً حزم تجارية.

تتوفر العديد من البرامج لمحاكاة المكامن. وأشهرها (مرتبة أبجديًا) هي:

المصادر المفتوحة:

• برنامج BOAST (أداة محاكاة النفط الأسود التطبيقية) هو برنامج مجاني لمحاكاة المكامن النفطية، متوفر من وزارة الطاقة الأمريكية. ^{[ 1 ]} يعتمد BOAST على محاكاة عددية باستخدام طريقة الفروق المحدودة الضمنية للضغط والتشبع الصريح، حيث يقوم أولاً بحساب توزيع الضغط لفترة زمنية محددة، ثم يحسب توزيع التشبع لنفس الفترة الزمنية عند درجة حرارة ثابتة. صدرت آخر نسخة منه عام 1986، ولكنه لا يزال برنامجًا جيدًا للأغراض التعليمية.
• MRST - مجموعة أدوات محاكاة المكامن في MATLAB (MRST) هي مجموعة أدوات طورتها SINTEF Applied Mathematics لبرنامج MATLAB®. تتكون هذه المجموعة من جزأين رئيسيين: نواة توفر الوظائف الأساسية وحلولًا أحادية وثنائية الطور، ومجموعة من الوحدات الإضافية التي توفر نماذج وعارضات وحلولًا أكثر تقدمًا. صُممت MRST بشكل أساسي لتكون أداةً لإنشاء نماذج أولية سريعة وعرض أساليب المحاكاة الجديدة ومفاهيم النمذجة على الشبكات غير المنتظمة. ومع ذلك، تتميز العديد من أدواتها بكفاءة عالية ويمكن تطبيقها على نماذج كبيرة ومعقدة بشكل مدهش. ^{[ 2 ]}
• مبادرة OPM - توفر مبادرة الوسائط المسامية المفتوحة (OPM) مجموعة من الأدوات مفتوحة المصدر التي تركز على محاكاة تدفق ونقل السوائل في الوسائط المسامية. ^{[ 3 ]}

تجاري:

• 6X من Ridgeway Kite UK، الذي أنشأه المطورون الأصليون لـ Eclipse، هو محاكي للأغراض العامة يدعم الزيت الأسود، والتركيبي، ويتم تسريعه بواسطة وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات ^{[ 4 ].}
• تقاطع SLB ^{[ 5 ]}
• برنامج SLB ECLIPSE – طُوّر في الأصل بواسطة شركة ECL (Exploration Consultants Limited)، وتملكه وتطوّره وتسوقه وتديره حاليًا شركة Digital and Integration (المعروفة سابقًا باسم GeoQuest )، وهي قسم من شركة SLB . اسم ECLIPSE هو اختصار لعبارة "برنامج ECL الضمني لهندسة المحاكاة". تشمل برامج المحاكاة محاكاة النفط الأسود، والتركيب، والحجم المحدود الحراري، ومحاكاة خطوط التدفق. وتشمل الخيارات الإضافية تحسينات الشبكة المحلية، وغاز الميثان في طبقات الفحم، وعمليات حقول الغاز، والآبار المتقدمة، وربط المكامن، والشبكات السطحية. ^{[ 6 ]}
• برنامج REVEAL من شركة PE Limited، هو برنامج محاكاة متخصص للمكامن يتيح إجراء دراسات متكاملة للمكامن والإنتاج. يتمثل الدور الرئيسي لبرنامج REVEAL في سد الفجوة بين محاكاة المكامن والدراسات المتخصصة، بما في ذلك التكسير الحراري، وكيمياء الإنتاج، ونقل المواد الصلبة، واستخلاص النفط المعزز، وغيرها الكثير. ^{[ 7 ]}
• يدعم برنامج tNavigator من Rock Flow Dynamics عمليات المحاكاة للزيت الأسود والتركيبية والتركيبية الحرارية، ويتم تسريعه بواسطة كل من وحدة المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات على أجهزة الكمبيوتر المحمولة ومحطات العمل ومجموعات الحوسبة عالية الأداء ^{[ 8 ].}

