شبیه سازی پدیده­ کشش سطحی دینامیکی در سیستم­های نفت حلال بر اساس فرایند نفوذ
 
یکی از فرایند­های مطرح در زمینه­ ازدیاد برداشت از مخازن نفتی، تزریق گاز است. بنابراین دریافتی صحیح از مکانیزم­ ها و چگونگی انجام این فرایندها گامی بزرگ در جهت افزایش بهره­وری از مخازن نفتی به شمار می­آید. در این تحقیق، مکانیزم انتقال جرم در سیستم­های گاز- مایع برای دو هیدروکربن موجود در نفت، در حضور گازهای دی اکسید کربن و نیتروژن مورد بررسی قرار می­گیرد. از آنجایی که تغییر کشش سطحی دینامیک نتیجه­ انتقال جرم بین فاز مایع و گاز است، در تحقیق حاضر، دو مدل انتقال جرمی مختلف برای این سیستم­ها بر اساس داده ­های کشش سطحی دینامیکی موجود در مرکز ازدیاد برداشت ارائه گردید. با مقایسه­ نتایج به دست آمده از مدل­ها با نتایج واقعی، مدل انتقال جرمی شامل مقاومت در مرز دو سیال، به عنوان مدل انتقال جرمی صحیح انتخاب و اثر پارامترهای دما، فشار و زمان بر روی ضرایب انتقال جرم مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج به دست آمده، ضریب انتقال جرم در مرز دو سیال با گذشت زمان، کاهش و با افزایش فشار، افزایش می­یابد؛ اما تغییرات این ضریب با دما روند مشخصی ندارد که علت آن اثر متفاوت دو پدیده­ حلالیت و نفوذپذیری در انتقال جرم می­باشد. به طور کلی در سیستم­هایی که نیتروژن به عنوان فاز گاز به کار رفته باشد، نسبت به سیستم­های شامل دی اکسید کربن، مقاومت انتقال جرمی در مرز دو سیال بیشتر است. علاوه بر این، سیستم­های شامل هپتان، مقامت مرزی کمتری نسبت به سیستم­های حاوی هگزادکان از خود نشان می­دهند.
 
 
فهرست مطالب
 
 

 
فصل اول: مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………1
فصل دوم: مبانی تحقیق……………………………………………………………………………………………………………..4
2-1- کشش سطحی تعادلی و روش­های اندازه گیری آن………………………………………………………..5
2-1-1- دسته­ی اول: اندازه گیری با بهره گرفتن از یک میکروبالانس…………………………………………..7
2-1-2- دسته­ی دوم: اندازه گیری فشار مویینگی……………………………………………………………………8
2-1-3- دسته­ی سوم: آنالیز تعادل بین نیروهای گرانش و موئینه ………………………………………..9
2-1-4- دسته­ی چهارم: آنالیز قطره­های منحرف شده بر اثر گرانش ………………………………… 10
2-2- کشش سطحی دینامیک ……………………………………………………………………………………………..13
 فصل سوم: روش های اندازگیری ضریب نفوذ ……………………………………………………………………..14
3-1- روش های اندازه گیری ضریب نفوذ به صورت مستقیم……………………………………………….16
3-2- روش های اندازه گیری ضریب نفوذ به صورت غیر مستقیم…………………………………..16
3-2-1- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس تغییر حجم گاز …………………………………………..16
3-2-2- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس تغییر فشار گاز………………………………………………….18
3-2-3- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس آنالیز کشش سطحی تعادلی و دینامیکی………..19
3-2-4-  اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس شکل قطره­ی معلق…………………………………………22
3-2-5-  اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس حجم قطره­ی معلق…………………………………………25
فصل چهارم: مروری بر تحقیقات انجام شده………………………………………………………………………….27
4-1- پیشینه­ی تحقیق………………………………………………………………………………………………………….28
فصل پنجم: انجام کار……………………………………………………………………………………………………………..32
5-1- قسمت آزمایشگاهی……………………………………………………………………………………………………..33
5-1-1- مواد به کار رفته  ……………………………………………………………………..34
5-1-2- تجهیزات به کار رفته در آزمایش……………………………………………………………………………..34
5-1-3- شرح آزمایش…………………………………………………………………………………………………………….35
5-2- قسمت مدلسازی……………………………………………………………………………………………………………36
5-2-1- مدل انتقال جرمی…………………………………………………………………………………………………… 37 فصل ششم: نتایج……………………………………………………………………………………………………………………..44
6-1- اندازه گیری کشش سطحی دینامیکی………………………………………………………………………….44
6-2- کشش سطحی تعادلی…………………………………………………………………………………………………..47
6-3- محاسبه­ی ضریب نفوذ با فرض عدم وجود مقاومت در مرز گاز- مایع…………………………52
6-4- محاسبه­ی ضریب انتقال جرم در مرز گاز- مایع با فرض وجود مقاومت مرزی……………59
6-5- اثر دما، فشار و زمان روی ضریب انتقال جرم مرزی……………………………………………………..60
فصل هفتم: نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………….72
فصل هشتم: پیشنهادات……………………………………………………………………………………………………..75
 منابع…………………………………………………………………………………………………………………………………..77
 
