مشكل توليد ماسه به همراه نفت در مخازني كه جنس سنگ آنها ماسه سنگ بوده از دير باز وجود داشته است؛ توليد ماسه باعث انسداد چاه و آسيب جدي به تجهيزات درون چاهي و برون چاهي مي‌شود. اين معضل بعنوان يك مشكل اساسي ساليان زيادي فكر و انديشه افراد زيادي را به خود معطوف داشته و در همين راستا تكنيكهاي بسياري وارد بازار شده و رشد تكاملي قابل ملاحظه‌اي داشته اند. در اين مقاله سعي شده است كه انواع روش‌هاي تكميل ماسه سنگ مورد بررسي قرار گرفته، بهترين روش بدين‌منظور تحت عنوان توريهاي ماسه قابل انبساط استخراج شده و مزايا و معايب آن تشريح گردد. لازم به ذكر است كه اين محصول توسط شركت همراه پوشش و شركت ودرفورد در ايران به كار گرفته شد كه نتايج درخشاني را ببار آورد.

مقدمه،

مشكل ریزش ماسه بیشتر در سازندهاي كم عمق ظاهر مي شود هرچند اين مشكل در سازندهاي عميق با عمق 3500 متر نیز ديده شده است. مواد جامدي كه همراه سيال توليد مي‌شوند، به دو دسته مجزا ذيل تقسیم می شوند:

1- مواد جامد مربوط به سازند (Load Solids)

2- مواد جامد سيال سازند (Fine Solids)

مواد جامد سيال سازند بايستي همراه با سيال توليد شده و به سطح زمين آورده شوند. زيرا در غير اين صورت، اين مواد باعث گرفته شدن منافذ مي شوند. بنابراين وقتي كه صحبت از كنترل ماسه مي‌شود، منظور مواد جامدي است كه از سازند توليد مي شودکه نرخ تولیداین ماسه ها با نرخ تولید نفت، نسبتی کاملاً مستقیم است یعنی هر چه میزان تولید نفت رابیشتر نمایید میزان تولید ماسه‌ها نيز بیشتر خواهد شد.

مكانيزم‌هاي توليد ماسه همراه نفت

توليد ماسه همراه نفت به پارامترهاي مختلفي بستگي دارد كه تعدادي از آنها بشرح ذيل مي‌باشند:

1- به وجود آمدن نيروهاي حركتي توسط سيال متحرك (توليد ماسه افزايش پيدا مي كند اگر سرعت حركت سيال و گرانروي ‌آن افزايش پيدا كند).

2- كاهش سفتي و يا سختي سازند بر اثر تولید.

3- به علت توليد آب (آب سيمان را حل مي كند)، يا به علت كاهش نيروهاي مويينگي.

4- كاهش تراوايي نسبي نفت به علت افزايش درجه اشباع آب، كه اين امر باعث افت فشار بيشتر مي شود.

5- كاهش فشار مخزن كه اين امر باعث مي شود تا نيروي فشردگي بالا رود و اين امرباعث خراب شدن سيمان بين دانه هاي ماسه مي شود.

روشهاي كنترل توليد ماسه همراه نفت

به طور كلي روشهاي كنترل ماسه را مي توان به سه روش ، كاهش نيروهاي حركتي، کنترل ماسه از طریق سفت کردن مصنوعی سازند وكنترل مكانيكي ماسه تقسيم نمود. اين روشها به اختصار در اين مقاله مورد بررسي قرار مي‌گيرند.

1- كنترل ماسه از طريق كاهش نيروهاي حركتي

كاهش نيروهاي حركتي و نيروهاي جاري شونده معمولاً موثرترين و ساده ترين روش مبارزه با توليد ماسه مي باشند. نيروهاي حركتي به طرق زير كاهش پيدا مي كنند:

