ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ταµιευτήρες Υδρογονανθράκων

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ταµιευτήρες Υδρογονανθράκων 2.1 Συνθήκες για την ύπαρξη ταµιευτήρων Ως ταµιευτήρας ορίζεται µια συγκέντρωση υδρογονανθράκων σε πορώδη, περατά, ιζηµατογενή πετρώµατα. Περιβάλλεται από αδιαπέρατο πέτρωµα (cap-rock) και συνήθως από υδροφόρο ορίζοντα. Η συγκέντρωση αυτή υδρογονανθράκων, η οποία κατά το χρόνο ανακάλυψής της βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας όσον αφορά την πίεση σε όλο τον διαθέσιµο όγκο πόρων, µερικές φορές αναφέρεται και ως δεξαµενή (pool). Ένα πετρελαϊκό πεδίο µπορεί να αποτελείται από διάφορους ταµιευτήρες, οι οποίοι βρίσκονται είτε σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης, είτε σε διαφορετικούς στρωµατογραφικούς ορίζοντες. Το περιβάλλον για τη συγκέντρωση υδρογονανθράκων είναι µια ιζηµατογενής λεκάνη η οποία παρέχει τις συνθήκες για τη δηµιουργία συγκέντρωσης πετρελαίου, συγκεκριµένα: 1. την πηγή των υδρογονανθράκων 2. το σχηµατισµό και τη µετανάστευση των υδρογονανθράκων 3. το µηχανισµό παγίδευσης των υδρογονανθράκων δηλ. την ύπαρξη γεωλογικών δοµών σε πορώδη ιζηµατογενή πετρώµατα στο χρόνο αλλά και στο µονοπάτι της µετανάστευσης των υδρογονανθράκων Η ανακάλυψη πετρελαίου µέσω ερευνητικών γεωτρήσεων σε µερικές από τις γνωστότερες ιζηµατογενείς λεκάνες παρουσιάζεται στα Σχήµατα 2.1 και 2.2, όπου ο όγκος υδρογονανθράκων που εντοπίστηκε δίνεται ως συνάρτηση της έντασης της έρευνας. Η περιοχή της Βόρειας Θάλασσας από ερευνητική άποψη θεωρείται µια σχετικά νέα περιοχή σε µια πολύ αποδοτική λεκάνη. Σχήµα 2.1 Εντοπισµένος όγκος υδρογονανθράκων σε συνάρτηση µε την ένταση της έρευνας για διάφορες περιοχές του πλανήτη. 6

2 Σχήµα 2.2 Η σχέση µεταξύ της έντασης της έρευνας και της απόδοσής της Στο Σχήµα 2.1, για κάθε περιοχή παρουσιάζεται ο όγκος των εντοπισµένων υδρογονανθράκων ανά ερευνητική γεώτρηση, στο σχήµα 2.2, παρουσιάζεται η σχέση των επιτυχών γεωτρήσεων προς το σύνολο των ορυχθέντων πηγαδιών για κάθε m 3 εντοπισµένων υδρογονανθράκων. Από τη σκοπιά του µηχανικού πετρελαίου µπορούµε να θεωρήσουµε τις ιζηµατογενείς λεκάνες ως συγκεντρώσεις νερού σε περιοχές αργής καθίζησης στις οποίες έχουν µεταφερθεί ιζήµατα. Η πρωτεύουσα διαδικασία εναπόθεσης καθώς και η φύση των ιζηµάτων επιδρούν σηµαντικά στο πορώδες και τη διαπερατότητα του πετρώµατος του ταµιευτήρα. ευτερεύουσες διεργασίες όπως συµπίεση, διάλυση, διαγένεση κλπ. µπορούν να επιδράσουν περαιτέρω στη δοµή και στη γεωµετρία των πόρων. Η συµπίεση προκαλεί την περαιτέρω µείωση του διαθέσιµου χώρου στους πόρους, µε αποτέλεσµα τα ρευστά που καταλαµβάνουν αυτό τον όγκο να τείνουν να εγκαταλείψουν το πέτρωµα. Αν αυτό δεν είναι δυνατό, η πίεση των ρευστών αυξάνει σηµαντικά. Επικρατεί η άποψη ότι το πετρέλαιο προέρχεται από την αναερόβια αποικοδόµηση λιπών, πρωτεϊνών και υδατανθράκων θαλάσσιας και χερσαίας φυτικής και ζωικής ύλης, καθώς και από πλαγκτόν και άλγες (Σχήµα 2.3). Σχήµα 2.3 Φυτικό και ζωικό πλαγκτόν 7

