4.1.2. Metode și dispozitive de inițiere a combustiei subterane 4.1.2.1. Aprinderea spontană La injectarea oxigenului în strat, țițeiul se oxidează…. [310351]

4.1.2. Metode și dispozitive de inițiere a combustiei subterane

4.1.2.1. [anonimizat]. [anonimizat] a [anonimizat], nefiind necesar aport suplimentar de căldură.

Cunoașterea caracteristicilor de oxidare a [anonimizat].

Dacă se cunoaște viteza specifică a [anonimizat], folosind formula propusă de Strange.

(4.1)

unde :

tapr – timpul necesar pentru aprinderea stratului (timpul de autoaprindere);

Cf – căldura specifică stratului petrolifer;

Qf – căldura de reacție a oxidantului ;

f(p,S,…) – funcție de presiune (p), de suprafața de contact a țițeiului (S) ș.a.m.d.;

f – densitatea rocii stratului;

A – factor de frecvență;

E – energie de activare;

R – constanta universală a gazelor;

T – temperatura;

Ti – temperatura de aprindere a țițeiului în strat;

Tf – temperatura de strat.

Valorile cf și f depind în principal de porozitatea stratului.

Viteza specifică de reacție, f(p,S) Ae-E/RT, este variabila de bază care prezintă interes practic și care influențează aprinderea stratului de petrol. [anonimizat]. [anonimizat].

Relația analitică (4.1) este simplificată și a fost redată din motive de logică a înțelegerii ușoare a principalelor fenomene ce au loc la aprinderea spontană.

Timpul de aprindere rezultat din calcul permite examinarea posibilității autoaprinderii unui zăcământ. [anonimizat]-o sursă exterioară.

[anonimizat] (chiar dacă timpul calculat în condiții adiabatice nu depășește câteva ore).

[anonimizat]. Din acest motiv este indicată aplicarea la acele strate care conțin țiței ușor oxidabil astfel încât să se realizeze aprinderea spontană. La aprinderea spontană există avantajul că procesul de combustie se inițiază în toate zonele în care pătrunde aerul. [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat]-o zonă a stratului situată la o distanță oarecare de sonda de injecție.

4.1.2.2. [anonimizat] a țițeiului. [anonimizat].

Inițiatorul de oxidare are rolul de a elimina procesul îndelungat de formare a [anonimizat]ului, eliberează radicali care fac posibilă amorsarea reacției în lanț. Calculul timpului de autoaprindere se face cu relația de la aprinderea spontană însă pentru constantele de viteză ale reacției de oxidare se introduc valorile corespunzătoare lichidului cu oxidabilitate ridicată folosit. Cele mai utilizate lichide cu oxidabilitate mare sunt uleiul de in și acizii grași proveniți de la prelucrarea uleiului de in sau a altor uleiuri vegetale; cea mai răspândită utilizare a cunoscut-o uleiul de in. Acesta este greu inflamabil, dar are o viteză mare de oxidare la temperaturi reduse. Există două tipuri de ulei de in: uleiul de in tehnic și uleiul de in sicativat -numit și ulei de in fiert – se obține prin tratarea la cald (cca. 180 oC) a uleiului de in tehnic, cu diferite procente de catalizatori pe bază de cobalt, mangan și plumb.

Uleiul de in tehnic se prezintă sub două forme: ulei de in crud și ulei de in albit . Pentru înlăturarea parțială a componenților coloranți vegetali, uleiul de in crud este supus unui proces de albire sau decolorare prin absorbție de cărbune activ sau pe cale chimică, prin oxidare sau reducerea cu diferiți reactivi, rezultând așa numitul ulei de in tehnic albit.

Uleiul de in este de fapt un amestec de trei acizi grași și nesaturați: acid linolenic, acid linoleic și acid oleic.

Densitatea este de 930-940 Kg/m3, viscozitatea de 50-60 cP la 20 oC, iar punctul de congelare este de 180C. Uleiul de in este nemiscibil cu apa și alcoolul metilic și este miscibil cu țițeiul. Indicele de iod este 165-190. Cocsul conradson este de 0,55, fiind de 5-10 ori mai redus decât la țițeiuri.

Pentru aprinderea chimică uleiul de in este injectat între două dopuri. Dopul care precede pe cel de ulei de in are scopul de a dezlocui total apa și a o înlocui cu un lichid având căldura specifică

și latentă mult mai reduse decât apa, ceea ce facilitează creșterea temperaturii în jurul găurii de sondă, în timpul operației. Dopul injectat după uleiul de in are scopul de a separa uleiul de in de aerul de “împingere” a succesiunii de dopuri. Contactul între uleiul de in și aer trebuie evitat în gaura de sondă întrucât conduce la polimerizarea uleiului de in însoțit de o creștere puternică a viscozității, putându-se compromite operația.

Frecvent, înainte de dopul de ulei de in se injectează metanol. După dopul de ulei de in se injectează fie metanol, fie motorină, fie țiței ușor, de preferat cu oxidabilitate mai ridicată decât a țițeiului din zăcământ.

4.1.2.3 .Inițierea combustiei folosind aprinzătorul de strat cu gaze combustibile

Pentru a iniția combustia subterană, zona din jurul găurii de sondă trebuie încălzită până la temperatura de aprindere a stratului (Tapr). Această temperatură nu este riguros definită dar se consideră că este în jur de 250 oC, acceptându-se că un strat petrolifer odată ajuns la această temperatură, prin simpla injecție de aer, are capacitatea de a dezvolta un front de combustie normal cu temperaturi de vârf ridicate (400-600 oC).

Dacă stratului productiv din jurul găurii de sondă trebuie să-i mărim temperatura formației (Tf) până la Tapr pe o rază rapr, cantitatea de căldură ce trebuie furnizată pe grosime de strat este:

(4.2)

Unde:

rs – raza sondei, [m] ;

Cf – căldura specifică a formației, [KJ/m3K]

Folosind datele:

rapr = 1m;

rs = 0,1m;

Cf = 2100KJ/m3K;

Tapr-Tf = 2300C

Se obține: Q/h = 1560 MJ/m (365400 Kcal/m), iar pentru un strat cu grosimea de 10 m, cumulativul de căldură injectat trebuie să fie de cca. 3.700.000 Kcal.

În practică se furnizează mai multă căldură decât rezultă din relația (4.2), care nu ia în considerare pierderile de căldură în stratele adiacente.

Din datele de șantier, căldura furnizată de dispozitivele de aprindere a fost cuprinsă între 160.000 Kcal/m și 2.720.000 Kcal/m. Valorile de mai sus trebuie să țină seama de reactivitatea cuplului rocă-fluid, temperatura stratului, etc. De asemenea, pentru reușita operației de aprindere, la fel de importantă ca valoarea cumulativului pe metru de strat, este temperatura de vârf a profilului de temperatură creat prin încălzire. Cu cât această temperatură de vârf este mai ridicată, cu atât condițiile sunt mai favorabile pentru începerea oxidării, mai ales la aprinderea electrică sau la cea cu gaze, unde arderea în gaura de sondă are loc în condiții suprastoichiometrice (cu exces de aer).

În cazul utilizării aprinzătorului de strat cu gaze combustibile, încălzirea formației productive și aprinderea țițeiului se realizează prin injectarea unui amestec fierbinte de aer și gaze arse rezultate din arderea în sondă, într-un arzător special, a gazelor combustibile injectate de la suprafață.

Temperatura ridicată creată în strat (400-600 oC) și debitul mare de căldură injectată utilizând această metodă fac ca timpul de aprindere să nu dureze în general mai mult de câteva zile. Modul de inițiere a procesului de combustie subterană folosind aprinzătorul de strat cu gaze, descrierea aprinzătorului, modul de desfășurare a procesului a fost descris pe larg în subcapitolul 1.1 Combustia subterană. Principii generale.

4.1.2.4. Inițierea combustiei cu aprinzătoare electrice de strat

Încălzitoarele electrice pentru inițierea combustiei subterane, numite și încălzitoare electrice de adâncime sau electroîncălzitoare de adâncime, au la bază efectul termic al curentului electric.

După valoarea puterii dezvoltate, încălzitoarele electrice de adâncime sunt de trei tipuri:

încălzitoare electrice de mare putere (45 – 50 KW);

încălzitoare electrice de putere medie (25 – 30 KW);

încălzitoare electrice de putere redusă (10 KW).

După modul de introducere în sondă, încălzitoarele electrice sunt:

încălzitoare electrice introduse prin țevile de extracție;

încălzitoare electrice introduse cu țevile de extracție.

În prezent tehnologia de inițiere a combustiei în sonde, utilizând încălzitorul electric, constă în lansarea cu cablu de forță a aprinzătorului electric (3) prin interiorul țevilor de extracție (4) și fixarea imediat deasupra perforaturilor (12 m), figura 4.1.

