محطة عزل الغاز الطبيعي

وحدة عزل الغاز الطبيعي Gas-oil separation plant (GOSP)، هي نوع من الوحدات يستخدم بصفة رئيسية في صناعة النفط. تقوم المحطة بمعالجة النفط الخام لحظة خروجه من رأس البئر وفصل الغاز الطبيعي والملوثات عن النفط الخام لأسباب أمنية، اقتصادية وللحماية البيئية. وتعجل عملية عزل الغاز الطبيعي للنفط الخام قيمية اقتصادية عالية عند التخزين، المعالجة، والتصدير.

النفط الخام المنتج يتم إرساله إلى محطات عزل الغاز ليتم تقسيمه إلى نفط وغاز، الذي يتدفق إلى مصافي النفط ووحدات معالجة الغاز. فيما بعد ترسل منتجات تلك المحطات ليتم توزيعها.

الوصف

تعتبر محطات عزل الغاز الطبيعي أول حلقات العملية الإنتاجية للنفط الخام عبر سلسلة طويلة من المراحل منذ لحظة خروجه من البئر ولحين خروج النفط والغاز الطبيعي عبر منافذ التصدير أوالمنتجات الأخرى من المصافي أومعامل معالجة الغاز.

ومحطات عزل الغاز الطبيعي أول ما يصل أليه النفط المنتج من رأس البئر من خلال شجرة عيد الميلاد وعند دخول أنبوب الجريان الى المحطة يدخل على صمام خانق لتحديد معدل الجريان وقبله صمام اللارجعة (أوصمام الأتجاه الواحد) لمنع رجوع النفط الى بالأتجاه المعاكس مع وجود مقاييس ضغط قبل وبعد هذه الصمامات ، بعدها يدخل النفط الخام الى مجمع الصمامات والذي يقوم بتوزيع النفط على العازلات وفقاً لإنتاجية جميع بئر من النفط والغاز والسعة التشغيلية لكل عازلة والمخطط التالي يبين مجمع صمامات مثالي:

يلاحظ من المخطط أعلاه ما يلي:

هذا التصميم نموذجي لمحطات العزل، والعازلات الموجودة فيه ثلاثية الطور.
يمكن توجيه النفط الى العازلات الإنتاجية عبر خط الإنتاج أوالى منظومة الأختبار عبر خط الإختبار.
وجود صمامي توقف اضطراري المسماة اختصاراً ESDV تقوم بأيقاف المحطة أضطرارياً عند ورود اشارات معينة مثل LAHH وهي مختصر Level Alarm High High بالنسبة للنفط أوالماء التي تحدث عند صعود مستواهما الى ازدياد عال، بالأضافة إلى اشارة LALL وهي مختصر Level Alarm Low Low.
يجب الحفاظ على ضغط العازلة بين (50-60) psi وهوالضغط المثالي الذي يضمن عدم خسارة الغازات الخفيفة التي نخسرها في الضغوط العالية أوخسارة المكونات الثقيلة في النفط.
تتم السيطرة على ضغط العازلة من خلال التحكم بكمية الغاز الخارج منها ، ويتحقق ذلك من خلال صمام سيطرة على الضغط Pressure Control Valve المسمى اختصاراً PCV ويقوم بتنظيم الضغط من خلال تصريف الغاز الى محطة معالجة الغاز.
لزيادة الأمان يتم وضع صمام أمان Pressure Safety Valve المسمى أختصاراً PSV تتم معايرته على ضغط معين وفقاً للنفط المعالج وللحقل الذي يتم الأنتاج منه من حيث كونه مكمن ضغط عال أوضغط واطيء.
أن الماء الخارج من العازلة لاقد يكون نقياً 100% بل يحتوي على قطرات من النفط على شكل مستحلب لذا يرسل الى وحدة معالجة الماء ليتم عزل هذه القطيرات، ويمكن بعدها حقنه في الآبار التي توقفت عن الأنتاج.

