یک روز به طور اتفاقی در اینترنت کلمه کورفلاد را به فارسی سرچ ‌می‌کردم که در کمال تعجب دیدم حتی یک صفحه فارسی در کل وب وجود ندارد که درباره «کورفلاد» چیزی نوشته باشد! البته مطالب فارسی با کی‌ورد سیلابزنی در اینترنت وجود دارد ولی هیچکدام سیستم سیلابزنی را با جزئیات بررسی نکرده‌اند. این کاستی مرا بر آن داشت که مطلبی مختصر که در عین حال به درد مخاطب هم بخورد درباره کورفلادینگ با رویکرد شناخت سیستم و ست‌آپ کامل سیلابزنی مغزه بنویسم و برخی از تجربیات خود را با دانشجویان و مهندسان نفت فارسی زبان به اشتراک بگذارم.

حتما می‌دانید که سنگ مخزن نفت، یک محیط متخلخل و در واقع یک Porous media است که درون منافذ خالی آن نفت و آب و احیانا گاز وجود دارد. اگر استثناهای جالبی مانند مخزن نفت مسجد سلیمان خودمان را قلم بگیریم (برای اولین بار مخزن مسجد سلیمان در عمق ۳۶۰ متری به نفت رسید!)، مخزن‌های نفت معمولا در اعماق کیلومتری در زیر زمین واقع هستند؛ جایی که تحت فشار و دمای بسیار بالایی قرار می‌گیرند و اصطلاحا در شرایط HPHT (High Pressure and High Temperature) هستند.

وقتی درون این مخازن زیرزمینی که تحت فشار و دما هستند چاهی حفر می‌شود نفت که حالا راهی به بیرون یافته با شدت فوران می‌کند و اینجاست که مهندسین نفت با به کار گرفتن دانش مهندسی سعی در مهار این طلای سیاه و تولید بهینه آن می‌کنند.

پس تا اینجا با یک محیط متخلخل طرفیم که درون آن نفت و آب و گاز وجود دارد، تحت فشار و دماست و سیالات مذکور از نقاط مختلف مخزن با فشار بالایی به سمت دهانه چاه و از طریق چاه به سطح زمین می‌آیند.

کور فلاد به زبان ساده می‌خواهد این شرایط عجیب و غریب سیالات زیرزمینی را روی سطح زمین و درون آزمایشگاه به صورت شیک و مجلسی شبیه‌سازی کند!

لغت Core Flooding به زبان فارسی سیلابزنی ترجمه شده (تلفظ درست آن سِیْلابزنی است و هیچ ربطی به سیلاب‌های درسی و از این نوع ندارد!) و مفهوم آن تزریق سیال پرفشار به درون نمونه سنگ متخلخل است در شرایطی که سنگ تحت فشار و دما قرار دارد.

انواع مختلفی از آزمایش‌ها را می‌توان توسط دستگاه کورفلاد انجام داد از جمله تزریق سیالات به درون سنگ، تزریق مواد شیمیایی به درون سنگ، تزریق گاز، روش‌های ازدیاد برداشت میکروبی، تزریق اسید به درون سنگ (Acidizing)، اندازه‌گیری تخلخل و تراوایی مطلق و نسبی سنگ و بسیاری تست‌های دیگر.

در آزمایشگاه، هم مغزه‌های کامل (Whole Core) و هم انواع پلاگ‌های (Plug) گرفته شده از مغزه، مورد سیلابزنی و کورفلاد قرار می‌گیرند. مغزه‌های کامل همان سنگ‌هایی هستند که در عملیات حفاری چاه‌های نفت از مخزن گرفته می‌شوند. قطر این سنگ‌ها معمولا ۴ اینچی و یا ۲ اینچی و طول آنها معمولا ۲ فوت است. این مغزه‌ها طی فرآیند‌های مشخص و استانداردی به نام Core Handling از میدان نفتی به سمت آزمایشگاه‌ها ارسال می‌شوند تا در انتظار سایر آزمایش‌های آنالیز مغزه از جمله سیلابزنی بمانند.