Alimentarea cu energie electrică a încălzitorului electric se face cu cablu electric (5) cu distribuție printr-un condiționer de putere (10). Țevile de extracție sunt prevăzute la partea de jos cu un sabot de sprijin și supapă cu un singur sens (1), ce permite trecerea aerului prin tubing în strat (de sus în jos).

Foarte rar se utilizează încălzitoarele electrice introduse cu tubingul. Metodologia de lucru este similară, deosebirea constă numai la operația de echipare a sondei.

Fig 4.1. Schema aprinderii cu aprinzător electric de strat

În acest caz, cablul electric se fixează la exteriorul țevilor de extracție iar traductorul de temperatură se introduce prin țevile de extracție cu punctul de măsură la ieșirea aerului din încălzitor. Dozarea și monitorizarea debitului de aer “primar” și “secundar” care se introduce în sonda de combustie se realizează printr-o claviatură – manifold, montată într-o baracă în care se găsește și echipamentul pentru monitorizarea parametrilor de aprindere.

Claviatura de alimentare este asemănătoare celei folosite la aprinderea cu gaze cu deosebirea că au numai două căi de distribuție a aerului (aer “primar” și aer “secundar”).

Claviatura conține următoarele componente principale:

cupoane de măsură cu elemente de strangulare pe fiecare cale spre sondă (12);

duze reglabile montate la intrarea aerului pe fiecare cupon de măsură pentru reglarea debitelor de injecție aer în sondă(13);

duză reglabilă montată la ieșirea aerului spre coșul de evacuare a surplusului (14);

ventile de reținere pe ieșirile către sondă a celor două conducte: aer “primar” și aer ”secundar” (15).

Echipamentul de monitorizare automată (9) a parametrilor la aprinderea electrică asigură controlul riguros și în timp real al parametrilor de aprindere: presiuni de injecție, debite de injecție, temperatura în sondă, curentul electric din încălzitorul electric, tensiunea electrică de alimentare a încălzitorului electric, puterea electrică consumată și cantitatea de căldură injectată în strat.

Echipamentul monitorizează continuu parametrii de aprindere și permite acționarea rapidă în cazul apariției unor dereglări în funcționarea procesului de aprindere, iar programul de calculator instalat asigură măsurarea și înregistrarea parametrilor în fișiere sub forma unor baze de date, precum și protecția echipamentului sondei.

Aprinzătoarele electrice de strat (2) sunt confecționate de o firmă specializată după un proiect de execuție elaborat și avizat de ICPT Câmpina. În funcție de configurația echipamentului de fund (coloană de exploatare, țevi de extracție, etc.) aprinzătoarele electrice se pot confecționa de dimensiuni corespunzătoare, cu număr de elemente de încălzire diferit și cu puteri diferite.

Elementul de încălzire este format din sârmă rezistivă și este introdus într-o manta de inox cu izolație compactă de oxid de magneziu. Aprinzătorul electric este constituit din mai multe elemente de încălzire, conectate în paralel în cazul alimentării monofazice sau conectate în stea-triunghi în cazul alimentării cu energie electrică trifazată.

Alegerea tipului de încălzitor pentru inițierea combustiei (monofazic sau trifazic) se face în funcție de adâncimea sondei de combustie. La sondele cu adâncime mare, unde pierderile de putere sunt mai mari, sunt folosite încălzitoarele de strat trifazice. Uneori pierderile de energie, de-a lungul sondei până la încălzitor, pot ajunge până la 50% din puterea necesară. Acest lucru este necesar să fie cunoscut înainte de echiparea sondei, pentru a se face o dimensionare corespunzătoare.

După modul de introducere în sondă, încălzitoarele electrice sunt de două feluri:

încălzitoare electrice introduse cu tubingul ;

încălzitoare electrice lansate cu cablul electric prin tubing .

Trebuie avut în vedere că timpul necesar pentru aprinderea țițeiului în strat influențează sensibil asupra eficienței exploatării prin combustie subterană.

Puterea termică a încălzitorului, la talpa sondei, se poate calcula cu formula:

Qei=864 Wc ( 4.3.)

în care:

– este echivalentul termic al energiei electrice, Kcal/KWh;

W – puterea necesară la suprafață, a sondei cu încălzitor electric de talpă, KW;

c – randamentul încălzitorului.

Pentru încălzitorul electric monofazic:

e = (1-2RcI/U) ( 4.4 )

Pentru încălzitorul trifazic:

e = (1-3RcI/U) ( 4.5 )

în care:

Rc – intensitatea curentului electric, A;

U – tensiunea curentului electric, V.

Urmărirea evoluției temperaturii în sondă se realizează cu ajutorul unui traductor de temperatură, confecționat de o firmă specializată atestată metrologic. Acesta se amplasează în sondă cu punctul de măsură la baza încălzitorului electric, la ieșirea aerului din încălzitor. Traductorul de temperatură (termocuplu, termorezistența) este introdus într-o manta de protecție de lungime mai mare decât a încălzitorului (cca. 6 m). Semnalul traductorului de temperatură este transmis la suprafață printr-un cablu de prelungire, compatibil cu traductorul. Cablul se prinde la exteriorul țevilor de extracție cu ajutorul unor coliere de tablă și este protejat în dreptul mufei țevilor de extracție cu ajutorul unor protectoare speciale.

În cazul utilizării încălzitoarelor electrice care se introduc cu țevile de extracție, traductorul de temperatură se lansează prin interiorul țevilor de extracție. La partea de jos a țevilor de extracție se montează o supapă unisens și este prevăzută cu un scaun de sprijin pentru încălzitorul electric de strat. În cazul încălzitoarelor electrice introduse cu tubingul, supapa unisens se fixează la partea de jos a încălzitorului electric. Rolul supapei unisens este acela de a permite circulația aerului numai într-un singur sens, din tubing în sondă și de a nu lăsa să pătrundă lichidul din sondă în tubing.

Echipament de alimentare, distribuție și control a energiei electrice este constituit dintr-un dispozitiv ce permite preluarea curentului electric din rețeaua schelei și transformarea lui pentru alimentarea încălzitorului electric. Blocul de redresare cuprinde grupul de tiristoare, transformatoarele de atac defazat al grupului de tiristoare, transformatoarele de sincronism cu cele trei faze, transformatoarele de alimentare a echipamentului de control electronic, filtrele electrice, precum și blocul de supraveghere a fazelor necesare eliminării situațiilor de lipsă a unei faze, caz în care apare pericolul dezechilibrării sistemului de alimentare cu energie electrică.

Toate aceste elemente sunt asamblate pe un suport izolator și sunt plasate într-o cutie prevăzută cu elemente de comandă manuală precum și cu un dispozitiv de control și programarea a parametrilor electrici.

Pentru centralizarea comenzilor privind controlul operației de inițiere a combustiei, în funcție de parametrii acestuia, a căror variație se urmărește cu echipamentul de monitorizare automată descris, trebuie să existe baraca specială (11), amplasată la circa 50 m de sonda de combustie.

Efectuarea operației de aprindere începe cu injectarea în sondă cca. 250 – 300 tone abur pentru preîncălzirea zonei din jurul găurii de sondă (pe o rază de 3-4 m). După oprirea injecției de abur se închide sonda cel puțin 48 ore. Se reia injecția de aer, mai întâi pe coloană, pentru împingerea lichidului în strat, apoi și pe tubing, până la restabilirea și echilibrarea presiunilor de injecție. Se oprește injecția de aer prin țevile de extracție și după 20 – 30 minute se verifică dacă supapa închide intrarea aerului din coloană în tubing.

În vederea introducerii aprinzătorului electric în sondă se fac conexiunile electrice la cablul electric, se verifică rezistența ansamblului cablu aprinzător și rezistența de izolație a circuitului. Se introduce aprinzătorul electric de strat cu cablul electric prin burlanul de lansare deasupra capului de injecție și se fixează în sabotul de sprijin al supapei unisens. Introducerea se face cu măsură și cu injecția de aer pe coloană. După fixarea aprinzătorului, cablul electric se etanșează la suprafață prin presetupa de lansare.

Se reia injecția de aer prin țevile de extracție. Se reglează debitul de aer ”primar” (injectat prin țevile de extracție) la cca. 4000 – 5000 Nm3/zi și aerul “secundar” (injectat prin coloană) la cca. 1000 Nm3/zi.

Se pune în funcțiune echipamentul de monitorizare automată a parametrilor de aprindere și se introduc datele inițiale; se setează valorile maximale și minimale pentru controlul automat al parametrilor, conform notiței tehnice a echipamentului.

Cu debitele de aer stabilite se introduce curent electric în aprinzătorul electric de strat și în cca. 4 –5 ore prin ridicarea tensiunii de alimentare progresiv se ajunge la parametrii nominali de funcționare ai aprinzătorului electric de strat.

