گاهی اوقات وسایل جداسازی شن نظیر هیدروسایکلون ها و دیگر شنزداها جهت کاهش سایش در قطعات پایین دست چاه استفاده میشوند. این ابزار میتوانند مخصوصا در حفاظت از چوک ها مفید باشند. با اینوجود این وسایل از تجهیزات تهچاهی محافظت نمیکنند. استفاده از تجهیزات شن زدایی در سیستم بهره برداری بر روی اقتصادی بودن طرح تاثیر معکوس دارد. بعلاوه میزان لولهکشی مورد نیاز در سیستم را افزایش میدهد و از اینرو سطح بیشتری در معرض مشکلات مربوط به سایش قرار میگیرد.
فصل سوم
مروری بر تحقیقات گذشته
مروری بر تحقیقات گذشته
سایش خطوط لوله و تجهیزات مورد استفاده جهت انتقال سیالات حاوی ذرات جامد یک مشکل اساسی در بسیاری از صنایع میباشد. در فرایند تولید گاز از ذغالسنگ، مشکلات سایش با خوردگی همراه شده و سبب بدتر شدن سایش در لولهها و خطوط انتقال می شود. سایش ناشی از خطوط لوله حاوی دوغاب جهت انتقال مواد خام جامد نظیر سنگ آهن، ذغالسنگ و پتاس یک مشکل بزرگ در صنایع معدنی است. سایش خطوط لوله جهت انتقال دانه های خوراکی و ذرت به عنوان جایگزین حمل و نقل با تسمه و نقاله، از موضوعات مورد بررسی در صنعت کشاورزی است.
همچنین سایش برای مدت زمان طولانی بعنوان یک منبع ایجاد مشکل در سیستم های تولید و بهره‌برداری هیدروکربن شناخته شده است. بسیاری از خرابی های خطرناک مربوط به زانویی ها در سکوهای بهره‌برداری، واحدهای حفاری و دیگر تاسیسات زیردریایی در دهههای قبل در نتیجه سایش بوده است. این مشکلات و خرابی ها هم شامل هزینه تعویض بخش های فرسوده شده و هم مشکلات محیط زیستی و مسائل ایمنی میباشد تمامی رشته لوله درون چاه در معرض خوردگی سایشی قرار دارد اما بعضی از مکان ها که دارای انحراف از مسیر اصلی هستند یا دچار تغییر سطح مقطع میشوند نظیر چوک ها و شیرهای ایمنی زیرسطحی در معرض خطر فراوانی قرار دارند. زمانیکه نفت و گاز از مخازن دارای مقاومت نسبتا پایین سازند تولید می شود ( کمتر از psia 2000) با کاهش فشار مخزن، ذرات شن میتوانند از سنگ مخزن جدا شده و تعدادی از ذرات همراه با سیالات تولید شوند. این ذرات شن میتوانند سبب سایش خطوط لوله و تجهیزات شده و در نتیجه منجر به توقف تولید شوند و از اینرو ضررهای اقتصادی قابل ملاحظهای متوجه تولیدکنندگان نفت و گاز شود. چندین روش جهت جلوگیری از تولید شن و ورود آنها بدرون لولههای تولیدی وجود دارد اما این روش ها سبب کاهش دبی تولیدی میشوند. از اینرو جهت حصول دبی بهره برداری مناسب، تولیدکنندگان معمولا اجازه می دهند ذراتی با اندازه های خاص از درون غشاهای شنی[۲۶] یا بسترهای شنی[۲۷] عبور نمایند. با این وجود با گذشت زمان، غشاهای شنی میتوانند در بعضی از مکان ها در اثر تولید دانه های شن مسدود شده و از این رو سرعت سیال در قسمت های دیگر مشبک کاری شده افزایش یابد. از این رو سرعت و سنگ ممکن است بسیار بیشتر از مقادیر طراحی اولیه شده و سبب سایش غشاء های شنی شده و اجازه عبور ذرات درشت تر را داده و این ذرات درشت همراه با ذرات ریزتر از طریق لولههای جریان تولیدی، تولید شوند.
جهت کنترل سایش، نیازمند آگاهی از میزان شدت احتمالی سایش برای حالت های مختلف جریان، محل اتفاق آن و چگونگی تاثیر پذیری آن از عوامل تحت کنترل طراح و اپراتور میباشیم. از این رو نیاز به روش هایی قابل اعتماد جهت پیش بینی سایش کاملا واضح و روشن است. با این وجود طبیعت ذاتی متغیر فرایند سایش امکان ارائه و توسعه بهترین توصیه جهت طراحی و بهره‌برداری از سیستم های تولید هیدروکربن با وجود زانویی را مشکل می‌سازد.
با توجه به توضیحات بالا مشخص است که از دیرباز سایش به عنوان مشکل بیشتر صنایع از جمله صنایع نفت و گاز مورد توجه محققان بوده است.
