ارائه مدل ژئومکانیکی و تحلیل شکست هیدرولیکی در لایه مخزنی بنگستان

شکست هیدرولیکی یک درمان تحریکی چاه و عملیاتی برای افزایش بهره وری چاههای نفت و گاز می باشد. روش شکست هیدرولیکی در مخازنی با نفوذ پذیری پایین که نرخ تولید بسیار کم است سبب افزیش تولید می گردد . در این مقاله مخزن بنگستان در میدان نفتی اهواز که از میزان کافی نفتدرجا برخوردار و دارای تخلخل مناسبی می باشد مورد بررسی قرار گرفت. بر این اساس این مخزن یک نمونه خوب برای انجام عملیات شکست هیدرولیکی است. برای این منظور از یک مدل ژئومکانیکی استفاده گردید و پارامترهایی همچون تنش اصلی حداکثر (S1) ، تنش اصلی متوسط (S2) وتنش اصلی حداقل (S3) و تنش عمودی (Sv) تعیین شد. با توجه به محاسبات انجام شده مشخص گردید که موقعیت تنش های برجا در این میدان به صورت رژیم تنش نرمال است ( > > ). پرفایل های تنش حداقل و حداکثر به ترتیب مقادیر 52 و 71 مگاپاسکال را نشان داد و همچنین میزان تنشهای القایی حداقل و حداکثر پس از عملیات حفاری به ترتیب 29 و 61 مگاپاسکال تعیین گردید. در نهایت نیز میزان حداقل و حداکثر فشار لازم جهت ایجاد شکست بصورت کششی و برشی به ترتیب 17 مگاپاسکال و 114 مگاپاسکال محاسبه شد. در این مقاله پس از رسم سه نمودار تنش ، تخلخل واشباع آب و لایه بندی آنها ، سنگ مخزن به 15 لایه مجزا تقسیم شد. سپس از بین این لایه ها ، لایه شماره 3 دارای هر سه فاکتور لازم شناخته شد. لایه شماره 3 ، از عمق 3305- 3221 به ضخامت 84 متر ، که دارای تنش57 مگاپاسکال ، تخلخل 21 % و اشباع آب 17.5% است.

1 - مقدمه :

روش متداول تحریک در مخازن ایران ٬ روش اسید کاری است . اما در مواردی که این روش کارایی لازم را نداشته باشد ، استفاده از روش شکست هیدرولیکی توصیه می شود . شکست هیدرولیکی در چاههای نفت و گاز به عنوان یک تکنیک مناسب و موثر در افزایش میزان استحصال هیدروکربن ها از این چاهها ، گسترش روز افزونی یافته است . در این روش سیال مناسب به همراه مواد افزودنی لازم به داخل چاه پمپ می شود . با افزایش فشار تا حد بالاتر از مجموع تنش های برجا و مقاومت کشش سنگ ، نواحی اطراف چاه شکسته شده و ترک هایی ایجاد می شود . دبی و فشار زیاد پمپاژکه از ظرفیت و قدرت تحمل سنگ مخزن بالاتر است ، باعث شکسته شدن سنگ مخزن گردیده و در آن ایجاد شکاف می کند .

میدان اهواز یکی از بزرگترین میادین در جنوب غرب ایران است . مخزن بنگستان در این میدان به دلیل بالا بودن حجم نفت درجا و سنگ های مخزن مناسب و همچنین تخلخل خوب ٬ برای انجام شکست هیدرولیکی گزینه مناسبی است . برای دلایل بالا در شروع مطالعه شکست مخزن لازم است بعضیرفتارهای مهم تست های مکانیک سنگ روی نمونه سنگ مخزن مختلف برای بدست آوردن اطلاعات بیشتر از خواص مکانیکی و فیزیکی سنگ مخزن بررسی شود .

سنگ ها و توده های سنگی اطراف مخازن نفت و گاز در معرض سه تنش اصلی برجا هستند که شامل تنش قائم ٬ تنش افقی ماکزیمم و تنش افقی مینیمم می باشد.

روشهای گوناگونی برای تخمین گرادیان تنش در سنگهای سخت اعمال شده است : دو روش مهم در زیر آمده است :

الف – اندازه گیری های آزمایشگاهی : شامل تعیین خواص مکانیکی سنگ مخزن و استفاده از معادلات ریاضی برای تبدیل این خواص در یک گرادیان فشار ، یا اندازه گیری مستقیم یک گرادیان شکست در آزمایشگاه است.

ب – تست های عملیات چاه : تست های عملیات چاه و آنالیزهای آنها به منظور تخمین گرادیان فشار انجام می شود . برای مثال : min-fracture test ٬ leak off testوstep rate test .[3,4]

2 - تعیین مدل ژئومکانیکی :

برای دستیابی به مدل ژئو مکانیکی در ابتدا باید میزان تنش های اصلی را محاسبه کرد. تنش های اصلی تنش های قائمی هستند که در صفحه آنها تنش های برشی صفر هستند و بصورت تنش های اصلی حداکثر (S1) ٬ تنش اصلی متوسط (S2) و تنش اصلی حداقل (S3) تعیین می شوند. تنشعمودی (Sv) یکی از تنش هاست و دو تنش اصلی دیگر عبارتند از : تنش افقی حداقل ( ) و تنش افقی حداکثر ( ) .