După injectarea în strat a unei cantități de căldură de cca 500.000 Kcal/m de strat, necesară aprinderii țițeiului din strat, se întrerupe alimentarea cu energie electrică a încălzitorului și se continuă injecția de aer, la aceleași debite pentru răcirea aprinzătorului electric la o temperatură sub 30 oC. Se menține injecția de aer numai prin coloană, la un debit de cca. 3000 – 4000 Nm3/zi , se oprește injecția de aer prin tubing se încearcă scurgerea presiunii din țevile de extracție la un debit inferior celui injectat prin coloană. Dacă supapa unisens ține și presiunea din țevile de extracție scade, se extrage cablul cu aprinzătorul electric. În cazul în care supapa unisens nu funcționează, după câteva manevre de închidere, se slăbește cutia de etanșare, se extrage ansamblul cablu-aprinzător sub presiune prin burlanul de lansare. După extragerea aprinzătorului electric se reia injecția de aer și prin tubing la un debit total de injecție de cca. 4000 – 5000 Nm3/zi. Debitul de aer se va mări ulterior conform programului de injecție aer stabilit în studiul de zăcământ.

În timpul desfășurării operației de aprindere se vor analiza zilnic gazele produse prin sondele din jurul sondei de combustie, pentru urmărirea evoluției operației de aprindere, fapt care este marcat de creșterea procentajului de dioxid de carbon, de apariția oxidului de carbon și scăderea concomitentă a conținutului în oxigen.

4.1.2.5. Urmărirea automată a procesului de inițiere a combustiei subterane cu aprinzătorul electric

În evoluția automatizărilor industriale se manifestă tot mai pregnant utilizarea sistemelor de conducere cu calculator, ceea ce permite implementarea unor algoritmi de reglare și de optimizare deosebit de eficienți, care asigură atât performanțele locale superioare, cât și integrarea complexă a tuturor aspectelor tehnice și economice ale procesului condus.

În condițiile în care capacitatea de procesare a datelor de către sistemele de calcul este deosebit de extinsă și nu mai constituie o limitare, utilizarea unei diversități de traductoare care să asigure obținerea unei informații primare cât mai complete, precise și fiabile devine de o importanță primordială. Procesele și experimentele de combustie, derulate în timp, pe mai multe zăcăminte din țară, au demonstrat limitele tehnice în îndeplinirea dezideratelor precum și eficiența scăzută, din punct de vedere economic. Cauza eficienței scăzute a fost, în general, atribuită unor caracteristici de incompatibilitate ale zăcământului cu soluțiile tehnice utilizate. Modul de operare și tehnica slabă de monitorizare a parametrilor, au condus la o eficiență scăzută a proceselor și a experimentelor de combustie.

Pentru eliminarea acestor limite, au apărut o serie de preocupări care au vizat monitorizarea automată a parametrilor de combustie și realizarea unor echipamente performante de urmărire și inițiere a procesului de combustie [1, 2].

De asemenea, s-au proiectat și realizat mai multe tipuri de încălzitoare electrice capsulate, de diferite puteri, cu posibilitatea de funcționare în orice mediu de lucru [1].

Reușita operațiilor de inițiere a combustiei depinde foarte mult de modul de urmărire a parametrilor în timpul efectuării operației. Pentru creșterea siguranței operației de aprindere, este necesar ca urmărirea parametrilor să se facă automat, printr-un echipament adecvat, care să asigure un control riguros și în timp real al acestora.

Un studiu care face referire la monitorizarea automată a procesului de inițiere cu aprinzător electric a combustiei subterane trebuie să îndeplinească următoarele obiective:

– proiectarea dispozitivelor necesare pentru monitorizarea automată a parametrilor la aprinderea electrică trifazată;

– confecționarea dispozitivelor;

– realizarea modelelor matematice pentru elaborarea pachetului de programe (SOFTWARE);

– elaborarea softului;

– testarea în laborator;

– experimentarea în șantier;

Inițierea combustiei este faza dintr-un proces de combustie care conduce la formarea unui front de temperatură ridicată în jurul sondei, la care se efectuează operația de inițiere a combustiei, sondă ce va deveni sondă de combustie. Calitatea operațiilor de aprindere determină reușita procesului de combustie și, mai ales, eficiența din punct de vedere economic. Tehnologia de inițiere a combustiei în sonde, utilizând încălzitorul electric, constă în echiparea sondei cu încălzitorul trifazat fixat în partea superioară a stratului productiv, alimentat cu energie electrică printr-un cablu de forță de un sistem de control automat al puterii trifazate.

Încălzirea stratului productiv și aprinderea țițeiului se realizează prin injectarea unei cantități de aer încălzit la temperatură ridicată (cca 450 – 5000C), cu un debit de căldură cuprins între 20.000 Kcal/oră și 60.000 Kcal/oră, în funcție de puterea încălzitorului. Astfel, cu cât puterea încălzitorului electric este mai mare, timpul de aprindere al sondei este mai scurt. Instalația complectă de inițiere a combustiei a fost descrisă detaliat în subcapitolul anterior Pentru urmărirea operației de aprindere sunt necesari doi operatori la schimb, unul urmărind debitele de injecție aer, presiunile și temperatura, iar celălalt urmărind curentul, tensiunea din încălzitor și tensiunea de alimentare a echipamentului.

Parametrii urmăriți în timpul aprinderii sunt:

– presiunile de injecție (tubing, coloană și colectorul de aer);

– debitele de injecție (tubing și coloană);

– tensiunea din rețeaua electrică de forță;

– curentul injectat în încălzitorul electric;

– temperatura din sondă.

Pentru reușita operației și protejarea echipamentului din sondă, este necesară monitorizarea continuă a parametrilor și acționarea rapidă, în cazul apariției unor disfuncționalități în derularea procesului de inițiere a combustiei (creșterea presiunii de injecție, scăderea presiunii din colector de aer, creșterea tensiunii electrice de alimentare, creșterea temperaturii din sondă, întreruperea circuitului electric, etc.). Perturbațiile în timpul operației de aprindere pot conduce la ratarea operației sau la deteriorarea echipamentului din sondă și apar instantaneu, iar corectarea lor depinde de modul de acționare în timp util al operatorului.

Pentru controlul riguros și în timp real al parametrilor de aprindere: presiuni de injecție a aerului, debite de injecție, temperatura în sondă, curenți electrici injectați în încălzitorul electric trifazat de strat, puterea electrică consumată, tensiunile de alimentare, cantitatea de căldură injectată în strat, s-a conceput un echipament de monitorizarea automată a procesului de inițiere cu aprinzător electric a combustiei subterane.

Echipamentul de monitorizare este compus din:

blocul traductoarelor;

blocul de măsurare;

– blocuri de afișare numerică a valorilor principalilor parametrii ai operației de aprindere electrică trifazată;

circuitul de supraveghere a parametrilor;

sistem de achiziție numerică a valorilor parametrilor;

interfața de comunicare ;

bloc de alimentare;

un pachet software capabil să genereze bazele de date și să traseze graficele de evoluție a parametrilor.

Blocul traductor este alcătuit din:

traductoare electrice având sarcina de a transforma variația anumitor parametrii (presiune de injecție, debit de injecție, curent transmis aprinzătorului de strat) în tensiune continuă proporțională cu aceste variații;

condiționer de temperatură cu sarcina de a transforma variațiile rezistive ale termorezistenței în tensiune continuă proporțională cu temperatura.

Blocul de măsurare având rolul de măsurare cu o precizie ridicată a valorilor tensiunii continue generate de blocul traductor.

Circuitul de supraveghere a parametrilor care are rolul de a detecta limitele programabile inferioare și superioare ale unui parametru și este alcătuit din:

limitator de putere electrică care blochează alimentarea cu curent electric a aprinzătorului de strat în cazul în care curentul prin acesta depășește limita stabilită sau în cazul în care temperatura în sondă depășește limita admisibilă;

bloc de alarmare sonoră cu rol de a sesizarea situațiilor anormale în funcționarea instalației pentru aprinderea electrică trifazată a sondelor în combustie subterană și emiterea unor semnale acustice

Blocul de afișare a parametrilor permite afișarea cu elemente LCD a valorilor pentru parametrii monitorizați.

Microsistem de achiziție A/D are rolul de conversie analog numerică și gestionare conform unui protocol programat a cel mult 64 parametrii convertiți în semnale analogice.

Interfața de comunicare cu rol de realizarea a comunicației seriale pe două căi: cu calculatorul de la centrul de decizie, via modem – canal radio și/sau cu un calculator local.

Blocul de alimentare realizează alimentarea echipamentului de control a aprinderii electrice a sondelor în combustie subterană.

Schema de principiu a unui sistem de urmărirea automată a procesului de inițiere a combustiei subterane cu aprinzătorul electric este redată în figura 4.2.

Modul de funcționare al sistemului descris anterior este următorul.