3 Η διαδικασία αυτή απαιτεί ταχύτατη ιζηµατογένεση σε νερά µε οργανικό υλικό, που οδηγεί στη συσσώρευση αργίλου πλούσιας σε οργανική ύλη (σαπροπηλού) σε αναερόβιο περιβάλλον (Σχήµα 2.4). Σχήµα 2.4 Απόθεση οργανικών υλών Ο σχηµατισµός πετρελαίου, όµως, προϋποθέτει την ωρίµανση της αργίλου αυτής µε την επίδραση της πίεσης και της θερµοκρασίας. Ένα εύρος θερµοκρασιών από 140 ο έως 300 ο F, το οποίο µπορεί να συσχετιστεί µε το βάθος και το χρόνο, φαίνεται πως είναι το βέλτιστο (optimum) για το σχηµατισµό του µίγµατος υδρογονανθράκων που ταξινοµούνται ως πετρέλαια, όπως φαίνεται στα Σχήµατα 2.5 και 2.6. Εκτεταµένη έκθεση σε υψηλή θερµοκρασία, ή µικρότερης διάρκειας έκθεση σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες µπορεί προοδευτικά να οδηγήσει στο σχηµατισµό αερίων συµπυκνωµάτων (condensates), υγρού αερίου (wet gas) ή αερίου (gas). Η µέση περιεκτικότητα οργανικής ύλης σε ένα εν δυνάµει µητρικό πέτρωµα είναι της τάξης του 1% κ.β. Για παράδειγµα, το βασικό µητρικό πέτρωµα για τη Βόρεια Θάλασσα (Kimmeridge Clay), αποτελείται κατά µέσο όρο από 5% άνθρακα (~ 7% οργανική ύλη) ενώ τοπικά έχουν παρατηρηθεί και ενστρώσεις µε συγκεντρώσεις µεγαλύτερες του 40% σε άνθρακα. Σχήµα 2.5 ηµιουργία υδρογονανθράκων σε συνθήκες κανονικής γεωθερµικής βαθµίδας Σχήµα. 2.6 ιακύµανση του τύπου των υδρ/κων συναρτήσει της θερµοκρασίας 8

4 Το ποσοστό υδρογόνου στην οργανική ύλη θα πρέπει να υπερβαίνει το 7% για να θεωρηθεί πιθανή πηγή πετρελαίου. Ένας πολύ πρακτικός κανόνας αναφέρει ότι 1300 m 3 έως 5000 m 3 πετρελαίου είναι δυνατόν να σχηµατισθούν ανά km 2 ιζήµατος, για κάθε ποσοστιαία µονάδα οργανικής προέλευσης άνθρακα σε ώριµα µητρικά πετρώµατα, µε την προϋπόθεση, βέβαια, ότι όλο το πετρέλαιο που θα σχηµατισθεί θα παγιδευτεί τελικά σε κάποιο πορώδες πέτρωµα. Ο µηχανισµός της µετανάστευσης του πετρελαίου από το µητρικό πέτρωµα δεν έχει γίνει απόλυτα κατανοητός. Αφού η δηµιουργία του πετρελαίου συνοδεύεται από µεταβολές όγκου, αυτές µπορεί να αποτελούν την αιτία έναρξης µικρορωγµών στο µητρικό πέτρωµα, οι οποίες παρέχουν δίοδο διαφυγής σε περατά συστήµατα. Καθώς η πίεση ελαττώνεται, λόγω της εκτόνωσης, οι µικρορωγµές στο µητρικό πέτρωµα ξανακλείνουν. Η καθ αυτό κίνηση του πετρελαίου µπορεί να γίνει είτε εν διαλύσει σε νερό, είτε ως διακριτή φάση πετρελαίου ή αερίου, χωρίς όµως να υπάρχει ταύτιση απόψεων για την πιθανότερη εκδοχή. Η διαδικασία της µετανάστευσης περιλαµβάνει δύο στάδια : αρχικά µέσω του µητρικού πετρώµατος και στη συνέχεια µέσω ενός περατού συστήµατος. (Σχήµα 2.7 και 2.8). Η µετανάστευση στο περατό σύστηµα πραγµατοποιείται λόγω της διαφοράς πυκνότητας των ρευστών, και οδηγεί τους υδρογονάνθρακες είτε στην επιφάνεια, είτε σε κάποιο σχηµατισµό όπου παγιδεύονται (παγίδα-trap). Μπορούµε µε ασφάλεια να υποθέσουµε ότι λιγότερο από το 10% του πετρελαίου που δηµιουργείται στο µητρικό πέτρωµα απωθείται και παγιδεύεται σε κάποιο περατό πέτρωµα. Σχήµα 2.7 Μοντέλο µετανάστευσης υδρ/κων για τµήµα της παράκτιας λεκάνης Congo Σχήµα 2.8 Μετανάστευση πετρελαίου 9

