بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهبود پایداری چاه با استفاده از مدل مکانیکی زمین: (مطالعه موردی در یکی از میادین واقع در خلیج فارس)
چکیده
ناپایداری دیواره چاه یکی از مشکلات اصلی در حفاری چاه های هیدروکربوری می باشد. این مشکل را می توان به وسیله تخمین مناسب پنجره گل حفاری کم کرد. این کار به وسیله ساختن یک مدل مکاینیکی کامل و انتخاب یک معیار شکست مؤثر انجام می شود. در این مقاله آنالیز پایداری دیواره چاه و انتخاب پنجره گل حفاری برای یک چاه عمودی دریکی از میادین حوزه خلیج فارس انجام شده است. از این رو یک مدل مکانیکی زمین شامل خصوصیات مکانیکی سازند و جهت و مقدار تنش های برجا می باشد که به وسیله آنالیز نگاره های چاه پیمایی، گزارشات حفاری و داده های آزمایشگاهی ساخته می شود. تئوری کسشان خطی برای به دست آوردن توزیع تنش در اطراف چاه و معیارهای مور -کولمب و موگی-کولمب برای پیش بینی شکست سنگ مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج نشان می دهد که یک رژیم تنش امتداد لغز با جهت تنش افقی حداکثر شمال غرب- جنوب شرق در این ناحیه وجود دارد. به علاوه وقتی که از معیار موگی-کولمب استفاده می شود، تطابق بهتری بین مدل پیش بینی شده و مشاهدات میدانی به دست می آید.
کلیدواژهها: چاه جهت دار، ناپایداری چاه، راستای حفاری، تئوری الاستیک خطی، پنجره وزن ایمن گل.
-1 مقدمه
رفتار غیرمنتظره و یا ناشناخته سنگ اغلب سبب مشکلات حفاری میشود که منجر به اتلاف هزینه و زمان و در برخی اوقات از دست دادن بخشی و یا کل چاه خواهد شد. بدلیل اهمیت این موضوع، آنالیز پایداری چاه در مراحل مختلفی از طراحی چاه و یا توسعه میدان انجام میشود . در حین حفاری ممکن است دو مشکل اصلی در پایداری دیواره چاه به نام ریزش و شکست کششی القایی به وجود آید که میتواند منجر به بروز مشکلات در حین حفاری شود که اغلب میتوان با تعیین پنجره گل ایمن برای حفاری چاه، این مشکلات را بر طرف کرد.
برای پیش بینی بازه ایمن و پایدار گل حفاری در چاه های آینده و درک بهتر پارامترهای موثر در ناپایداری دیواره چاه ساخت مدل مکانیکی زمین(MEM) 1 ضروری است. مدل مکانیکی زمین، شامل یک مجموعه منطقی از اطلاعات مرتبط با زمین شناسی، تنشهای منطقه، خواص مکانیکی سنگ و فشار منفذی است که به عنوان ابزاری برای بروز نمودن سریع اطلاعات برای استفاده در عملیات حفاری و مدیریت مخازن به کار گرفته میشود. برای تشخیص رخ دادن شکست در سنگ به یک معیار شکست نیاز است. معیارهای شکست مختلفی در تحلیل پایداری چاه استفاده می شوند که هر کدام مقادیر متفاوتی برای مقاومت سنگ و حداقل وزن گلی که برای پایداری چاه لازم است، پیش بینی میکنند، بنابراین انتخاب معیار شکست مناسب اهمیت زیادی دارد.
هدف اصلی در این مقاله، مدل سازی مکانیکی دیواره چاه برای تعیین پنجره ایمن گل حفاری و انتخاب یک معیار شکست مناسب می باشد. برای رسیدن به این هدف ابتدا مدل مکانیکی در یکی از چاه های میدان هنگام واقع در حوزه خلیج فارس ساخته می شود و با استفاده از دو معیار شکست مور-کولمب و موگی-کولمب و توزیع تنش در اطراف چاه، پنجره ایمن گل حفاری در چاه مورد نظر بدست خواهد آمد.
-2 مدل مکانیکی زمین:
در این مطالعه با استفاده از دادههای حاصل از نمودارهای پتروفیزیکی و یک سری دادههای آزمایشگاهی، مدل مکانیکی زمین در سازندهای ایلام و سروک برای چاه شماره A میدان هنگام که در حوزهی خلیج فارس قرار دارد، ساخته شد. قابل ذکر است به دلیل اینکه تست های آزمایشگاهی لازم در این چاه انجام نشده است، برای کالیبره کردن نتایج حاصل از نمودارهای پتروفیزیکی از یک سری داده های مغزه حفاری و تستهای حاصل از آنها که در یکی از میادین مجاور میدان هنگام و در سازند سروک انجام شده است، استفاده شده است.