- تکمیل چاه با شبكه هاي بزرگتر و تميز

- افزايش تعداد شبكه ها در واحد طول

- افزايش طول مسير مشبك

- ايجاد كانالهاي مصنوعي در سازند از طريق ايجاد شكاف هيدروليكي

- کم کردن تولید تاحدي كه ميزان ماسه در نفت توليدي به كمترين حد خود برسد

در يك توليد طبيعي صرف نظر از ميزان تولید هميشه مقداري ماسه توليد مي شود. اگر ميزان توليد از يك مقدار افزايش پيدا كند، توليد ماسه به صورت فزاينده اي افزايش مي یابد. اگر لازم باشد به دلايل اقتصادي ميزان توليد را بالا برد بايد مقدار بحراني ميزان توليد را محاسبه نمود و هرگزازاین میزان تجاوز ننمود اصرار بر تولید بیشتر یکی از سریعترین روش هایی است که چاه را به ورطه انسداد می کشاند. مطلوب ترین رفتار با اینگونه مخازن نگه داشتن میزان تولید در زیر میزان بحرانی است پس تولید کم و مداوم در اینگونه مخازن بهترین توصیه است.

2- كنترل ماسه از طريق سفت كردن مصنوعي سازند

در اين روش، ماسه سازند را در منطقه نزديك چاه طوري از لحاظ سيمانبندي محكم مي‌كنند كه اين ماسه ها در اثر نيروهاي هيدروديناميكي كه در اثر توليد ايجاد مي شوند- حركت نكنند. در اين روش رزين يا صمغ به داخل سازند تزريق مي شود. بعد از سخت شدن رزين سازند نيز سخت مي شود ، اما از طرف ديگر اين روش باعث كاهش نفوذ پذيري مي شود زيرا كانالها تا حدودي توسط رزين پر مي شوند.

مزاياي اين روش عبارتند از:

- از طريق رشته لوله‌ها مي توان اين عمليات را انجام داد.

- در چاه‌هايي با قطر كم مي توان از اين روش استفاده كرد.

- از تمام قطر چاه بعد از عمليات مي توان توليد كرد.

- در چاههاي چند لايه‌اي مي توان از اين روش سود برد.

- ازاين روش درچاههايي‌كه‌داراي فشارهاي بالا هستند مي‌توان به‌سادگي استفاده كرد.

- در مخازن با دانه‌بندي ماسه هاي بسيار ريز اين روش نتايج خوبي داشته است.

معايب اين روش عبارتند از:

- كاهش شديد تراوايي.

- زمان پمپ كردن صمغ (رزين) به داخل سازند محدود است..

- اكثر مواد استفاده شونده در اين روش بسيار سمي بوده و قابل اشتعال هستند.

- يك توزيع يكنواخت مايع از طريق روزنه ها به سختي اعمال مي شود.

- رزين باعث ایجاد عامل پوسته‌اي شدید می شود.

3- كنترل مكانيكي توليد ماسه

در روشهاي مكانيكي، براي كنترل ماسه از فيلتر يا Gravel Packing و توري‌هاي ماسه قابل انبساط استفاده مي‌شود. عمده موضوع در اين روشها اين است كه كنترل ماسه باعث كاهش توليد نشود. باید مرتباً این نکته را مد نظر قرار داد که تولید بیشتر منجر به ریزش بیشتر ماسه ها می شود. در این زمینه تلاش های مستمري انجام شده که می توان به ايجاد Slotted آستري، Gravel Pack ، Prepacked آستري، Wire Wraped Screen اشاره نمود. اخیراً تکنولوژی توری های ماسه قابل انبساط به بازار ارائه شده است که نتایج درخشانی به همراه داشته است كه درادامه به آن پرداخته می شود.

Slotted آستري، Wire Wrapped Screensو Prepacked آستري روشهاي مكانيكي بودند كه به علت عدم كارآيي مناسب جاي خود را به سيستم Gravel Pack دادند. روش‌هاي مكانيكي در مسير تكامل خود به سمت بهره‌وري از سيستم توري و دانه بندي پشت توري توسط شن پيش رفتند كه در زمان خود نتايج درخشاني را به همراه آورد. در ذيل اين روش تشريح شده تا بتوان مقايسه‌اي عادلانه بين اين سيستم و سيستم توري‌هاي ماسه قابل انبساط را دنبال نمود.