5 Το πρώτο στάδιο της µετανάστευσης (από το µητρικό πέτρωµα σε ένα περισσότερο πορώδες γειτονικό περιβάλλον) καλείται πρωτογενής µετανάστευση (primary migration). Το επόµενο στάδιο, µέσα στο πορώδες περιβάλλον σε ανώτερα τοπογραφικά σηµεία (µέσω ρηγµάτων ή ρωγµατοµένων ζωνών) έως ότου παγιδευτεί, καλείται δευτερογενής µετανάστευση (secondary migration). Οι γεωλογικές δοµές (παγίδες-traps) όπου το πετρέλαιο µπορεί να παγιδευτεί και να δηµιουργήσει µια συγκέντρωση ενδιαφέροντος είναι δύο, κυρίως, τύπων : οι τεκτονικές - που απαντώνται σε µεγαλύτερη συχνότητα- και οι στρωµατογραφικές. Οι τεκτονικές παγίδες ταξινοµούνται κυρίως σε αντίκλινα (Σχήµα 2.9), ρήγµατα.(σχήµα 2.10) και δόµους. Σχήµα 2.9 Παγίδα σε µορφή αντικλίνου Σχήµα Παγίδευση πετρελαίου σε ρήγµα Οι τεκτονικές παγίδες έχουν, συνήθως, µεγάλες διαστάσεις και εκτείνονται σε µεγάλα πάχη ιζηµάτων. Η αποθηκευτική ικανότητα ενός αντικλίνου εξαρτάται από το ύψος παγίδευσης (structural closure), την κατακόρυφη δηλαδή απόσταση µεταξύ του ανώτερου τοπογραφικά σηµείου του αντικλίνου και του κατώτερου οριζόντιου επιπέδου όπου το αντίκλινο είναι κλειστό. Πρακτικής σηµασίας για την έρευνα αποτελεί η συµµετρία του αντικλίνου (εάν το αξονικό επίπεδο είναι κατακόρυφο ή κεκλιµένο) διότι άµεσα εξαρτάται από αυτό το ύψος παγίδευσης. Τα αδιαπερατά πετρώµατα παρέχουν στεγανό κάλυµµα (cap rock) πάνω και κάτω από το περατό αποθήκευτρο πέτρωµα. Η διαφορά πυκνότητας µεταξύ νερού, πετρελαίου και αερίου δηµιουργεί, σε συνθήκες ισορροπίας, οριακές περιοχές επαφής των ρευστών γνωστές ως επαφές π.χ. επαφή αερίου-πετρελαίου, πετρελαίου-νερού κλπ. Οι στρωµατογραφικές παγίδες διακρίνονται σε πρωτογενείς, που δηµιουργούνται κατά την απόθεση φακοειδών διαπερατών ενστρώσεων µέσα σε αδιαπέρατα ιζήµατα και σε διαγενετικές, που προκύπτουν κατά το στάδιο της διαγένεσης από την πλευρική µεταβολή της περατότητας εντός του ίδιου ιζηµατογενούς ορίζοντα. Στη Βόρεια Θάλασσα αλλά και σε αρκετές άλλες ιζηµατογενείς περιοχές, συναντάται και άλλος τύπος παγίδας (παγίδες εκ συνδυασµού τεκτονικών και στρωµατογραφικών 10

6 στοιχείων), που προκύπτει από την αποκοπή επικλινών διαπερατών στρωµάτων από µια αδιαπερατή επιφάνεια ασυµφωνίας (Σχήµα 2.11). εν είναι ξεκάθαρο αν οι παγίδες αυτές µπορούν να ταξινοµηθούν ως στρωµατογραφικές λόγω της παγίδευσης µέσω λεπτόκοκκων ιζηµάτων ή τεκτονικές λόγω της γεωλογικής φύσης της ασυνέχειας. Σχήµα 2.11 Παγίδες εκ συνδυασµού 2.2 Πίεση Ταµιευτήρων Τα κοιτάσµατα υδρογονανθράκων απαντώνται σε µεγάλο εύρος βάθους µε την πλειοψηφία τους να είναι σε βάθη µεταξύ m κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας. Σύµφωνα µε το προηγούµενο εδάφιο 2.1 και τη θεώρηση της ιζηµατογενούς λεκάνης ως µιας συγκέντρωσης νερού στην οποία έχει εναποτεθεί οργανικό ίζηµα, και έχουν σχηµατισθεί και παγιδευτεί υδρογονάνθρακες, θα περιµέναµε την ύπαρξη µιας τοπικής υδροστατικής βαθµίδας πίεσης. Κατά συνέπεια, η πίεση µιας στήλης νερού που αντιπροσωπεύει την κατακόρυφη συνέχεια του υγρού στο δίκτυο των πόρων, προσεγγίζεται από τη σχέση: PD = D G (2.1) w όπου: D: Το βάθος (ft) κάτω από ένα επίπεδο αναφοράς (π.