المقدمة

في عمليات استخراج النفط في بلادنا، تشكّل الآبار ذات الزيت الثقيل نسبة كبيرة جدًا. يتميّز هذا النوع من الآبار بارتفاع لزوجة النفط الخام وارتفاع درجة التجمد وكثافة عالية ونسبة عالية من الشمع، مما يجعل استخراجه صعبًا للغاية. حاليًا، فإن تقنية الاستخلاص الحراري للزيوت الثقيلة هي الأكثر انتشارًا والأكثر فعالية في استخراج هذه الآبار، سواء داخل البلاد أو خارجها. وتقوم هذه التقنية على استخدام تقنية التسخين الكهربائي بواسطة قضبان مجوفة لتسخين النفط الخام بالكامل داخل أنابيب النقل، مما يُخفّض لزوجته ويمنع تكوّن الشمع داخل الأنابيب، وبالتالي يحسّن سيولة النفط الخام. وبهذه الطريقة، يتمّ التغلب بفعالية على جميع الصعوبات الفنية التي تواجهها عمليات استخراج النفط الخام ذي درجة التجمد العالية واللزوجة المرتفعة والمحتوى العالي من الشمع، بما يحقق زيادة الإنتاجية والفعالية في الآبار النفطية.

كانت تقنية التسخين السابقة باستخدام قضبان مجوفة تعتمد على التسخين بتردد الصناعة. ونظراً لأن الحمل كان أحادي الطور، فقد تطلّب ذلك وجود محول مستقل لتحويل المدخلات ثلاثية الأطوار إلى مخرج أحادي الطور، مما أدى إلى عدم توازن في شبكة الكهرباء ثلاثية الأطوار، وانخفاض معامل القدرة، واستهلاك كبير للطاقة، وتلوث كبير للشبكة، بالإضافة إلى تأثير ضعيف في عملية التسخين، ما تسبّب في هدر كبير للطاقة الكهربائية. لذلك، بات من الضروري استكشاف طريقة تسخين متطورة لتحسين الكفاءة وتعزيز فعالية التسخين. وبعد إجراء تجارب متعددة، تمّ اللجوء إلى تقنية تحويل التردد المتطورة والمتاحة حالياً لتزويد جهاز التسخين هذا بمصدر طاقة جديد يعمل بتردد متوسط—وهو مصدر طاقة التسخين ذو التردد المتوسط من سلسلة PI500-I.

يمكن لهذا الجهاز توفير ترددات تتراوح بين 10 و3000 هرتز، ويتيح ضبطًا مستمرًا للجهد والتيار الكهربائي، مما يحقق إمكانية ضبط مستمر لطاقة الخرج. وبفضل تعزيز حث الدوامة في مصدر الطاقة المتوسط التردد، تزداد تأثيرات الجلد بشكل أكبر وتقلّ الفقدان المغناطيسي، وبالتالي تكون فعالية التسخين الكهربائي أفضل بكثير مقارنة بمصادر الطاقة ذات التردد الصناعي، مع تحقيق وفورات في الطاقة تتجاوز 20%، مما يخفض بشكل كبير استهلاك الطاقة في عمليات استخراج النفط.

يوضح الرسم التالي مبدأ عمل جهاز التسخين الكهربائي للقضبان المجوفة:

تقوم هذه الوحدة بتمرير كابل داخل قضيب الضخ الجوفاء، وتشكيل دائرة مع جسم قضيب الضخ، ثم تمرير تيار متردد بتردد الصناعة من خلالها. وباستخدام مبدأ تأثير الجلد الداخلي، يتم توليد طاقة حرارية على جدران قضيب الضخ الجوفاء، مما يؤدي إلى تسخين النفط الخام بالكامل داخل الأنبوب، ورفع درجة حرارته، وتقليل لزوجته، وتحسين سيولة حركته، ومنع تكوّن الشمع داخل الأنبوب، وبالتالي استخراج النفط الخام ذي درجة التجمد العالية واللزوجة العالية والمحتوى العالي من الشمع بكفاءة عالية.

