بخشی از مقاله
بررسی مکانیزم تولید ماسه در چاههای نفتی و عوامل موثر بر آن
چکیده
مکانیزم تولید ماسه در چاههای نفتی در مطالعه حاضر بر اساس انجام آزمایشهای شبیهسازی تولید ماسه انجام شده است. ماسه عموما از حفرات تولیدی که توسط تفنگهای مخصوص در دیواره چاهها (لوله جداری) ایجاد شده اند، تولید میشود. برای شبیهسازی این فرآیند در آزمایشگاه عموما یک نمونه استوانهای با یک حفره در میان را تحت تنشهای شعاعی و محوری قرار میدهند و سیال هیدروکربنی با فشار از داخل نمونه عبور داده می شود و همزمان مقدار ماسه تولیدی ثبت میشود.
در این آزمایشها تنشهای محدود کننده در گامهای مختلف افزایش می یابد و در هر گام از تنش محدود کننده، سیال تزریقی در فشارهای مختلف تزریق می شود که این امر منجر به ایجاد نرخهای مختلف جریان سیال در نمونه شده و در هر مرحله مقدار تولید ماسه اندازهگیری میشود. مجموعه آزمایشگاهی طراحی و ساخته شده شامل یک سلول سه محوری است که توان اعمال مستقل تنشهای محوری و شعاعی را داراست. برای اندازه گیری پیوسته مقدار ماسه تولیدی در اثنای تست، یک ابزار اندازهگیری طراحی و ساخته شد که بر اساس اندازه گیری مستقیم دانههای رسوب کرده ماسه بر روی یک ترازوی سیال کار میکند. بر اساس مجموعه آزمایشهای انجام شده با فشارهای جانبی گوناگون و جریانهای مختلف سیال، روند تولید ماسه در شرایط مختلف بطور کمی نشان داده شده و آستانه تولید ماسه و شرایطی که منجر به تولید گذرا، پیوسته و انبوه میگردد برای نمونه های مورد استفاده تعیین شده اند.
در این مقاله تاثیر مقاومت و نفوذپذیری سنگ، اندازه و تعداد حفره تولید، گرد شدگی و اندازه دانه ها و همچنین شکل منجنی دانه بندی در میزان تولید ماسه بررسی شده است. بطور کلی با افزایش مقدار تنشهای زمین، مقدار تولید ماسه افزایش می یابد. آستانه تولید ماسه زمانی است که مقدار این تنشها به حدود دو برابر مقاومت فشاریی تکمحوره سنگ برسد. نتایج نشان میدهد که با افزایش مقاومت و کاهش نفوذپذیری سنگ، میزان تولید ماسه کاهش یافته و با افزایش سایز حفره و نیز افزایش تعداد حفره در واحد طول این مشکل افزایش می یابد. همچنین با گوشه دار شدن دانه ها، کاهش سایز دانه ها و کم شدن محدوده اندازه دانه ها در نمونه سنگ، شانس تولید ماسه افزایش می یابد.
کلید واژهها: تولید ماسه، حفره تولید، مدلسازی عددی، مدلسازی فیزیکی، اندرکنش سنگ و سیال
مقدمه
تقریبا %70 از مخازن نفت و گـاز جهـان در مخـازن بـا اسـتحکام کـم قـرار دارنـد.[1] مخـازن نفـت و گـاز ماسه سنگی نیز در بین این مخازن سست قرار دارد. هنگامی کـه تولیـد مـواد هیـدروکربوری از مخـازن سسـت صورت می گیرد، در برخی شرایط ذرات با اندازه ماسه ز سازند جدا شده و به درون جریان سـیال هیـدروکربوری وارد میشود. این ورود ناخواسته ذرات مذکور تولید ماسه (Sand Production) خوانده می شود. تولید ماسه همـه ساله هزینه های هنگفتی را بر شرکتهای نفتی تحمیل می کند. تولید ماسه باعـث فرسـایش لولـه هـا، شـیرآلات و دریچه ها می شود و جداکردن دانه های تولید شده از نفت نیز امری پر هزینه مـی باشـد. مجموعـه ایـن مشـکلات همواره شرکتهای تولید کننده نفت و گاز را بر آن داشته که به مقابله با این معضل بپردازند.