χ. επιφάνεια θάλασσας) G w : Η βαθµίδα πίεσης (psi/ft), η πίεση δηλ. που ασκείται ανά µονάδα ύψους της στήλης νερού. Η βαθµίδα πίεσης είναι η ανηγµένη έκφραση του γινοµένου ρ.g, όπου ρ είναι η πυκνότητα του νερού, g η επιτάχυνση της βαρύτητας ( P D = ρ.. g. D ) Η τιµή της βαθµίδας πίεσης εξαρτάται από την αλµυρότητα του νερού και τη θερµοκρασία. Η τιµή αυτή για καθαρό νερό είναι 9.79 kpa/m (0.433 psi/ft) ενώ το σύνηθες εύρος τιµών για νερό ταµιευτήρων είναι από 10 kpa/m (0.44 psi/ft) έως 12 kpa/m (0.53 psi/ft). Μια µέση τιµή που µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε ταµιευτήρες βάθους από 2000 έως 4000 m κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας είναι 11 kpa/m για την πρόρρηση πιέσεων πόρων από 195 έως 450 bar όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.1, µαζί µε την πρόρρηση των χρησιµοποιώντας άλλες βαθµίδες πίεσης. Είναι, ωστόσο, πιθανόν η πίεση του ταµιευτήρα να αποκλίνει σηµαντικά από το σύνηθες εύρος τιµών είτε λόγω ιδιαίτερων συνθηκών εναπόθεσης είτε λόγω µετακίνησης κλειστών δοµών. Ένας συγκεκριµένως µηχανισµός υπεύθυνος για την υπερπίεση που παρατηρείται σε πολλούς ταµιευτήρες είναι η ταχύτατη συµπίεση σχιστόλιθου, το δεσµευµένο νερό του οποίου δεν προλαβαίνει να διαφύγει ώστε να αποκατασταθεί υδροστατική ισορροπία. Τέτοιες περιπτώσεις έχουν αναφερθεί σε ταµιευτήρες του Κόλπου του Μεξικού και της Β. Θάλασσας Έχουν επίσης αναφερθεί περιπτώσεις 11

7 υπερπίεσης που οφείλονται στο βάρος πάγου από παγετώνες που έχουν θαφτεί πάνω από το κοίτασµα. Ανώµαλες τιµές πίεσης φαίνονται στο Σχήµα 2.12, το οποίο βασίζεται σε δεδοµένα ταµιευτήρων από τον σχηµατισµό Brent Sand της Βόρειας Θάλασσας. Όλοι οι ταµιευτήρες παρουσιάζουν την ίδια βαθµίδα αλµυρότητας αλλά διαφορετκά µεγέθη υπερπίεσης, πιθανά λόγω της εκµετάλλευσης σε εντοπισµένες (localised) λεκάνες. Πίνακας 2.1 Βάθος ταµιευτήρα Βαθµίδα πίεσης Πίεση πόρων (κάτω από επιφ. θαλ.) m ft kpa/m psi/ft bar psi Σχήµα 2.12 Ανώµαλες τιµές πίεσης για τον ταµιευτήρα Brent Sand της Βόρειας Θάλασσας. Σχήµα 2.13 Ισορροπία βαθµίδων πίεσης υπερκειµένων και ρευστών Κάθε δοµή που φέρει υδρογονάνθρακες και διαθέτει σηµαντικό ανάγλυφο, αναµένεται να παρουσιάζει ανώµαλα υψηλές πιέσεις στην κορυφή του σχηµατισµού όταν η πίεση στην επαφή υδρογονανθράκων - νερού είναι κανονική. Και τούτο διότι η πυκνότητα των υδρογονανθράκων είναι µικρότερη συγκρινόµενη µε αυτήν του νερού, και εποµένως, η µεταβολή της πίεσης µε το βάθος θα είναι µικρότερη. 12