يُظهر المخطط التالي مبدأ تأثير الجلد:

تُدخَل معدات التسخين الكهربائي لقضبان الضخ الجوفاء داخل قضبان الضخ الجوفاء، حيث تُشكّل هذه القضبان والكابلات الحرارية دائرة كهربائية موصلة. وباستخدام مبدأ تأثير الجلد، يتم تسخين الزيت الخام داخل آبار الحفر، مما يؤدي إلى خفض لزوجته وإزالة الشمع. ويُعرف تأثير الجلد أيضًا باسم تأثير التوجه نحو السطح؛ إذ عندما يمر تيار متردد عبر موصل، يتجمع التيار في الطبقة السطحية للموصل بدلاً من أن يوزع بشكل متساوٍ على كامل مقطع الموصل. ويُطلق على هذه الظاهرة اسم تأثير الجلد.

عندما يمر كابل عبر أنبوب فولاذي مكونًا دائرةً ويُمرَّر عبره تيار متردد، فإن التيار في مقطع الأنبوب الفولاذي يتركز بشكل رئيسي على السطح الداخلي للأنبوب. تُعرف هذه الظاهرة بتأثير الجلد الداخلي، بينما لا يكاد يمر أي تيار عبر السطح الخارجي للأنبوب. ويمكن اعتبار الجدار الخارجي للقضيب المجوف عازلًا. لا تزداد هذه الظاهرة وضوحًا فحسب مع ارتفاع التردد، بل تصبح أيضًا أكثر بروزًا مع زيادة نصف قطر الموصل ومعامل النفاذية المغناطيسية والتوصيل الكهربائي. إن قضيب الضخ الكهربائي المسخن يعمل بالاستعانة بتأثير الجلد الداخلي؛ إذ إن المقاومة المتناوبة للقضيب المجوف أكبر بكثير من مقاومة السلك، وبالتالي يُعد القضيب المجوف الجسم الرئيسي الذي يولد الحرارة.

يوضح الرسم التالي مبدأ عمل مصدر الطاقة المتوسطة التردد من سلسلة PI500-I:

تتكون الدائرة الرئيسية لمصدر طاقة التسخين بالتردد المتوسط من هيكل تحويل تردد AC-DC-AC، وتشمل دارة المقوم، والفلترة، ودارة العاكس، ودائرة الحماية. وتتمثل طريقة عملها في تحويل التيار المتردد ثلاثي الأطوار بتردد 50 هرتز عبر جسر مقوم كامل التحكم ثلاثي الأطوار إلى تيار مستمر متذبذب قابل للتعديل في الجهد، ثم يتم استخدام المكثفات لتصفية هذا التيار المستمر المتذبذب وتحويله إلى تيار مستمر سلس ومستقر يُرسل إلى جسر العاكس أحادي الطور. وأخيرًا، يقوم جسر العاكس بتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد أحادي الطور بتردد قابل للضبط لتغذية الحمل.

ميزات أداء المنتج

تم اعتماد رقاقة تحكم خاصة من شركة Texas Instruments TI الأمريكية بمعمارية 32 بت، مما أدى إلى تحسين أداء نظام التحكم، وتبسيط الدوائر الكهربائية، وتعزيز قدرة النظام على التكيف مع الأحمال المختلفة. كما تم تحقيق التحويل الرقمي الكامل والذكي لتحكم الطاقة.

يتم استخدام ترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة العازلة (IGBT) متقدم عالي الطاقة كجهاز مفتاح طاقة، مع إمكانية ضبط تردد العاكس.

يتمتع بميزة التكيف الذاتي لتسلسل الطور، ولا حاجة إلى تحديد تسلسل أطوار الدخول. يمكن التحكم في الإخراج بطاقة ثابتة، وفولتية ثابتة، وتيار ثابت.

يتم استخدام بدء تشغيل ناعم بضغط صفر، مما يضمن معدل نجاح عالٍ وبدون اهتزازات. ويستطيع تمامًا تلبية احتياجات غالبية مستخدمي قطاع المعالجة الحرارية.

باستخدام طريقة بدء التشغيل ذات الضغط الصفري بالمسح والدائرة الآلية لإعادة التشغيل التلقائي، يمكن أن تصل نسبة نجاح بدء التشغيل إلى 100%.

يتم استخدام جهد التردد المتوسط كإشارة أخذ عينات، ولا توجد محولات تيار بتردد متوسط، ولا داعي للتمييز بين القطبية في وصلة الجزء الخرجي والحمل.

واجهة العرض لمحادثة الإنسان والآلة، يمكن من خلال لوحة المفاتيح اختيار عرض التردد التشغيلي والتيار، ونسبة دوام النبضات الناتجة، ونسبة تغيير التيار، وغيرها. كما يمكن عرض حالة الأعطال وأسبابها، مما يجعل العرض أكثر وضوحًا وأسهل في التعامل.

