الاستخدام الناشئ للمضخات اللولبية في إنتاج النفط والغاز

مع تزايد الطلب على المرونة والكفاءة، إلى جانب التركيز المتزايد على الوعي البيئي، أصبح من الضروري بشكل متزايد أن يركز المشغلون على المضخات ومنشآت المضخات.

عند النظر إلى مستقبل إنتاج الهيدروكربون، يُمكن رصد سيناريوهات وتوقعات مُختلفة. تُؤثر جميع هذه التطورات تقريبًا على صناعة النفط والغاز، وتُؤثر على التخطيط المُستقبلي الحالي. ولا تقتصر هذه التبعات على مُنتجي النفط والغاز فحسب، بل تشمل أيضًا مُورّدي المعدات والخدمات، بما في ذلك مُصنّعي المضخات.

في جميع سيناريوهات تطوير إنتاج النفط والغاز المستقبلي، من المتوقع أن يظل التركيز الأساسي على الكفاءة والمحافظة على البيئة وتقليل الأثر البيئي. ويتجه اهتمام الصناعة بالفعل نحو هذه الأهداف بسرعة. وكلما زادت كفاءة الصناعة في التكيف مع هذه التغييرات، كان الجميع أكثر استعدادًا.

يستكشف هذا المقال الاتجاهات الحالية في المضخات في صناعة النفط والغاز ويستخدم مزيجًا من المعرفة الحالية والسيناريوهات المستقبلية لرسم صورة لما يجب معالجته اليوم للاستعداد للغد.

في ندوة إلكترونية حديثة حول تكنولوجيا حقول النفط، نظمتها مجموعة بحثية واستشارات عالمية، طُرحت آفاقٌ مستقبليةٌ لصناعتي النفط والمضخات. ومن أبرز ما ميّز العرض تقديمُ لمحةٍ عن إنتاج النفط والغاز خلال العقدين والنصف القادمين. وأشار العرض إلى أنه من المتوقع أن يبلغ إنتاج النفط ذروته حوالي عام 2030، مع إنتاجٍ يبلغ حوالي 115 مليون برميل يوميًا، يتناقص تدريجيًا إلى حوالي 90 مليون برميل يوميًا بحلول عام 2050، مقارنةً بما يزيد قليلًا عن 100 مليون برميل يوميًا حاليًا.

هذا يعني أنه من المتوقع أن يظل إنتاج النفط قريبًا من مستوياته الحالية، استنادًا إلى أسعار خام غرب تكساس الوسيط (WTI) التي تتراوح بين 60 و80 دولارًا للبرميل. تتوافق هذه التوقعات مع توقعات وكالة الطاقة الدولية (IEA)، وتشير إلى انخفاض أقل حدة مما كان متوقعًا في البداية. تشمل العوامل الرئيسية التي ساهمت في هذه التوقعات عدم اليقين المحيط بقدرة إمدادات الطاقة الانتقالية والطاقة الإنتاجية المتاحة، والاستخدام المتزايد للبلاستيك ومشتقات النفط، ونمو صناعة البتروكيماويات في العالم النامي (بما في ذلك الهند والصين)، والطلب المتزايد على وقود الطائرات، والذي من المتوقع أن يبلغ ذروته في عام 2040.

ورغم الزيادة الكبيرة المتوقعة في استخدام المركبات الكهربائية، فمن غير المتوقع أن تمثل هذه المركبات أكثر من 20% من مخزون المركبات في العالم بحلول عام 2030.

في جزءٍ مهم من الندوة الإلكترونية، ركّز النقاش على كيفية تلبية الطلب المتوقع على النفط. وكشف العرض التقديمي أن 15% من إجمالي الإنتاج سيأتي من الإنتاج الموسّع في المكامن الحالية (الصورة 1). كما أوضح التأثير الكبير الذي سيحدثه التحوّل إلى المركبات الكهربائية بحلول منتصف القرن (الصورة 2).

كما هو موضح في الصورة ١، سيُنتج ١٥٪ من إجمالي الإنتاج من الإنتاج المُوسّع في المكامن الحالية. تُظهر الصورة ٢ كيف يستمرّ تأجيل ذروة الطلب على النفط إلى المستقبل، وتُظهر الصورة ٣ كيف يُتوقع تلبية الطلب.