8 Σε κάθε ταµιευτήρα υπάρχει ισορροπία µεταξύ της βαθµίδας πίεσης υπερκειµένων (G r ), της βαθµίδας πίεσης των ρευστών στο δίκτυο των πόρων (G f ) και της βαθµίδας πίεσης των κόκκων του πετρώµατος (G g ), (Σχήµα 2.13), που µπορεί να εκφραστεί ως εξής: G = G + G g (2.2) r f Μπορούµε να θεωρήσουµε ότι τα ρευστά στους πόρους συµµετέχουν στην εξισορρόπηση της πίεσης των υπερκειµένων και επωµίζονται µέρος του φορτίου των κόκκων από το συνολικό φορτίο των υπερκειµένων. Καθώς η πίεση των ρευστών µειώνεται λόγω της παραγωγής, οι κόκκοι του πετρώµατος φέρουν αναλογικά αυξανόµενο µέρος από το φορτίο των υπερκειµένων για τη διατήρηση της ισορροπίας που εκφράζεται από την παραπάνω σχέση. 2.3 Πίεση στη Ζώνη των Υδρογονανθράκων Θα ορίσουµε ως επαφή πετρελαίου-νερού (Oil-Water Contact-OWC), το βάθος στο οποίο η πίεση της πετρελαϊκής φάσης (Ρ o ) είναι ίση µε την πίεση της υδατικής φάσης (P w ) (Σχήµα 2.14). Ακριβέστερα, το βάθος στο οποίο η συνθήκη Ρ o = P w ικανοποιείται, ορίζει το επίπεδο ελεύθερου νερού (Free Water Level-FWL), καθώς σε ορισµένους ταµιευτήρες η ζώνη κορεσµού σε νερό κατά 100% µπορεί να βρίσκεται και πάνω από το επίπεδο ελεύθερου νερού λόγω τριχοειδών φαινοµένων. Σχήµα 2.14 Ισορροπία πιέσεων σε σύστηµα νερού-πετρελαίου-αερίου (στατική ισορροπία) Στην επαφή πετρελαίου-νερού, η πίεση P w δίνεται από τη µέση βαθµίδα πίεσης του νερού από ένα επίπεδο αναφοράς, π.χ το επίπεδο της θάλασσας, και µπορεί να εκφραστεί γραµµικά ως: Pw = Dowc Gw + C 1 (2.3) όπου η σταθερά C 1 εκφράζει πιθανή υπερπίεση ή υποπίεση. Στο βάθος D owc εποµένως, ισχύει Ρ o(owc) = P w(owc). Η πίεση πάνω από την επαφή πετρελαίου-νερού, στη ζώνη δηλ. των υδρογονανθράκων, είναι η πίεση στην επαφή, ελαττωµένη ανάλογα µε τη βαθµίδα πίεσης (dp/dd) των υδρογονανθράκων. Λόγω της µικρότερης πυκνότητας του πετρελαίου σε σχέση µε το νερό, η µεταβολή της πίεσής του 13

9 πετρελαίου µε το βάθος είναι χαµηλότερη από αυτή του νερού, µε αποτέλεσµα, οι πιέσεις νερού και πετρελαίου να αρχίσουν να αποκλίνουν (διαγραµµατικά φαίνεται στο Σχήµα 2.14), µε αυτήν του πετρελαίου να διατηρεί υψηλότερες τιµές. Η πίεση εποµένως σε κάθε βάθος D πάνω από την επαφή νερού-πετρελαίου P ο (D), υπολογίζεται ως εξής: P o ( D) P ( owc) [ g ( D D) ] = ρ (2.4) o o owc όπου ρ ο είναι η πυκνότητα του πετρελαίου και g η επιτάχυνση της βαρύτητας. Με την ίδια λογική, στην επαφή αερίου-πετρελαίου (Gas-Oil Contact-GOC) ισχύει: ( ) = ( ) P goc P goc o g Η δε πίεση στην αέρια φάση στην κορυφή του ταµιευτήρα (D Τ ) θα είναι: [ ] [ ( )] ( ) ( ) P D = P ρ g D D ρ g D D (2.5) g T owc o owc goc g goc T Η διαφορά ανάµεσα στην πίεση που υπολογίζεται από την εξίσωση 2.5 για βάθος D T, µε την υδροστατική για το ίδιο βάθος, µπορεί να είναι σηµαντική, γεγονός που ευθύνεται για τις απότοµες εκτινάξεις αερίου (gas-kicks) που συναντώνται πολλές φορές κατά την όρυξη των γεωτρήσεων. Η εκτίµηση και η επιβεβαίωση της θέσης των επαφών είναι βασικό δεδοµένο για την αποτίµηση των επιτόπου αποθεµάτων υδρογονανθράκων. Λόγω της αβεβαιότητας τόσο στις ιδιότητες των ρευστών όσο και στις δοκιµές των γεωτρήσεων, η θέση της επαφής των ρευστών µεταξύ των δίνεται συνήθως µε τη µορφή εύρους βάθους, µέχρι το συσχετισµό δεδοµένων από διάφορα πηγάδια οπότε και αυξάνει ο βαθµός βεβαιότητας. 