تحلیل و شبیه سازی فرایند کاهش وزن مولکولی هیدروکربن‌های سنگین در شرایط عملیاتی مختلف چاه‌ نفت مشبک شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه محقق اردبیلی

2 پژوهشگاه صنعت نفت

10.22078/pr.2025.5571.3475

چکیده

در این پژوهش، اثر کاتالیست بر فرآیند شکست هیدروکربن‌های سنگین در بخش مشبک چاه نفت با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی بررسی گردید. هندسه چاه نفت عمودی با نواحی مشبک شده در بخش انتهایی چاه به‌طور سه‌بعدی مش‌بندی و مدل‌سازی شد. در این مدل‌سازی سیال نیوتنی، تراکم‌ناپذیر و با جریان آرام فرض شد و معادلات حاکم بر جریان سیالات، انتقال جرم و واکنش‌های شیمیایی به روش المان محدود حل شدند. سپس تأثیر پارامترهایی مانند نوع کاتالیست، تغییرات دما، درصد تبدیل، حضور بخار آب، تشکیل رسوب کربن و شاخص بهره‌وری چاه بر فرایند بررسی و تحلیل گردید. نتایج نشان داد که افزایش دما در محدوده دمایی C ° 350 تا 425 و استفاده از یک لایه کاتالیست بر روی نواحی مشبک، نرخ تبدیل از 7 درصد به 45 درصد افزایش می‌یابد. بررسی اثر نوع کاتالیست نشان داد که کاتالیست آلومینا-سیلیکا با انرژی فعال‌سازی پایین (-1 kJmol 3/۲۲) و همچنین مساحت سطح بالا ( m2g-1553/240)، بالاترین میزان تبدیل را ارائه می‌دهد. همچنین بررسی تأثیر بخار آب با سه نسبت مختلف بخار به نفت یعنی ml.ml-1 1/0، 05/0 و 02/0 نشان داد که افزایش نسبت بخار به نفت میزان درصد تبدیل را تقریباً 6 درصد افزایش می‌دهد. افزایش قطر پرفوریشن‌ها از بازه mm 5/4 تا 5/۱۰ موجب افزایش 10 برابری نرخ بهره‌وری چاه شد که منجر به افزایش چشمگیر در نرخ تولید چاه می‌شود. یکی از چالش‌های اصلی در این فرآیند، تشکیل رسوب کربن بر روی سطح کاتالیست بود که منجر به کاهش تدریجی فعالیت کاتالیستی شد. در مراحل اولیه، کاتالیست عملکرد بالایی دارد، اما با گذر زمان، فعالیت آن کاهش یافته و نرخ رسوب کک افزایش می‌یابد. مقایسه نتایج مدل‌سازی با داده‌های آزمایشگاهی در محدوده دمایی C ° 350 تا 425 و فشار bar 20 نشان داد که نتایج شبیه‌سازی همخوانی خوبی با داده‌های تجربی دارند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Analysis and Simulation of the Molecular Weight Reduction Process of Heavy Hydrocarbons under Various Operational Conditions in a Perforated Oil Well

نویسندگان [English]

  • Sepideh Shamshiri 1
  • Behruz Mirzayi 1
  • Hadi Seyyed bagheri 2
1 University of Mohaghegh Ardabili
2 Research Institute of Petroleum Industry
چکیده [English]

In this study, the effect of catalysts on the heavy hydrocarbon cracking process in the perforated section of an oil well was investigated using computational fluid dynamics. The vertical oil well geometry with perforated sections at the bottom was meshed and modeled in three dimensions. In this simulation, the fluid was assumed to be Newtonian, incompressible, and in a laminar flow regime, with physical properties set to a density of 980 kg/m³ and a dynamic viscosity of 0.49 Pa•s. The governing equations of fluid flow, mass transfer, and chemical reactions were solved using the finite element method and then effect of parameters such as catalyst type, temperature variations, conversion rate, steam presence, carbon deposition, and well productivity index were analyzed. The results showed that increasing the temperature within the range of 350°C to 425°C and applying a catalyst layer on the perforated zones increased the conversion rate from 7% to 45%, representing more than a sixfold enhancement. The study of catalyst types revealed that alumina-silica, with a low activation energy of 22.3 kJ/mol and a high surface area of 240.53 m²/g, exhibited the highest conversion rate. Additionally, the effect of steam injection was analyzed for three steam-to-oil ratios of 0.02, 0.05, and 0.1 ml/ml, showing that increasing the steam-to-oil ratio improved the conversion rate by approximately 6%. Increasing the perforation diameter from 4.5 mm to 10.5 mm resulted in a tenfold increase in well productivity, significantly enhancing oil production rates. One of the primary challenges in this process was carbon deposition on the catalyst surface, leading to a gradual decline in catalytic activity. In the initial stages, the catalyst performed efficiently; however, over time, its activity decreased, and coke deposition rates increased. A comparison between the simulation results and experimental data within the temperature range of 350°C to 425°C and a pressure of 20 bar demonstrated good agreement.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Molecular Weight
  • Cracking
  • Heavy Hydrocarbons
  • Catalyst
  • Crude Oil
  • Perforated Section
  • Computational Fluid Dynamics