3-1- Gravel Pack

یکی از روشهای مکانیکی نسبتاً مطلوب که جایگزین روش های قبلی شد Gravel Pack می باشد در این روش علاوه بر استفاده از توري در فضای حلقوی بين توری و آستری شن قرار داده مي‌شود و در صورتی که سازند دچار پديده (Wash Out) نیز شده باشد کل منطقه توسط ذرات شن پر می‌شود تزریق شن تا رسیدن به ماکزیمم فشار مجاز انجام می شود. در این سیستم باید دقت به‌عمل آيد كه: دانه هاي شن تا آنجا كه ممكن است بزرگ باشند، تا ماسه ها بيرون آستري شني متوقف شوند و دانه‌هاي شن سفت و سخت باشند

توري بايستي در مركز چاه قرار گيرد. استفاده از دو Packer ضروري است تا بدينوسيله از عبور سيال و ريگ در خارج از توري ممانعت شود.

مسئله مهم ديگر انتخاب صحيح مايعي است كه توسط آن ريگ در محل مورد نظر قرار گيرد. مايعاتي با گرانروي كمتر از يك، آستري شني فشرده تري ايجاد مي كنند. آب نمك و نفت، مايعاتي مناسب براي اين منظور هستند. غلظت ريگ در مايع بايد 60 تا 120 kg/m3 و ميزان دبي پمپ كردن بايستي m3/s 0.013 باشد. بايستي نهايت سعي خود را كرد تا مايع مورد نظر تميز باشد، در غير اينصورت به سازند آسيب خواهد رسيد و خلل و فرج سازند گرفته خواهند شد. مايع را بهتر است از فيلتر مناسب عبور داد. با پر كردن فضاي بين آستري و سازندوتوري با آستري با شن بايستي از هر گونه حركت ماسه در داخل سازند به طرف چاه جلوگيري شود. كنترل ماسه توسط‌‌آستري شني‌هم درچاههاي باز ممكن است (Open Hole Gravel Pack) و هم در چاه‌هايي كه با جداري (Inside Gravel Pack) تكميل شده‌اند (شكل-1). اما نتایج آن در چاههای حفره باز چندان جالب نبوده است.

يكي ازمشكلات مهم دربكارگيري Gravel Pack درچاههاي تكميل شده با نصب لوله جداري مسدود بودن مشبک ها مي باشد زيرا مايع همراه با ریگ بايستي از درون اين روزنه ها عبور كند و اگر روزنه ها توسط تكه هاي فلزي و يا تكه هاي سنگ سازند گرفته شده باشند، در اينصورت اين امرمانع ازجاري شدن مايع ازطريقPerforation خواهدشد. بنابراين بايستي روزنه ها كاملاً تميز و شسته شوند. قبل از آغاز عمليات، اين كار يعني شستشوي روزنه ها توسط دستگاه مخصوص انجام مي‌پذيرد و توسط سیالات مناسب باید محل کاملاً تمیز گردد.

مسئله ديگر اين است كه روزنه ها بايستي بعد از پمپ كردن Gravel Pack توسط ريگها پر شوند تا بدينوسيله اين روزنه ها توسط ماسه پرنشوند. برای این منظور با ماکزیمم توان پمپ ها و تا رسیدن به نهایت فشار مجاز پمپاژ شن به سازند ادامه می یابد در صورت برخورد با Wash Out شدید سازند ممکن است این عملیات هفته ها ادامه یابد و بارها ناچار به تزریق ميزان قابل توجهي شن در چاه شوید.

3-2- توريهاي ماسه قابل انبساط (Expandable Sand Screen (E.S.S.))

در مخازن ماسه اي كه قسمت سازند بهره‌ده داراي استحكام چنداني نيست بر اثر توليد، ماسه ها از سازند جدا شده و در مسير توليد قرار مي گيرند كه بعضاً در تركيب با هيدروكربن هاي سنگين و با كاهش فشار و دما توليد موانع آسفالتي نموده و باعث انسداد چاه مي شوند جهت جلوگيري از اين مشكل سيستم هاي مختلفي بكار گرفته شده كه در اين قسمت به سيستم جديدي كه در چندین چاه از میدان نفتی اهواز و منصوری بكار گرفته شده است پرداخته می شود. در اين سيستم روبروي كليه مشبك ها توري قرار گرفته و ارتباط سازند بهره ده و چاه توسط اين توري‌ها ميسر مي گردد. این سیستم قابلیت رانده شدن در چاه‌هاي جداري‌دار و غيرجداري‌دار را دارد و به خوبی در چاه های انحرافی نیز نصب می‌شود.