أسباب المعالجة

الضغط

الملوثات

النفط المنتج

إذا كان النفط المنتج نفط رطب يتم نقله الى محطة معالجة النفط الرطب:

إذا كان حاوياً على غاز H2S ينقل النفط الى وحدات معالجة النفط Processing Unit والتي تحتوي على برج نزع Stripping Column يحتوي على صواني Trays على جميع منها تراكيب أشبه بالفنجان المقلوب Bubble Caps لتضمن حدوث تلامس بين النفط وغاز الوقود ليتم تخليصه من غاز H2S والذي يسبب مشاكل تشغيلية مختلفة منها معضلة التآكل بسبب تفاعله مع قطرات الماء الموجود في النفط مكوناً حامض الكبريتيك H2SO4.
إذا كان النفط الخام المنتج لا يحتوي على الماء أوغاز H2S ينقل مباشرة ً الى منافذ التصدير.

استرداد الغاز

إذا كانت محطات معالجة الغاز بعيدة عن محطات عزل الغاز الطبيعي يتم نقل الغاز الى محطات كبس الغاز الطبيعي.

يتم إزالة قطرات الماء من الغاز الطبيعي عبر إدخاله الى وحدات تجفيف الغاز الطبيعي حيث تتم معالجته من خلال تلامسه مع الكلايكول في برج تلامس.
تمضى نسبة معينة (قليلة) إلى المشعل لغرض الحرق، وللأمان في حالات توقف نقل الغاز الى وحدات معالجة الغاز أومحطات الكبس لأي سبب كان.

العوامل المؤثرة

معدل تدفق النفط والغاز الطبيعي (الحد الأدنى Minimum Flowrate – الحد الأعلى Peak Flowrate – المعدل Average Flowrate ).
الضغط التشغيلي Operating Pressure والحرارة التشغيلية Operating Temperature.
الخواص الفيزياوية للموائع Fluids' Physical Properties مثل الكثافة Density والانضغاطية Compressibility.
الكفاءة التصميمية للعزل (على سبيل المثال: إزالة 100% من الجزيئات التي يزيد حجمها عنعشرة ميكرون).
وجود الشوائب مثل البارافين والرمل.
ميل النفط الخام الى تكوين الرغوة.
ميل السائل الى أحداث التآكل.

العازلات

العازلة الإنتاجية

العازلة الإنتاجية Production Separator، تستخدم لعزل وقياس الموائع الخارجة من البئر، ويمكن حتى تكون عمودية أوأفقية أوكروية، يمكن ان تكون بطورين أوثلاثة أطوار، كما يمكن حتى تكون ثابتة أومحمولة وتستعمل لأحتساب كميات النفط والغاز المنتج من البئر.

عازلة الإختبار

عازلة الإختبار Test Separator، تستعمل لعزل المائع المنتج الى أطواره، ويتراوح قطرها بين (12-30) قدم، وارتفاع يتراوح بين (6-70) قدم.

العوامل المؤثرة على اختيار سعة العازلة

الحجم (القطر - الإرتفاع) للعازلة.
تصميم وترتيب الأجزاء الداخلية للعازلة.
عدد مراحل العزل.
الضغط التشغيلي والحرارة التشغيلية.
الخواص الكيمائية والفيزيائية للموائع الخارجة من النفط (الوزن النوعي - اللزوجة - توازن الأطوار..الخ).
نسبة الغاز إلى النفط GOR.
ميل النفط الى إحداث الرغوة.

أن فرق الكثافة بين السائل والغاز يحقق فصل قطرات السائل والغاز في حين تكون تبدأ سرعة الجريان قليلة بما فيه الكفاية للحصول على زمن كاف لحصول العزل. حيث تنزل القطرات الكبيرة أولاً. في حين تتأخر القطرات الأكبر حجماً. حتى قطرات السوائل الهيدروكربونية في الضغط القياسي والحرارة القياسية تكون كثافتها أكبر (400-1600) مرة من كثافة الغاز. وبزيادة الضغط ودرجة الحرارة يقل فرق الكثافة، ففي ضغط تشغيلي يبلغ 800 PSIG فأن كثافة السوائل الهيدروكاربونية تكون (6-10) مرات أكبر من كثافة الغاز. لذا فأن الضغط التشغيلي يؤثر على حجم العازلة وحجم مستخلص الرذاذ المطلوب.