• ECHELON ، من شركة Stone Ridge Technology: محاكي ضمني بالكامل، وهو المحاكي الوحيد للخزانات الذي يتم تسريعه بالكامل بواسطة وحدة معالجة الرسومات (GPU) لتركيبات النفط الأسود. ^{[ 9 ]}
• برنامج محاكاة ريتينا من شركة ESTD – برنامج محاكاة ريتينا هو برنامج لمحاكاة خزانات النفط الأسود والخزانات التركيبية، تم تطويره بالكامل في شركة الدعم الهندسي وتطوير التكنولوجيا (ESTD). ^{[ 10 ]}
• مجموعة برامج CMG (IMEX و GEM و STARS) - تقدم مجموعة نمذجة الحاسوب حاليًا ثلاثة برامج محاكاة: برنامج محاكاة للنفط الأسود يسمى IMEX، وبرنامج محاكاة تركيبي / غير تقليدي يسمى GEM، وبرنامج محاكاة حراري وعمليات متقدمة يسمى STARS. ^{[ 11 ]}
• يُعدّ برنامج Sensor ، من إنتاج شركة Coats Engineering، برنامجًا لمحاكاة النفط الأسود وتكوين المكامن النفطية، وقد طُوّر في بداية التسعينيات على يد الدكتور كيث إتش. كوتس، مؤسس صناعة محاكاة المكامن التجارية (Intercomp Resource and Development، 1968). ويُعتبر Sensor آخر برامج محاكاة المكامن العديدة التي طوّرها الدكتور كوتس.
• XXSim هو برنامج محاكاة تكوين المكامن النفطية للأغراض العامة، يعتمد على معادلة الحالة (EOS) ويتميز بصياغة ضمنية كاملة. يسمح البرنامج بظهور أي مكونات وبقائها في أي طور سائل (مائي، زيتي، وبخاري). يمكن تبسيطه ليشمل وحدات تقليدية للنفط الأسود، ووحدات تكوينية، ووحدات حرارية. كما يمكن توسيعه ليصبح برنامج محاكاة حرارية قائم بالكامل على معادلة الحالة. ^{[ 12 ]}
• Tempest MORE هو برنامج محاكاة للمكامن يقدم خيارات النفط الأسود والتركيب والحرارة. ^{[ 13 ]}
• ExcSim ، وهو برنامج محاكاة مُعدَّل ثنائي الأبعاد ثلاثي الأطوار لخزانات النفط الأسود ضمنيًا بالكامل لمنصة Microsoft Excel ^{[ 14 ]}
• لاند مارك نيكسوس – نيكسوس هو برنامج محاكاة لمكامن النفط والغاز، طُوّر في الأصل باسم "فالكون" من قِبل شركة أموكو ، ومختبر لوس ألاموس الوطني ، وشركة كراي للأبحاث . وتتولى شركة لاند مارك جرافيكس، وهي قسم خدمات المنتجات في شركة هاليبرتون ، حاليًا ملكية البرنامج وتطويره وتسويقه وصيانته . وسيحل نيكسوس تدريجيًا محل برنامج VIP، أو Desktop VIP، وهو الجيل السابق من برامج المحاكاة من لاند مارك.
• يُعد برنامج FlowSim التابع لشركة Plano Research Corporation برنامجًا محاكاةً شاملةً للخزانات النفطية السوداء ثلاثية الأطوار وثلاثية الأبعاد، يعتمد على طريقة الفروق المحدودة التركيبية، مع إمكانية استخدام نماذج LGRs، والمسامية المزدوجة، والنفاذية المزدوجة، والمعالجة المتوازية. ^{[ 15 ]}
• يستخدم برنامج ReservoirGrail من GrailQuest نهجًا حاصلًا على براءة اختراع يسمى Time Dynamic Volumetric Balancing ^{[ 16 ]} لمحاكاة الخزانات أثناء الاستخراج الأولي والثانوي . ^{[ 17 ]}
• برنامج Gemini Solutions Merlin هو برنامج محاكاة مكامن نفطية ثلاثي الأطوار ضمني بالكامل، تم تطويره في الأصل في قسم الأبحاث بشركة Texaco، ويستخدم حاليًا من قبل مكتب إدارة طاقة المحيطات ومكتب السلامة والإنفاذ البيئي لحساب معدلات التفريغ في أسوأ الحالات وضغوط الانفجار/الانهيار على أنابيب التغليف وأجهزة منع الانفجار . ^{[ 18 ] [ 19 ]}
• برنامج DeepSim من شركة Under Palm Trees هو برنامج محاكاة خزانات ضمني بالكامل، ثلاثي الأطوار، يعتمد على طريقة الفروق المحدودة التركيبية، وهو مخصص لمنصة هواتف وأجهزة Android اللوحية. ^{[ 20 ] [ 21 ]}
• تقدم شركة TTA/PetroStudies برنامج محاكاة متكامل للنفط الأسود، Exodus ، مزودًا بوحدة مطابقة تاريخية مساعدة (Revelations) تُتيح تغيير المسامية/النفاذية/البنية/صافي الإنتاج/الضغط الأولي/التشبع/أعماق التلامس لمطابقة معدلات/تراكمات/ضغوط الآبار المرصودة. ^{[ 22 ]} يُشغّل برنامج Revelations حالات متعددة على أجهزة كمبيوتر مشتركة عبر الشبكة. كما يُقدّم برنامج Exotherm محاكاة حرارية لتقنيات SAGD وCSS مع تدفق مُجزّأ داخل البئر حتى السطح.
• محاكاة ميرا هي أداة هجينة للتنبؤ بإنتاج الخزانات تعتمد على الذكاء الاصطناعي والفيزياء لتخطيط العمليات والميزانية من قبل شركة Target Solutions LLC. ^{[ 23 ]}