2.4 Θερµοκρασία Ταµιευτήρων Η θερµοκρασία του ταµιευτήρα αναµένεται να είναι σε συµφωνία µε την τοπική γεωθερµική βαθµίδα, η οποία σε πολλές πετρελαιοφόρες λεκάνες είναι περίπου 1,6 o F/100ft. Η µεγάλη θερµοχωρητικότητα τόσο των πετρωµάτων του ταµιευτήρα όσο και των υπερκείµενων πετρωµάτων, σε συνδυασµό µε τις τεράστιες επιφάνειες για µεταφορά θερµότητας µέσα στον ταµιευτήρα, οδηγούν στη λογική υπόθεση της επικράτησης ισοθερµοκρασιακών συνθηκών για όλες τις διεργασίες που λαµβάνουν χώρα µέσα στον ταµιευτήρα. Αυτό αποτελεί µόνιµη και βασική υπόθεση στη µηχανική των ταµιευτήρων. Το θερµοκρασιακό προφίλ από την επιφάνεια ως τον ταµιευτήρα είναι ενδεικτικό της διαφοροποίησης στις ιδιότητες των πετρωµάτων και λαµβάνεται συνήθως µε ειδικά θερµόµετρα κατά τις ενδοσκοπικές καταγραφές (Loggings). Σχήµα 2.15 Μεταβολή της θερµοκρασίας µε το βάθος (παράδειγµα από Β. Θάλασσα) 14

10 Η τοπική γεωθερµική βαθµίδα µπορεί να εµφανίσει αποκλίσεις σε µικρή απόσταση από τα πηγάδια λόγω των γεωτρητικών εργασιών και της κυκλοφορίας των ρευστών διάτρησης. Στην περίπτωση αυτή, τα δεδοµένα διαδοχικών καταγραφών σε συγκεκριµένο βάθος υπόκεινται σε µαθηµατική ανάλυση από όπου προκύπτει ένδειξη της πραγµατικής θερµοκρασιακής βαθµίδας. Όταν η θερµοκρασία αναπαρίσταται µε ευθεία γραµµή από την επιφάνεια ως το βάθος του ταµιευτήρα, πρέπει να ενσωµατώνει τη διόρθωση σε σχέση µε τη θερµοκρασία του νερού προκειµένου για υποθαλάσσια κοιτάσµατα. Για παράδειγµα, η µέση θερµοκρασία της Βόρειας Θάλασσας λαµβάνεται ως 4.5 ο C. Όπως φαίνεται στο Σχήµα 2.15, η µέση θερµοκρασιακή βαθµίδα για ένα πηγάδι στη Βόρεια Θάλασσα µπορεί να είναι 1.6 o F/100ft. 2.5 Φύση των Ρευστών στον Ταµιευτήρα Οι συγκεντρώσεις υδρογονανθράκων σχετίζονται µε την ύπαρξη νερού, είτε µε τη µορφή εκτεταµένου υδροφόρου ορίζοντα (aquifer) κάτω από ή παρακείµενο µε τους υδρογονάνθρακες ή τη συνύπαρξη, µέσα στο πετρελαιοπαραγωγό τµήµα του ταµιευτήρα, µε τους υδρογονάνθρακες µε τη µορφή ενδογενούς (connate-interstitial) νερού. Εάν µε τον όρο φάση ορίζουµε ένα διακριτό και διαχωρίσιµο µέρος ενός συστήµατος, τότε δύο ή και τρεις φάσεις θα απαντώνται µέσα στον ταµιευτήρα καθ όλη τη διάρκεια της παραγωγικής ζωής του (πετρέλαιο, αέριο, νερό). Οι αναλογίες, συστάσεις και φυσικές ιδιότητες των φάσεων αυτών µεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της παραγωγής παράλληλα µε τη µεταβολή (µείωση) της πίεσης σε ισοθερµοκρασιακές -όπως αναφέρθηκε παραπάνω- συνθήκες. Όλες αυτές οι φάσεις θεωρούνται συµπιεστές αλλά, φυσικά, σε διαφορετικό βαθµό. Η ανάλυση της απόδοσης ενός ταµιευτήρα βασίζεται στην πρόρρηση των φυσικών ιδιοτήτων των φάσεων που συνυπάρχουν σε κάθε χρονική στιγµή, πράγµα που σε ορισµένες περιπτώσεις µπορεί να απαιτεί πλήρη ανάλυση των συστατικών των φάσεων αυτών. Το πετρέλαιο αποτελείται κυρίως από παραφινικούς υδρογονάνθρακες µαζί µε µικρότερα ποσοστά ναφθενικών και αρωµατικών υδρογονανθράκων. 