أنواع العازلات

تصنيف العازلات إلى عازلات عمودية Vertical Separators وعازلات أفقية Horizontal Separators.
تصنيف العازلات من حيث عدد الأطوار: حيث تقسم الى عازلات ثنائية الطورtwo -phase separator وثلاثية الطور three – phase separator ويكن استعمال العازلات العمودية والأفقية لكلا الغرضين.
تصنيف العازلات من حيث الضغط التشغيلي : حيث حتى العازلات تعمل بضغط تشغيلي يتراوح بين 20-1500 psi ، ويمكن تصنيفها على أنها: عازلات ضغط عالي (750-1500 psi) - عازلات ضغط متوسط (230-700 psi) - عازلات ضغط واطيء (10-225 psi).

التصميم

لقد شهد تصميم عازلات الغاز تطوراً كبيراً في العقدين الأخيرين ولكن تظل هناك بعض الأمور التصميمية التي لا يمكن الحياد عنها لأنها تعتبر من الأمور البديهية في أغلب التصاميم وهذه الأمور هي:

الاستفادة من زخم الدخول

تستخدم أغلب العازلات تراكيب ميكانيكية Inlet Diverter لتغيير المسار وتقليل السرعة العالية للمائع الداخل تساعد في تحقيق عزل كبير بين السائل والغاز حيث أنها تشتت النفط بشكل يساعد على هروب الغاز من النفط. أما في العازلات الأفقية فهناك مجال واسع لأستخدام الكثير من التراكيب مثل:

الصفائح Splash Plates – الرؤوس المقعرة Dished Heads ، حيث حتى أغلب هذه التراكيب تقوم بالسيطرة على العزم الداخل من خلال تغيير مسار السائل وتشتيت طاقة المائع الداخل Energy of the inlet fluid.

أن فائدة تراكيب الدخول في العازلة diverter هي إحداث تغير مفاجيء في العزم (السرعة والأتجاه) مما يؤدي (بالأضافة الى أختلاف الكثافة) الى عزل السائل.

مستخلص الرذاذ

ويستعمل لاستخلاص قطرات النفط المحمولة مع الغاز ويتحقق ذلك من خلال أستعمال شبكة سلكية Wire Mesh ولكن عندماقد يكون النفط المعالج ثقيلاً أويحتوي على الشمع Waxy Crude تستبدل هذه الشبكة بريش ملتـفّة Serpentine Vanes ولكن جميع هذه الأنواع توضع بشكل عمودي على أتجاه التدفق حيث حتى تدفق الغاز بشكل متعرج يساعد على عملية فصل القطرات وهي أقرب الى المصيدة في عملها. ويصدف أحياناً وجود بعض قطرات السوائل في الغاز، لأن بعض الأبخرة القابلة للتكثف لا يمكن استخلاصها بواسطة مستخلص الرذاذ ويحصل هذا التكثف بسبب تقليل درجة الحرارة ، حتى وجود هذه الأبخرة المتكثفة لا يشير على عدم كفاءة العازلة لأنها تمتلك خصائص الغاز الطبيعي ، وقد يحصل هذا التكثُف حال خروج الغاز من العازلة بسبب التغير في الضغط والحرارة.

مانعات التموج

ويتم استعمالها بالذات في العازلات الأفقية حيث هناك أحتمال لحصول تموجات في الحد الفاصل بين النفط والغاز gas-oil interface مما يؤدي الى تقلبات في مستوى السائل وبالتالي التأثير على أداء مسيطر المستوى level controller ولتجنب هذه الحالة يتم هجريب مانعات التموج الذيقد يكون تعبير عن تراكيب ميكانيكية على شكل موانع عمودية على اتجاه الجريان.