میزان ماسه تولیدی می تواند از چند گرم برای هر مترمکعب از سیال تولیدی (تولید ناچیز)تا تولید بحرانـی و فاجعه آمیز ماسه تغییر کند که منجر به پرشدن کامل چاه تولیدی و از دست دادن کامل چاه شود.
از مهمترین سوالاتی که برای یک طراح مطرح است این که کدام چاههـا و تحـت چـه فشـاری ماسـه تولیـد می شود؟ کدام نواحی را می توان سوراخکاری (Perforation) نمود و اثـر ایـن سـوراخکاری بـر تولیـد ماسـه چـه می باشد؟ استراتژی سوراخکاری باید به چه صورت باشد تا تولید ماسه به حداقل برسد؟ میزان تخریب سـازند بـه واسطه تولید ماسه چه مقدار می باشد؟ سوالات بسیاری از این قبیل پیرامون تولید ماسـه مطـرح مـی باشـند کـه بررسی آنها نیاز به درک مکانیزم تولید ماسه از دیدگاه اندرکنش سنگ و سیال دارد. مقاله حاضر مروری است بـر مطالعات انجام گرفته در زمینه شناسایی مکانیزم تولید سیال و عوامل موثر بر این فرایند.
مکانیزم تولید ماسه
هنگامیکه یک حفره (چاه) درون محیطی متخلخل که با سیالی با فشار بالا اشباع شـده اسـت ایجـاد گـردد، سیالِ تحتِ فشار تمایل به حرکت به سمت حفره (که دارای فشار پایین تری است) دارد . این حرکـت در نزدیکـی حفره تشدید شده و نیرویی بر دانههای محیط متخلخل وارد میکند که منجر بـه جـدا شـدن دانـههـای محـیط متخلخل از ماتریکس اولیه و هدایت آنها به درون حفره می شود. در مورد مخازن ماسـه سـنگی در هنگـام تولیـد احتمال رویداد پدیده فوق وجود دارد[2]،.[3] در این مخازن، برای افزایش سطح تولیـد، سـوراخهایی در جـداره چاه ایجاد می شود که در این مقاله لفظ "حفره" بدانها اختصاص داده شده است. این حفره ها مولد اصلی نفـت و
ماسه بوده و پایداری چاه وابسته به پایداری آنها میباشد (شکل(.((1
شکل(:(1 موقعیت حفره تولید در دیواره چاه [4]
تولید ماسه پدیده ای است که از اندرکنش شکست حاصل از تمرکز تنش و فرسایش حاصل از جریان سـیال
در حین تولید مواد هیدروکربوری، ایجاد می شود. درک و شناخت عوامل مـوثر در پدیـده تولیـد ماسـه و تعیـین مکانیزم تولید ماسه از گام های اولیه در انتخاب روش های کنترل تولید ماسه و طراحـی یـک مـدل جـامع بـرای تکمیل چاه میباشد.
بطور کلی و با توجه به مقدار ماسه تولید شده از چاه، تولید ماسه به سه حالـت گـذرا، پایـدار و فاجعـه آمیـز تقسیم میشود.[ 5] در حالت گذرا تولید ماسه به گذر زمـان و تحـت شـرایط تولیـد ثابـت از چـاه، بـه تـدریج و رفتهرفته کاهش یافته و تمرکز ماسه و حجم آن و بویژه کاهش آن با زمان قابل توجه میباشـد. در حالـت تولیـد ماسه چاه بطور دائم با تولید ماسه همراه میباشد. بسیاری از چاهها در این مرحله از تولید ماسـه قـرار دارنـد. در این مورد، باید حد مشخصی برای تولید ماسه تعیین کرد که در کمتر از آن، ماسه تولید شده بصورت یک مشکل تلقی نمیشود. در مرحله تولید فاجعه آمیز ماسه، چاه با تولید ماسه شدیدی مواجه شده و دچار شوک میگردد و تولید قطع و مشکلات عدیدهای پیش خواهد آمد و حتی ممکن است چاه بـرای همیشـه تخریـب و تولیـد دیگـر صورت نگیرد. همواره باید سعی کرد تا چاه به این مرحله از تولید ماسه نرسد.
