تولیدکننده‌ی سیال حفاری،

مزیت فناوری کوریولیس (Coriolis Advantage) را کشف می‌کند

اهمیت سیال حفاری

سیال حفاری برای موفقیت استخراج نفت حیاتی است. این سیال معمولاً از آب، خاک رس و ترکیبی پیچیده از مواد شیمیایی تشکیل شده است و وظایف متعددی را در طول فرآیند حفاری انجام می‌دهد:

• روانکاری و خنک‌کاری مته در شرایط فشار و دمای بالا

• انتقال بقایای حفاری به سطح

• حفظ پایداری و ایمنی چاه نفت

با این حال، سیال حفاری یک راه‌حل عمومی نیست. برای عملکرد صحیح، سیال باید بر اساس شرایط جغرافیایی منحصربه‌فرد هر محل حفاری بهینه‌سازی شود.

یکی از تولیدکنندگان سیالات حفاری در آمریکای شمالی، مواد شیمیایی مورد نیاز را با هم ترکیب می‌کند و برای تأمین دقیق و سازگار الزامات هر مشتری، به تجهیزات اندازه‌گیری فرآیندی از شرکت زیمنس متکی است.

الزامات بسیار پر تقاضا

یک شرکت خدمات نفتی بسیار بزرگ، که ده‌ها هزار نفر را در سراسر جهان استخدام می‌کند، در کارخانه خود در غرب میانه ایالات متحده، بر تولید مخلوط‌های شیمیایی ضروری برای سیالات حفاری تمرکز دارد.

این کارخانه مقادیر بسیار زیادی از مواد شیمیایی عمده مانند اسید سولفوریک، نیتروژن و آب نمک، به همراه مقادیر کمتری از مواد شیمیایی ریز و افزودنی‌های اختصاصی را دریافت می‌کند. سپس مواد شیمیایی در قسمتی به نام “خانه اختلاط” (Mixing House) اندازه‌گیری شده تا محلول‌های سفارشی برای طیف وسیعی از کاربردهای حفاری و نگهداری چاه نفت تولید شود.

از آنجایی که مشخصات هر ترکیب شیمیایی منحصر به فرد و بسیار سخت‌گیرانه است، لوله‌ها در خانه اختلاط باید مجهز به فناوری اندازه‌گیری جریان باشند که دقت، تکرارپذیری و قابلیت اطمینان فوق‌العاده‌ای داشته باشد، حتی زمانی که صدها یا هزاران گالن سیال از آن‌ها عبور می‌کند.

سال‌ها، این کارخانه به دلیل توانایی در مدیریت حجم زیاد سیالات، به لودسل‌ها (Load Cells) متکی بود؛ اما لودسل‌ها فضای کف ارزشمند قابل توجهی را اشغال کرده و نیاز به کالیبراسیون منظم داشتند. همچنین، لودسل‌ها تا پر شدن کامل مخازن قادر به اندازه‌گیری نبودند که اغلب منجر به عملیات کندتر از حد ایده‌آل می‌شد.

در جستجوی کارایی بیشتر

کارخانه برای بهبود کارایی زمان و هزینه، بدون قربانی کردن عملکرد اندازه‌گیری، تصمیم گرفت یک فلومتر جرمی کوریولیس (Coriolis mass flowmeter) را روی یکی از خطوط لوله خود آزمایش کند. اما این فلومتر نتوانست در شرایط چالش‌برانگیز داخل خانه اختلاط دوام بیاورد؛ نویز خط، ارتعاشات لوله و پارامترهای اندازه‌گیری متغیر به سرعت آن را از کار انداخت.

از آنجا که تجهیزات مختلفی از جمله حسگرهای سطح رادار، سطح نقطه‌ای، فشار، دما و موقعیت‌یابی زیمنس در سراسر تأسیسات با موفقیت در سیستم‌های کنترل توزیع‌شده APACS+ و SIMATIC PCS7 ادغام شده بودند، کارخانه پس از شکست اولین متر آزمایشی، به دنبال یک گزینه جایگزین از زیمنس گشت. در این مرحله بود که با SITRANS FC430 آشنا شدند.

مزیت فناوری کوریولیس

تکنسین زیمنس همراه با کارخانه، یک فلومتر دیجیتال کوریولیس SITRANS FC430 را در همان محل روی لوله نصب کرد. این دستگاه بلافاصله و بدون هیچ‌گونه تنظیماتی برای جبران شرایط خاص کاربرد، عملکردی بهتر از متر رقیب نشان داد، زیرا ساختار مقاوم آن اثرات نویز فرآیند را به حداقل می‌رساند.