تنش قائم با انتگرال گیری از دانسیته سنگ از سطح تا عمق مورد نظر بدست می آید :

مقدار تنش های افقی نیز بوسیله فرمول زیر تخمین زده می شود [5] :

با محاسبه میزان تنش های افقی حداقل و حداکثر مشخص شد که رژیم تنش حاکم رژیم تنش نرمال می باشد ( > > ) . شکل 1 نمودار مربوط به تنش های افقی حداقل و حداکثر را نشان می دهد .

برای تعیین ضرایب الاستیک موجود در روابط (2) و (3) دو منبع وجود دارد. یکی استفاده از نمودارگیری و دیگری استفاده از فرمول های تجربی. برای محاسبه نسبت پواسون و مدول یانگ در حالت دینامیکی داریم :

در روابط بالا میزان زمان انتقال موج برشی و تراکمی بر حسب (km/sec) می باشد و مدول یانگ بر حسب (Gpa) می باشد . از آنجایی که نمی توان در مدل ژئومکانیکی از داده های دینامیکی استفاده کرد پس باید از رابطه تجربی زیر جهت تبدیل داده ها به حالت استاتیکی استفاده کرد :

شکل 2 اختلاف بین مدول یانگ استاتیک و دینامیک را نشان می دهد .

حال در این مرحله و با داشتن فشار منفذی و میزان تنش افقی حداقل٬ می توان پنجره گل را طراحی و ترسیم نمود . این پنجره ما را در انتخاب وزن گل مناسب یاری می کند. پنجره گل مطمئن به گونه ای است که فشار گل کمتر از فشار سازند باشد در نتیجه سیال دچار فوران شده و از مخزن به سمت چاهجاری می شود . اگر فشار گل از تنش افقی حداقل تجاوز کند ٬ شکستگی های کششی القایی ناشی از حفاری ایجاد شده و هرزروی گل بصورت جزئی روی می دهد. محدوده پنجره گل پایدار میان کمترین وزن گل حفاری و تنش افقی حداقل است . از نقطه نظر ژئومکانیکی ٬ پنجره گل پایدار این اجازه را میدهد که چاه از شکستگی های کششی و یا گیر لوله ها که در اثر وزن گل انجام می شوند ٬ همچنین شکستگی های برشی که به دلیل وزن کم گل صورت می گیرد ٬ ایمن باشد[6] . شکل 3 پنجره گل مطمئن بدست آمده را نشان می دهد.

3- تعیین محدوده فشار شکست :

برای این منظور ابتدا باید تنش های القایی مماسی ٬ محوری وشعاعی که بعد از عملیات حفاری به وجود می آیند را محاسبه کرد . پس بر پایه روابط زیر داریم :

در روابط بالا فشار چاه را به راحتی با داشتن وزن گل و عمق می توان محاسبه کرد .

شکل 4 نمودار تنش های القایی و شکل 5 نمودار فشار حداقل و حداکثر برای ایجاد شکست کششی و برشی را نشان می دهد.

پس از محاسبه تنش های بالا ٬ مدل شکستگی برشی٬ مدل (Shear Failure Shallow Knockout SSKO) و مدل (Shear Failure Narrow Breakdown SNBO) شناخته شد ٬ که به واسطه آن حداقل فشار جهت شکستگی برشی در دامنه ای بین 17 تا 43 مگاپاسکال و حداکثر فشار جهتشکستگی برشی در محدوده ای بین 67 تا 114 مگاپاسکال قرار می گیرد. همچنین حداقل فشار لازم جهت ایجاد شکستگی قائم در محدوده ای بین 65 تا 90 مگاپاسکال قرار می گیرد.

4 - تعیین و ترسیم پروفایل مربوط به تنش برجا ٬ تخلخل و اشباع آب :

به منظور تعیین لایه مناسب برای عملیات شکاف هیدرولیکی نیاز به 3 نمودار مهم و کلیدی خواهیم داشت :

4-1 . نمودار تنش بر حسب عمق که با استفاده از داده های بدست آمده از نمودارهای صوتی و روابط پروالاستیک تعیین و رسم می شود که با استفاده از آن می توان تغییرات تنش در اعماق مختلف را مورد بررسی قرار داد.

رابطه پرو الاستیک به صورت زیر می باشند : [5]

برای تعیین میزان مدول یانگ و ضریب پواسون نیز از داده های دانسیته و زمان انتقال موج در حالت برشی و تراکمی استفاده می شود .

شکل شماره 1 نمودار تنش برحسب عمق را نشان می دهد .

4-2. نمودار مربوط به تخلخل که نشان دهنده چگونگی توزیع فضاهای خالی است و با استفاده از نمودارهای تخلخل تعیین و رسم می شود.

