کنترل و بهینه‌سازی فرآیند تولید در میدان‌های نفت و گاز

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما؛ مهدی فدایی، دانش آموخته دکتری و پژوهشگر دانشگاه صنعتی امیرکبیر که این طرح را با راهنمایی محمدجواد عامری و یوسف رفیعی، اعضای هیئت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، اجرا کرده است، درباره این دستاورد گفت: این طرح با عنوان «مدل‌سازی یکپارچه تولید با هدف کنترل و بهینه‌سازی پارامتر‌های مؤثر بر تولید» با هدف افزایش بهره‌وری سامانه‌های تولید نفت و گاز طراحی شده است.

وی با اشاره به ساختار سامانه‌های تولید نفت و گاز افزود: پس از حفاری چاه‌های تولیدی، هیدروکربن‌های استخراج‌شده از طریق خطوط انتقال به تجهیزات سطحی و پالایشگاه‌ها منتقل می‌شوند و مجموعه چاه‌ها، خطوط انتقال و تجهیزات سطحی، شبکه‌ای یکپارچه را تشکیل می‌دهند که از آن با عنوان «سامانه یکپارچه تولید» یاد می‌شود.

فدایی ادامه داد: در طراحی متداول این سامانه‌ها، چه در داخل کشور و چه در سطح بین‌المللی، عمدتاً تنها متغیر‌های عملیاتی سطحی مانند فشار سرچاه و دبی سیالات تولیدی مورد توجه قرار می‌گیرد، در حالی که با تغییر شرایط تولید در طول زمان، کارایی این سامانه‌ها کاهش می‌یابد.

وی با بیان اینکه در مخازن دارای کلاهک گازی، به مرور زمان گاز از نفت جدا شده و لخته‌های مایع در خطوط انتقال تشکیل می‌شود، اظهار کرد: این لخته‌ها علاوه بر آسیب به تجهیزات سطحی، عملکرد جداساز‌های چندفازی سطحی را نیز مختل می‌کنند و در نهایت موجب توقف تولید یا افزایش هزینه‌های تعمیرات می‌شوند.

این پژوهشگر دانشگاه صنعتی امیرکبیر خاطرنشان کرد: جداساز‌های چندفازی سطحی معمولاً برای شرایط مشخصی طراحی می‌شوند و با تغییر شرایط میدان، راندمان آنها به‌تدریج کاهش پیدا می‌کند؛ به‌گونه‌ای که پس از حدود ۱۰ سال از آغاز بهره‌برداری، قطرات نفت و آب در جریان گاز خروجی مشاهده می‌شود و این موضوع کیفیت خوراک پالایشگاه‌ها و صنایع پتروشیمی را کاهش می‌دهد.

وی با اشاره به نوآوری این پژوهش گفت: در این تحقیق، برای نخستین‌بار سامانه‌ای هوشمند و یکپارچه طراحی شده است که از ابتدای بهره‌برداری تا پایان عمر میدان، از تشکیل لخته‌های مایع در خطوط انتقال جلوگیری کرده و با کنترل هوشمند جداساز‌های چندفازی، امکان جداسازی بهینه فاز‌های مایع و گاز را فراهم می‌کند.

فدایی از طراحی و ساخت یکی از پیچیده‌ترین سامانه‌های جداسازی هوشمند یکپارچه در سطح جهان خبر داد و افزود: یکی از بخش‌های اصلی این طرح، ساخت سامانه جداسازی هوشمند در مقیاس آزمایشگاهی بود که بدون دخالت انسان و به‌صورت کاملاً خودکار، لخته‌های مایع را حذف کرده و جداساز را همواره در شرایط بهینه نگه می‌دارد؛ به‌گونه‌ای که حتی ریزترین قطرات مایع نیز در جریان گاز خروجی مشاهده نمی‌شود.

وی خاطر نشان کرد: این سامانه به طور کامل با تجهیزات بومی ساخته شده و در جهان تنها چهار نمونه مشابه در دانشگاه‌های تگزاس آمریکا، دانشگاه فنی نروژ، دانشگاه دلفت هلند و دانشگاه هریوت وات اسکاتلند وجود دارد، اما سامانه طراحی‌شده در آزمایشگاه ژئومکانیک دانشکده مهندسی نفت و زمین انرژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر از نظر پیچیدگی، انعطاف پذیری، دقت و جامعیت، از نمونه‌های موجود پیشرفته‌تر است.