پس از تنظیم دقیق توسط تکنسین، دقت متر به 0.1 ٪ نرخ جریان افزایش یافت  سطحی از دقت که لودسل‌ها هرگز به آن دست نیافته بودند.

اپراتورهای کارخانه همچنین از ابعاد فشرده این متر استقبال کردند؛ در حالی که برای اندازه‌گیری جریان از طریق هر لوله به دو لودسل حجیم به همراه مخزن نیاز بود، یک FC430 واحد توانست همان کار را انجام دهد. همچنین، رابط کاربری گرافیکی (HMI) راه‌اندازی (Commissioning) را بسیار ساده کرد؛ با ساختار منوی بصری و ویزارد‌های برنامه‌نویسی که حتی بی‌تجربه‌ترین کاربران را به آسانی در هر بخش از فرآیند راهنمایی می‌کردند.

راهکار کوریولیس زیمنس به سرعت نشان داد که دقت آن در یک دوره طولانی تکرارپذیر است، و کارخانه به حدی به این متر اطمینان پیدا کرد که نصب لودسل‌ها را به طور کامل حذف نمود.

بهره‌وری به سرعت افزایش یافت، زیرا برخلاف لودسل‌ها، FC430 جریان را در محل (in-situ) اندازه‌گیری کرده و قرائت‌های آنی (Real-time) ارائه می‌دهد – مزیتی بزرگ که به کارخانه اجازه می‌دهد سیال حفاری بیشتری را در زمان کمتری تولید کند.

امروزه، ده‌ها واحد FC430 چندین کاربرد را در سراسر تأسیسات نظارت می‌کنند. زیمنس اکنون موجودی محلی برای شرکت ایجاد کرده تا سریع‌ترین تحویل ممکن را تضمین کند، و اپراتورها از سطح بالای پاسخگویی که هنگام تماس با زیمنس برای سفارش جدید یا پشتیبانی محصول تجربه می‌کنند، راضی هستند.

کاربرد کوریولیس فلومتر زیمنس و سیستم‌های کنترل زیمنس در صنعت حفاری نفت

یکپارچه‌سازی SITRANS FC Coriolis + PLC S7-1500 + ET200SP + درایوهای زیمنس + اسکادا در کنترل جریان، گل حفاری، سیال بازگشتی و عملیات Downhole

۱. مقدمه پروژه

در عملیات حفاری نفت، کنترل دقیق جریان سیالات حفاری، میعانات، گل بازگشتی، سیالات پایه آب یا پایه نفت، و حتی کنترل خوراک پمپ‌های چاه اهمیت حیاتی دارد. کوچک‌ترین انحراف در دبی، چگالی، ویسکوزیته یا جرم حجمی می‌تواند منجر به Blowout، خوردگی تجهیزات، افت بازده حفاری یا خسارت‌های چند میلیون دلاری شود.
به همین دلیل، در این پروژه از کوریولیس فلومترهای زیمنس سری SITRANS FC300/FC310/FC500 برای اندازه‌گیری دقیق دبی جرمی و چگالی سیال استفاده شده و کل سیستم توسط PLC S7-1500F، ماژول‌های ET200SP، شبکه PROFINET/PROFIsafe و سیستم مانیتورینگ WinCC Unified کنترل و نظارت می‌شود.

۲. معرفی تجهیزات پروژه

• کوریولیس فلومتر زیمنس SITRANS FC
  برای اندازه‌گیری دبی جرمی، دبی حجمی، چگالی، دما و تشخیص شرایط دو فازی

• PLC S7-1500F
  اجرای کنترل حلقه بسته، Safety، الگوریتم‌های پیشرفته حفاری

• ET200SP / ET200MP
  جمع‌آوری ورودی/خروجی‌های میدان (فشار، سطح، شیرها)

• درایوهای SINAMICS G120/S120
  کنترل الکتروموتور پمپ‌های Mud و circulation

• WinCC Unified
  مانیتورینگ، لاگ، آلارم، گزارش‌های حفاری

• رله‌های ایمنی Pilz یا PROFIsafe زیمنس
  کنترل مناطق خطرناک و حفاظت پرسنل

۳. نقش کوریولیس فلومتر زیمنس در حفاری

۳–۱. اندازه‌گیری دبی جرمی گل حفاری (Drilling Mud)

گل حفاری دارای ویسکوزیته بالا، ذرات جامد، مواد افزودنی و تغییر فازهای مختلف است؛ بنابراین نیازمند ابزاری است که تحت تأثیر ویسکوزیته، فشار و دما قرار نگیرد.
کوریولیس زیمنس تنها ابزار میدان است که بدون قطعه متحرک و بدون وابستگی به پروفایل جریان، دبی جرمی واقعی را ارائه می‌دهد.