به منظور اینکه آزمایش‌های کارآمدتری داشته باشیم لازم است از مغزه‌های کامل گرفته شده، نمونه‌هایی کوچکتر گرفته شود که به آنها پلاگ (plug) می‌گوییم. استاندارد پلاگ‌ها معمولا نمونه‌هایی با قطر ۱ و ۵/۱ اینچ است. طول پلاگ بستگی به نوع آزمایش سیلابزنی و منظوری که از انجام تست داریم فرق می‌کند. ضمنا باید توجه کنیم طول پلاگی که از مغزه تهیه می‌کنیم باید با سایز کور هولدر دستگاه سیلابزنی ما هماهنگ باشد. در خصوص کور هولدر در ادامه توضیح خواهیم داد.

اجزای سیستم کورفلادینگ


نگهدارنده مغزه یا کور هولدر (Core Holder)
کور هولدر یکی از اجزای بسیار مهم در سیستم کورفلاد است. هدف از وجود کور هولدر این است که محفظه‌ای مستحکم داشته باشیم که مغزه درون آن قرار بگیرد به طوری که بتوانیم فشار محصورکننده را به جداره جانبی مغزه اعمال کنیم و در واقع شرایط overburden pressure را برای مغزه ایجاد کنیم و از طرف دیگر کاری کنیم که جریان فقط به صورت خطی از درون سنگ عبور کند و جریان شعاعی نداشته باشیم. یعنی سیال از مقطع دایره‌ای پلاگ استوانه‌ای شکل ما وارد و از سمت دیگر آن خارج شود؛ یعنی در حقیقت جریان از face ورودی سنگ وارد شده و از face خروجی خارج شود و هیچ جریانی به سمت جداره جانبی این استوانه (مغزه) حرکت نکند.



برای اینکه این اتفاق بیفتد تنها راه این است که روی تمام جداره جانبی سنگ فشاری وجود داشته باشد که از فشار سیال درون سنگ بیشتر باشد به طوری که سیال درون سنگ تمایلی به حرکت به سمت جداره جانبی سنگ پیدا نکند و به حرکت خطی خود درون سنگ ادامه دهد و هیچ جریان شعاعی به سمت جداره مغزه نداشته باشیم.

به این جهت از یک لوله لاستیکی هم‌اندازه مغزه استفاده می‌کنیم که به آن اسلیو (sleeve) گفته می‌شود و سنگ را درون این اسلیو قرار می‌دهیم. سپس به پشت اسلیو توسط روغن یا آب، و به کمک یک پمپ هیدرولیکی دستی یا اتوماتیک، فشار اعمال می‌کنیم. این فشار از طریق اسلیو به جداره جانبی سنگ وارد می‌شود و دو سر دایره‌ای شکل مغزه سنگی کاملا باز و آزاد است و سیال می‌تواند به راحتی وارد سنگ شده و از آن خارج شود.


در فضای پشت اسلیو لاستیکی، سیال محصور کننده (روغن یا آب) قرار می‌گیرد که یک تنش شعاعی (radial stress) بر روی سنگ اعمال می‌کند که شرایط overburden pressure را که سنگ‌ مخزن در زیر زمین تحمل می‌کند کاملا شبیه‌سازی می‌کند.

در ابتدا و انتهای مغزه هم دو المان برای توزیع جریان وجود دارد که به آنها distributor گفته می‌شود. distributor سطح مقطعی دایره‌ای شکل و هم‌اندازه مغزه دارد. اسلیو از لبه دیستریبیوتر شروع می‌شود، پلاگ را در بر می‌گیرد و جلو می‌رود تا به لبه دیستریبیوتر بعدی برسد.به این ترتیب دیستریبیوتر‌ها به وسیله اسلیو کاملا مهار می‌شوند تا به خوبی به مغزه بچسبد تا هیچ‌گونه نشت سیال وجود نداشته باشد.



وقتی سیال از لوله‌های تعبیه شده به سمت کورهولدر می‌رود و سپس به سنگ می‌رسد از فضایی تانک گونه (tank type) به فضای متخلخل سنگ (porous media) می‌رسیم. در حقیقت distributor واسطه‌ای بین این دو مدیای مختلف است و هدف از آنها توزیع بهینه جریان از لوله‌ها به درون سنگ است. همه این اجزا با هم سیستم نگهدارنده مغزه (core holder) را تشکیل می‌دهند.