تُستخدم محاكاة المكامن في نهاية المطاف للتنبؤ بإنتاج النفط المستقبلي، واتخاذ القرارات، وإدارة المكامن. ويُعدّ إطار عمل تطوير الحقول ذي الحلقة المغلقة (CLFD) أحدث التقنيات في إدارة المكامن، حيث يستخدم محاكاة المكامن (بالإضافة إلى الإحصاءات الجيولوجية، واستيعاب البيانات، واختيار النماذج التمثيلية) لتحقيق التشغيل الأمثل للمكامن.

• كامي سيبهرنوري

• معادلات الزيت الأسود
• نمذجة الخزانات
• النمذجة الجيولوجية
• هندسة البترول
• محاكاة حاسوبية
• من الزلازل إلى المحاكاة

• عزيز، ك. وسيتاري، أ.، محاكاة خزانات البترول ، 1979، دار النشر للعلوم التطبيقية.
• إرتكين، تي، أبو قاسم، جيه إتش، وجي آر كينج، محاكاة الخزانات التطبيقية الأساسية ، كتاب جمعية مهندسي البترول المجلد 10، 2001.
• فانشي، ج.، مبادئ محاكاة الخزانات التطبيقية ، الطبعة الرابعة، إلسيفير جي بي بي، 2018.
• ماتاكس، سي سي ودالتون، آر إل، محاكاة الخزانات ، المجلد 13 من سلسلة دراسات جمعية مهندسي البترول، 1990.
• هولشتاين، إي. (محرر)، دليل هندسة البترول ، المجلد الخامس (ب)، الفصل 17، هندسة المكامن، 2007.
• وارنر، هـ. (محرر)، دليل هندسة البترول ، المجلد السادس، الفصل 6، غاز الميثان في طبقات الفحم، 2007.
• كارلسون، م.، المحاكاة العملية للخزانات ، 2006، شركة بنويل.
• آر إي إيوينغ، رياضيات محاكاة الخزانات

مراجع أخرى

• * Software for reservoir simulation