بر اساس مطالعات کتابخانه ای صورت گرفته شده، کارهای انجام شده از سال ۱۹۸۳ تا سال ۲۰۱۳ به شرح ذیل می باشد.
مروری بر فرمول استاندارد API
درسال ۱۹۸۳ سلاما[۲۸] و ونکاتش[۲۹] ] ۴۹ [براساس مدل API-RP-14Eکه در فرمول (۳-۱) آورده شده است، فاکتور C را ۸۰ تا ۱۰۰ برای جریان گاز فاقد شن و ضریب ۳۰۰ را برای گاز همراه با قطرات مایع ارائه داد.] ۴۹ [
| (۳-۱) | Ve= C/ρm0.5 |
لازم به توضیح است که Ve، سرعت سایش[۳۰] تعریف می شود. سرعت سایش سرعتی است که در آن میزان سایش از حد مجاز تعیین شده فراتر برود. فاکتور C به عنوان یک ثابت، شاخصی از میزان سایش است و ضریب C بالاتر نشانگر سرعت سایش بیشتر و میزان سایش کمتر می باشد. mρ دانسیته مخلوط سیال [۳۱] درون خطوط لوله می باشد.
گیپسون[۳۲] ] ۵۱ [در سال ۱۹۸۹ ضریب C را برای فشار کمتر از ۳/۱ بار برای جریان گاز برابر ۱۱۰ بدست آورد. اسمارت[۳۳] ] ۵۰ [در سال ۱۹۹۰ ضریب C برای چاه های گاز برابر ۱۰۰ بدست آورد.
فرمول (۱) برای سیال های خورنده و حامل ذرات شن مناسب نیست. به همین دلیل برای تصحیح این مشکل فرمول (۳-۲) توسط سلاما ] ۵۰ [ برای بهتر کردن عملکرد معادله استاندارد API-RP-14E ارائه شد.
| (۳-۲) | = |
که در فرمول (۲)، میزان دبی شن تولیدی می باشد و هم ضریب ثابت می باشد.
باکینگهام[۳۴] ] ۵۲ [سال ۱۹۸۹خوردگی سایشی را با جریان شن با ضریب C برابر ۳۰۰ ارائه کرد. کاماچ[۳۵] در سال ۱۹۸۸برای گاز همراه با مایع زیاد که در کف لوله جریان دارد ضریب C را ۸۰۰ در نظر گرفت. گروینگ[۳۶] ] ۵۱ [در سال ۱۹۹۱ ضریب C را برای گاز حاوی مایع ۳۰۰ در نظر گرفت و سلاما در سال ۱۹۹۳ کارهای مشابهی انجام داده اند.
با این وجود استاندارد API-RP-14E در برخی مواقع توانایی لازم برای پیش بینی دقیق سایش شن را ندارد. به عنوان مثال در برخی محاسبات استفاده از این استاندارد میزان صحیح و دقیق نرخ سایش را گزارش نمی کند و به نحوی در فرایند‌ها با نرخی بیشتر از مقدار بدست آمده رو به رو می‌شویم که باعث صدمات جبران ناپذیری می شود. بدین ترتیب مدل تخریب ذرات توسط محققان برای جریان گاز حاوی شن ارائه شد.
معادله مناسب برای شن
یکی از موارد تاثیر گذار در سایش شن، اندازه ذرات موجود در جریان است که با افزایش قطر معینی بر حسب سرعت سیال موجب افزایش سایش و در قطرهای بالاتر تاثیری در سایش نداشته و در مواردی حتی موجب کاهش آن نیز شده است. توجه شود که هرچه سرعت سیال بالاتر باشد این قطر هم بالاتر خواهد رفت. برای مثال مک لاری] ۲۶ [ در سال ۱۹۹۷ برای هوا با سرعت ۶ متر بر ثانیه در لوله یک اینچ نتایج را در ) ارائه داده است.
شکل (۱۶): تاثیر اندازه ذرات بر سایش شن] ۲۶ [
همچنین تاثیر سرعت هوا و قطر لوله را هم می توان از داده های مک لاری ] ۲۵ [مورد توجه قرار داد. در ) و ) می توان دید که افزایش سرعت گاز موجب افزایش سایش و افزایش قطر لوله در سرعت ۶ متر بر ثانیه موجب کاهش سایش شده است.
شکل (۱۷): تاثیر سرعت هوا بروی سایش ] ۲۵ [
شکل (۱۸): تاثیر افزایش قطر بروی سایش ] ۲۵ [
هاسر و کورن ولد[۳۷] ] ۳۳ [در سال ۱۹۹۸ رابطه (۳-۳) را برای سایش توسط ذرات شن ارائه دادند که در آن مقدار شن موجود در جریان، سرعت برخورد ذرات و همچنین و ثوابتی هستند که با آزمایش بدست می آیند.
| (۳-۳) |
شکل (۱۹): ضریب F(α) برای مواد ترد و رسانای فلزی ] ۳۳[