سیلندر‌های انتقال (Transfer Vessel)
تعدادی سیلندر مجهز به پیستون و از جنس استیل زنگ نزن هستند که هدف از آنها ذخیره سازی سیالاتی است که قرار است به درون مغزه تزریق شوند. به سینلدرهای انتقال گاهی accumulator هم گفته می‌شود.
فرض کنید قرار است به داخل مغزه، نفت، آب و یا گاز تزریق کنیم. لازم است سیلندر‌هایی داشته باشیم تا این سیالات را درون آنها ذخیره سازی کنیم تا در موقع مورد نیاز بتوانیم به کمک پمپ تزریق به راحتی محتوای آنها را به درون مغزه تزریق کنیم.



سیستم سیلندرهای انتقال به صورت سیلندرهایی توخالی است که درون آنها پیستون متحرک وجود دارد به طوری که داخل هر سیلندر را به دو بخش بالایی و پایینی تقسیم می‌کند که ارتباط هیدرولیکی مستقیم با هم ندارند. ارتباط هیدرولیکی بین بخش بالایی و بخش پایینی سیلندر توسط O-ring و پکینگ قطع می‌شود ولی در عین حال پیستون می‌تواند درون سیلندر حرکت کند.

بخش پایینی سیلندر با آب مقطر پر می‌شود و بخش بالایی آن توسط سیال تزریقی مثلا نفت پر می‌شود. آب مقطر در حقیقت سیال واسطه‌ای است که نیروی هیدرولیکی پمپ را به نفت وارد می‌کند.



به این منظور پمپ تزریق به بخش پایینی سیلندرها متصل می‌شود و فشار آب مقطر را بالا می‌برد. این فشار توسط پیستون به بخش بالایی (نفت) وارد می‌شود و به این ترتیب بدون اینکه نفت تماس مستقیم با اجزای پمپ تزریق داشته باشد، فشار می‌گیرد و وارد سنگ می‌شود.

نفت‌هایی که اجزای اسیدی دارند اگر با پمپ تزریق تماس مستقیم داشته باشند عمر مفید پمپ را کم می‌کنند. از این رو وجود ترنسفر وسل‌ها به طول عمر پمپ تزریق هم کمک می‌کند.

خود آب مقطر هم به مرور زمان می‌تواند محلی برای تولید انواع باکتری و جلبک‌ها باشد که در درازمدت آسیب جدی به پمپ تزریق وارد می‌کنند. از این رو بهتر است درون آب مقطر حلال‌های آلی بریزیم تا محیط برای رشد این موجودات فراهم نشود. از جمله حلال‌های آلی می‌توان از اتانول یا ایزوپروپیل الکل استفاده کرد که به ازای هر یک لیتر آب مقطر، اضافه کردن چند قطره از آنها کفایت می‌کند.

حجم ترنسفر وسل‌ها معمولا بین ۷۰۰ سی‌سی تا ۱ لیتر مناسب است اما بسته به نوع آزمایش ممکن است حجم‌های بیشتر هم مورد استفاده قرار بگیرد. تعداد این سیلندرها معمولا بین دو تا سه عدد است. که از هر کدام می‌توان برای نفت، آب، گاز یا پلیمر و یا انواع محلول‌های تزریقی استفاده کرد. فشاری که قرار است ترنسفر وسل‌ها با آن کار کنند در بازه high pressure است که محدوده ۶۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ psi یعنی معادل ۴۰۰ تا ۷۰۰ بار را شامل می‌شود.

تذکر مهم: گاز یک سیال بسیار تراکم‌پذیر است در نتیجه وقتی فشار خیلی بالا برود خطرناک می‌شود. به این معنی که اگر راهی به بیرون پیدا کند مایل است به یکباره افزایش حجم بسیار زیادی بدهد و در نتیجه حالت انفجاری پیدا می‌کند. از این رو در هنگام کار با گاز به عنوان سیال تزریقی باید خیلی احتیاط کرد و از ترنسفر وسل‌های کاملا مطمئن و sealed استفاده کرد. همچنین می‌توانیم از کپسول‌های پرفشار گازی هم به جای ترنسفر وسل گاز استفاده کنیم و آن‌ها را مستقیما به سیستم کورهولدر وصل کنیم.

