چالشها و راهكارهاي استفاده از حفاري زير فشار تعادلي (UBD) در ميادين دريايي

روش حفاري تحت فشار تعادلي (UBD) يك روش بهينه در حفاري است كه به توليد بهتر و بيشتر از مخزن نيز كمك مي‌كند. با توليد از ميادين نفتي و افت فشار آنها، ضرورت جايگزين كردن اين روش به جاي روش معمولي حفاري (OBD) بيشتر به چشم مي‌خورد . اما اين شيوه حفاري براي همة موارد مناسب نيست. ممكن است نرخ هزينة روزانه حفاري تحت فشار تعادلي از روش‌هاي حفاري معمولي بيشتر شود و اين به دليل استفاده از ابزار آلات جانبي كنترل چاه و توليد سطحي و جداكننده‌ها مي‌باشد. هر چند كه در اكثر موارد هزينة كل حفاري و برگشت‌هاي مالي درازمدت در اين روش به صرفه‌تر است. در اين فصل، به بررسي موارد كاربردي UBD ، موانع فني بر سر راه استفاده از آن و ارائه راه‌حل‌هاي موجود پرداخته خواهد شد.

شرايط اقتصادي باعث شده تا عمليات‌هاي مربوط به نفت و گاز با تكنولوژي‌هاي مختلف آزموده شوند. يكي از اين تكنولوژي‌ها، حفاري زير فشار تعادلي مي‌باشد. امروزه استفاده از تكنيك UBD به ميزان قابل توجهي افزايش پيدا كرده به طوري كه حفاري بيش از 30% از كل چاه‌ها در دنيا با اين روش انجام مي‌شود. در ايران نيز بين 2 تا 3 چاه در مناطق خشكي، به طور موفقيت‌آميزي با اين روش حفر شده است، اما تاكنون در فلات قاره ايران از اين روش استفاده نشده است. به دليل وجود برخي موانع و محدوديت‌ها براي استفاده از اين روش، از قبل بايد به بررسي اين موانع كه مهمترين آنها احتمال ناپايداري ديوارة چاه و همچنين مسائل اقتصادي مي‌باشند، پرداخت تا عمليات با شكست مواجه نشود.

حفاري زيرفشار تعادلي

هنگامي كه فشار جرياني سيال حفاري كمتر از فشار سازند باشد، حفاري زير فشار تعادلي خواهيم داشت. تجهيزات و دستورالعمل‌هاي خاصي براي كنترل جريان سيال سازند در حين حفاري تحت تعادلي مورد نياز است. با وجود اين، حفاري تحت تعادلي مزاياي قابل توجهي نسبت به حفاري فوق تعادلي دارد كه عبارتند از : افزايش سرعت حفاري و عمر مته، كاهش هرز روي سيال حفاري، بهبود ارزيابي سازند، كاهش احتمال چسبيدن لوله به ديواره چاه (شكل 1 )، افزايش قابليت توليد چاه و كاهش و يا حذف نياز به تحريك اوليه مخزن. قبل از استفاده از UBD لازم است مسائل زير را بررسي كنيم: گران‌تر شدن هزينه‌ها، نگراني در مورد ايمني و پايداري ديواره چاه. انواع تكنيك‌هاي UBD شامل: حفاري با هوا، گاز، غبار ، كف پايدار ، كف ناپايدار و گل هوازده مي‌باشد. اين سيالات با يك پس فشار مورد استفاده قرار مي‌گيرند (شكل 2 ).

انتخاب UBD به عنوان يك گزينه در حفاري

برخي از حالت‌هايي كه حفاري زير فشار تعادلي در آنها داراي امتيازهايي مي‌باشند عبارتند از:

- هر سازندي كه ضعيف باشد، به ويژه مخازن داراي شكاف طبيعي

- مخازن عميق‌تري كه در زير لايه‌هاي تخليه شده و يا كم فشار هستند در اثر استفاده از حفاري معمولي مي‌توانند مشكلاتي جدي مانند هرز روي و گير كردن لولة حفاري را به وجود آورند.

- در چاههاي گازي در دوره‌هاي اوج توليد كه توليد بالايي دارند نياز است كه با كمينه كردن آسيب سازند، قابليت توليد به اندازة خواسته شده تضمين گردد. و به طور مشخص، حالت‌هاي زير نياز به ارزيابي دقيق‌تري جهت انتخاب يا عدم انتخاب UBD دارند. براي مثال:

- مخازن كم تراوا، Dense و نسبتاً بدون شكاف كه احتمالاً نياز به شكافت هيدروليكي خواهند داشت.