تزداد أهمية زيادة العرض من الأصول الحالية، وهي أولوية قصوى لمعظم المنتجين. وقد أدى ذلك إلى تزايد الطلب على المضخات وحلول الضخ. ومع تقادم حقول النفط وانخفاض الضغط الطبيعي، وتحديات ضمان التدفق، والمعدات القديمة وغير الفعالة في كثير من الأحيان، تظهر تطبيقات جديدة للمضخات. ومن الأمثلة على ذلك الطلب المتزايد على المضخات لدعم الرفع الاصطناعي وتعزيز خطوط التدفق السطحي لأنابيب التدفق. ومن الأمثلة الأخرى مضخات ثاني أكسيد الكربون (CO2).₂)، والتي سوف تشهد زيادة في الطلب مع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون₂ تزداد وتيرة استخدام عمليات عزل النفط واستخلاصه المعزز. ستشهد العديد من أنواع المضخات طلبًا متزايدًا نظرًا للطبيعة المتطورة لإنتاج النفط، ولكونها بديلًا عن النماذج القديمة أو غير الفعالة. إضافةً إلى ذلك، يُولّد نمو نقل النفط الخام والمنتجات المكررة عبر الأنابيب إلى منشآت المعالجة والمحطات والمصافي طلبًا متزايدًا على المضخات.

تُصنف المضخات تقليديًا إلى مضخات هيدروديناميكية أو مضخات إزاحة موجبة. لهذين النوعين من المضخات استخدامات مميزة ومتكاملة في إنتاج النفط والغاز ومعالجة الهيدروكربونات. تُستخدم المضخات الهيدروديناميكية بشكل أساسي لمعالجة الكسور الأخف وزنًا والمياه بمعدلات تدفق أعلى، بينما تخدم مضخات الإزاحة الموجبة السوائل الأكثر لزوجة والمليئة بالغازات تحت ضغوط أعلى، وغالبًا في ظروف شفط صعبة.

ستركز هذه المقالة على الاستخدام المتزايد لمضخات الإزاحة الموجبة الدوارة. قد تنطبق العديد من هذه الأفكار أيضًا على مضخات التروس، ومضخات الريش، ومضخات التجويف التقدمي، مع أنها قد لا تتداخل مباشرةً مع مضخات الإزاحة الموجبة في العديد من التطبيقات. هناك بالفعل استخدام متزايد لمضخات الإزاحة الموجبة، بما في ذلك مضخات الإزاحة الموجبة، التي تُقدم مجموعة واسعة من الخدمات، مما يُمكّن من تحسين إنتاج النفط والغاز، وجمع ومعالجة الهيدروكربونات، ومعالجة ظروف ضمان التدفق التي تزداد صعوبةً مع تزايد عمر المكامن وزيادة عمر الحقول، وهو ما أصبح أولوية.

ستواجه صناعة النفط والغاز تحديات متزايدة في إنتاج ونقل ومعالجة النفط والغاز، نظرًا لتزايد الطلب على المنتجات، والحاجة إلى كفاءة استخدام رأس المال، والمرونة التشغيلية، والإيرادات، والأداء، وتحسين كفاءة الطاقة، وتلبية المتطلبات البيئية والمجتمعية. ولأسباب عديدة، بدأت المضخات اللولبية تلعب دورًا أكثر أهمية في التطبيقات التي كانت تهيمن عليها تقليديًا مضخات الطرد المركزي والترددية. ويسعى مصنعو المضخات اللولبية، مدفوعين بالابتكارات التكنولوجية وتحسينات المنتجات، إلى تلبية متطلبات صناعة النفط بتصاميم أكثر كفاءة ومرونة.

في العديد من حقول النفط، أثبتت تصاميم المضخات اللولبية مزاياها وأصبحت شائعة الاستخدام بشكل متزايد. ويتجلى ذلك بشكل خاص عندما يسعى القطاع إلى توسيع الإنتاج من الأصول والمرافق القائمة. ويُمثل تحقيق استخلاص أعلى من الأصول القديمة والأكثر صعوبة، والتي غالبًا ما تتميز بارتفاع اللزوجة، وتفاعلات الزيت والماء، وزيادة الغاز المصاحب، وانخفاض ضغط المكمن، تحديات شائعة. وتُعدّ هذه التحديات جزءًا من الإنتاج في المراحل المتأخرة من العمر، وعادةً ما تُقدم المضخات اللولبية أفضل حلول الضخ في مثل هذه الحالات.

تُستخدم المضخات ثنائية اللولب وثلاثية اللولب في هذه التطبيقات. في تطبيقات النقل الأوسط، تُستخدم كمضخات نقل وتعزيز في خطوط الأنابيب والمحطات، وللتجميع والتعزيز، بما في ذلك الضخ متعدد المراحل لدعم الرفع الاصطناعي وإنتاج الغاز الرطب. في نقل النفط الخام الثقيل ومستحلب البيتومين، غالبًا ما تكون المضخات اللولبية الحل الأمثل الوحيد للضخ.