-1-2 ساختار زمین شناسی میدان هنگام:
میدان هنگام موجود در خلیج فارس، در 40 کیلومتری جنوب جزیره قشم و 30 کیلومتری جنوب جزیره هنگام در تنگه هرمز قرار گرفته است که یک میدان مشترک بین ایران و عمان میباشد. مخازن اصلی آن شامل سازندهای ایلام، سروک میباشد. از لحاظ زمین شناسی میدان هنگام نیز همانند بسیاری از میادین حوضهی خلیج فارس مربوط به گنبد نمکی فعال هرمز میباشد، که به دوره پرکامبرین بر می گردد. از لحاظ لیتولوژی سازندهای اصلی ایلام و سروک غالباً شامل سنگ آهک همراه با لایهی داخلی کوچکی از شیل (رس) میباشد.
شکل :(1) بخشی از ساختار زمین شناسی چاه شماره A میدان هنگام .[1]
-2-2 مشخصات مکانیکی سازند
-1-2-2 مدولهای کشسان
مدول یانگ استاتیک و ضریب پواسون استاتیک در آزمایشگاه و از طریق آزمایش های بارگذاری تک محوره و سه محوره بدست می آید. ولی مدول یانگ دینامیک و ضریب پواسون دینامیک را میتوان با داشتن سرعت امواج تراکمی و برشی از رابطه های زیر محاسبه نمود :[2]
در این روابط به ترتیب مدول یانگ و ضریب پواسون دینامیک است و همچنین به ترتیب مدول یانگ و ضریب پواسون استاتیک می باشند.
برای کالیبره کردن دادههای حاصل از نمودارها و بدست آوردن مقادیر استاتیک مدول های کشسانی از دادههای حاصل از نمونه مغزهها استفاده میشود. در این آزمایشات مقدار پارامترهای ضریب یانگ، ضریب پواسون، زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی در مغزهها اندازه گیری شدهاند. با استفاده از دادههای موجود رابطه ای میان ضریبهای یانگ و پواسون دینامیک و استاتیک بدست میآید. به این ترتیب روابط زیر برای چاه شماره A میدان هنگام حاصل می شود:
شکل (2 ) به ترتیب اختلاف میان مدولهای یانگ استاتیک و دینامیک و اختلاف میان ضریبهای پواسون استاتیک و دینامیک که را نشان می دهند.
-2-2-2 محاسبه مقاومت سنگ
این پارامتر از طریق آزمایش بر روی نمونه مغزههای سنگ در دستگاه مقاومت سه محوره بدست میآید. چانگ1 و همکاران [3]، روابط تجربی مختلفی برای مقاومت تک محوره برای سه نوع سنگ ماسهای، شیلی و آهکی ارائه دادند که یکی از این روابط، رابطه ی نمایی بین مقاومت فشاری تک محوره و مدول یانگ در سنگ های آهکی می باشد. با توجه به این رابطه و با کمک داده های آزمایشگاهی که بر روی یک سری نمونه که در یکی از میادین مجاور میدان هنگام انجام شده است می توان یک رابطه همانند رابطه چانگ برای میدان هنگام در سنگ های آهکی بدست آورد.
در مورد مقاومت کششی سنگ که آن را با نماد نشان میدهند، اطلاعاتی در رابطه با اندازه این مقاومت سنگ در این میدان در دسترس نمیباشد، بنابرابن این پارامتر معادل مقاومت فشاری سنگ در نظر گرفته میشود که مقداری رایج در کارهای صورت گرفته میباشد .[4]
-3-2-2 زاویه اصطکاک داخلی
زاویه اصطکاک داخلی یکی دیگر از پارامترهایی است که مقاومت سنگ را نشان می دهد. وینگارتن و پرکینس2 (1992) رابطه زیر را برای بدست آوردن زاویه اصطکاک داخلی بر حسب تخلخل ارائه نمودند :[2]
در اینجا مطالعه با استفاده از دادههایی که از تستهای انجام شده بر روی مغزهها در اختیار است، معادله شبیه به معادله (11-5) بر حسب تخلخل برای زاویه اصطکاک داخلی بدست خواهد آمد:
-3 فشار منفذی
فشار حفرهای را میتوان از رابطه زیر که همان رابطه مربوط به محاسبه فشار هیدرواستاتیک میباشد، میتوان محاسبه کرد .