متعلقات توري‌هاي ماسه قابل انبساط جهت راندن در آستري 7”از بالا به پايين عبارتند از 4" bullnose، 4" E.B.C، 4" E.S.S Joint ،5" Top Sub، Hanger، Setting Tools، DPS مي‌باشند كه در شكل‌هاي 2 تا 9 نشان داده شده‌اند.

قبل از راندن رشته تكميلي توري‌هاي ماسه قابل انبساط لازم است اولاً: چاه تا عمق نهايي تميز گردد، ثانياً: مشبك كاري صورت پذيرد، ثالثاً: تزريق پذيري مناسب حداقل بيشتر از bbl/min 5 با فشار 2000Psi در صورت نیاز اسید کاری در همین مرحله انجام شود و رابعاً: محل نصب پكر توسط خراش دهنده‌ها تميز گردد.

3-3- جریان دادن چاه

E.S.S Top Connector

E.S.S Packer

E.S.S Bottom Connector

E.S.S Bullnose

7 in

2231-2810

E.S.S PKR

شكل8- جريان دادن چاه با كاهنده و دانه بندي پشت توري‌هاي ماسه قابل انبساط

بعدازنصب توري‌هاي ماسه قابل انبساط وگشاد کردن رشته درچاه، جریان دادن چاه عملیاتی فوق العاده حساس می باشد در همین مرحله است که با کاهنده های مختلف، فیلتری طبیعی در پشت توري‌هاي ماسه قابل انبساط ایجاد می شود و برای همیشه از حرکت ماسه ها جلوگیری می کند. توري‌هاي ماسه قابل انبساط 1d(10) می باشند. چنانچه سیمان سنگ مخازن اهواز و منصوری را کاملاً حل نمایید و ذرات سنگ را از این توری عبور دهید 90% ذرات از توری می گذرند و فقط ده درصد آنها در پشت توری باقی می مانند به همین علت در ساعات اولیه جریان،درصدی شن در نفت مشاهده می شود برای جریان دادن چاه حدود 5 تا 6 ساعت، چاه را روی کاهنده فوق العاده کم مثل 1/32 جریان می دهند ذرات شن در پشت توري‌ها جمع می شوند و این جمع شدگی و جور شدگی در نهایت منجر به ساخت فیلتری از جنس سنگ مخزن در پشت اين توري‌ها می شود. اصولاً جریان دادن چاه باید زیر نظر نماینده شرکت سرویس دهنده انجام پذیرد که ممکن است تا 2 روز نیز بطول بیانجامد اما در انتهای کار، نفت عاری از ماسه به سطح می آید و این روال تا مادامیکه توري‌هاي آسیب ندیده باشد ادامه می یابد. چنانچه دانه بندی و ساخت فیلتر از جنس سازند با دقت و وسواس انجام نشود هجوم ذرات ماسه بر روی بدنه توري‌ها خیلی سریع اثر خود را می‌گذارد. امروزه تعدادی از چاه های منصوری و اهواز توسط توري‌هاي ماسه قابل انبساط تکمیل شده و باعث افزایش تولید تا چند برابر شده است.

1. منظوراز D10 اين‌است كه توري به‌گونه‌اي انتخاب شودكه‌اگرازاين توري بعنوان الك استفاده شود فقط 10% ذرات ماسه‌سنگ روي آن باقي‌مي‌ماند.