در حفاری، کنترل دبی جرمی گل بیش از اندازه‌گیری دبی حجمی اهمیت دارد، زیرا حجم به دلیل تراکم‌پذیری و تغییر چگالی تحت فشار تغییر می‌کند. فلومترهای SITRANS FC با اندازه‌گیری مستقیم نیروی ناشی از اثر کوریولیس، دبی جرمی را با دقت ۰.۱٪ ارائه می‌دهند که برای کنترل Feed Rate گل و جلوگیری از تشکیل Cuttings Bed بسیار مهم است. مزیت بزرگ این فلومترها توانایی کارکرد در گل سبک، سنگین، پایه نفت، پایه آب و حتی سیالات دو فازی است. در این پروژه، خروجی Coriolis از طریق PROFINET و با نرخ به‌روزرسانی بالا (High Update Rate) به PLC S7-1500 منتقل می‌شود، و این سرعت نمونه‌برداری امکان اجرای حلقه‌های PID سریع برای کنترل پمپ‌های Mud Pump را فراهم می‌کند. در شرایط HTHP (High Temperature High Pressure) که دما و فشار شدید هستند، الگوریتم جبران‌ساز حرارتی داخلی Siemens باعث حفظ دقت اندازه‌گیری می‌شود. همچنین تغییرات لحظه‌ای چگالی در خروجی کوریولیس می‌تواند به‌عنوان شاخص وجود گازهای آزاد (Gas Cut) شناسایی شود که برای پیش‌بینی Blowout بسیار حیاتی است.

۳–۲. کنترل جریان بازگشتی (Return Flow Monitoring) در Mud Pit

کوریولیس جریان برگشتی را اندازه‌گیری و با جریان ورودی مقایسه می‌کند.

اختلاف بین دبی ورودی و دبی خروجی بهترین شاخص برای تشخیص Kick یا Loss در حفره چاه است. در این پروژه، داده‌های Coriolis خروجی با الگوریتم Mass Balance در PLC مقایسه می‌شود. اگر اختلاف بیشتر از مقدار آستانه (مثلاً ۲٪) باشد، سیستم به‌طور خودکار دستور کاهش سرعت پمپ یا افزایش وزن گل را صادر می‌کند. داده‌های چگالی خروجی نیز بررسی می‌شود؛ کاهش ناگهانی چگالی نشانه ورود گازهای آزاد از Downhole است. در این حالت خروجی PROFIsafe از PLC، شیرهای BOP را فعال می‌کند. قابلیت اندازه‌گیری لحظه‌ای چگالی توسط کوریولیس زیمنس، دقت تشخیص Kick را چند برابر می‌کند، زیرا تنها چند ثانیه تا Blowout فاصله وجود دارد. کوریولیس به‌دلیل عدم نیاز به Straight Run، مستقیماً در مسیر بازگشتی Pit نصب شده و کمترین فضای ممکن را اشغال می‌کند.