وقتی فشار حفره ای با مقدار تئوری فشار هیدرواستاتیک برابر میباشد، فشار سازند نرمال نامیده میشود. در بسیاری از موارد، فشار سازندی در یک نقطه از فشار نرمال در آن نقطه بیشتر و یا کمتر میباشد. در این حالت اصطلاحاً فشار سازند غیرنرمال میباشد. در چاه شماره A میدان هنگام تستهای فشار منفذی(MDT) 1 انجام شده است. بنابراین با استفاده از این تستها میتوان به راحتی فشار منفذی را برای عمق های مختلف بدست آورد. فشار موجود در این عمقها از فشار هیدرستاتیک بیشتر است و بنابراین از نوع فشار بالای نرمال2 خواهد
بود. شکل (3) این موضوع را نشان می دهد.
-4 تنش های برجا
بررسی میدان تنش برجا در یک چاه یا یک مخزن شامل چند قسمت میباشد. در اولین مرحله باید اندازه تنش برجای عمودی یا همان تنش روباره محاسبه شود. در گام بعد جهات تنشهای اصلی افقی باید اندازه گیری شوند. در نهایت اندازه تنشهای اصلی افقی باید محاسبه شوند.
-1-4 تنش برجای روباره
برای اندازه گیری تنش روباره از نگاره چگالی از سطح تا عمق نهایی انتگرال گیری میشود :[4]
اما مشکل در این قسمت پیش میآید که نگاره چگالی تنها در قسمت مخزنی این چاه موجود میباشد و از سطح زمین تا بالای مخزن اطلاعاتی موجود نیست. برای حل این مشکل میتوان از دو رویکرد استفاده نمود. رویکرد ساده تر این است که از یک مقدار میانگین برای این فاصله استفاده نمود اما این رویکرد دقت مناسبی ندارد. رویکرد دقیق تر این میباشد که دادههای نگاره موجود در بازه مخزنی چاه را برون یابی کرده و آن را تا سطح زمین گسترش داد .[5] به این منظور میتوان از رابطه زیر استفاده کرد :[4]
رابطه بالا یک رابطه رایج در برون یابی چگالی تا سطح زمین میباشد که توسط افراد و شرکتهای مختلفی مورد استفاده قرار میگیرد. در این رابطه به ترتیب چگالی کل، چگالی در سطح زمین، عمق عمودی، ارتفاع آب دریا، فاصله میز دوار تا سطح دریا و پارامترهای برون یابی میباشند شکل .(4)
شکل :(3) تغییرات فشار هیدروستاتیک و منفذی بر حسب عمق در شکل :(4)تغییرات چگالی بر حسب عمق در چاه شماره A
چاه شماره A میدان هنگام.
-2-4 تنشهای برجای افقی
-1-2-4 جهات تنشهای برجای افقی
یکی از روشهای مناسب و معتبر که در عمقهای زیاد هم قابل استفاده است و اعتبار دارد استفاده از شکستگیهای به وجود آمده در دیواره چاهها میباشد. این شکستگیها توسط نگارههای تصویری قابل مشاهده و آنالیز میباشند .[4] همانطور که در شکل (5) مشاهده میشود راستای شکستگیهای کششی که همان راستای تنش برجای افقی حداکثر میباشد در جهت شمال غربی-جنوب شرقی و راستای تنش برجای افقی حداقل عمود بر آن و در جهت شمال شرقی-جنوب غربی میباشد.
-2-2-4 اندازه تنش برجای افقی حداقل
تنش برجای افقی حداقل معمولاً راحت تر از تنش برجای افقی حداکثر محاسبه میشود. برای بدست آوردن این تنش از هر عملیاتی که مبنای آن ایجاد شکست کششی در سازند است استفاده می شود. برای مثال از روشهایی چون تست مینی فرک، تست نشتی که زیر هر پاشنه لوله جداری انجام میشود [4]، از اطلاعات مربوط به شکستگیهای به وجود آمده در چاه در حین حفاری و غیره میتوان استفاده نمود.
متاسفانه در چاه شماره A هنگام تست نشتی یا مینی فرک انجام نشده است. در این چاه تنها اطلاعات مربوط به 3 تست استحکام سازند(FIT) 1 موجود میباشد. از اطلاعات که از آنها برای تخمین اندازه تنش برجای افقی حداقل استفاده شده است در شکل (6) نمایش داده شدهاند. برای بدست آوردن تخمینی از اندازه تنش برجای افقی حداقل بر حسب عمق از خطی موازی با خط عبوری از دادههای تست استحکام سازند استفاده میشود که