4-3- مقایسه توري‌هاي ماسه قابل انبساط با Gravel Pack در مخازن ماسه‌اي

توري‌هاي ماسه قابل انبساط توانايي آنرا دارند كه در انواع تكميل چاه رانده شوند . اين سيستم هم در چاه باز و هم درحفره بسته قابليت نصب و بهره‏وري را دارد و در اين روش در روبروي قسمتهاي بهره ده چاه شبكه هايي سه لايه نصب شده كه توري در لايه مياني قرار ميگيرد. اين مجموعه ابتدا در محل مورد نظر نصب و بعداز نصب منبسط شده بگونه اي كه كاملاً به ديواره چسبيده واجازه حركت را به سازند بهره ده نميدهد در صورتي‌كه در كليه روشهاي قبلي هميشه فاصله اي بين حفره چاه و توري وجود داشته كه خود باعث بروز مسائل بسياري مي شده اما توري‌هاي ماسه قابل انبساط به ديواره چاه بازيا بسته مي چسبند . راندن رشته تكميلي E.S.S بسيار ساده مي باشد و دكلهاي سبك و نيمه سبك نيز به راحتي قادر به راندن آن مي باشند. از نصب اولين توري در جهان 16 سال ميگذرد و طي اين مدت بدون هيچ مشكلي اين سيستم كار مي كند. در كشور ما نيز اين سيستم درتعدادي چاه در حومه اهواز رانده شدكه نتايج آن مطلوب بوده و طبق اطلاعات واصله چاه های فوق با توليد بيشتر نسبت به سالهاي قبل در حال توليد مي باشند. چنانچه بعد از نصب توري‌ها پديدة توليد آب اتفاق بيافتند براحتي مي توان با راندن نمودار سطح آب را مشخص نمودو قسمت آبي توري را با آستين مجزا كننده قابل انبساط مسدود نمود و قسمت آبده مخزن را ايزوله كرد و اين در حاليست كه در روشهاي قبلي اگر چنين مشكلي پيش بيايد تعميرچاه بسيار سخت مي باشد. مزيتهاي توري‌هاي ماسه قابل انبساط نسبت به Gravel Pack كه بهترين روش در ميان روشهاي ذكر شده مي‌باشد بسيارند، بگونه اي كه شركتهاي عظيم نفتي دنيا به كارآمدي اين سيستم كاملاً پي‌برده‏اند و استفاده از اين تكنولوژي جديد بصورت فزاينده‌اي در حال رشد است. اين روش آنقدر امتياز دارد كه حتي چاههايي كه نياز به تعمير ندارند را نيز مي توان با اين توري‌ها جايگزين كرد و با بالا بردن نرخ توليد و اضافه توليد هزينه هاي متحمل شده را كاملاً جبران نمود. رمز برتري اين توري‌ها نسبت به ساير روشها در اينست كه اجازة حركت را به سازند مجاور خود نميدهد سازند هر چند هم كه سست باشد جايي براي ريزش ندارد. فاصلة توري با ديواره در روشهاي ديگر باعث بروز مشكلات عديده اي از قبيل خوردگي، فرسايش، بسته شدن مسير جريان و سرعت بالا آمدن سطح آب در محدودة چاه ميشد حتي در روش Gravel Pack كه سعي شده اين فضا با شن پرشود باز هم مقداري فضاي خالي باقي مي ماند هرچند اين فضا نسبت به روشهاي ديگر كمتر است ولي گريزي از آن نيست واين فضاي خالي مشكلات بسياري را به وجود مي‌آورد. در چاههاي انحراف دار و افقي نيز امكان نصب توري‌هاي ماسه قابل انبساط وجود دارد. در حالیکه امکان نصب سیستم های دیگر خيلي سخت می باشد. مزاياي توري‌هاي ماسه قابل انبساط به‌شرح ذيل مي‌باشند.

- در اين توري‌ها ايزوله كردن منطقه اي چاه براحتي انجام مي شود و در مخازني كه آب و نفت بصورت لايه اي و نامرتب وجود دارند اين امر باعث بهره برداري از لايه هاي مختلف مخزن مي شود در صورتي كه در روشGravel Pack اين عمليات غير ممكن است.

- اين توري چون كاملاً به ديواره چاه مي چسبد به منزله ديواره محكمي براي چاه است و ميتواند دانه هاي شن و ماسه را كه حامل نيروهاي زيادي هستند در جاي خود نگهداشته و از بروز فرسايش بر اثر برخورد ذرات ريز شن و ماسه به ديواره جلوگيري كند.

- اين توري تمامي سطح خود را در معرض جريان قرار داده و هيچ نقطه كوري حتي در اتصالات نيز نداشته اين امر تجمع جريان در بالاي اتصالات و فرسايش را از بين مي‏برد. موردي كه درتوري هاي معمولي هميشه اتفاق مي افتاد.

