تحلیل پایداری چاه نفت در حفاری زیر فشار تعادلی

اجرای موفق پروژه های حفاری زیر فشار تعادلی ( UBD ) در نقاز مختلف جهان به دلیل مزایای خاص آن ، سبب توجه روز افزون به این شیوه شده است. UBD می تواند برخی تغییرات نثبت لر پایداری چاه داشته باشد ، لیکن هنگامی که فشار اعمال شده له ته چاه در تقابل با فشار مخزن و خواص مکانیکی سنگ کم باشد ، تنشهای برشی وارد بر دیواره چاه افزایش یافته و در نهایت باعث افزایش احتمال شکست برشی خواهد شد. در این فصل ضمن بیان کلیات این تکنولوژی ، عوامل و عواقب ناپایداری چاه ، یک مدل فرضی نیز توسط نرم افزار FLAD3D برای نمایش تاثیر اختلاف فشار ته چاهی با فشار مخزن بر پایداری چاه ارائه شده است.

در حفاری مرسوم فشار ته چاهی ناشی از ستون سیال ، بیش از فشار منفذی سازند انتخاب شده تا مانع ورود جریان مایعات و گاز های سازند به ته چاه شود. رویکرد اخیر در روش UBD ، عکس این قضیه است . بطوریکه فشار ته چاهی عمدتاً کمتر از فشار مخزن نگه داشته می شود، لذا امکان ورود سیالات سازن به چاه وجود خواهد داشت. این امر افزایش سرعت نفوذ مته ، جلوگیری از آسیب رسانی به سازند ، کاهش هرزروی سیال حفاری ، کاهش نیاز به تحریک چاه ، تولید حین حفاری ، افزایش عمر مته ، افزایش اطلاعات محزن و کاهش هزینه چاه را در پی خواهد داشت. کمترین وزن سیال حفاری ، به دلیل کاهش اثر پایین نگه داشتن خرده های حفاری ( chip hold down ) ، مطلوب ترین حالت برای افزایش نرخ نفوذ می باشد، اما کاهش فشار ته چاهی ، احتمال ناپایداری چاه را افزایش می دهد. از طرف دیگر بیشتر شدن آن از مقاومت سازند سبب شکست سازند حواهد شد. فشار ته چاهی لهینه می بایست با حفظ شرایط UB با اندازه کافی زیاد بوده و در عین حال از شکستن سازند و آسیب رساندن به آن جلوگیری می کند. ضمن اینکه از ظرفیت مناسب برای حمل خرده های حفاری برخوردار باشد.

حفاری فشار زیر تعادلی

این روش برای سازند های سنگ سخت ، مناطق مستعد هرزروی گل ، مخازن تحلیه شده ، مخازن شکافدار طبیعی و مناطق حساس به آب مناسب می باشد. به طور کلی انواع مختلف این روش در بخش هی زیر حلاصه می شود:

- حفاری با هوا ، گاز ، مه و کف ناپایدار ( Air,Gas,Mist,Unstable foam drilling )

- حفاری با کف پایدار ( Stable foam drilling )

- حفاری با مایعات گاز دار شده ( Aeratedmud drilling )

- حفاری جریانی ( flow drilling )

- حفاری با کلاهک گازی ( Mud cap drilling )

انتخاب هر یک از روش های فوق به فشار مخزن ، ویژگی های سازند ، مستئل زیست محیطی و قابلیت های موجود وایسته است. با وجود شباهت در مکتنیسم ، بررسی و تحلیل پایداری چاه در هر یک از روش های فو.ق متفاوت است. چرا که پتیداری چاه به شدت به تخت تاثیر پروفایل فشار در فضای حلقوی یا به عبارتی انتخاب سیال و طراحی هیدرولیک حفاری می باشد. در برخی از روش های فوق به دلیل وجود جریان چند فازی ، مدلسازی این جریان امری لازم محسوب می شود. لذا نرخ تزریق فاز های مختلف سیال ترکیبی ( گاز و مایع ) در مقابل فشار ته چاهی حاصل از آن ، با در نظر گرفتن فشار کاری موتور درون چاهی و تعیین مخدوده مناسب برای پایداری چاه در این روش ها از اقدامات ضروری به شمار می رود. شکل (1) این محدوده بهینه را برای یک مورد خاص نشان می دهد.

ناپایداری چاه ، علل و عواقب

در حالیکه UBD از مزایای فوق العاده ای سود می برد ، لیکن کمتر بودن فشار ته چاهی نسبت به فشار مخزن بخصوص در سازند های متراکم نشده ، شیلی و دارای خواص مکانیکی ضعیف می تواند خطر ناپایداری چاه را افزایش دهد. ناپایداری چاه قبل از هر چیز به توزیع و تمرکز تنش در اطراف چاه حفر شده وابسته است. اگز مقاومت سنگ بیش از تنش های القایی باشد چاه پایدار خواهد ماند، در غیر اینصورت با شکست مواجه خواهد شد. عوامل موثر در ناپایداری چاه و عواقب آن به ترتیب در جداول 1 و2 عنوان شده است.