În timpul operației de aprindere traductoarele electrice și condiționerul de temperatură transmit spre blocul de măsurare valori de tensiune în curent continuu proporționale cu presiunea de injecție a aerului, debitul de injecție, temperatura în sondă, curenții electrici injectați în aprinzătorul de strat, puterea electrică consumată, tensiunea de alimentare și cantitatea de căldură. Blocul de măsurare realizează o remăsurare a acestor parametrii cu o precizie ridicată, valori care prin intermediul circuitului de supraveghere a parametrilor sunt comparați cu valorile admisibile stabilite la inițierea procesului. Dacă aceste valori care sunt vizualizate prin intermediul blocului de afișare se încadrează între limitele inferioare și superioare stabilite sunt transmise microsistemului de achiziție A/D. Dacă una din valorile parametrilor nu sunt între limitele stabilite operatorul de la sondă sau centrul de comenzi este avertizat prin intermediul centrului de avertizare sonoră.

Microsistemului de achiziție A/D după recepționarea și convertirea valorilor în semnale analogice le transmite interfeței de comunicare.

De aici semnalul este transmis fie la un calculator aflat la sondă , unde există posibilitatea de stocare/prelucrare a datelor fie prin intermediul modemului și undelor radio la centru de comenzi.

4.2. Monitorizarea procesului de combustie subterană

4.2.1. Stabilirea poziției frontului de combustie subterană

Stabilirea modului de avansare a combustiei subterane pe diferite direcții, altfel spus, stabilirea poziției frontului de combustie, este foarte importantă întrucât cunoscând poziția frontului se pot lua măsuri pentru regularizarea frontului, astfel încât eficiența volumetrică de dezlocuire să crească.

a) Bilanțul material

Determinarea poziției frontului de combustie se poate face prin relația simplă a bilanțului aerului injectat:

Rf = raza frontului, m;

c = cumulativul de aer injectat, std. m3;

EO2= eficiența de utilizare a oxigenului, fracție;

hb= grosimea efectivă a formațiunii productive, m;

A = consumul de aer pe m3 zăcământ, std. m3/m3.

Valoarea lui A se stabilește pe baza cunoașterii combustibilului depus pe m3 rocă (Z), din datele de laborator și pe baza rației aer/combustibil, R.A.C. determinate pe baza parametrilor arderii în condiții de zăcământ.

fiind egal, practic, un raport volumetric CO2/CO sau raportul procentajelor medii de CO2 și CO.

n = raportul atomic aparent hidrogen-carbon al combustibilului (cocsului) ars;

EO2 = eficiența de utilizare a oxigenului injectat, în procesul de ardere, fracție.

în care O2inj. și O2ner. reprezintă cantitatea totală de O2 injectat prin sondele de combustie, respectiv, cantitatea totală de oxigen neconsumată, extrasă prin sondele de reacție.

Valoarea O2ner, se calculează cunoscând variația debitelor de gaze extrase și al conținutului în oxigen al acestor gaze.

Acest procedeu de bilanț al aerului injectat presupune o deplasare radială a frontului de combustie. Pentru a se putea estima o poziție mai apropiată de realitate se va deforma proporțional cu cumulativele de oxizi de carbon extrase prin sondele de reacție, considerându-se frontul mai apropiat de acele sonde de reacție care au produs cumulative mai mari de oxizi de carbon. De asemenea, se va considera frontul mai apropiat de acele sonde de reacție care au înregistrat temperaturi de fund mai ridicate.

b) Analiza profilelor de comportare pe linie de sonde

Un alt procedeu utilizat pentru estimarea poziției frontului de combustie este analiza profilelor de comportare pe linie de sonde. Trasarea frontului de combustie se face pe baza temperaturilor de fund, a compoziției gazelor de combustie și de variație în timp a debitului de țiței extras. Se întocmesc profile ale variației în timp a debitelor de țiței și gaze, al conținutului în oxigen din gazele de combustie și al temperaturii, pe fiecare linie de sonde. Are ca principiu de bază faptul că o sondă de reacție se poate considera depășită de frontul de combustie atunci când temperatura de fund depășește o valoare limită (>200 oC) și procentajul de oxigen în gazele de combustie depășesc o valoare limită (7-12 %).

Prin interpolarea între șiruri de sonde a poziției frontului de ardere, determinată pe fiecare linie de sonde, se poate obține conturul frontului pentru toată zona exploatată prin combustie subterană.

c) utilizarea raportului hidrogen-carbon

Rezidul de ardere, în procesul de combustie uscată este format, în principal, din carbon și hidrogen și diferă de țițeiul din care s-a format, prin distilarea sub presiune și prin cracarea până la cocs a acestuia.

Întrucât rezidul de ardere are o structură extrem de complicată s-a convenit ca acesta să fie caracterizat prin raportul atomic hidrogen-carbon (H/C), notat cu n, care arată câți atomi de hidrogen revin unui atom de carbon, fără a da vreo indicație relativ la structură. Formula chimică a unui combustibil, cu raportul hidrogen-carbon egal cu n este CHn. Uneori se mai folosește raportul masic hidrogen-carbon sau raportul masic carbon-hidrogen, dacă raportul atomic este n, raportul masic hidrogen-carbon va fi egal cu n/12, iar raportul masic carbon-hidrogen va fi 12/n.

Dependența raportului H/C de parametrii tehnici ai procesului subliniază importante determinări cât mai exacte a acestui raport din compoziția gazelor de combustie extrase prin sonde.

În general procentajul mare de oxigen în gazele de combustie este interpretat, fie prin existența unei intensități slabe (deci o temperatură mică în front) a reacțiilor de ardere ce au loc în frontul de combustie, prin faptul că oxigenul ocolește zonele de ardere

Obținerea unor informații cel puțin calitative asupra intensității reacțiilor de ardere în frontul de combustie, nu este posibilă pe baza interpretării corelative a valorilor individuale a procentajelor de CO2, CO, O2 și gaze – hidrocarburi, din gazele de combustie extrase. Interpretarea se poate face pe baza valorilor raportului atomic hidrogen-carbon, calculat pe baza compoziției gazelor de combustie. Raportul atomic aparent hidrogen-carbon este mai mic când temperatura de vârf din frontul de combustie este mai mare. Pentru un raport aparent H/C de 3 se poate afirma, că temperatura de vârf din frontul de combustie nu depășește cca. 390 oC. În același timp însă, temperatura de vârf nu poate fi mai mică de 320 oC întrucât chiar dacă oxigenul reacționat ar fi consumat la aceeași temperatură (fără a exista consum de oxigen la temperaturi mai mici), de exemplu 300 oC, raportul atomic H/C global ar fi egal cu 5, adică cât este valoarea raportului local la temperatura de 300 oC. O aplicație importantă a raportului atomic hidrogen-carbon o constituie construirea hărților de izo-raport, hidrogen carbon (izo-H/C), care ne poate ajuta la urmărirea și dirijarea procesului de combustie subterană

4.2.2. Metode de măsurare a parametrilor procesului de combustie subterană

Măsurarea debitelor de fluide extrase

Soluțiile moderne de monitorizare a fluidelor multifazice presupun complicații sporite în ceea ce privește identificarea cu acuratețe a componentei "nete" care interesează procesul, a decelării cu precizie a impurităților, a adaptării echipamentelor la condițiile specifice cum ar fi:

parametrii fizici ai fluidelor;

comportarea fluidelor în diferite condiții de amestec;

comportarea fluidelor în diferite condiții de temperatură;

comportarea echipamentelor de monitorizare în diferite game de debit;

cerințele cu caracter economic și implicațiile lor asupra structurii echipamentelor.

Este cunoscut faptul că nu există un echipament perfect care să funcționeze oricând, oriunde și oricum. Orice echipament are limitările sale de care trebuie să se țină cont atunci cănd se stabilește o structură de măsurare, de control și de raportare a rezultatelor obținute din proces. Din această cauză este necesară definirea strictă a condițiilor operative, stabilindu-se totodată implicațiile tehnice și economice acceptabile pentru o aplicație.

Abordarea problemei debitului de fluide tipice industriei petroliere, presupune trei probleme importante:

alegerea tipului de debitmetru;

precizia de măsură;

modul de instalare și de operare.

Alegerea tipului de debitmetru se face plecând de la tipul țițeiului extras care în cazul zăcământului de la Suplacu de Barcău este de tipul nafteno – aromatic, grupa neceros – asfaltos – nesulfatos. Conținutul în hidrocarburi ciclice saturate, asfaltene și rășini este mare, fapt care avantajează exploatarea prin metode termice.