این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر با اشاره به نتایج اجرای این سامانه اظهار کرد: استفاده از سیستم تولید هوشمند یکپارچه در شبیه‌سازی یک میدان نفتی واقعی نشان داد که میزان نفت استحصال‌شده در مخازن ذخیره سطحی در یک دوره ۲۰ ساله، نسبت به سامانه‌های متداول صنعت نفت و گاز، تا ۵۹ درصد افزایش می‌یابد.

وی ادامه داد: این سامانه علاوه بر افزایش قابل توجه تولید، هزینه‌های نگهداری و تعمیرات را کاهش می‌دهد، از ایجاد اختلال در فرآیند تولید جلوگیری می‌کند و به صورت کاملاً خودکار، فرآیند بهره‌برداری از میدان‌های نفتی و گازی را مدیریت می‌کند. همچنین این فناوری قابلیت استفاده در تمامی میدان‌های کم فشار و پرفشار کشور را دارد.

فدایی با اشاره به چالش‌های طراحی این سامانه گفت: طراحی جداساز‌های چندفازی از پیچیده‌ترین بخش‌های صنعت نفت است و تنها تعداد محدودی از شرکت‌های بین‌المللی به دانش فنی آن دسترسی دارند، ضمن آنکه اطلاعات طراحی این تجهیزات نیز محرمانه است.

وی ادامه داد: در این پژوهش با استفاده از روابط نیمه تجربی موجود در منابع معتبر، چندین جدا ساز آزمایشگاهی طراحی و آزمایش شد، اما نتایج نشان داد این روابط دارای خطا هستند؛ از این رو، روابط و معادلات جدیدی برای طراحی جداساز‌های چندفازی استخراج شد که در قالب چندین مقاله در نشریات معتبر بین‌المللی منتشر شده است.

این پژوهشگر دانشگاه صنعتی امیرکبیر افزود: در ادامه، مدار جریان چندفازی مایع و گاز با استفاده از تجهیزات بومی طراحی و ساخته شد و با به‌کارگیری حسگر‌ها و کنترل‌کننده‌های مختلف، سامانه هوشمند در مقیاس آزمایشگاهی توسعه یافت تا زمینه اجرای پروژه‌های بزرگ‌تر فراهم شود.

وی با اشاره به استفاده از روش «سخت‌افزار در حلقه» (Hardware in the Loop-HIL) گفت: در این روش که در صنایع پیشرفته کاربرد گسترده‌ای دارد، ابتدا سامانه در مقیاس کوچک آزمایش شده و سپس در یک محیط شبیه‌سازی‌شده با ابعاد واقعی مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. پس از موفقیت در مرحله آزمایشگاهی، مدل هوشمند در مقیاس میدانی نیز به‌کار گرفته شد و نتایج بسیار مطلوبی به دست آمد. این مدل در مراحل مختلف بهینه‌سازی شده و روند توسعه آن همچنان ادامه دارد.

وی مهمترین کاربرد این فناوری را در صنعت نفت و گاز دانست و اظهار کرد: تمامی بخش‌های این پژوهش دارای نوآوری بوده و تاکنون از نتایج آن ۱۵ مقاله علمی در نشریات ISI و علمی ـ پژوهشی منتشر شده است.

این پژوهشگر دانشگاه صنعتی امیرکبیر یکی از مهمترین بخش‌های این تحقیق را استفاده از الگوریتم‌های پیش‌بین مانند فیلتر کالمن و روش‌های کنترل بهینه برای مدیریت یک میدان نفتی واقعی عنوان کرد که نتایج آن در نشریه معتبر Scientific Reports از مجموعه انتشارات Nature منتشر شده است.

وی قابلیت استفاده آسان در میدان‌های نفتی و گازی، مقاومت در برابر نویز و اختلالات عملیاتی، امکان استفاده در مخازن کم فشار و پرفشار، بومی بودن فناوری و نوآوری در سطح ملی و بین‌المللی را از دیگر ویژگی‌های این دستاورد برشمرد.