الجهد والتيار الخارجان قابلان للضبط المستمر، مما يسمح لنظام التسخين بالعمل في أفضل حالاته، مع معدل عالٍ لاستخدام الطاقة وتأثير واضح في توفير الطاقة. خاصية اختيار التحكم في الجهد الثابت/الطاقة الثابتة.

يستخدم الجزء الخاص بالخرج محولًا متوسط التردد ذا تصميم دائري، يهدف إلى عزل جهد الدخل وجهد الخرج، ويتم توصيله عبر مجموعة من المكثفات بمخرج خزانة التحكم، مما يوفر عزلًا للتيار المستمر ويمنع التشبع المغناطيسي الناتج عن التيار المباشر أو التحفيز الزائد. كما يمكن لهذا المحول أن يؤدي دور الرنين المتسلسل. يتم تصنيع محول التردد المتوسط من مادة التيتانيوم غير المتبلور، التي تتمتع بمعامل نفاذية مغناطيسية مرتفع وتردد عمل عالٍ، مع فقدان ذاتي للطاقة منخفض جدًا، مما يعزز كفاءة الجهاز بأكمله. وإذا تم رفع التردد أكثر، فإن حجم المحول سيصبح أصغر، وسيتحسن كفاءته العملية بشكل أكبر. وتتوفر وظائف حماية شاملة، حيث تم تجهيز الجهاز بحماية ضد التيار الزائد، والقصيرة، وارتفاع درجة حرارة الجهاز الداخلية، وكذلك ضد الجهد الزائد والمنخفض. وبفضل هذه الوظائف الكاملة، أصبح الجهاز أكثر موثوقية في العمل، ويقي من الأضرار الناجمة عن العوامل غير الطبيعية المختلفة.

كفاءة عالية في استهلاك الطاقة، مع معامل قدرة عالٍ جدًا في نطاق الطاقة الكامل.

العلاقة بين التردد وتأثير التسخين

تتجاوز مقاومة أنبوب الفولاذ تحت التيار المتردد بشكل ملحوظ مقاومته عند التيار المستمر، لأن أنبوب الفولاذ مادة مغناطيسية حديدية، ونفاذية مغناطيسيتها تزيد بـ 1000 مرة عن نفاذية النحاس. ومع ارتفاع تردد التيار، تزداد أيضًا مقاومة قضيب الضخ الجوفاء. ووفقًا لمبدأ حفظ الطاقة، فعند نفس القدرة المدخلة، كلما ارتفع تردد المصدر، زاد تأثير الجلد بقوة، وبالتالي تزداد مقاومة قضيب الضخ الجوفاء، وتزداد الطاقة الكهربائية الفعالة المكتسبة منه، مما يقلل من فقد الطاقة الذاتي للمصدر إلى أدنى حد، ما يؤدي إلى توفير كبير في الطاقة الكهربائية وتحقيق تأثير تسخين جيد.

تأثير التطبيق:

مواقع تطبيق حقل لياو خه الزيتي

مواقع تطبيق حقل داتينغ النفطي

مواقع تطبيق حقول النفط في شمال الصين

منذ طرح سلسلة منتجات PI500-I، تم استخدامها بنجاح في مناطق انتشار آبار النفط الثقيل مثل حقل داتشينغ، وحقل تشانغتشينغ، وحقل شنغلي، وحقل شمال الصين، وحقل لياوهي، وحقل يومين. ومن خلال التعديلات الميدانية، وبالتكامل مع كابلات التسخين والطاقة، يتم عادة ضبط التردد عند حوالي 400 هرتز إلى 1000 هرتز، أي بزيادة تبلغ نحو عشرة أضعاف مقارنة بالتردد الصناعي. وبناءً على الطاقة، يتم ضبط التيار الكهربائي؛ فمثلاً، يبلغ تيار الخرج من مصدر طاقة بقدرة 75 كيلوواط حوالي 80 أمبير، بينما يبلغ تيار الخرج من مصدر طاقة بقدرة 93 كيلوواط حوالي 100 أمبير. ومن خلال محول التردد المتوسط، يُنتج جهد خرج يقارب 800 فولت (جهد الخرج المتسلسل: 600 فولت، 800 فولت، 1000 فولت، 1200 فولت). وتظهر تأثيرات التسخين بشكل واضح، وتتمتع هذه التقنية بمزايا واضحة مقارنةً بالتسخين بالتردد الصناعي.