4-3. نمودار مربوط به اشباع آب که این نمودار برحسب محاسبه فرمول آرچی با داشتن میزان مقاومت و تخلخل قابل رسم می باشد و به ما میزان توزیع آب در فضاهای خالی و در نتیجه میزان نفت موجود را نمایش می دهد.

برای تعیین لایه مناسب به منظور عملیات شکست هیدرولیکی سه نکته حائز اهمیت است :

1 - لایه هدف باید دارای درصد تخلخل بالا باشد .

2 – لایه هدف باید دارای تنش درجای پایین باشد .

3 - لایه هدف باید دارای درصد اشباع آب پایین باشد .

لایه ای که سه فاکتور بالا را داشته باشد لایه مناسب جهت عملیات شکست هیدرولیکی است . البته باید توجه داشت که علاوه بر لایه هدف ، دولایه مجاور نیز نقش مهمی در انتخاب لایه مناسب ایفا می کنند . زیرا در صورت ضعیف بودن لایه های مجاور منجر به توسعه شکاف و در نتیجه تولید آب خواهدشد که مسلما برای ما مطلوب نخواهد بود . اصولا لایه های مجاور باید دارای تنش درجای بالا و تخلخل کم باشند تا بتوان از آنها به عنوان لایه مانع استفاده کرد .

5 - تحلیل لایه به لایه نمودارهای تنش برجا ٬ تخلخل و اشباع آب :

در ابتدا وبه منظور تحلیل تک تک لایه ها عملیات ناحیه بندی یا Zonation را انجام می دهیم . بر اساس 3 فاکتور تنش ، تخلخل و اشباع آب ٬ نمودارها را می توان به 15 لایه تقسیم کرد (شکل شماره 6 ) :

تفسیر لایه ای نمودارها به شرح زیر می باشد :

لایه های شماره 1 و 2 : این لایه ها هرچند دارای تنش و تخلخل مناسبی هستند ولی به دلیل داشتن درصد اشباع آب بالا نمی تواند گزینه مناسبی باشد .

لایه شماره 3 : این لایه دارای تنشی برابر 57 مگاپاسکال ، تخلخل 21% و همچنین درصد اشباع مناسب در حدود 5/17 % با ضخامتی در حدود 83 متر ، می تواند لایه مناسبی برای انجام عملیات شکست هیدرولیکی باشد .

لایه شماره 4 : این لایه با تنش 57.5 مگاپاسکال، تخلخل 20% و اشباع آب 22% لایه خوبی به نظر می رسد، ولی بدلیل ضخامت کم لایه و وجود آب در لایه زیرین خود گزینه مناسبی نمی باشد.

لایه های 5 تا 8 : این سه لایه به دلیل داشتن تنش بالا و تخلخل کم می توانند به عنوان یک لایه مانع مناسب عمل کنند .

لایه شماره 9 :این لایه نیز به دلیل بالا بودن حجم اشباع آب لایه مناسبی نیست.

لایه های 10 تا 15 : این لایه ها تقریبا هیچ یک از سه فاکتور لازم برای عملیات شکست هیدرولیکی را ندارند . تخلخل کم ، تنش بالا و اشباع آب نسبتا زیاد این لایه ها را به لایه هایی نامناسب برای عملیات شکست هیدرولیکی تبدیل کرده است .

پس از رسم نمودارهای مربوط به تخلخل و اشباع آب و همچنین پروفایل تنش های برجا و ناحیه بندی آنها ٬ نتایج زیر حاصل شد :

6 - نتیجه گیری :

پس از انجام محاسبات و بررسی های لازم نتایج زیر برای سنگ مخزن بنگستان حاصل شد :

1 . رژیم تنش برای سنگ مخزن مذکور ٬ رژیم تنش نرمال ( > > ) شناخته شده است .

2 . با تعیین پنجره گل ایمن مشخص شد ٬ فشار مناسب که باید توسط وزن گل ایجاد شود ٬ در محدوده ای بین 41 تا 52 مگاپاسکال قرار می گیرد .به این ترتیب فشار ناشی از وزن گل به اندازه ای است که از فشار سازندی ) ( Pp بیشتر است در نتیجه از از فوران چاه جلوگیری می کند و همچنین از حداقلفشار افقی کمتر است و از شکستگی های کششی القایی ناشی از حفاری که باعث هرزروی گل می شود ٬ جلوگیری می کند .

3 . با تعیین میزان حد بالا و پایین فشار شکست در سازند مشخص شد که پایین ترین حد برای ایجاد شکست برشی در سنگ 17 مگاپاسکال می باشد . این در حالی است که بالاترین حد به منظور ایجاد این نوع شکست فشار 114 مگاپاسکال محاسبه و ثبت شده است . همچنین به منظور ایجاد شکستگی هایقائم نیز حداقل فشار لازم 65 مگاپاسکال محاسبه شد .

4 . با توجه به جدول 1 نیز ، لایه مناسب را می توان لایه شماره 3 تخمین زد .