یکی از روشهای مطالعه تولید ماسه روشهای آزمایشگاهی است که ر آن این پدیده تحت شرایط کنترل شده آزمایشگاهی مورد بررسی قرار میگیرد. با استفاده از این تستها، میتوان به مکانیزمهـای مختلـف تولیـد ماسـه و تاثیر پارمترهای مختلف بر روی این پدیده پی برد.
غالبا پذیرفته شده است که امکان وقوع تولید ماسه در سنگ سالم (سنگی که دچار شکستگی نشـده اسـت) وجود ندارد. یعنی برای وقوع تولید ماسه ابتدا ماسه سنگ باید تحت تنش خارجی شکسته شود و سـپس جریـان سیال ذرات شکسته شده را انتقال دهد. جریان سیال عموما به تنهایی امکان جدا کردن دانههای ماسه را از سنگ سالم ندارد. برای شکسته شدن ماسه سنگ لازم است تا تمرکز تنش در اطراف حفره ای کـه تولیـد از آن صـورت می گیرد به میزان لازم جهت شکسته شدن سنگ برسد. بنابراین آستانه تولید ماسه بسـتگی جـدی بـه شکسـت حاصل از تمرکز تنش دارد. اگر چه شکسته شدن سنگ برای تولید ماسه لازم است، اما به تنهایی کافی نیسـت و نیاز به جریان کافی سیال نیز دارد.
پیشینه مطالعات انجام شده
از آنجا که پدیده تولید ماسه یکی از مسائل مهم در صنعت نفت میباشد، در سطح جهان پژوهشهـای قابـل توجهی در زمینه شبیهسازی این پدیده صورت گرفته است. مهمترین و جدی ترین این پـژوهشهـا در مجموعـه تحقیقات نفتی SINTEF در کشور نروژ صورت گرفته است، قدمت فعالیت هـای ایـن موسسـه بـالغ بـر دو دهـه می باشد. این پژوهشها در قالب فازهای مختلف پژوهشی در حال حاضر نیز در حال انجام است. نتایج این سلسـله پژوهشها در قالب مقالات مختلف ارائه شده است [6]،[7]،[8]،[9]،[10] ،.[11]
این پژوهشها در قالب دو بخش کلی مدلسـازی فیزیکـی و عـددی در حـال انجـام اسـت. تـلاشهـای ایـن پژوهشگاه در زمینه مدل عددی علاوه بر کارهای عددی برای مدل کـردن تولیـد ماسـه در اطـراف حفـره تولیـد [8]عمدتا بر روی تولید یک نرم افزار تحـت عنـوان پـیش بینـی کننـده تولیـد ماسـه بـوده اسـت. عـلاوه بـر آن دانشگاه هایی مانند دانشگاه آریستوتل و ملی تکنیک آتن (NTUA) در یونـان [12]،[13]و مراکـز دیگـر نیـز در همکاری با این مجموعه تحقیقاتی کرده اند. پژوهش های دیگری نیز در این زمینه انجام شده و یا در حال انجـام است .[14] همگام با شناخت پدیده تولید ماسه پژوهش هایی در زمینه کنترل و مدیریت تولید ماسه نیز صـورت گرفته است.