 
 
فهرست جداول
 
 

 
جدول6-1- فهرستی از پارامترهای مورد نیاز برای شبیه سازی فرایند انتقال جرم…………..51
جدول6-2- مقایسه­ مقدار ضریب نفوذ در سیستم­های دی اکسید کربن- هگزادکان و دی اکسید کربن- هپتان……………………………………………………………………………………………………………………………57
جدول6-3- مقایسه­ مقدار ضریب انتقال جرم مرزی برای سیستم­های مختلف در دماها و فشارهای متفاوت………………………………………………………………………………………………………………….58

 
 
 
فهرست اشکال
 
 

شکل 2-1 شکل یک فیلم صابونی که روی چارچوبی فلزی کشیده شده است  …………………………….6
شکل 2-2 استفاده از روش لوله مویین برای اندازه گیری کشش سطحی……………………………………….9 شکل 2-3 تعریف ابعاد و مولفه های توصیف شده در دسته­ی چهارم……………………………………………11
شکل 2-4 تعریف مولفه های روش قطره معلق………………………………………………………………………………11
شکل 2-5 شماتیک روش چرخش………………………………………………………………………………………………….12
شکل 3-1 شرایط انتقال جرم به کار گرفته شده در تعیین ضریب نفوذ با بهره گرفتن از تغییر حجم فاز گاز…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….17
شکل 3-2 شماتیک تجهیزات آزمایشگاهی روش بدست آوردن ضریب نفوذ از طریق کشش سطحی ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….20
شکل3-3 تصویر شماتیک یک قطره که به وسیله­ گاز محاط شده است………………………………….21
شکل 5-1 شماتیک تجهیزات استفاده شده برای اندازه گیری کشش سطحی (1- محفظه­ی شیشه ای پر فشار، 2- دستگاه تولید کننده­ فشار، 3- مانومتر، 4- مخزن گاز، 5- مخزن مایع) …………34
شکل 5-1 شماتیک یک قطره مایع معلق در حضور گاز پر فشار دی کسید کربن……………………….37
شکل 6-1 کشش سطحی دینامیکی اندازه ­گیری شده برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان در فشار MPa895/6 و دماهای مختلف………………………………………………………………………………………………45 شکل 6-2 کشش سطحی دینامیکی اندازه ­گیری شده برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان در فشار MPa447/3 و دماهای مختلف…………………………………………………………………………………………….45
شکل 6-3 کشش سطحی دینامیکی اندازه ­گیری شده برای سیستم نیتروژن- هگزادکان در فشار MPa270/18 ودماهای مختلف……………………………………………………………………………………………………..46
شکل 6-4 کشش سطحی دینامیکی اندازه ­گیری شده  برای سیستم ننیتروژن- هپتان در فشارMPa 270/18ودماهای مختلف …………………………………………………………………………………………….46
شکل 6-5 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط دی اکسید کربن- هگزادکان در دماهای مختلف…………………………………………………………………………………………………………………………………47
شکل 6-6 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط دی اکسید کربن- هپتان در دماهای مختلف ……………………………………………………………………………………………………………………………….48
شکل 6-7 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط نیتروژن- هگزادکان در دماهای مختلف………………………………………………………………………………………………………………………………………………48
شکل 6-8 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط نیتروژن- هپتان در دماهای مختلف …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………48
 شکل 6-9 منحنی کالیبراسیون برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان در دماهای مختلف…50
شکل 6-10 منحنی کالیبراسیون برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان در دماهای مختلف……..50
شکل 6-11 منحنی کالیبراسیون برای سیستم نیتروژن- هگزادکان در دماهای مختلف……………..51 
شکل 6-12 منحنی کالیبراسیون برای سیستم نیتروژن- هپتان در دماهای مختلف……………………51
شکل 6-13 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان در دماهای مختلف و فشار و فشار(آ) MPa 447/3 (ب) MPa481/4 (ج) MPa895/6……………….61
شکل 6-14 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان در دماهای مختلف و فشار (آ) MPa 724/1 (ب) MPa447/3 (ج) MPa481/4………………………….62
شکل 6-15 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم نیتروژن- هگزادکان در دماهای مختلف و فشار (آ) MPa 481/4 (ب)  MPa618/8 (ج)  MPa166/25 (د)  MPa713/41…64
شکل 6-16 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم نیتروژن- هپتان در دماهای مختلف و فشار (آ) 481/4 (ب) MPa618/8 (ج)  MPa166/25………………………………………………66 شکل 6-17 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان …………………………………………………………………………………………………………………………………………69
شکل 6-18 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان……………………………………………………………………………………………………………………………………………….69
شکل 6-19 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم نیتروژن- هگزادکان………………………………………………………………………………………………………………………………………….70
شکل 6-20 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم نیتروژن- هپتان………..70
 