2.6 Μονάδες Μέτρησης Το πρόβληµα θέσπισης ενός ενιαίου συστήµατος µονάδων µέτρησης είναι ιδιαίτερα έντονο στη βιοµηχανία πετρελαίου, λόγω της ανάµιξης των δύο ευρύτερα χρησιµοποιούµενων συστηµάτων (µετρικό και τεχνικό) µε τις παραδοσιακά χρησιµοποιούµενες στη βιοµηχανία µονάδες, γνωστές και ως field units. Οι µονάδες στις οποίες θα αναφερθούµε παρακάτω είναι οι ευρύτερα αποδεκτές και χρησιµοποιούµενες στην καθηµερινή πρακτική της διεθνούς πετρελαϊκής βιοµηχανίας. Αναµφισβήτητα, η βασική µονάδα όγκου στην πετρελαϊκή βιοµηχανία είναι το «βαρέλι *» (barrel-bbl) αν και συχνά στις µέρες µας χρησιµοποιείται και το κυβικό µέτρο (cubic meter-cm). Οι όγκοι αερίου εκφράζονται συνήθως σε κυβικά πόδια (cf). * 1 bbl = 42 U.S. gallons. Το βαρέλι των 42 γαλονιών καθιερώθηκε ως το πρότυπο µέτρησης όγκων πετρελαίου την περίοδο που ακολούθησε την πρώτη γεώτρηση από τον Συνταγµατάρχη Edwin L. Drake το 1859 στην Pennsylvania. Το πρότυπο αυτό, ωστόσο, δανείστηκε από την Αγγλία όπου είχε καθιερωθεί ήδη από το 1482 από τον Εδουάρδο IV ως πρότυπο µέγεθος βαρελιού για τη συσκευασία της ρέγκας, που αποτελούσε την κύρια δραστηριότητα της εποχής στη Βόρεια Θάλασσα.. 15

11 Οι όγκοι των φάσεων που προκύπτουν σαν αποτέλεσµα του διαχωρισµού των παραγόµενων ρευστών στην επιφάνεια από µια µονάδα όγκου τροφοδοσίας ρευστού του ταµιευτήρα, εξαρτώνται από τις συνθήκες των διεργασιών της παραγωγής. Εποµένως, η έννοια του όγκου χάνει τη σηµασία της αν δεν αναφερθούν και οι συνθήκες στις οποίες ο όγκος αυτός µετρήθηκε. Κατά σύµβαση, οι συνθήκες αναφοράς της πετρελαϊκής βιοµηχανίας είναι οι πρότυπες ή standard συνθήκες που αντιστοιχούν σε: Θερµοκρασία 60 ο F (15 ο C) Πίεση 1atm (14.7 psia) Σπανιότερα χρησιµοποιούνται οι κανονικές (normal) συνθήκες δηλ. 32 ο F (0 ο C) και 1 atm. Το πετρέλαιο στις standard συνθήκες θεωρείται πλήρως σταθεροποιηµένο, αποτελεί ουσιαστικά την τροφοδοσία του διυλιστηρίου και ονοµάζεται αργό πετρέλαιο (stock-tank oil). Το βαρέλι του αργού ονοµάζεται stock-tank barrel και συµβολίζεται ως STB, ενώ το αντίστοιχο κυβικό µέτρο STCM. Tο κυβικό πόδι αερίου, σε standard συνθήκες., συµβολίζεται SCF (Standard Cubic Feet). Η ογκοµετρική αναλογία των παραπάνω είναι η ακόλουθη: 1 BBL = ft 3 1 BBL = m 3 Η πυκνότητα του πετρελαίου εκφράζεται συνήθως σε όρους σχετικής πυκνότητας (Specific Gravity-SG) ως προς το νερό στους 60 ο F. Συγκεκριµένα: SG 60 = ρ ρ oil( 60F ) water ( 60F ) Η πυκνότητα του νερού στους 60 ο F είναι lb/cf (999.1 kg/m 3 ). (2.6) Η πιο κοινή όµως έκφραση για την πυκνότητα του πετρελαίου είναι σε όρους πυκνότητας API. Χρησιµοποιείται η αντίστροφη κλίµακα που προτάθηκε από το American Petroleum Institute που ξεκινά από τους 10 ο για το νερό και αυξάνει για πτητικά πετρέλαια έως τους ο. Η σχέση µεταξύ της πυκνότητας ΑΡΙ και της ειδικής πυκνότητας ως προς το νερό στους 60 ο C (SG 60 ) είναι η ακόλουθη: API = (2.7) SG 60 SG = API (2.8) Στη µηχανική πετρελαίου είναι, συχνά, απαραίτητο να συσχετίζεται