سیستم محصورکننده (Confining System)
این سیستم همانطور که در بخش کورهولدر هم توضیح دادیم به منظور ایجاد فشار روباره (overburden pressure) بر روی سنگ به کار می‌رود. سیال محصورکننده به صورت آب یا روغن توسط پمپ هیدرولیکی دستی یا اتوماتیک تمام فضای پشت اسلیو را احاطه کرده و آن را تحت فشار قرار می‌دهد. اسلیو چون از جنس لاستیک است با افزایش فشار تغییر شکل می‌دهد و شکل سنگ را به خود گرفته و آن را محکم نگه می‌دارد. به این ترتیب بدون اینکه سیال محصورکننده تماس مستقیم با سنگ داشته باشد از طریق اسلیو نیروی خود را روی جداره جانبی سنگ اعمال می‌کند.


پمپ‌های دستی (Hand Pump) معمولا برای ایجاد فشار هیدرولیکی در سیستم محصورکننده مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین می‌توان از پمپ‌های اتوماتیک سورنگی (Syringe pump) به این منظور استفاده کرد. هدف این است که آب یا روغن تحت فشار هیدرولیکی قرار بگیرد و اینجا قرار نیست جریانی با دبی مشخص ایجاد کنیم. لذا می‌توان به راحتی با چرخاندن دسته‌های پمپ دستی یا بالا و پایین بردن دسته پمپ‌های جک‌مانند، سیال محصورکننده را به فشار مورد نظر رساند.

سیستم حرارتی (Heating System)
همانطور که در اوایل این مطلب هم اشاره شد، لازم است در پروسه کورفلاد، دمای سیستم را به دمای مخزن نزدیک کنیم تا شرایط مشابه مخازن زیرزمینی شود.
اگر دمای مخازن نفتی را به طور میانگین ۸۰ درجه سانتی‌گراد در نظر بگیریم ما نیازمند یک حمام هوا یا در حقیقت یک آون (Oven) هستیم که این شرایط دمایی را برای ما ایجاد کند. معمولا کورهولدر و ترنسفر وسل‌ها درون آون قرار می‌گیرند تا سنگ و سیال تحت دمای واقعی مخزن قرار داشته باشند.



دمای مخازن نفتی به ندرت از ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد بالاتر می‌رود لذا به کار بردن آون با توانایی بالا بردن حرارت تا ۱۵۰ درجه برای مطالعه شرایط نفت مخزن کفایت می‌کند. مگر اینکه بخواهیم روش‌های خاص ازیاد برداشت حرارتی را در پروسه کورفلاد مورد آزمایش قرار دهیم.

رگلاتور پس‌فشار (Back Pressure Regulator)
یک قطعه بسیار مهم در کورفلادینگ رگلاتور پس‌فشار است. قبل از بررسی این قطعه مهم اجازه دهید مفهوم پس‌فشار را بررسی کنیم. برای این منظور لازم است ابتدا کارکرد رگلاتور را بفهمیم. اساسا دو نوع رگلاتور فشار وجود دارد یکی رگلاتور فشار (Pressure Regulator) و دیگری رگلاتور پس‌فشار (Back Pressure Regulator). رگلاتور فشار یک شیر normally open است؛ یعنی در حالت عادی باز است و در ابتدای یک سیستم قبل از عدوات حساس به فشار قرار داده می‌شود تا فشار بالادست جریان را به حد مورد نیاز کاهش دهد به این منظور که فشار جریان بعد از خودش را روی مقدار مشخصی تنظیم کند.

اما رگلاتور پس‌فشار اساسا یک شیر normally closed است و در حالت عادی بسته می‌باشد و معمولا در انتهای سیستم قرار می‌گیرد تا با مسدود کردن مسیر جریان فشار بالادست خود را تنظیم کند.

در حقیقت هر گاه بخواهیم در یک سیستم فشار بالادست جریان را روی مقدار مشخصی تنظیم کنیم نیازمند رگلاتور پس‌فشار هستیم.