همانطور که پیشتر بدان اشاره شد موسسات پژوهشی در نروژ پیشگام انجام مطالعات در زمینه تولید ماسه و همچنین شبیه سازی آزمایشگاهی این پدیده بوده اند. یکی از اولین پژوهش چاپ شده در این زمینه مربـوط
به ترونوول و دیگران (1993)میشود.[15] مجموعه آزمایشگاهی مربوط را می توان در شکل 2 دید. همچنـین در این شکل شرایط مرزی نمونه نیز دیده میشود. این مجموعه توان اعمال تنش قائم و جانبی و فشار تزریق سـیال به نمونه آزمایشگاهی را دارد. ضمنا نحوخ آزمایش تولید ماسه تشریح شده توسط سرازی نیز در شکل زیر نمایش داده شده است.
شکل(:(2 سلول تست ترونوول سمت راست و سرازی سمت چپ
در این سیستم نمونه ای سوراخدار (مشابه یک سوراخ تولید در چاه نفت) در داخل سلول قرار گرفته و تحت تنش قرار میگیرد.
`
شکل(:(3 موقعیت قسمتی از دیواره چاه که در تست تولید ماسه، مدل میشود.
یکی از مسائل مهم در آزمایش تولید ماسه بحث اندازه گیری ماسه تولیـدی مـی باشـد. روشهـای گونـاگونی شامل اندازهگیری ناپیوسته [14]، اندازهگیری پیوسته بـا ابزارهـای سـونیک و آکوسـتیک[16 ]وانـدازهگیـری بـا ترازوی مغروق [7] بدین منظور به کار رفته است.
اطلاعاتی که از هر آزمایش بدست می آید در درجه اول نمودارهایی است که بیـانگر میـزان تولیـد ماسـه در طول تست و در شرایط مختلف سطح تنش و تزریق سیال مـی باشـد. نمونـهای از ایـن نمودارهـا را مـی تـوان در شکل((4 دید. سطوح تنش شاخص مانند سطح تنشی که در آن تولید ماسه آغاز می شود، یا سطح تنشی کـه در
آن تولید انبوه ماسه در آن صورت میگیرد را میتوان از این نمودارها بدست آورد.
شکل(:(4 میزان تولید ماسه در طول انجام آزمایش نسبت به تغییر سطح تنش و تزریق سیال [7]
از جمله اطلاعات دیگری که از تست بدست می آید تغییر شکل دهانه حفره تولید است که می تواند ما را در درک مکانیزم شکست دهانه حفره یاری دهد. شکل5 انواع تغییر شکل دهانه حفره را متناسـب بـا ویژگـی مـاده مورد آزمایش نشان میدهد.
شکل(:(5 تغییر شکل دهانه حفره تولید نسبت به ویژگی نمونه[7]
در ایران نیز به غیر از پژوهش حاضر میتوان به پژوهش صورت گرفته توسط بداغ آبـادی و دیگـران (2007) اشاره کرد.[17] اولین مدل آزمایشگاهی طراحی شده، جهت انجام آزمایش فوق بر روی نمونه های با قطـر مغـزه 54 میلی متر و طول مغزه 125 میلی متر صورت گرفته است. نمایی از تجهیزات انجام آزمایش و سلول مربوطـه را می توان در شکل6 دید.