1. تحسّن معامل القدرة بشكل ملحوظ: في التسخين بالتردد الصناعي الأصلي، كان معامل القدرة يقارب 0.7، أما باستخدام التسخين بتردد متغير، فقد أظهرت الاختبارات أن المعامل يتجاوز 0.95 في جميع الحالات.

2. تقليل التلوث المُلحق بالشبكة الكهربائية. في نظام التسخين السابق الذي يعمل بتردد الصناعة، كان يلزم تحويل التيار من ثلاث مراحل إلى مرحلتين، مما أدى إلى خلل شديد في توازن الجهد الثلاثي عند مدخل المحول، وتسبب ذلك في تلوث كبير للشبكة الكهربائية. بعد استخدام محول التردد، ارتفع معامل القدرة وانخفضت محتويات التوافقيات بشكل واضح، مما خفف من التلوث المُلحق بالشبكة الكهربائية.

3. تأثير التسخين واضح جدًا. وفقًا لتأثير الجلد، عند زيادة التردد، تزداد الطاقة التي تحصل عليها الحمل، كما تنخفض خسائر الخط بشكل متناسب، مما يُحسّن من تأثير التسخين. ووفقًا للتجارب، يمكن لتسخين التردد المتغير أن يحقق النتيجة المحددة قبل ساعة إلى ساعتين من التسخين بالتردد الصناعي، بالإضافة إلى أن درجة الحرارة تكون أعلى أيضًا.

4. تتمتع بخصائص حماية كاملة. كانت خزانات التردد الأصلية، لعدم وجود تحكم بواسطة وحدة المعالجة الدقيقة، تعاني من ضعف في خصائص الحماية، وكثيرًا ما تؤدي حالات القصر أو الانقطاع في الحمل وعدم استقرار الجهد إلى احتراق المحولات وتعطل التشغيل. أما خزانات مصدر الطاقة العاملة بالتردد المتغير، فبفضل التحكم بواسطة وحدة معالجة الإشارات الرقمية (DSP)، تتمتع بخصائص حماية كاملة، مما يمنع حدوث المشكلات الناجمة عن أعطال الشبكة الكهربائية والحمل، ويضمن تشغيل النظام بثبات.

5. تأثير توفير الطاقة واضح جدًا. وفقًا للاختبارات، يوفر كل خزان طاقة عاكس التردد حوالي 20% من الطاقة مقارنةً بالخزانات ذات التردد الصناعي المقابلة، مما يؤدي إلى توفير فعّال للطاقة، وتحسين كفاءة العمل، وضمان فعالية نظام التسخين. باختصار، يعد التسخين بتردد العاكس ثورةً في استخراج الزيوت الثقيلة حراريًا. تمتلك الصين موارد وافرة من الزيوت الثقيلة، ولذا فإن تعميم هذه التقنية يُعد وسيلة فعّالة لترشيد الطاقة والحد من الانبعاثات وتعزيز الكفاءة في قطاع استخراج النفط.

الخاتمة

في جهاز التسخين الكهربائي للقضبان المجوفة، لا تظل الحرارة الناتجة عن القضيب الكهربائي ثابتةً؛ فكلما اقتربنا من الأرض، زادت كمية الحرارة الناتجة لكل وحدة طول، وكلما انخفضنا نحو الأسفل، قلّت كمية الحرارة الناتجة لكل وحدة طول. أثناء رفع النفط الخام، تنخفض درجة حرارة الطبقة الأرضية تدريجيًا. وباستخدام آلية تغيير طاقة التسخين بواسطة القضبان الكهربائية ودرجة حرارة الطبقة الأرضية، يمكن الحفاظ على درجة حرارة معينة للنفط الخام داخل البئر باستخدام طاقة أقل. ونظرًا لأن زيادة تردد مصدر الطاقة تؤدي إلى استقطاب أكبر للتيار عبر السعة الكهربائية الثانوية، فإن جهاز التسخين الكهربائي بتردد متوسط، في ظروف الآبار نفسها، يحقق أداءً جيدًا بالاعتماد على طاقة تسخين أقل. وقد أظهرت نتائج التجارب أنه عند مقارنة التسخين بتردد متوسط بالتسخين بتردد صناعي، وفي ظل نفس درجة حرارة النفط الخام عند فوهة البئر، تكون طاقة التسخين المتوسطة أقل في المتوسط بمقدار 10 إلى 20 كيلوواط، وتصل نسبة توفير الطاقة إلى أكثر من 15%.