يتزايد عدد المضخات اللولبية التي تعمل كمضخات متعددة المراحل، وتُستخدم بفعالية كمكملات لأنظمة الرفع الاصطناعي التقليدية، مثل مضخات قضبان الشفط (SRPs)، والمضخات الغاطسة الكهربائية (ESPs)، والرافعات الغازية، والكباسات. وتتمثل أهم فوائدها في تقليل تأثير المنشآت التقليدية، والقضاء على حرق الغاز، وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من خلال دمج النفط والغاز في خط أنابيب واحد متعدد المراحل لنقلهما إلى منشأة المعالجة. في إنتاج الصخر الزيتي، يستلزم الانخفاض السريع المعتاد في ضغط المكمن الطبيعي وزيادة إنتاج الغاز المصاحب إيجاد حلول لزيادة الإنتاج إلى أقصى حد وتأخير عمليات الصيانة الإضافية باهظة التكلفة، أو عمليات الحفر والتكسير الجديدة، وإكمال الآبار. وتتطلب الرغبة في زيادة معدل الاستخلاص وتقليل الهيدروكربونات إلى أدنى حد نظام ضخ مرن متعدد المراحل، كما هو موضح في الصورة 8، يعمل بضغوط منخفضة في المكمن. وفي الوقت نفسه، يُسهم الضخ متعدد المراحل في تقليل الأثر البيئي لإنتاج النفط، ويمكن أن يُخفف من حدة الرأي العام بشأن حرق الغاز وتنفيسه.

تُوفر المضخة متعددة المراحل تدفقًا شبه ثابت بسرعة مُحددة، مستقلًا في الغالب عن الضغط العكسي. بضبط سرعة المضخة، يُمكنها تغيير كلٍّ من معدل التدفق وضغط الشفط. يُتيح خفض الضغط تدفقًا سلسًا لخط الأنابيب، مما يُقلل من خطر انسدادات الهيدرات المتكررة، ويُساعد في خفض ضغط رأس البئر لتسهيل تدفق آبار الغاز المُحمّلة بالسوائل. بالإضافة إلى ذلك، تُدير المضخة بفعالية تراكم البارافين ومستحلبات الزيت/الماء، مما يُقلل من الحاجة إلى حقن المواد الكيميائية المُكلفة ومعالجة الآبار. يتحقق ذلك من خلال الحفاظ على سرعة داخلية منخفضة، مما يحد من مشاكل القص ويتجنب تفاقم مستحلبات الزيت/الماء، مما يُسهّل معالجة العمليات اللاحقة.

الصورة 9 توضح كيفية استخدام الضخ متعدد المراحل في إنتاج النفط البحري، حيث يمكن أن يعمل كبديل لطرق الرفع الاصطناعي ويضيف قيمة لها، مما يؤدي في نهاية المطاف إلى إطالة عمر الخزانات.

في ظل الوضع الراهن لصناعة المضخات التي تخدم سوق النفط والغاز، من الضروري مراعاة عوامل مهمة تؤثر على النجاح المستقبلي. ومن هذه العوامل صعوبة إيجاد واحتفاظ فريق من المهندسين والعمال المهرة في المشاريع. وغالبًا ما تتشابه هذه التحديات لكل من المستخدم النهائي/منتج النفط والمورد/مصنّع المضخات. وقد يتطلب ذلك من مورد المضخات القيام بنطاق عمل أوسع من ذي قبل. وغالبًا ما يتطلب الأمر وحدة أو نظام مضخة كامل مع جميع الملحقات وأجهزة التحكم، وقد يكون ذلك أمرًا صعبًا بالنسبة للمورد ذي الموارد المحدودة. إن مفهوم "الصندوق الأسود" ليس جديدًا، ولكنه سيلعب دورًا أكبر بكثير في المستقبل. فمجموعة المواهب أكثر أهمية بكثير، وستحكم نجاح كل مورد مضخات.

من المهم فهم الاتجاهات والعوامل الاجتماعية والاقتصادية، ويُعدّ التكيف مع الواقع الجديد استراتيجية فعّالة في بيئة سريعة التطور. ويزيد هذا من التركيز على اختيار المضخة الأنسب للتطبيق، مع الاعتماد بشكل أكبر على الشركة المصنّعة.