- - اين توري چون در تماس مستقيم با مخزن ميباشد امكان يك عمليات موفق نمودارگيري در حين بهره برداري را اجازه مي‌دهد و اطلاعات دقيقي از مخزن بدست مي‌دهد. همين قطر زياد توري مشكل محدوديت قطري كه ديگر روشها براي ابزار نمودارگيري بوجود مي آورند را نيز مرتفع نموده است در Gravel Pack اين قطر بسيار محدود مي باشد.

- - در صورت استفاده از اين توري ميتوان با نرخ بالا از چاه بهره برداري نمود . با آماري كه از چندچاه‌گرفته شده‌است بطور متوسط تا 70% توليد را بيشتر كرده است (جدول شماره1) .

- - توري‌هاي ماسه قابل انبساط بخاطر نگهداشتن سازند ، از ريزش سازند و بهم آمدن چاه جلوگيري مي‌كندو بهمين دليل‌خودنيزمسدودنشده‌ودر معرض خوردگي نيز قرار نمي‌گيرد.

- - اين توري داراي روش نصب بسيار ساده اي مي باشد در صورتيكه Gravel Pack نياز به تجهيزات و نفرات بيشتري جهت نصب دارد.

- - در صورت نياز اين توري به تعمير بدون آنكه رشته قبلي را از چاه خارج شود ميتوان رشته جديدي با سايز كوچكتر در آن راند و فقط باندازه 0.7” قطر چاه را از دست داد.

- - در اين توري‌ها سرعت بالا آمدن سطح آب بسيار كمتر و بصورت يكنواخت ميباشد و زمان شروع توليد آب خيلي بيشتر از Gravel Pack ميباشد.

- - نظر به اينكه افت فشار اصطكاكي تابعي از عكس توان پنجم قطر داخلي ميباشد، قطر نهايي تكميل تأثير به سزايي در مقدار اين افت فشار دارد ، هرچه قطر نهايي تكميل بيشتر باشد اين افت فشاركمتر شده و در توري‌ها بخاطر تكميل با قطر بيشتر اين عامل نسبت به روشهاي ديگركاهش مي يابد.

- بنابراين Water Cut كمتر و Ultimate Recovery بيشتري خواهيد داشت.از فاكتورهاي ديگري كه مؤثر بر Water Cut مي باشد Rate Of Production مي باشد كه در آزمايشهاي انجام شده مشخص شده كه با بالا بردن Rate توليد سرعت بالا آمدن آب نسبت به روشهاي ديگر بسيار كمتر مي باشد در نتيجه Water Cut در چاههايي كه با E.S.S تكميل شده‏اند بسيار كمتر مي‏باشد.

- - عمليات راندن E.S.S در زمان كمتري انجام مي شود و به صورت معدل گيري تا 55% زمان دكل Save مي شود.

- - E.S.S قابليت رانده شدن و Expand شدن در حفره هاي افقي را دارا مي باشد.

- - در تکمیل با E.S.S می توان میزان تولید را تا مقدار دلخواه افزایش داد بدون آنکه درصدی ماسه وارد نفت شود.

- - E.S.S قابليت رانده شدن همزمان با تكميل‌هاي حومه شهري و تكميل با پمپ درون چاهي را دارد.

شكل 10- تكميل چاه حومه شهري به‌همراه سيستم مهار ماسه

5-3- مشكلات توري‌هاي ماسه قابل انبساط

- توري‌هاي ماسه قابل انبساط در صورت خراب شدن غير قابل بازيافت مي‌باشند. تعميرات و آن بسيارمشكل است و آسياب كردن آن غير ممكن و سخت مي باشد. درصورت خراب شدن اين سيستم ناگزير به راندن يك سايز كوچكتر بوده و يك سايز از دست خواهد رفت. در ازاي راندن هر توري از قطر داخلي چاه 0.7” كسر مي‌شود. قیمت توري‌ها فوق العاده گران می باشند اما نتایج درخشان آن در تولید کاملاً این قضیه را جبران می کند. درچاه‌هايي كه شديداً فرسايش شده اند اين سيستم جهت نصب مناسب نيست.