Principalele caracteristici ale țițeiului sunt:

Densitatea la 20OC, [Kg/m3]: între 928 și 975;

Vâscozitatea [cP]: la 20OC – între 173 și 4123;

la 30OC – între 95 și 1411;

la 40OC – între 52 și 760;

la 50OC – între 34 și 327;

la 60OC – între 23 și 250;

la 70OC – între 17 și 49;

la 80OC – 12,6;

Punct de congelare [OC]: între +2 OC și -15 OC;

Compoziția țițeiului este:

conținut de parafine [%]: între 6,5 și 7,3;

conținut de asfaltene [%]: între 2,3 și 10;

conținut de rășini [%]: între 2,4 și 11,3;

masa moleculară [u.a.m.]: între 290 și 763.

Valoarea factorului micșorării în volum, în condițiile de zăcământ, se admite ca fiind egal cu 1, deoarece valoarea rației în soluție este deosebit de scăzută (între 1 și 2 Sm3/m3).

Sunt cunoscute mai multe tipuri de debitmetre utilizate în depozitele de fluide:

debitmetre cu turbină

debitmetre cu deplasare pozitivă

debitmetre cu efect Coriolis

debitmetre cu ultrasunete

În lucrare vor fi prezentate posibilitățile de utilizare pentru fiecare variantă, avantajele și dezavantajele fiecărui tip și se va propune soluția cea mai judicioasă, atât din punct de vedere tehnic, operativ cât și al costurilor.

Se va face referire la nivelele de acuratețe pe care le oferă fiecare tip de debitmetru de produse specifice aplicației, precum și la influența factorilor care acționează asupra procesului de măsură (variația compoziției fizice a fluidelor, variațiile de temperatură etc.).

Modul de instalare și de operare cu aceste debitmetre este important deoarece are implicații majore asupra costurilor de exploatare, costuri care provin din necesitatea existenței unui personal cu un grad ridicat de specializare.

Debitmetrele cu turbină sunt, în general, folosite atunci când fluidele sunt "curate", adică nu conțin impurități și când variațiile parametrilor adiacenți (variații termice, de vâscozitate, de compoziție etc.) sunt neglijabile. În cazurile contrare, erorile devin foarte mari și măsurătorile sunt redundante. Acest tip de debitmetru este impropriu pentru debitmetria multifazică și deci nu poate fi folosit în cadrul acestei aplicații.

Debitmetrele electromagnetice presupun existența unei conductivități electrice minime. Principiul de măsurare se bazează pe Legea Inducției a lui Faraday, conform căreia un corp cu conductivitate electrică, trecut printr-un câmp magnetic, induce o tensiune electrică. În interiorul tubului de măsurare a debitului, fluidul cu conductivitate electrică minimă străbate un câmp magnetic aplicat perpendicular pe axa de curgere. Mișcarea fluidului induce o tensiune electrică proporțională cu viteza fluidului și, implicit, cu debitul lui. Semnalul electric este preluat de doi electrozi care sunt în contact cu fluidul conductiv măsurat și este transmis la un adaptor electronic cu ieșire în semnal unificat. Măsurătorile cu acest tip de debitmetru au erori maxime de 0,2% din valoarea măsurată. Din păcate, acest tip de debitmetru se recomandă în aplicațiile în care apa este preponderentă și fără componente puternic mineralizante, astfel încât conductivitatea electrică să fie mai mare decât valoarea de 20 S/cm. În aplicația prezentă, dat fiind conținutul mare de hidrocarburi amestecate cu diferite săruri a căror compoziție este variabilă incontrolabil, precum și datorită faptului că electrozii de măsură sunt puternic contaminați prin depuneri de hidrocarburi, acest tip de debitmetru nu poate fi utilizat.

Debitmetrele cu deplasare pozitivă sunt destinate măsurătorilor de debite de lichide. Corpul acestui tip de debitmetru este format din trei camere cilindrice în interiorul cărora se rotesc sincron trei rotoare (unul de blocare și două de deplasare a unui volum definit din lichidul al cărui debit este măsurat). Două rotoare au forma unor lame care se rotesc alternativ în două camere de forma unei jumătăți de cilindru. Al treilea rotor se rotește astfel încât produce un flux capilar continuu între intrare și ieșire. Axele celor trei rotoare sunt scoase în afara camerelor și sunt dotate cu roți dințate prin care se face transmiterea sincronă a mișcării de rotație. Fluidul exercită o forță perpendiculară pe rotoare determinând un ciclu de rotație format din șase secvențe. În orice moment al ciclului, corpul debitmetrului, rotorul de blocare și cel puțin unul din rotoarele de deplasare asigură o etanșare capilară continuă între lichidul nemăsurat și cel măsurat. În acest fel, nu există contact metal pe metal, nu există frecări și alunecări, iar precizia se păstrează constantă. Suprafețele componentelor interne traductorului de debit sunt foarte precis prelucrate. Deoarece volumul camerelor este riguros definit și cum, aceeași cantitate de lichid trece prin debitmetru pe durata unei mișcări de revoluție completă, rezultă că volumul de fluid este proporțional cu numărul de rotații complete efectuate. Aceste rotații se citesc la axul unuia din rotoare.

Acest tip de debitmetru necesită filtre de particule solide, eliminatoare de aer sau gaze și compensatoare de temperatură. Prin urmare, el este dedicat fluidelor monofazice, iar prezența particulelor solide, chiar și de dimensiuni foarte mici, poate conduce la deteriorarea serioasă a pereților camerelor și a suprafețelor rotoarelor. Acest lucru face improprie utilizarea acestui tip de debitmetru la măsurarea debitului de fluide petroliere din cadrul aplicației curente.

Debitmetrele cu efect Coriolis sunt destinate măsurării cu precizie și cu grad ridicat de fiabilitate a debitelor masice, a densității și a temperaturii lichidelor, suspensiilor și gazelor, fără ca această măsurătoare să fie dependentă de o serie de parametrii (conductivitate, vâscozitate, densitate și temperatură). Principiul de funcționare se bazează pe apariția forțelor Coriolis (Fc), forțe care sunt generate în sisteme oscilante, atunci când un lichid sau un gaz se deplasează dintr-o parte în alta de-a lungul unei axe de oscilație. Traductorul de debit Coriolis este de formă simetrică și poate fi realizat fie cu un tub rectiliniu sau curbat, fie cu două tuburi de măsură. Pentru un traductor format din două calote sferice asamblate simetric și cu o membrană de măsurare fenomenul Coriolis se materializează prin apariția unor forțe care conduc la deformarea celor două calote. Un generator de oscilații determină tubul de măsură să oscileze pe o frecvență fundamentală. Atunci când fluidul din tub este staționar (V = 0m/s), forța Coriolis este zero. Când V > 0m/s particulele de fluid sunt accelerate pe prima jumătate a axei interne a fluidului și decelerate pe a doua parte. Forța Coriolis Fc este generată de inerția care se creează între particulele accelerate și cele decelerate. Apariția forței Fc generează o deformare foarte mică a geometriei tubului de măsură, deformare care se suprapune peste deformarea periodică generată de componenta fundamentală, produsă de generatorul de oscilații. Se creează astfel un defazaj al semnalelor, proporțional cu debitul masic al fluidului care străbate tubul de măsură. Acest defazaj este preluat de senzori speciali și este prelucrat de un adaptor cu ieșire în semnale unificate. Deoarece caracteristicile oscilatorii ale tubului de măsură sunt dependente de temperatură, aceasta este măsurată continuu, iar valoarea debitului de fluide este corectată corespunzător.

Debitmetrele de acest tip sunt ideale pentru fluide cu vâscozitate mare, cu conținut de suspensii solide, cu neomogenități sporite, iar dacă există gaze antrenate în fluid, dar în cantități mici, precizia de măsură practic nu este afectată.

Debitmetrele ultrasonice au o utilizare foarte largă în măsurători din domenii ca: petrol, apă, oxigen, nitrogen, soluții acide sau alcaline, solvenți, etc. Ele se caracterizează prin înalte nivele de performanță. La ora actuală pot fi calificate drept debitmetre lider pe piața mondială.

Acest tip de debitmetre constituie soluția cea mai adecvată pentru măsurători directe, precise și economice pentru monitorizarea traseelor de conducte, precum și pentru multe alte aplicații.. Avantajul lor major este că măsurătorile de debite se fac fără contact direct cu fluidele și cu gazele măsurate. Înalta precizie a măsurătorii este independentă de vâscozitate, temperatură, presiune și conductivitate electrică. De asemenea neopturarea secțiunii de trecere a fluidului elimină acumulările de depozite, pierderile de presiune și uzura. Debitmetrele ultrasonice pot să lucreze în condiții dificile de mediu și de temperatură (contaminări de orice tip, soare, ploaie și zăpadă, curgere laminară sau turbulentă, vibrații, temperaturi ridicate ale fluidelor, șocuri termice excesive produse de eventualele volume de abur supraâncălzit).