فشار ته چاهی کم سبب افزایش تنش های برشی در محیط اطراف چاه می شود. این امر باعث افزایش حطر شکست برشی می شود (شکل (2) ) . بعلاوه وجود گرادیان بالای فشار در جریان ورودی در اطراف چاه باعث بروز شکست کششی و پوسته شدن دیواره چاه می گردد ( شکل (3) ) .

پارامتری که اغلب به عنوان نماینده خطر ناپایداری چاه مورد استفاده قرار می گیرد ، NYZA (Normalized Yielded Zone Area) است که بیان کننده نسبت مساحت ناحیه شکسته شده اطراف چاه به مساحت اولیه چاه می باشدکه در شکل 4 نشان داده شده است. عموماً مشکلات ناپایداری چاه هنگامی آغاز می شود که NYZA>1 گردد. البته مقدار بخرانی به عواملی چون جهتداری چاه و ظرفیت تمیز کاری سیال حفاری وابسته است.

مدلسازی ناپایداری چاه با استفاده از نرم افزار FLAC3D

برای مدلسازی چگونگی ایجاد ناپایداری در دیواره چاه از نرم افزار FLAC3D استفاده شده است. این نرم افزار توانایی تحلیل مدل های هیدرومکانیکی را داشته ، لیکن نیاز با اطلاعات ورودی نسبتاً زیادی دارد.

در این مدلسازی دو مدل با خواص مقاومتی متفاوت در نظر گرفته شده است. به دلیل افزایش نقاط پلاستیک نسبت به عمق ، بحرانی ترین مقطع ( ته چاه ) مورد بررسی قرا گرفته است. همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود در حالتی که فشار ته چاه کمتر از فشار سازن می باشد ، نقاط پلاستیک فراوانی وجود خواهد داشت که با افزایش اعمالی از داخل چاه نقاط پلاستیک کتهش می یابند. هنگامی که فشار اعمالی داخل چاه حدود 2/1 برابر فشار مخزن می شود ، در دیوارخ چاه ، هیچگونه شکستی مشاهده نشده ، لیکن مادامیکه فشار ته چاهی از این مقدار افزایش می یابد مجدداً شکستگی در دیواره چاه رخ می دهد ( شکل (5) ) .

پس از بررسی نقاط پلاستیک در حالت های مختلف فشار های ته چاهی ، نمودار NYZA ، برای سنگ مخزن با خواص مقتومتی متفاوت – نسبت به فشار اعمال شده از طرف چاه در مقطع بحرانی تهیه شده که در نمودار 1 مشاهده می شود. این نموار حساسیت گسترش ناحیه شکسته شده نسبت به خواص ژئومکانیکی سازند ( C ، ) را کاملاً آشکار می سازد. مشاهده می شود که برای فشار معین کمتر از فشار سازند ، نسبت در مدل 1، حالتی که سنگ از خواص مکانیکی ضعیفتری برخوردار است ، بسیار بیشتر می باشد. در حالتی که در مدل 2 ، در حالت UB نسبت تقریباً پایین بوده و در فشاری برابر فشار سازند این نسبت حدود 7/0 می باشد. به عبارتی سازند مزبور از قابلیت اجرای روش UBD برخوردار می باشد. لیکن در مدل 1 در حالت UB دارای نسبت بالا بوده و در فشاری برابر با فشار سازند این نسبت حدود 5/2 می باشد. این امر نشانگر این مطلب است که مدل 2 برای اجرای روش UBD مناسب نمی باشد.

بالغ بودن اکثر مخازن در حال حاضر و مزایای روش UBD ( به طور عمده افزایش سرعت حفاری و میزان بازیابی از مخزن ) از جمله عوامل موثر در بکارگیری این روش محسوب می شود. در عین حال UBD دارای محدودیت های بوده که امکان سنجی ، انتخاب و طراحی آن نیازمند انجام مطالعات و بررسی های دقیق می باشد. از جمله این محدودیت ها ناپایداری چاه می باشد که از کمتر بودن فشار ته چاهی نسبت به فشار مخزن ناشی می شود. انتخاب محدوده فشار ته چاه ی بهینه برای حفظ حالت UB و پایداری دیواره چاه امری ضروری محسوب می شود. با مدلسازی رفتار سازند در مقابل فشار های مختلف ته چاهی می توان این محدوده بهینه را تعیین نمود. مدلسازی انجام شده در این فصل چگونگی تبعییت فشار ته چاهی مطلوب را درسنگ مخزن با خواص متفاوت نشان می دهد.

برای دریافت اصل مقاله از طریق ارتباط با ما اقدام نمائید