زمن بقاء السائل (زمن المكوث)

يتم أخذ هذا الأمر في العازلات ثلاثية الطور كي يتسنى للماء والنفط حتى ينفصلا عن بعضهما بطريقة فرق الكثافة . وتستخدم الكثير من التراكيب على زمن بقاء هذه السوائل في العازلة ويتأثر زمن البقاء بالكثير من العوامل مثل: الكثافة النسبية للنفط Specific Gravity – درجة الحرارة التشغيلية Operating Temperature. وفي حال الرغبة في زيادة زمن المكوث فهذا يحتاج زيادة حجم العازلة أوزيادة منطقة السائل.

الحرارة

أن الحرارة تؤدي الى تقليل الشد السطحي ولزوجة النفط مما يساعد على تحرر الغاز ، واكثر الطرق فاعلية هي تسخين النفط من خلال امراره خلال حمام مائي water bath ، كما تساعد الحرارة على إزالة فقاعات الرغوة ، وتستخدم المسخنات غير المباشرة indirect heaters أوالمبادلات الحرارية.

مشكلات تقنية

مع تطور التصاميم الحديثة لعازلات الغاز تم أخذ المشاكل التشغيلية بنظر الأعتبار فوجود مسيطرات مستوى Level Controls ذات كفاءة ودقة عاليتين في العازلات بالأضافة الى وجود مسيطرات Press. Control على درجة عالية من الحساسية ساعد على تقليل المشاكل التشغيلية الى أقصى حد ممكن. لذا فأن أغلب المشاكل التشغيلية الآنقد يكون سببها عطل هذه المسيطرات أوسوء التشغيل Bad Operation. وأهم هذه المشاكل هي:

الحمل الإضافي

وهي من أبرز المشاكل التشغيلية التي تحصل في محطات العزل وتتلخص بخروج نفط مع الغاز بكمية كبيرة مما يؤدي الى عبوره الى محطات معالجة الغاز (والتي يفترض حتى تحتوي على عازلة أولية لعزل ما تظل من من قطرات النفط في الغاز) أوفي بعض الأحيان عبوره الى المشعل Flare والذيقد يكون على شكل دخان أسود وإذا لم ينتبه المشغل الى ذلك فأن ذلك قد يؤدي الى خروج كمية كبيرة من النفط المحترق عبر المشعل وتؤدي الى الحريق.

الأسباب

1- تحميل العازلة أكثر من طاقتها التشغيلية وذلك من خلال سوء تنظيم مجمع الصمامات Manifold.

2- غلق صمام خروج النفط Oil Outlet Valve أوعطله. أوعدم وجود تصريف في وحدة أستلام النفط Oil Storage.

3- عطل المسيطر على المستوى Level Control مما يؤدي الى أرتفاع مستوى النفط في العازلة.

4- خلل في تنظيم صمام الضغط Pressure Control Valve بالشكل الذي يؤدي الى أنخفاض ضغط العازلة وبالتالي أرتفاع مستوى النفط في العازلة.

المعالجة

1- في الحالة الأولى تنظيم مجمع الصمامات وتنظيم كميات النفط الداخلة الى جميع عازلة.

2- في الحالة الثانية يجب تصليح صمام النفط أواستبداله.

3- في الحالتين ثلاثة و4 يجب أيقاف العازلة عن العمل لحين تصليح أومعايرة صمامات السيطرة.

الجيوب الغازية

وهي تولد فراغات في الأنابيب الناقلة للنفط (يملئها الغاز) وخاصة ً إذا كانت هذه الخطوط طويلة نسبياً ، أوعند عدم مراعاة سعة الخطوط الناقلة بتحميلها بكميات أقل بكثير من طاقتها التصميمية ، وهذا الأمر يؤدي الى إحداث ضغط معاكس على محطات العزل وبالذات على العازلات وصعود ضغط العازلة وأرتفاع مستوى النفط في نفس الوقت .

الأسباب

1- إنخفاض مستوى النفط داخل العازلة بسبب عطل مسيطر المستوى Level Control أوتغيير Setpoint الخاص به بشكل غير مقصود.