شکل :(6) نمایی از مجموعه دستگاه و سلول بکار رفته
مطالعه آزمایشگاهی حاضر درمورد تولید ماسه
عموما روند انجام تست های آزمایشگاهی به این صورت است که ابتدا بر روی نمونه حاوی یک سوراخ مرکزی یک تنش خارجی (هیدرولیکی) اعمال می شود و سپس برای هر شرایط تنش خارجی، سیال با فشارهای مختلـف به درون نمونه تزریق می شود. سپس سطح تنش خارجی بیشتر شده و مجددا سیال بـا فشـارهای مختلـف درون نمونه تزریق میشود.[7] بدین ترتیب می توان ترکیب متفاوتی از فشار های سیال و تنش های خـارجی را بدسـت آورد. در پروژه حاضر نیز، روند مشابهی برای انجام تست های آزمایشگاهی پیش بینی شده است. در مطالعه حاضر
مجموعه ادوات آزمایشگاهی به نحوی ساخته شد که علاوه بر انجام تستهای معمول تولید ماسـه بتـوان بـه طـور مشخص اثر عوامل مهم زیر را نیز بر روی مقدار تولید ماسه تعیین کرد:
· بررسی اثر اندازه حفره
· بررسی اثر نمونه ها با مقاومتهای مختلف
· بررسی تاثیر دانه بندی های مختلف و اثر شکل منحنی دانه بندی بر تولید ماسه
· بررسی اثر حفرات مجاور بر روی یکدیگر
· بررسی اثر گردشدگی دانه ها بر تولید ماسه
فاکتورهای مهمی که در آزمایش تولید ماسه مورد بررسی قرار می گیرد عبارتند از:
تنش آستانه تولید ماسه: شرایط تنشی است که اولین نشانه های تولید ماسه دیـده مـی شـود، البتـه ایـن تعریف، یک تعریف نسبی است و باید با توجه به نتایج آزمایشها یک حد برای این منظور تعریف شود.
میزان تولید ماسه با گذشت زمان : اگر در هرگام فشار خارجی و فشار سیال فرصت کافی بـه نمونـه داده شود و در طی زمان قابل توجهی تست در شرایط یکسانی قرار گیرد، می توان شاهد تولید ماسـه در طـول زمـان بود. تغییر میزان تولید ماسه با گذشت زمان در این حالت قابل بررسی میباشد و میتوانـد ابـزار مناسـبی جهـت کالیبراسیون مدل عددی برای ارزیابی میزان تولید ماسه با گذشت زمان باشد.
تنش تولید انبوه ماسه: شرایط تنشی است که در آن تولید انبوه ماسه اتفاق میافتـد و عمومـا بـا گذشـت زمان منجر به بسته شدن چاه می شود.
مکانیزم تغییر شکل حفره تولید: چگونگی تغییر شکل حفره یکی از مسائل مهمی است که بایستی رابطه آن با سایر ویژگیهای نمونه و آزمایش تعیین شود، به طور کلی میتوان از انواع فرسایش حفره شـامل یکنواخـت، پوسته پوسته شدن و تغییر شکل تخریبی نام برد.
شرح سیستم شبیه ساز شرایط تولید ماسه
جهت شبیهسازی تولید ماسه با استفاده از مدل فیزیکی اقدام به طراحی و ساخت یک مجموعه در ابعاد نیمه صنعتی که توانایی انجام آزمایش بر روی یک نمونه استوانه ای با قطر 150 میلیمتـر و طـول 300 میلـیمتـر را دارد، شده است. یک حفره با طول 150 میلی متر در طی تهیه مدل مصنوعی در نمونه ایجاد میشود که معـرف حفره تولید میباشد. در آزمایش های مشابه عموما بر روی یک مغزه با یک حفره در میان صورت می گیرد که این نمونه یک ماکت از نواحی اطراف حفره تولید می باشد. این مدل فیزیکی با توجه به توان مدلکردن فشار مخزن و تنشهای جانبی و محوری در حد مقادیر نزدیک به واقع که امکان انجـام آزمـایش را در گسـتره وسـیعی فـراهم می کند، میتواند به عنوان مهمترین ابزار برای کالیبراسیون مدل عددی و همچنین جهت مقایسه نتـایج حاصـل آن با نتایج واقعی بکار رود.
ابعاد سلول طراحی شده در نوع خود کم نظیر است بطوریکه بزرگ بودن نمونه امکان انجام آزمایش بـر روی دو حفره تولید در کنار هم را فراهم میکند که به نظر میرسد تاکنون مورد مشابهی از آزمایش بر روی دو حفـره تولید در کنار هم منتشر نشده است.