مقدمه
 
مطالات اخیر نشان می­دهد که فرایند نفوذ مولکولی یک گاز مثل دی اکسید کربن، نقشی اساسی در فرایندهای استحصال نفتی بازی می­ کند. بنابراین مطالعه­ انتقال جرم در سیستم­های گاز-نفت، در شرایط دمایی و فشاری مخزن ضروری به نظر می­رسد ]4-1[.
از نظر فیزیکی، فرایند نفوذ مولکولی گاز در نفت طی سه مرحله صورت می­گیرد. ابتدا گاز تزریقی به سمت مرز گاز-نفت حرکت کرده و سپس در مرز نفوذ می­ کند و در نهایت وارد فاز نفتی می­گردد. انتقال جرم گاز در نفت باعث می­ شود خصوصیات مرزی بین نفت خام و گاز تزریقی تغییر کند. در گذشته مطالعات زیادی برای تعیین پارامترهای انتقال جرم در  سیستم­های مختلف گاز-نفت ارائه شده است. یکی از این روش­­ها استفاده از تغییر کشش سطحی دینامیکی سیستم است ]5[.
کشش سطحی در مرز دو سیال، نتیجه­ انرژی اضافه­ای است که در اثر نیروهای بین مولکولی اشباع نشده در سطح به وجود می ­آید ]6[. این پارامتر با روش­های گوناگونی قابل اندازه ­گیری است که در فصل دوم به طور کامل در مورد آنها توضیح داده شده است.
طبق بررسی­های به عمل آمده، کشش سطحی احتمالا مهم­ترین عاملی است که سبب می­ شود حدود یک­ سوم نفت درجا، پس از سیلاب­زنی با آب یا رانش با گاز، به صورت غیر قابل استحصال در بیاید ]8[.
از طرف دیگر مطالعه­ کشش سطحی در فرایندهای ازدیاد برداشت به روش سیلاب زنی با حلال اهمیت ویژه­ای می­یابد. یک حلال می تواند با تزریق به مخزن نفت را جا­به­جا کند. این تزریق می ­تواند سبب جابجایی امتزاج پذیر (تک فازی) یا امتزاج ناپذیر (دو فازی) گردد ]7[.
مکانیزم های موثر در جا­به­جایی نفت به وسیله حلال عبارتند:
استخراج اجزای سبک[1](و حتی متوسط) نفت به وسیله­ سیال
کاهش کشش سطحی بین حلال و نفت و کاهش ویسکوزیته نفت از طریق حل شدن حلال در نفت[2]