در کورفلاد معمولا لازم است انتهای مغزه فشار مشخصی (فشاری بیشتر از فشار اتمسفریک) داشته باشد. چرایی این موضوع به این برمی‌گردد که از آنجایی که بسته به خواص سنگ و سیال تزریقی، افت فشار سیال جریانی از ابتدا تا انتهای مغزه مقدار مشخصی است، روش تنظیم فشار سیال در ابتدای مغزه تنها از طریق تنظیم فشار انتهای مغزه امکان‌پذیر خواهد بود.

به عبارت دیگر چون افت فشار در طول مغزه مقدار مشخصی است، برای اینکه در ابتدای مغزه فشار مشخصی داشته باشیم ناچاریم از رگلاتور پس‌فشار در انتهای مغزه استفاده کنیم.



اما طرز کار و مکانیسم عملکرد رگلاتور پس‌فشار چگونه است؟ مانند همه رگلاتورها، رگلاتور پس‌فشار یک مسیر ورودی سیال و یک مسیر خروجی سیال دارد. یک مسیر تأمین فشار روباره هم در آن وجود دارد. به وسیله ترکیبی از سیال و گاز یک فشار گنبدی (dome pressure) که مثل فنر عمل می‌کند در بالای رگلاتور پس‌فشار وجود دارد به نحوی که رگلاتور را در حالت عادی بسته نگه می‌دارد و اجازه نمی‌دهد سیال ورودی به رگلاتور، از آن خارج شود.

مثلا فرض کنید 1000 psi فشار روباره به رگلاتور پس‌فشار اعمال کرده‌ایم. در این حالت عملا رگلاتور را بسته‌ایم. فشار سیال ورودی به رگلاتور توانایی غلبه بر فشار مخالف 1000 psi‌ را ندارد لذا نمی‌تواند از رگلاتور خارج شود. رفته رفته در مسیر ورودی جریان به رگلاتور، ذره ذره به مقدار سیال اضافه می‌شود که باعث بالا رفتن فشار سیال ورودی به رگلاتور می‌شود. لحظه‌ای که فشار سیال ورودی به یک اپسیلون بالاتر از 1000 psi می‌رسد، پیستون آب‌بند درون رگلاتور به سمت بالا هل داده شده و مسیر خروجی جریان باز می‌شود و در نتیجه فشار سیال ورودی دقیقا روی 1000 psi تنظیم می‌شود و دیگر بالاتر نمی‌رود. به این ترتیب فشار بالادست رگلاتور دقیقا روی 1000 psi‌ تنظیم می‌شود. از این رو به آن رگلاتور «پس‌فشار» گفته می‌شود.

مبدل‌های فشار (Pressure Transducer)
یکی از قطعات مهم دیگر در کورفلاد که جزء ابزار دقیق قرار می‌گیرند، سنسور‌های فشار یا به عبارت بهتر مبدل‌های فشار (Pressure Transducer) هستند که به آنها اصطلاحا PT هم گفته می‌شود. وظیفه این مبدل‌ها قرائت فشار با دقت بالاست. علت اینکه به آنها «مبدل» فشار گفته می‌شود این است که پارامتر‌های مکانیکی ناشی از فشار سیالات را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و به ما خروجی قابل ثبت در کامپیوتر یا PLC می‌دهند (‌PLCها کنترلر‌هایی شبیه به کامپیوتر هستند که به منظور کنترل سیستم‌ها روی آنها نصب می‌شوند ولی فقط قابلیت کنترل کردن دستگاه مورد نظر را دارند و قابلیت‌های مالتی‌مدیای کامپیوتر را ندارند).


معمولا در ابتدا و انتهای کورهولدر، از مبدل‌های فشار استفاده می‌شود. ضمنا برای سیستم محصورکننده و نیز برای رگلاتور پس‌فشار می‌تواان از مبدل‌های فشار استفاده کرد.



علاوه بر موارد گفته شده معمولا به دو سر کورهولدر یک عدد DP (Differential Pressure Transducer) متصل می‌شود که به طور مستقیم اختلاف فشار دوسر مغزه را محاسبه می‌کند و به ما دلتا پی می‌دهد. DP خود نوعی مبدل فشار است که اختلاف فشار دو سر کورهولدر را به طور مستقیم حساب می‌کند و نمایش می‌دهد.