- سازندهاي داراي نفوذپذيري بسيار بالا، كه حجمهاي قابل توجهي از سيالات سازند توليد خواهند كرد و از حد توان ابزار آلات سطحي تجاوز خواهد كرد.

- سازندهاي حفره‌دار و داراي شكاف‌هاي بزرگ، كه در صورت استفاده از UBD ، مستعد رانش ثقلي حاصل از شكاف‌ها يا حفره‌ها هستند و يا حجم‌هايي از سيالات سازند را توليد خواهند كرد كه نمي‌تواند توسط تجهيزات سطحي جمع شود.

- سازندهاي فوق‌العاده پرفشار، كه نياز به سيالات اضافي هزينه‌آور و يا تاج چاه و وسايل سطحي براي اطمينان از ايمني مناسب را دارند.

حالتهاي چندي هستند كه در آنها حفاري UBD ممكن است اصلا مناسب نباشد:

- سازندهاي به شدت سست و غير متحجر كه نياز به فشار زياد درون چاه جهت حفظ پايداري ديواره را دارند.

- سازندهاي كه تورم ديواره و كاهش قابل ملاحظه قطر چاه يا ناپايداري آن قابل پيش‌بيني باشد.

مكانيزم‌هاي استفاده از UBD در فلات قاره

دكل‌هاي Jack UP

UBD را در دكل‌هاي Jack UP با سوار كردن سرپوش كنترل چرخشي (RCH) بر روي BOP Stack انجام مي‌دهند (شكل ـ 5).يك جداره براي محافظت RCH و مجموعة تجهيزات از تراوشات حين اتصال لولة حفاري به كار برده مي‌شود. برگشت‌هاي فضاي حلقوي از Flange Flow Line مربوط به RCH توسط شيرهاي كنترل از راه دور و يا دستي به جداكننده‌ها جريان پيدا مي‌كنند. دكل‌هاي با Barge و نيمه شناور شكل 5 يكي از دكل‌هاي سوار بر Barge را نشان مي‌دهد كه با تغييرات MUD Cap در درياچه ماراكايبو ونزوئلا حفاري مي‌كند. اين نوع كاربرد UBD براي دستيابي به دو هدف اصلي يعني: حفاري لايه‌هاي نفتي با سيال تميز، كه باعث كاهش آسيب سازند و افزايش كيفيت و كميت توليد مي‌شود، و جلوگيري از ورود نفت توليد شده، به سطح دكل، مي‌باشد:

در واقع در حفاري اين چاه‌ها با به كار بردن تغييرات MUD cap مربوط به UBD مشكلات زيست محيطي و لاجستيك نفت توليد شده در حين حفاري را كاهش مي‌دهد. اين تغييرات در عمليات UBD نياز به يك لايه متخلخل و تخليه شده "Throw- away" بالاي مخزن نفت يا پاشنه بخش افقي چاه دارد . اين شرايط محيطي به ما اجازه قرار دادن (Spotting) يك گل سنگين در داليز چاه را مي‌دهد. بنابراين از جريان برگشتي سيالات حفاري Single Pass و كنده‌ها به روي سكو جلوگيري مي‌شود و در عوض توسط MUD CAP به يك سازند كم عمق وارد مي‌شود.

مشكلات احتمالي در صورت عدم استفاده از Riser در حفاري قسمت كم عمق و داراي فشار غير نرمال Aquifer :

- در حالتي كه جريان غيرقابل كنترل باشد، منجر به گشاد شدن بيش از حد ديواره مي‌شود.

- باعث افزايش خطر فوران Aquifer مي‌شود.

- باعث غير مؤثر بودن سيمان كاري اوليه مي‌شود.

- منجر به هرز روي كامل شود.

اما در صورت استفاده از RCH به همراه Riser :

- مي‌تواند باعث كنترل آبهاي كم عمق شود.

- اجازة حفاري در سازند داراي فشار غيرطبيعي بدون استفاده از Riser دريايي را مي‌دهد.

- مي‌تواند براي قرار دادن لوله جداري 20 اینچ در نقاط عميق‌تر به كار رود.

- به دست يابي به عمق نهايي چاه كمك مي‌كند.

- شانس سيمان كاري موفق اوليه را افزايش مي‌دهد.