۴. نقش S7-1500 در کنترل حفاری

۴–۱. حلقه‌های PID و الگوریتم‌های حفاری

• کنترل دبی پمپ‌های mud

• کنترل نسبت Additives

• کنترل فشار Standpipe

• کنترل سرعت گردش (RPM) و ROP

PLC S7-1500 به‌ویژه مدل‌های 1516F یا 1518F برای حفاری انتخاب می‌شوند، زیرا نیاز به پردازش سریع حلقه‌های PID، مدیریت داده‌های حجیم و Safety هم‌زمان وجود دارد. در این پروژه، هر فلومتر کوریولیس یک PID اختصاصی دارد که Flow Setpoint پمپ‌های گل را کنترل می‌کند. علاوه بر PID استاندارد، الگوریتم Anti-Slug و Anti-Kick نیز در PLC تعریف شده است. با دریافت فیدبک چگالی از کوریولیس، کنترلر می‌تواند نسبت مواد افزودنی (Barite یا Bentonite) را تنظیم کند تا وزن گل در محدوده ایمن باقی بماند. ویژگی Diagnostic Buffer و Trace داخلی S7-1500 امکان ضبط دیتای فشار، جریان و چگالی را در هر میلی‌ثانیه فراهم می‌کند؛ این اطلاعات در حفاری جهت تحلیل شرایط چاه بسیار حیاتی است. ارتباط PROFIsafe نیز برای مدیریت ESD، کنترل BOP و محافظت پرسنل استفاده شده است. قابلیت OPC UA داخلی PLC امکان ارسال مستقیم داده‌ها به سیستم‌های Drilling Analytics یا DCS را فراهم می‌کند.

۵. ET200SP و شبکه PROFINET در چاه

۵–۱. جمع‌آوری داده‌های فشار، لرزش، سطح Pit و کنترل شیرها

• ماژول‌های فشار دقیق

• ورودی‌های RTD برای دمای گل

• خروجی‌های آنالوگ برای شیرهای کنترل جریان

• ورودی Safety برای سنسورهای H2S

ET200SP به دلیل طراحی Compact و قابلیت کار در شرایط سخت انتخاب مناسبی برای Rig Floor است. این ماژول‌ها قادر به تحمل دما، لرزش و رطوبت بالا هستند و با پروفینت ارتباط Real-Time برقرار می‌کنند. یکی از مزیت‌های آنها پشتیبانی از High Speed Counter برای اندازه‌گیری لرزش پمپ‌ها و تشخیص Cavitation است. همچنین ورودی‌های RTD با دقت بالا امکان پایش دمای گل را فراهم می‌کنند، زیرا افزایش دما نشانه اصطکاک بیش‌ازحد یا کاهش ویسکوزیته محسوب می‌شود. ماژول‌های Safety نیز امکان اتصال مستقیم Gas Sensorهای H2S را می‌دهند و در صورت تشخیص نشت گاز، بلافاصله بخشی از سیستم را ایزوله می‌کنند. قابلیت Hot-Swap نیز باعث می‌شود بدون توقف حفاری بتوان ماژول را تعویض کرد.

۶. نقش درایوهای زیمنس در کنترل پمپ‌های حفاری

۶–۱. G120/S120 در پمپ‌های گل

• کنترل گشتاور

• جلوگیری از Cavitation

• محافظت در برابر Overpressure

درایوهای G120 به‌همراه موتورهای القایی، و درایوهای S120 به‌همراه موتورهای سنکرون، در پمپ‌های گل استفاده می‌شوند. قابلیت کنترل گشتاور در حالت Torque Control امکان جلوگیری از پدیده Over-Torque و تخریب Drill String را فراهم می‌کند. فیدبک دبی جرمی از کوریولیس به‌صورت Real-Time وارد حلقه کنترل درایو می‌شود و سرعت پمپ به‌طور خودکار تنظیم می‌شود. در حالت کاهش جریان (Loss) یا افزایش ناگهانی فشار (Kick)، درایو با سرعت واکنش بالا پمپ را کاهش می‌دهد تا تعادل فشار چاه حفظ شود. داده‌های گشتاور و جریان موتور به PLC منتقل می‌شود و در الگوریتم‌های پیش‌بینی خرابی قابل استفاده است.

۷. مانیتورینگ و SCADA WinCC Unified

• نمودارهای Mass Flow، Density، Pressure، Torque

• آلارم‌های Kick/Loss

• گزارش‌های روزانه حفاری

• اتصال OPC UA یا MQTT

WinCC Unified امکان ثبت و نمایش داده‌های لحظه‌ای از ده‌ها فلومتر کوریولیس، سنسور فشار، درایو و تجهیزات ایمنی را فراهم می‌کند. نمودار Real-Time چگالی گل خروجی و ورودی به اپراتور کمک می‌کند تا شرایط چاه را پیش‌بینی کند. سیستم گزارش‌دهی می‌تواند مقدار روزانه گل مصرفی، مقدار گاز ورودی و نرخ پیشروی حفاری را ثبت کند. در شرایط اضطراری، WinCC با یکپارچگی PROFIsafe فرمان Shut-Down را نمایش و لاگ می‌کند. این سیستم با پلتفرم‌های Real-Time Drilling Analytics مانند Halliburton EDMT یا Schlumberger قابل اتصال است و داده‌ها را با OPC UA منتقل می‌کند.