پمپ تزریق
یکی از بخش‌های بسیار مهم در کورفلادینگ پمپ تزریق سیال است. این پمپ‌ها یک ویژگی مهم دارند و آن اینکه قابلیت تزریق با دبی بسیار کم و فشار بسیار زیاد دارند. مثلا یک پمپ تزریق ایده‌آل برای کورفلاد باید بتواند از دبی 0.001 cc/min و تا فشارهای 10000 psi را براحتی تزریق کند.



پمپ‌هایی که چنین ویژگی خاصی داشته باشند معمولا بسیار گران‌قیمت هستند و یکی از دلایل گران بودن ست‌آپ کورفلاد هم همین موضوع است.

پمپ‌های سورنگی (syringe pump) پرفشار که پمپ‌های سیلندر و پیستونی رفت و برگشتی هستند برای تزریق سیال در سیستم کورفلاد مورد استفاده قرار می‌گیرند. ضمنا پمپ‌های HPLC نیز در کورفلاد مورد استفاده قرار می‌گیرند. پمپ‌های HPLC اساسا برای استفاده از کروماتوگرافی مایع ساخته می‌شوند که سیالات مختلف را با فشار بالا و دبی کم به درون ستون‌های کروماتوگرافی که آن نیز محیطی متخلخل شبیه سنگ مخزن است تزریق می‌کنند. از این رو پمپ‌های HPLC را می‌توان به عنوان پمپ تزریق سیال در سیستم کورفلاد هم استفاده کرد.



به طور کلی دو نوع روش تزریق سیال به درون سنگ امکان‌پذیر است. روش اول تزریق با دبی ثابت است. در این حالت پمپ را روی عدد مشخصی برای دبی تزریق تنظیم می‌کنیم. فشار نوسان می‌کند تا نتیجه آن دبی ورودی و خروجی ثابت باشد.
روش دیگر، تزریق با فشار ثابت است که در این حالت دبی متغیر خواهد بود و بسته به شرایط عوض می‌شود و نوسان دارد برای این منظور که فشار تزریق فشار ثابتی باشد.

هر کدام از این سناریو‌های تزریق برای شرایط مخصوصی است و بسته به پژوهشی که مد نظر است گاهی لازم داریم با دبی ثابت و گاهی هم با فشار ثابت تزریق کنیم.
نکته مهم: پمپ‌های HPLC ذاتا پمپ‌هایی فقط با قابلیت تزریق با دبی ثابت هستند. اما چنانچه بخواهیم از این پمپ‌ها جریان با فشار ثابت بگیریم لازم است علاوه بر خود پمپ از کنترلر‌های اضافی نرم‌افزاری که قابلیت تزریق با فشار ثابت را فراهم می‌کنند نیز استفاده کنیم.



برای جمع‌بندی بد نیست بدانیم که در یک سیستم کورفلاد حداقل به سه نوع پمپ نیاز داریم.
پمپ برای تزریق سیال: که پمپی است که سیال را با دبی یا فشار ثابت از درون ترنسفر وسل‌ها به درون مغزه تزریق کند و درباره آن توضیح دادیم
پمپ هیدرولیکی دستی یا سورنگی: برای تأمین فشار در سیستم محصورکننده و سیستم پس‌فشار
پمپ خلاء: به منظور وکیوم کردن لاین‌ها و مغزه سنگ تا کاملا از هوا خالی شوند و آماده تزریق سیال گردند.


در این مطلب به طور مختصر سعی کردیم سیستم کورفلادینگ را معرفی کنیم و اجزای آن را مورد بررسی قرار دهیم. مواردی مثل سناریوهای تزریق و مراحل انجام کورفلاد گستردگی بیشتری دارند و نمی‌توان در قالب یک مطلب مختصر به آنها اشاره کرده و از موضوع عبور کرد. مقالات تخصصی بسیار زیادی در اینترنت وجود دارد که انواع سناریوهای تزریق را مورد بحث و بررسی قرار داده‌اند و توصیه می‌شود حتما مطالعه چنین مقالاتی را در برنامه خود بگنجانید.