2- ازدياد الضغط داخل العازلة بسبب عدم أنتظام عمل PCV أوتغيير Setpoint الخاص به بشكل غير مقصود.

وفي كلتا الحالتين يجب أيقاف المحطة عن العمل لحين تصريف الجيوب الغازية من الخط الناقل للنفط ، ومن ثم معالجة أوتعيير أوأستبدال الصمامات العاطلة.

الرغوة

قد تحصل طبقة من الرغوة في الحد الفاصل بين النفط والغاز gas-liquid interface بسبب نزول الضغط (في أنواع معينة من النفط) أوبسبب الشد السطحي واللزوجة ووجود بعض الشوائب حيث تتولد قطيرات صغيرة مغطاة بغشاء خفيف من النفط عند خروج الغاز من حالة الذوبان مما يؤدي الى حدوث التالي:

تؤدي الرغوة الى تقليل المساحة السطحية للعازلة حيث أنها تحتل حجماً كبيراً من العازلة، وبالتالي فهي تؤثر على كفاءة العازلة من خلال تقليل زمن المكوث، ما لم تكن العازلة مصممة أصلاً على حجم يتناسب مع حدوث هذه الظاهرة.
أن كثافة الرغوة تكون بين كثافة السائل والغاز مما يؤدي الى أضطراب في عمل مسيطر المستوى.
عند زيادة حجم الرغوة فأن هذا سيؤدي الى خروجها مع النفط أوالغاز الخارج من العازلة ، مما سيؤدي الى تقليل فاعلية العزل أوحدوث ظاهرة الحمل الاضافي أوخروج النفط مع الغاز الخارج من العازلة أوالعكس خروج غاز مع النفط الخارج من العازلة الذي يحصل عند أنخفاض مستوى السائل وهذا قد يحصل بسبب عدم تناسب حجم العازلة مع كمية الغاز أوحدوث التموج في مخرج السائل. وبالتالي سيؤدي الى تقليل كفاءة العزل.

أن الرغوة النفطية لا تكون مستقرة ، ولا يدوم وجودها ، إلا بوجود عوامل الرغوة.

أن العوامل التي تؤدي الى تولد الرغوة:

1- عندماقد يكون الوزن النوعي أقل من 40 درجة.

2- عندما تكون درجة الحرارة التشغيلية أقل من 160 °F.

3- عندماقد يكون النفط لزجاً حيث تكون لزوجته أكثر من 53 cp.

المعالجة

يمكن التغلب على هذه الظاهرة بنصب صفائح منع الرغوة وهي مجموعة من الصفائح المائلة والمتوازية القريبة من بعضها حيث حتى مرور الرغوة من خلال هذه الصفائح سيؤدي الى تجمّع قطرات النفط بعد فصلها عن الغاز المصاحب.وفي بعض الحالات يتم معالجة هذه الظاهرة بأضافة بعض المواد الخافضة للرغوة Foam depressants فهماً حتى هذه المواد تكون اسعارها غالية نسبياً بالأضافة الى وجود بعض العوامل الأخرى التي تؤدي الى تقليل أوكسر الرغوة مثل الحرارة، أوالطرد المركزي.

البارافين

أن تفكك البارافين في عازلات الغاز يؤدي الى تقليل كفاءتها، وقد تؤدي الى جعلها فير فعالة الى حد ما ، بسبب تراكم قسم منها على أجزاء من العازلة ، أوحصول أنسداد مستخلص الرذاذ ومدخل النفط. ويتم إزالته بواسطة المذيبات أوالبخار. والطريقة الأفضل لمنع هذه الظاهرة هوالمعالجة الكيمياوية مع الحرارة، كما حتى هناك طريقة أخرى وهي تغليف السطوح الداخلية للعازلة بالبلاستك بسبب عدم التآلف الكيمياوي بينهما، حيث حتى وزن البارافين سيؤدي الى أنزلاقه وعدم تراكمه على جدران العازلة أوأي من أجزاءها.