Principiul de funcționare al debitmetrelor ultrasonice se bazează pe măsurarea diferențială a timpului de tranzit al fluidului. Undele ultrasonice care traversează o unitate de lungime, în direcția de curgere a fluidului, se propagă mai repede decât cea care străbate aceeași distanță, dar în sensul invers al curgerii. Diferența dintre cei doi timpi necesari parcurgerii aceleiași distanțe este direct proporțională cu viteza medie a fluidului. Debitul volumetric pe unitatea de timp este dat de produsul dintre viteza medie și aria secțiunii conductei.

Măsurarea conținutului de apă în țiței

Caracteristicile apei de zăcământ pentru zăcământul Panonian de la Suplacu de Barcău sunt:

Densitatea [Kg/m3]: între 1000 și 1020;

Conținut NaCl [Kg/vag.]: 25;

Conținut Na (K) [mg/l]: între 22 și 3000;

Conținut Ca [mg/l]: între 33 și 267;

Conținut Mg [mg/l]: între 10 și 170;

Conținut Cl [mg/l]: între 15 și 200;

Conținut SO4 [mg/l]: între 11 și 50;

Conținut HCO3 [mg/l]: între 180 și 3000;

Conținut Fe2O3 [mg/l]: între2 și 30;

Conținut Ca [mg/l]: între 2 și 30;

PH : între 6 și 7,9;

Mineralizație totală: între 300 și 3500

În literatura de specialitate sunt consemnate unele principii utilizate în elaborarea echipamentelor pentru măsurarea conținutului de apă în țiței din care cele mai utilizate sunt: măsurarea conținutului de apă în țiței folosindu-se procedee optice, electrice, electromagnetice și cele de rezonanță. Fiecare din aceste procedee are avantaje și dezavantaje, după cum urmează:

Procedeele optice sunt cele în care se utilizează proprietățile de transparență a amestecului apă – țiței, prezentat în formă peliculară. În aplicațiile industriale acest procedeu este limitat de dificultățile apărute în asigurarea unui sistem de senzori necontaminabili cu fracțiuni ale hidrocarburilor, de limitări ale gamelor de măsură, precum și de coeficienți de nelinearitate a măsurării cu ponderi nebenefice în acuratețea rezultatelor. În plus, se remarcă importantele costuri în ceea ce privește construcția și, mai ales, exploatarea echipamentelor.

Procedeele electrice au la bază măsurarea conductibilității amestecului apă – țiței. Gama largă a elementelor componente ale amestecului, precum și dinamica practic incontrolabilă a compoziției amestecului, conduce la instabilități importante în procesul de măsură și implicit la precizii scăzute. Prețul de cost al acestor tipuri de echipamente este relativ scăzut, dar nu sunt recomandate pentru aplicații de tipul celei abordate în lucrare, unde costurile de exploatare a lor pot deveni prohibitive.

Procedeele electromagnetice se bazează pe proprietățile de polarizare a moleculei de apă în câmp electromagnetic. Aceste tipuri de echipamente sunt mult mai stabile decât cele enumerate anterior, dar sunt mai scumpe. Cheltuielile cu exploatarea sunt relativ scăzute. Preciziile de măsură sunt mari, în special atunci când spectrele de lucru la nivelul senzorului sunt ridicate. Principial, aceste echipamente folosesc proprietățile privitoare la comportarea moleculei de apă în câmp electromagnetic și, mai cu seamă, utilizează caracteristica de absorție a acestui tip de câmp atunci când spectrul electromagnetic se situează la valori ridicate (între 1,8GHz și 2,5GHz). S-a constatat că acest tip de procedeu este optim în ceea ce privește raportul performanțe – preț și din acest motiv este din ce în ce mai mult utilizat. În plus apare și avantajul necontaminării senzorului în procesul de exploatare. Se recomandă ca în aplicația prezentă să se aleagă un echipament bazat pe acest principiu.

Procedeele de rezonanță utilizează principiul intrării moleculei de apă în rezonanță cu o frecvență de natură electrică sau magnetică. Echipamentele de acest tip sunt foarte sofisticate și, pentru moment, mult prea costisitoare pentru această aplicație. Din punct de vedere al performanțelor sunt net superioare altor tipuri, dar ele sunt recomandate în prezent pentru lucru în laboratoare de analiză riguroasă.

Din analiza tipurilor de echipamente pentru măsurarea conținutului de apă în țiței s-a concluzionat că procedeul de măsură prin metode electromagnetice este cel mai indicat pentru această aplicație.

Principiul de lucru al senzorului pentru măsurarea conținutului de apă în țiței este acela al măsurării defazajului unui semnal de radiofrecvență, emis într-o incintă metalică riguros definită și reflectat de peretele acesteia. Măsurarea acestui defazaj este corectată de un canal de detectare a variațiilor temperaturii fluidului.

Măsurarea volumului de apă injectată pentru protecția la supraîncălzire a sondei

Pentru această măsurătoare se pot utiliza debitmetre cu deplasare pozitivă. Corpul acestui tip de debitmetru este format din trei camere cilindrice în interiorul cărora se rotesc sincron trei rotoare (unul de blocare și două de deplasare a unui volum definit din lichidul al cărui debit este măsurat). Două rotoare au forma unor lame care se rotesc alternativ în două camere de forma unei jumătăți de cilindru. Al treilea rotor se rotește astfel încât produce un flux capilar continuu între intrare și ieșire. Axele celor trei rotoare sunt scoase în afara camerelor și sunt dotate cu roți dințate prin care se face transmiterea sincronă a mișcării de rotație. Fluidul exercită o forță perpendiculară pe rotoare determinând un ciclu de rotație format din șase secvențe.. În orice moment al ciclului, corpul debitmetrului, rotorul de blocare și cel puțin unul din rotoarele de deplasare asigură o etanșare capilară continuă între lichidul nemăsurat și cel măsurat. În acest fel, nu există contact metal pe metal, nu există frecări și alunecări, iar precizia se păstrează constantă. Suprafețele componentelor interne traductorului de debit sunt foarte precis prelucrate. Deoarece volumul camerelor este riguros definit și cum, aceeași cantitate de lichid trece prin debitmetru pe durata unei mișcări de revoluție completă, rezultă că volumul de fluid este proporțional cu numărul de rotații complete efectuate. Aceste rotații se citesc la axul unuia din rotoare.

Debitmetrul cu deplasare pozitivă are plasat pe axă un generator de impulsuri a cărui frecvență de ieșire este expresia scalării debitului de apă. Un frecvențmetru de foarte joasă frecvență, cu citire rapidă, convertește valoarea debitului într-un număr acumulat în unitatea de timp, obținându-se debitul volumetric de apă introdusă în sondă în vederea scăderii temperaturii.

Măsurarea debitului de gaze la ieșirea din sondă

Această măsurătoare se va face periodic la fiecare sondă. În acest scop este necesară montarea la sondă a unui cupon de măsură la care să poată fi racordate traductoarele. Din literatura de specialitate rezultă că, pentru această aplicație, cea mai precisă metodă de determinare a debitului este cea prin măsurarea forțelor Coriolis. Liderul mondial în producția acestui tip de debitmetru este firma Khrone – Germania care are reprezentanță și în România.

Măsurarea debitului de aer injectat în sonde

Aceste măsurători se vor face în distribuitorul din parc. Pe fiecare conductă de injecție aer se va plasa un cupon de măsurare a debitului de aer, care va fi dotat cu diafragmă de măsură, cu traductoare de presiune statică, de presiune diferențială pe diafragma de măsură și de temperatură a aerului. Toate traductoarele vor fi cu semnal unificat la ieșire. Toate semnalele provenite de la aceste traductoare se vor transmite la un bloc unic de procesare multiplexată care le va digitiza și le va transmite mai departe la un calculator PC unde, pe baza pachetelor software dedicate, se vor calcula și debitele de aer injectate în sonde alături de alți parametrii.

Măsurarea temperaturilor la sonde

Atât sondele de injecție cât și cele de producție vor fi dotate cu câte un senzor de temperatură constituit dintr-un termocuplu tip K (Cromel – Alumel), plasat în sondă. Semnalul de la acest senzor va fi transmis la suprafață prin intermediul unui cablu de compensare de tip K, astfel ales încât să reziste unei temperaturi maxime de 180OC. La suprafață va fi plasat un convertor de semnal provenit de la senzor într-un curent unificat 4 – 20 mA.

Similar, la ieșirea sondelor de producție se va introduce același tip de sistem de măsurare a temperaturii.

Semnalele vor fi teletransmise la parc, la sistemele de prelucrare a datelor, prin cabluri protejate.

Determinarea profilului de temperatură

În cazul în care se utilizează metoda de citire a profilului de temperatură, prin sistem multipunct de-a lungul grosimii de strat, la sonda respectivă se va dispune un sistem de măsurare multiplexată a tuturor locațiilor de măsură, iar teletransmisia semnalelor de la traductoarele de temperatură se va face prin cabluri multifilare la un selector de date suplimentar, plasat la intrarea echipamentului de achiziție a datelor. Această metodă de citire a profilului de temperatură prin sistem multipunct de-a lungul grosimii de strat presupune un efort investițional proporțional cu numărul locațiilor de citire și este recomandat numai în situații de interes deosebit în ceea ce privește evoluția temperaturii pe strat.