کلیه اطلاعات نظیر فشارهای محوی و شعاعی، فشار جریان سیال در درون نمونه، وزن ماسه تولیدی و نظایر آن به کمک یک دستگاه اتوماتیک جمع آوری داده (Data Acquisition System) در اثنـای تسـت ثبـت مـی شود.
سیال تزریقی به نحوه انتخاب شده که ویسکوزیته آن معادل ویسکوزیته نفت خام ئـدر دمـای مخـزن باشـد.
بدین ترتیب سعی شده است تا حداکثر مشابهت شرایط آزمایشگاهی با شرایط برجای نمونه تامین شود.
با توجه به اینکه پمپهای تزریق سیال باید سیال هیدروکربوری را طی زمانی طولانی و با دبی بالا و متغیـر و تحت فشار زیاد تامین کنند، لازم است تا پمپ دائما و طی انجام تستهای طولانی مدت خنک شود. در مجموعه آزمایش سیستمی برای انجام این امر نیز در نظر گرفته شده بود. ضمنا تنظـیم فشـار سـیال تزریقـی در اثنـای آزماش و در پله های مختلف نیز توسط یک شیر هیدرولیکی فشارشکن انجام می گیرد.
شکل((7 نمایی کلی از تجهیزات فراهم شده برای شبیهسازی تولید ماسه را نشان می دهد، این تجهیزات بـه صورت کلی عبارتند از:
· سلول سه محوری
· پمپهای اعمال فشار شعاعی و محوری
· دستگاه جمعآوری اطلاعات فشار از پمپها و سلول سهمحوری
· مخزن نفت خام و پمپ تزریق نفت
· شیر تنظیم فشار تزریق نفت
· سیستم اندازهگیری وزن ماسه تولیدی
· ابزار اندازهگیری مقدار جریان نفت تزریقی
· رایانه جهت جمع آوری اطلاعات و رویت اطلاعات دریافتی حین انجام تست
شکل(:(7 رابطه شماتیک بخشهای مختلف مجموعه آزمایشگاهی
سلول سهمحوری و متعلقات آن به نحوی طراحی شده که توان اعمال فشارهای تا 40 مگاپاسکال را داراست. این سلول توان اعمال تنشهای قائم و جانبی و تزریق نفت را به طـور همزمـان دارد. متعلقـات جـانبی سـلول را میتوان در شکل (8) دید.
شکل(:(8 سلول سه محوره به همراه متعلقات مربوطه
یکی از قسمت های مهم این مجموعه، ترازویی است که با دقت 0,01 گرم که از طریق پـورت RS232 بـه کامپیوتر متصل است و بصورت پیوسته میتواند مقدار ماسه تولیدی را در اثنای تست اندازه گیری نماید.
وقتی که محفظه پر از سیال شد، محفظه متصل به چهارچوپ (تله ماسه) در سیال معلق مـیشـود. سـیال و
ماسه تولیدی احتمالی از طریق یک لوله وارد محفظه میشود. هنگامی که تولیـد ماسـهای وجـود نـدارد، سـیال ورودی از لبه محفظه بیرون می ریزد، بنابر این سطح سیال ثابت میماند و ترازو هـیچ تغییـری نشـان نمـی دهـد. وقتی ماسه وارد سیال می شود، ذرات ماسه تولیدی در تلهماسه تهنشین میشود. لوله هـدایت کننـده مـانع بلنـد شدن ذرات ماسه پیش از رسوب می شود. وزن ماسه تولیدی منهای وزن سیال هم وزن ماسـه هـا بـه وزن قبلـی نمایش داده شده توسط ترازو افزوده می شود. وزن بدست آمده باید برای جریـان هـای سـیال متفـاوت کـالیبره شود. مجموعه سیستم جهت پایداری بهتر و حذف اثر الکتریسیته ساکن به زمین متصل میشـود. بـا اسـتفاده از مجموعه حاضر می توان ماسه تولیدی را به صورت پیوسته اندازه گیری کرد (شکل .((9)
شکل :(9) ابزار اندازه گیری پیوسته تولید ماسه