بررسي موانع فني و ارائه راه‌كارها

براي ارزيابي امكان استفاده از UBD در دريا بايد موانع و محدوديت‌هاي آن بررسي شده و راه حل‌هاي مناسب براي آن پيشنهاد شود. كه اين موارد عبارتند از:

- محدوده فشار درون چاهي: براي سازندهايي كه به درون چاه باز هستند، فشار منفذي حد بالايي بازة فشارهاي درون چاهي، و حد پاييني آن، فشار حداقلي است كه براي حفظ پايداري ديواره چاه لازم است. اما پاسخ به اين سؤال كه تحت چه فشاري ديواره پايدار خواهد بود، به بررسي وضعيت و خواص سازندها از يك طرف و نوع سيستم و پارامترهاي به كار گرفته شده حفاري، از طرف ديگر نياز دارد. تحليل اين موضوع و تعيين شرايط پايداري ديوارة چاه در حالت تحت تعادلي، نياز به بررسي مفصل دارد.

دبي توليدي و فشارهاي سطحي: در برخي مواقع محدوديت ماكزيمم دبي توليد هيدروكربن كه بتوان آن را به طور ايمن در سطح اداره كرد وجود دارد، اصولاً تجهيزات سطحي را مي‌توان طوري طراحي كرد تا تقريباً هر نوع دبي توليد ممكن را اداره كند.

- لايه‌هاي داراي نفوذ‌پذيري چندگانه: نگراني اصلي در هنگام حفاري تحت تعادل بيش از يك لايه نفوذپذير باز به درون چاه، وجود پتانسيل فوران‌هاي زيرزميني است. اگر در همه لايه‌هاي نفوذ‌پذير باز، فشار درون چاه از فشار سازند كمتر باشد، سيالات سازندي از همه لايه‌ها به درون چاه جريان پيدا خواهند كرد و جريان عرضي از يك لايه به لايه ديگر وجود نخواهد داشت. اما اگر جريان بين لايه‌هاي قابل تحمل نباشد بايد: از يك تكنيك ديگر حفاري تحت تعادلي استفاده شود، طراحي لوله جداري را به گونه‌اي تغيير داد كه سازندهاي بالايي قبل از حفر لايه‌هاي پاييني لوله‌گذاري شوند و يا در نهايت قبل از متوقف ساختن گردش گل، چاه را بكشيم.

- همراه شده گاز ترش با سيالات توليدي: از آنجايي كه در حفاري تحت تعادلي سيالات سازند به سطح زمين جريان پيدا مي‌كنند، بنابراين بايد در سازندهايي كه حاوي اين گاز هستند، اگر در حين حفاري مقداري از آن توليد شود بايد به يك مشعل مناسب هدايت شود و اصولاً اين كار زماني به صورت ايمن انجام خواهد شد كه سيستم حفاري Dry Gas Drilling و يا Mist Drilling باشد تا بتوان تمام سيالات برگشتي را در انتهاي تخليه خط سوخت به طور كامل سوزاند.

- سازندهاي داراي شكاف طبيعي: از آنجايي كه در UBD سيالات مورد استفاده با سرعت‌هاي فوق‌العاده زياد در فضاي حلقوي جريان پيدا مي‌كنند، به هنگام حفاري در سازندهاي شكاف دار طبيعي اين سرعت بالا، باعث سايش و گشاد شدن بيشتر قطر چاه مي‌شود كه مي‌توان با انتخاب كف فشرده كه داراي گرانروي بالا مي‌باشد و سرعت كمي را در فضاي حلقوي ايجاد مي‌كند، اين مشكل را حل كرد.

نتابج نهایی

- برنامه‌ريزي و اجراي عمليات UBD بسيار پيچيده‌تر از حفاري معمولي مي‌باشد، اين پيچيدگي شامل تهية سيستم ايمن‌تر كنترل چاه در حين حفاري، جداسازي سيالات برگشتي از درون‌ چاه و مهمتر از همه تنظيم شرايط و پارامترهاي حفاري براي مقابله با چالش‌هاي درون چاهي مي‌باشد.

- با توجه به واقعيت مخازن ايران، هم به دليل وجود ترك‌هاي طبيعي و هم به دليل افت فشار در اثر توليد اضافي، اين ميادين گزينه‌هاي ايده آلي براي UBD هستند و در شرايط پايداري ديواره چاه، UBD را به عنوان مفيدترين روش مي‌توان انتخاب نمود.

- از آنجايي كه اكثر سيالات مورد استفاده UBD ، تراكم‌پذير هستند، بنابراين نياز است كه طراحي هيدروليكي ويژه‌اي براي چاه‌هاي عميق در ميدان مورد مطالعه صورت گيرد.