4.2.3. Propuneri de monitorizare a procesului de combustie pe zăcământul de la Suplacu de Barcău

În prezent monitorizarea procesului de combustie constă în urmărirea următorilor parametrii, astfel:

debitului de fluide extrase: se face etalonarea sondei la haba din parc și calcularea debitului brut extras pe sondă; etalonarea se face în fiecare oră;

conținutul de apă al fluidului extras se determină prin centrifugare;

debitul de aer injectat; se înregistrează, cu ajutorul manometrului diferențial tip “FEPA Bârlad”, pe diagramă evoluția zilnică a presiunii diferențiale și a presiunii relative și apoi pe baza formulelor uzuale se calculează debitul de aer injectat;

temperatura în sondele de producție, eruptive, se măsoară cu echipament mobil cu ajutorul unui termocuplu sau cu termometrul maximal; deoarece numărul sondelor eruptive este foarte scăzut (25-30 sonde) numărul de măsurători pe întregul zăcământ este mic față de numărul sondelor influențate de combustie;

debitul de gaze de combustie – nu se măsoară;

compoziția gazelor de combustie, se determină prin prelevarea de probe în butelii și analizarea în laboratorul specializat. Se determină componenții: CO2, CO și O2.

În prezenta lucrare se va propune un sistem complex de monitorizare a parametrilor atât pentru sondele de injecție cât și pentru sondele de producție.

Monitorizarea procesului de combustie subterană presupune diverse măsurători și verificări pentru a asigura operarea corespunzătoare a instalațiilor și a procesului de zăcământ.

Acestea presupune monitorizarea următorilor parametrii:

temperatura în sondele de producție;

temperatura în sondele de injecție;

debitul de aer injectat;

debitul de gaze extrase;

temperatura de suprafață;

compoziția gazelor extrase;

presiunea de injecție aer;

presiunea în sondele de producție;

Echipamentul de fund sondelor

Sondele de producție se vor echipa cu țevi de extracție de 31/2 in și pompă TB, iar la exteriorul tubingului se vor prinde cu coliere cablul de compensare al termocuplului. Pompa va fi prevăzută cu sorb pe grosimea stratului, iar termocuplul va fi prevăzut cu minim trei puncte de măsură (cap strat, bază strat și la jumătatea stratului productiv), montat într-o teacă de protecție. Cablul de compensare al termocuplului va ieși la suprafață printr-un orificiu al flanșei capului de pompare prevăzut cu o presetupă pentru etanșare.

Sonda de injecție va fi echipată cu tubing de 31/2 in, și termocuplu. Termocuplul va fi introdus într-o teacă și va avea până la zece locații de măsură, dispuse de-a lungul stratului productiv. Legătura traductorului de temperatură la suprafață se va face printr-un cablu de compensare, prins la exteriorul tubingului cu coliere.

Echipamentul de suprafață al sondelor

Pe unul din ventilele de la coloană se vor evacua gazele de ardere, iar colectorul de evacuare gaze va fi prevăzut cu un cupon de măsură gaze prevăzut cu element de măsură pentru a facilita măsurarea gazelor, a presiunii, a temperaturii de suprafață și pentru determinarea compoziției gazelor.

Măsurarea debitului de gaze se va realiza cu ajutorul unui debitmetru portabil bazat pe măsurarea forțelor Coriolis, tip CORIMAS.

Compoziția gazelor de ardere se va determina cu ajutorul unor analizoare portabile direct la sondă.

Pentru măsurarea debitului de fluid se va utiliza un debitmetru multifazic. Montarea debitmetrului se va face la intrarea în haba de etalonare a parcului cu posibilitatea transmiterii datelor la panoul central de programare, control și comandă al procesului.

Conținutul de apă se determină cu ajutorul aparatului PHASE DYNAMYCS, montat în același loc cu debitmetrul de fluid multifazic; Prin cel de-al doilea ventil de la coloană se va introduce apă de răcire cu o pompă centrifugă care pompează apă printr-o conductă de 2 in. Funcționarea pompei este comandată de o valvă care se deschide și comandă pompa în funcție de semnalul de temperatură (limită minimă 150 oC – limită maximă 180 oC). Pe cele două căi, evacuare gaze și apă de răcire, vor fi montate ventile de reținere pentru a permite circulația fluidelor numai într-un singur sens. Pentru protecția coloanei sondei la temperatură și sau la scăderea presiunii de injecție aer sub presiunea din colectorul de aer, se comandă automat pornirea și oprirea pompei pentru injecția de apă, cu ajutorul valvei funcție de semnalul transmis de la panoul central atunci când parametrii au depășit limitele prescrise în program.

De asemenea se vor monta traductoarele electronice de presiune statică și diferențială care vor transmise semnalela un procesor PC unde, pe baza pachetelor de programare se vor calcula debitele de injecție aer.

Avantajele monitorizării automate a procesului de combustie

Monitorizarea automată a parametrilor de combustie contribuie la creșterea eficienței procesului de combustie și la reducerea numărului de sonde avariate, în fața frontului de combustie.

Avantajele monitorizării automată a parametrilor de combustie sunt:

Stabilirea poziției frontului de combustie:

determinarea cantității de O2 injectat;

determinarea cantității de O2 extras prin sondele de reacție (presupune cunoașterea debitelor de gaze extrase și al conținutului în O2 al acestor gaze);

determinarea raportului hidrogen – carbon;

determinarea eficienței de utilizare a oxigenului;

cunoașterea temperaturii de fund și a compoziției gazelor de combustie;

cunoașterea variației în timp al debitului de țiței extras;

Stabilirea pozițiilor succesive ale frontului de ardere pentru cunoașterea vitezei de avansare și prevederea interceptării sondelor de producție.

Dirijarea frontului de combustie (reglarea debitelor de aer, închiderea sondelor spre care au loc canalizări, stimularea sondelor neinterceptate de proces, etc.)

Protecția coloanei sondelor de producție/injecție la temperatura prin injecția în coloană a unei cantități de apă programată (cca. 5000 l), ceea ce contribuie la reducerea cu cel puțin 50 % a numărului de sonde avariate în fața frontului de combustie.

4.3. Creșterea eficienței procesului de combustie subterană

4.3.1. Injecția de apă la sfârșitul procesului de combustie uscată

Experimentată pentru prima oară la noi în țară pe zăcământul de la Suplacu de Barcău a prezentat , față de procesele similare din străinătate o particularitate în sensul că injecția de apă nu s-a făcut după sistarea injecției de aer în sondele de combustie, ci paralel cu aceasta. Mai precis a avut loc sistarea injecției de aer în toate sondele de combustie – transferându-se injecția de aer în sondele de reacție depășite de frontul de combustie – și înlocuirea cu injecția de apă. În acest mod procesul de combustie subterană s-a încheiat într-o primă zonă și a continuat în a doua zonă adiacentă primei.

Injecția de apă în zona arsă din spatele frontului de combustie a avut ca efect atât creșterea producției cât și scăderea rației aer injectat țiței produs. Valorile maxime de producție de țiței apar după aproximativ o lună de la înregistrarea valorilor maxime pentru debitul de apă injectat.

În cazul injecției de apă în spatele frontului de combustie proporția dintre cantitatea de aer injectată ți cantitatea de țiței extras nu se păstrează dar, la același nivel al injecției de aer s-a constatat o corelare bună între cantitatea de apă injectată și producția de țiței.

Una din problemele majore care apărute în cazul injecției de apă în zona arsă o reprezintă formarea emulsiilor în sondele de producție, emulsii care duc la scăderea randamentului pompelor de fund folosite.

Măsurătorile de temperatură de fund efectuate în sondele de reacție depășite de frontul de combustie arată că deși s-a injectat o cantitate apreciabilă de apă, cantitatea de căldură existentă în zona arsă este încă substanțială întrucât temperatura de fund din sondele aflate în această zonă sunt cuprinse între 100 și 200 oC.

În ceea ce privește modificarea compoziției gazelor de ardere, extrase prin sondele de producție datorită injecției de apă în zona arsă, acestea au fost extrem de mici.

În cazul sondelor de reacție procentul de CO2 a scăzut iar procentul de CO, O2 a crescut.

În cazul sondelor influențate, sonde care s-au aflat in imediata vecinătate a zonei unde a avut loc injecția de apă procentul de CO2 a crescut iar cel de CO și O2 a scăzut.

S-a constata o ușoară creștere a procentului de gaze în hidrocarburile extrase ( de la 1,7% la 2%) și o scădere a raportului hidrogen/carbon.