3. متورم شدن نفت از طریق نفوذ حلال درون نفت[3]

از بین روش­های موجود برای اندازه ­گیری کشش سطحی، روش قطره معلق[4]، در دما و فشار بالا کاربرد بیشتری یافته است.
در این تحقیق، با بهره گرفتن از داده ­های آزمایشگاهی کشش سطحی تعادلی و دینامیک، برای سیستم­های گاز- نرمال پارافین، دو نوع مدل انتقال جرمی مختلف بر روی سیستم قطره­ی معلق بررسی، و روشی که نتایج آن منطبق بر نتایج آزمایشگاهی می­ شود به عنوان مدل اصلی انتقال جرم معرفی ­گردید. همین طور نحوه­ تاثیر دما، فشار، زمان و نوع مواد شرکت کننده در فرایند، روی پروسه­ی انتقال جرم تعیین گردید.

فصل دوم

 
 
2- مبانی تحقیق
 
 
در این فصل و فصل بعدی، توضیحاتی در مورد واژه­ های کلیدی موجود در عنوان پایان نامه داده خواهد شد. در ابتدا به تعریف کشش سطحی و روش­های اندازه گیری آن می­پردازیم.
 
 
2-1- کشش سطحی تعادلی و روش­های اندازه گیری آن
 
در درون یک فاز مایع، مولکول­ها به طور کامل توسط مولکول­های دیگر محاط می­شوند، به طوری که نیروی جذب در همه­ی جهت­ها یکسان است. اما در مرز، نیروهای بین مولکولی از یک جنس نیستند و در نتیجه همدیگر را خنثی نمی­ کنند.این بر هم کنش سبب به وجود آمدن نیرویی به سمت داخل می­گردد. این پدیده دقیقا همان عاملی است که سبب می­گردد قطرات کوچک، شکل کروی به خود بگیرند. بنابراین می­توان گفت کشش سطحی[5] عبارت است از تمایل سطح به انقباض، برای حداقل کردن مساحت بین سطحی ]9[.
از نظر فیزیکی، برای کشیدن یک فیلم صابون روی یک قاب سیمی شکل، بایستی نیرویی به اندازه­ F وارد شود تا از پارگی فیلم جلوگیری گردد. اگر فیلم به اندازه­ dx جابجا شود، انرژی  آن به اندازه­ Fdx بالا می­رود. اگر سیستم در حالت تعادل باشد، این تغییر انرژی بایستی دقیقا برابر با انرژی آزاد سطح گردد، یا به عبارتی
معادله (2-1) را می­­توان به صورت زیر ساده نمود
این عبارت دقیقا معادل با کاری است که بایستی انجام شود تا مساحت سطح مایع را افزایش دهد و باعث شود سطح مایع، مانند یک پوست کشیده شده عمل کند که در اصطلاح علمی به آن کشش سطحی گفته می­ شود
هر چند در صنایع نفت و گاز کاهش کشش سطحی بین نفت خام و سیال تزریقی باعث افزایش تولید می­گردد، اما در مواردی مانند صنعت روغن خوراکی تلاش­ها برای افزایش کشش سطحی صورت می­گیرد تا با جذب کمتر این مواد، ضرر کمتری متوجه بدن گردد ]11[.
در چند دهه­ گذشته روش­های مختلفی برای اندازه ­گیری کشش سطحی بین مواد مختلف ارائه شده است. درلیخ و همکارانش، روش­های اندازه ­گیری کشش سطحی را به پنج دسته­ی کلی تقسیم بندی کردند که عبارتند از: