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 أو المنتجات الأخرى من المصافي أو معامل 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 (أو صمام 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 كل 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 أو الى 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 أو الماء التي تحدث عند صعود مستواهما الى ارتفاع عال، بالأضافة إلى اشارة LALL وهي مختصر Level Alarm Low Low.
• يجب الحفاظ على ضغط العازلة بين (50-60) psi وهو الضغط المثالي الذي يضمن عدم خسارة الغازات الخفيفة التي نخسرها في الضغوط العالية أو خسارة 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 أو ضغط واطيء.
• أن الماء الخارج من العازلة لا 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

 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 كل 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 مشكلة التآكل بسبب تفاعله مع قطرات الماء الموجود في النفط مكوناً حامض الكبريتيك H2SO4.
• إذا كان النفط الخام المنتج لا يحتوي على الماء أو غاز 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.
• تذهب نسبة معينة (قليلة) إلى المشعل لغرض الحرق، وللأمان في حالات توقف نقل الغاز الى وحدات معالجة الغاز أو محطات 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 عن 10 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 أن تكون عمودية أو أفقية أو كروية، يمكن ان تكون بطورين أو ثلاثة أطوار، كما يمكن أن تكون ثابتة أو محمولة 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. أن 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 أن 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 تبقى 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 العديد من التراكيب مثل:

الصفائح Splash Plates – الرؤوس المقعرة Dished Heads ، حيث أن 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 عندما يكون النفط المعالج ثقيلاً أو يحتوي على الشمع Waxy Crude تستبدل هذه الشبكة بريش ملتـفّة Serpentine Vanes ولكن جميع هذه الأنواع توضع بشكل عمودي على أتجاه التدفق حيث أن 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 ، أن وجود هذه الأبخرة المتكثفة لا يدل 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 تركيب مانعات التموج الذي يكون عبارة 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 أن ينفصلا عن بعضهما بطريقة فرق الكثافة . وتستخدم العديد من التراكيب على زمن بقاء هذه السوائل في العازلة ويتأثر زمن البقاء بالعديد من العوامل مثل: الكثافة النسبية للنفط Specific Gravity – درجة الحرارة التشغيلية Operating Temperature. وفي حال الرغبة في زيادة زمن المكوث فهذا يتطلب زيادة حجم العازلة أو زيادة 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 أو المبادلات 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 الآن يكون سببها عطل هذه المسيطرات أو سوء 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 أن تحتوي على عازلة أولية لعزل ما تبقى من من قطرات النفط في الغاز) أو في بعض الأحيان عبوره الى المشعل Flare والذي 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 أو عطله. أو عدم 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 كل عازلة.

2- في الحالة الثانية يجب تصليح صمام النفط أو استبداله.

3- في الحالتين 3 و4 يجب أيقاف العازلة عن العمل لحين تصليح أو معايرة صمامات السيطرة.

 الجيوب الغازية

وهي تولد فراغات في الأنابيب الناقلة للنفط (يملئها الغاز) وخاصة ً إذا كانت هذه الخطوط طويلة نسبياً ، أو عند 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 أو تغيير Setpoint الخاص به بشكل غير مقصود.

2- ارتفاع الضغط داخل العازلة بسبب عدم أنتظام عمل PCV أو تغيير 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 أو تعيير أو أستبدال 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) أو بسبب 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 أو الغاز الخارج من العازلة ، مما سيؤدي الى تقليل فاعلية العزل أو حدوث ظاهرة الحمل الاضافي أو خروج النفط مع الغاز الخارج من العازلة أو العكس خروج غاز مع النفط الخارج من العازلة الذي يحصل عند أنخفاض مستوى السائل وهذا قد يحصل بسبب عدم تناسب حجم العازلة مع كمية الغاز أو حدوث 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- عندما يكون الوزن النوعي أقل من 40 درجة.

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

3- عندما 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 أن 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 علماً أن هذه المواد تكون اسعارها غالية نسبياً بالأضافة الى وجود بعض العوامل الأخرى التي تؤدي الى تقليل أو كسر الرغوة مثل الحرارة، أو الطرد 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 ، أو حصول أنسداد مستخلص الرذاذ ومدخل النفط. ويتم إزالته بواسطة المذيبات أو البخار. والطريقة الأفضل لمنع هذه الظاهرة هو المعالجة الكيمياوية مع الحرارة، كما أن هناك طريقة أخرى وهي تغليف السطوح الداخلية للعازلة بالبلاستك بسبب عدم التآلف الكيمياوي بينهما، حيث أن وزن البارافين سيؤدي الى أنزلاقه وعدم تراكمه على جدران العازلة أو أي من أجزاءها.

 وصلات خارجية

• Technical description of Oil Field Separation Process and Separator Equipment
• GOSP-2 as seen from space