Toate aceste măsurători au dus la concluzia că pe lângă aportul de producție injecția de apă în zona arsă a dus la o regularizare a frontului de combustie.

Injecția continuă de apă în zonele depășite de front se aplică atât pentru exploatarea în panouri cât și în exploatarea prin combustie în linie. În cazul unui panou exploatat prin combustie uscată se recomandă ca injecția de apă să se inițieze înainte ca frontul de combustie să intercepteze sondele de reacție, în general la un coeficient de inundare de 25 – 40%.

În continuare se redă un exemplu numeric de proiectare a injecției de apă, cu referire la panoul folosit la proiectarea combustiei subterane uscate prezentate în subcapitolul 1.3.2.

Se pornește de la următoarele date cunoscute:

Ap – aria panoului, 11024 m2 ;

hs – grosimea medie a stratului, 17 m;

Cinu – coeficient de inundare, 28%;

Cinv – coeficient de invazie, 70%;

Cst – consumul stoichiometric unitar de aer, 360 Sm3/ m3rocă;

i – procentul mediu de apă în fluidul extras 60%.

Cumulativul de aer injectat – Cai – este dat de relația:

Cai = Ap hs Cinu Cinv Cst = 11024 17 0,28 0,7 360 =13,22 106 Sm3 (4.6)

Ținând seama că procesul de combustie subterană a fost proiectat pentru o perioadă de 381 de zile ( fig. 1.24) și că în această perioadă s-a injectat un volum total de aer VT = 27,5 106 Sm3 se obține volumul brut al zonei arse :

Vba = (4.7)

Având în vedere că valoarea medie a porozității pe structura Suplacu de Barcău este m = 32% ( Tabelul 1.3.6. ) se determină volumul de pori a zonei arse:

Vpa = m Vba =0,32 76388 = 24444 m3 (4.8)

Pentru recuperarea întregii cantități de căldură din zona arsă trebuie să se injecteze o cantitate de apă – notată W – de cca de două ori valoarea volumului de pori.

W = 2 Vpa= 2 24444 = 48888 m3 (4.9)

Debitul de injecție de apă i-a la început valori foarte ridicate după care rămâne relativ constant la o valoare aleasă în funcție de receptivitatea stratului, de grosimea efectivă a acestuia și de vâscozitatea țițeiului. Perioada în care se adoptă debite de aer ridicate se determină din egalarea valorii apei injectate cu volumul de pori conținut într-o porțiune egala cu 10 % din suprafața panoului sau cca 1/3 din coeficientul de inundare realizat.

Cantitatea de apă injectată cu debit ridicat – notată W1 – este:

W1 = 0,35 24444 = 8555 m3 (4.10)

Valoarea maximă posibilă pentru acest debit este determinată astfel încât să existe siguranța că nu se produce fisurarea stratului. Dacă se admite că această valoare este de 400 m3/zi, durata în zile T1 este:

T1 = zile (4.11)

În ipoteza că ulterior debitul de apă va fi de 100 m3/zi, durata în zile T2 la acest debit este:

T2 = zile (4.12)

Așadar timpul total va fi T = T1 + T2 = 21 + 403 = 424 zile. Cât privește producția de țiței aceasta se va menține la 80 – 90% din producția existentă în faza de combustie uscată timp de 3 – 4 luni. În această perioadă și procentajul de apă se menține la valorile anterioare. După această perioadă procentajul de apă crește ajungând la o valoare de 80 – 85 % în timp ce producția de țiței se reduce până la 50 – 60 % din producția din timpul combustiei uscate.

S-a efectuat acest exemplu de proiectare a injecției de apă în spatele frontului de combustie deoarece una din problemele majore cu care se confruntă în acest moment zăcământul de la Suplacu de Barcău este conținutul de fenoli în apa rezultată în procesul de extracție, ilustrate în tabelul 4.2.

Tabel 4.2.

Analiza chimică a apei în exploatarea de la Suplacu de Barcău

Pentru rezolvarea acestui impediment se propune injectarea apei rezultate în procesul de exploatare în spatele zonei arse. Fluxul tehnologic al acestui proces este prezentat în figura 4.3.

Fig. 4.3. Injecția de apă în spatele frontului de combustie

După colectarea și separarea producției de fluide extrase – proces descris în detaliu în subcapitolul 3.2.3. – apa obținută în sistemul de exploatare este evacuată din Stația de epurare (1) având compoziția chimică din tabelul 4.2. Prin intermediul unui colector de apă (2) având diametrul = 10 ¾ in se stochează în rezervoarele tampon (3) o cantitate de 10000 m3. S-a estimat că debitul de apă injectat este de 100 m3/zi, șirul de sonde de injecție este alcătuit din 21 de sonde și că se asigură o rezervă de apă pentru 4 zile. Prin intermediul unui colector cu diametrul 6 5/8 in (4) apa este transportată către distribuitoarele D1-3. Un distribuitor este alcătuit din:

pompă pentru injecție apă, cu capacitatea de pompare de minim 1000 m3/zi;

claviatură pentru distribuția apei;

debitmetre și manometre pentru fiecare sondă.

Din distribuitoare apa este pompată in fiecare sondă de injecție (6) aflată în zona arsă din spatele sondelor vechi de reacție.

4.3.2. Combustia subterană umedă

Combustia subteran umedă, descrisă pe larg în subcapitolul 1.1.2. este o metodă ce urmează de regulă combustiei subteran uscate având drept scop:

uniformizarea avansării frontului pe diferite direcții;

mărirea factorului de recuperare a țițeiului.

Regularizarea frontului de combustie se datorează injecției alternative de apă și aer pe diferite direcții, ceea ce duce la schimbarea vitezei de avansare a frontului pe direcția respectivă.

Pentru experimentul de combustie umedă efectuat pe zăcământul de la Suplacu de Barcău debitul de injecție pentru aer și apă, presiunea de injecție, durata perioadei de injecție pentru apă și aer sunt prezentate în tabelul 4.3.

Tabelul 4.3.

Date de injecție pentru combustie umedă pe zăcământul de la Suplacu de Barcău

Variația debitului de țiței extras funcție de debitul de injecție aer și debitul de injecție apă este prezentat în figura 4.5..

Unde :

Din analiza comportării sondelor de reacție s-au desprins următoarele concluzii:

în procesul de combustie subterană uscată creșterea debitului de țiței este însoțită de creșterea procentului de apă în lichidul extras;

rația aer injectat – țiței produs, în cazul combustiei umede de la Suplacu de Barcău este de aproximativ 1300, valoare inferioară rației din cazul combustiei subterane uscate care este de 2000 Sm3 aer injectat/m3 țiței extras;

datorită temperaturii de fund mai scăzute 150 oC (față de 300-400 oC cât se înregistrează frecvent la combustia uscată) nu au loc fenomene de formare și depunere de cocs în gaura de sondă;

în timpul perioadei de injecție de aer debitul de gaze extrase prin sonda de producție a scăzut continuu;

diferența de solubilitate între CO2 și CO face ca în perioada de injecție de apă procentul de CO2 să crească pe când cel de CO să scadă sau să rămână constant.

4.3.3. Combustia cu oxigen

Până în prezent procesul de combustie cu oxigen a fost testat în cel puțin zece șantiere din Statele Unite și Canada, cele mai reprezentative fiind cele de la Forest Hill (SUA) și Alberta (Canada).

Procesul de combustie cu oxigen se desfășoară în următorul mod. Oxigenul lichid este înmagazinat într-un rezervor din care este tras cu o pompă. Este transferat într-un vaporizator, care îl transformă în gaz, acest gaz amestecându-se cu aerul comprimat care este dirijat spre sonda de combustie.

Arderea metalelor în oxigen, proces care are loc în cazul acestui tip de combustie, este o problemă complexă depinzând de geometria metalului, presiune, temperatură, direcție arderii, modul de alimentare cu oxigen etc. Pe baza unui program de cercetări de laborator s-au determinat condițiile ( de presiune și concentrație în oxigen la care diferite metale existente în stratul productiv continuă să ardă dacă sunt aprinse. Interpretarea grafică a rezultatelor este redată în figura 4.5.

Fig. 4.4. Propagarea flăcării în arderea oțelului- carbon din care sunt confecționate țevile de extracție.

Din această figură reiese că odată cu creșterea presiunii este favorizată propagarea flăcării și deci, arderea. Un efect similar dar mai redus îl are concentrația în O2. Oricum pentru aer sintetic cu un conținut în O2 de 40 – 50 % flacăra nu se propagă oricare ar fi presiunea de lucru..

Acest tip de combustie este limitat de două probleme majore care apar în aplicarea lui în șantier și anume:

inflamabilitatea metalelor;

compatibilitatea diferitelor metale, care intră în echipamentul de fund al sondei, cu oxigenul (pentru a se evita exploziile).