ο όγκος του ρευστού σε συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης του ταµιευτήρα µε τον ισοδύναµο όγκο του σε πρότυπες συνθήκες. Η συσχέτιση αυτή φέρνει στο προσκήνιο το συντελεστή µεταβολής όγκου (Formation Volume Factor-FVF) που θα συζητηθεί εκτενέστερα στα επόµενα Κεφάλαια. Μια άλλη ιδιότητα χαρακτηρισµού του πετρελαίου πέρα από τις προαναφερθείσες, είναι ο όγκος αερίου που σχετίζεται µε τη µονάδα όγκου αργού (stock tank) πετρελαίου. Η ιδιότητα αυτή εκφράζεται ως λόγος αερίου-πετρελαίου (Gas-Oil Ratio, GOR) και σε 16

12 πρότυπες συνθήκες έχει µονάδες SCF/STB ή SCF/SCM. Τα περισσότερα πετρέλαια της Βόρειας Θάλασσας εµφανίζουν βαρύτητα ΑΡΙ 37 ο και GOR γύρω στα 600 SCF/STB. Μια κάπως αυθαίρετη αλλά συνεχής ταξινόµηση των υδρογονανθράκων φαίνεται στον Πίνακα 2.2. Τυπικές συστάσεις µιγµάτων υδρογονανθράκων, όπως διαχωρίστηκαν σύµφωνα µε τον Πίνακα 2.2, φαίνονται στον Πίνακα 2.3. Πίνακας 2.2 Ταξινόµηση των υδρογονανθράκων ενός ταµιευτήρα Ρευστό Βαριά πετρέλαια (Heavy oils) Μαύρα πετρέλαια (Black oils) Πτητικά πετρέλαια (Volatile oils) Αέρια συµπυκνώµατα (Gas condensates) Ξηρά αέρια (Dry gas) Πυκνότητα, Παρατηρήσεις API <20 Υψηλή τιµή του ιξώδους και της πυκνότητας και αµελητέος λόγος αερίου-πετρελαίου. Πισσούχοι σχιστόλιθοι αποτελούν επιφανειακές συγκεντρώσεις βαριών πετρελαίων Γνωστά και ως συστήµατα µε διαλυµένο αέριο. Αποτελούν την πλειοψηφία των κοιτασµάτων πετρελαίου. εν παρουσιάζουν ανωµαλίες στη θερµοδυναµική τους συµπεριφορά Πολύ χαµηλή ειδική πυκνότητα. Εµφανίζονται δυο φάσεις (υγρή και αέρια). Η υγρή φάση χαρακτηρίζεται µε πολύ υψηλές τιµές του λόγου διαλυµένου αερίου προς πετρελαίου και η αέρια φάση µπορεί να αποφέρει σηµαντικό όγκο αργού πετρελαίου στην επιφάνεια Αέρια φάση στις συνθήκες ταµιευτήρα. Μπορεί να υφίσταται παλινδροµική συµπύκνωση και να αποδίδει υγρό (πετρέλαιο) χαµηλής πυκνότητας µέσα στον ταµιευτήρα Αποτελεί µίγµα ελαφρών υδρογονανθράκων το οποίο βρίσκεται σε θερµοδυναµική ισορροπία ως αέριο στις συνθήκες του ταµιευτήρα. Πίνακας 2.3 Τυπική µοριακή σύσταση µιγµάτων υδρογονανθράκων πριν το διαχωρισµό στην επιφάνεια Ελαφρά µαύρα πετρέλαια Πτητικά πετρέλαια Αέρια Συµπυκνώµατα Ξηρά αέρια C C nc nc nc C Πυκνότητα API αερίου πετρε- Λόγος λαίου

13 Η τυπική σύσταση µιγµάτων υδρογονανθράκων µετά το διαχωρισµό στην επιφάνεια παρουσιάζεται στον Πίνακα 2.4. Πίνακας 2.4 Τυπική σύσταση µιγµάτων υδρογονανθράκων µετά το διαχωρισµό στην επιφάνεια Σταθεροποιηµένο πετρέλαιο Σταθεροποιηµένο αέριο C C nc nc nc C Συνηθίζεται, η παρουσίαση της ανάλυσης του µίγµατος σε καθαρές ενώσεις να καλύπτει έως και το κανονικό πεντάνιο nc 5. Η χηµική ανάλυση, βέβαια, επεκτείνεται και σε ενώσεις µε αριθµό ατόµων άνθρακα (C) έως C 16 ή C 20. Τα συστατικά τα οποία είναι πέραν του κανονικού πεντανίου συγκεντρώνονται συνήθως σε ένα σύνθετο κλάσµα (C 6+ ή C 7+ ) το οποίο χαρακτηρίζεται από το Μοριακό Βάρος και το εύρος του σηµείου βρασµού του και αποτελεί ένα ψευδοσυστατικό του µίγµατος. 18