بخشی از مقاله
چکیده
حفاری کنترل شده چاههای مایل مبتنی بر علم هدایت یک چاه در طول یک مسیر طراحی شده به طرف یک هدف زیر سطحی است، به نحوی که جابجایی افقی و قائمآن کاملاً تحت کنترل باشد. البته در عمل حتی هنگامی که سعی شود یک چاه تا حد امکان در جهت نزدیک به قائم حفر شود، همچنان انحراف در چاه مشاهده میشود و از لحاظ کنترل مسیر حفار باز به نوعی با خصوصیات حفاری جهتدار سر و کار دارد.
از سویی دیگر برای دستیابی به مخازن نفت و گازی که از لحاظ جغرافیایی در نواحی کوهستانی و مرتفع قرار دارند، استفاده از روش حفاری مایل مقرون به صرفه است. امروزه بحث ناپایداری چاهها به ویژه در حفاری های عمیق و مایل بسیار حائز اهمیت است. در این مقاله تاثیر زاویهداری بر میزان تنشهای وارده بر این نوع حفاریها مورد ارزیابی قرار میگیرد. به این منظور رفتار تنشهای مماسی برای شیبهای افقی و قائم و زاویه 45 درجه مورد تحلیل قرار گرفته است. گوناگونی نتایج در این سه شیب حاکی از آن است که برای هر زاویهی شیب یک تحلیل مستقل باید صورت گیرد.
-1 مقدمه
حفاری مایل از دیرباز به عنوان عملیات علاج بخش چه در منحرف کردن چاه در اطراف لولههای گیر کرده و برگرداندن چاه به حالت قائم و چه در حفاری چاههای آتشنشان ویل کلیف برای خاموش کردن چاههای آتش گرفته استفاده شده است. زمینه استفاده شده و همچنین نیاز به حفاری جهتدار کنترل شده از سال 1929 همزمان با تولید وسائل اندازهگیری زاویه چاه با دقت مناسب در منطقه اکلاهما - آمریکا - مطرح شد.
اولین کاربرد پیمایش چاههای نفت در طول دهه 1920 در میدان سیفوی اکلاهما انجام گرفت.احتمالاً مهمترین مزیت حفاری مایل در این است که تولید کنندگان در سراسر جهان قادر به افزایش میزان بازیافت و در نتیجه توسعه ذخایر زیرزمینی نفت و گاز خود شده اند. در اوایل دهه 1930 اولین چاه جهتدار کنترل شده در ساحل هانتینگتون کالیفرنیا حفر گردید. چاه از یک موقعیت ساحلی به درون یک ماسهسنگ که در زیر دریا قرار داشت حفر شد و برای این منظور از ویپ استاک، اتصالات زانویی و متههای بیلچهای استفاده شد
قابل ذکر است که حفاری چاههای مایل ابتدا برای اهداف غیر قانونی مثل عبور از مرزهای مالکیت منطقه چاه استفاده شده است. در توسعه منطقه ساحلی هانتینگتون دو چاه دیگر در اوایل دهه 30 حفر گردیدند که به طور قابل توجهی عمیقتر از چاههای عادی منطقه بودند و بیشتر از بقیه چاهها نیز تولید نفت داشتند
پس از انجام مطالعات تکمیلی مشخص شد که این چاهها در حقیقت منحرف شدهاند و انتهای آنها در زیر اقیانوس قرار گرفته است. به سبب استفاده های غیر قانونی و غیر اخلاقی که از حفاریهای جهت دار میشد، این روش تا سال 1933 شهرت بدی پیدا کرده بود. تا آنکه از این گونه حفاریها در اطفاء و کنترل یک چاه فوران کرده در تگزاس استفاده شد.
در این مورد چاه شماره 1 مادلی از مدتها قبل در مدار تولید قرار گرفته بود. تا آنکه در یک روز گرم و مرطوب یک نشتی پر فشار از پشت لوله جداری ایجاد گردید. به سرعت افت فشار جدیدی در مخزن ایجاد و یک گودی بزرگ پدیدار شد و همه وسایل را به درون خود بلعید.
این حفره در حدود 170 فوت عرض و عمقی نامعلوم داشت و از نفت به همراه ماسه پر شد. نفت با نرخی در حدود 6000 بشکه در درون حفره میجوشید. در حالیکه فضای ایجاد شده کافی نبود، فشار شروع به ایجاد کانالهایی در طول سازندهای بالایی کرد و از اطراف چاههای همجوار به تدریج صعود کرد و شرایط بسیار بحرانی را ایجاد نمود. در این جا بود که به کمک حفاریهای مایل مهار این چاه امکانپذیر شد .
تاریخچه معینی از حفر اولین چاه انحرافی در ایران وجود ندارد، اما برخی از کارشناسان صنعت نفت، عمر این روش را بیش از هفده سال نمی دانند. هر چند امروزه به دلیل وجود ذخایر نفت و گاز مشترک با کشورهای حوزه خلیج فارس در جنوب و منابع هیدروکربنی در شمال کشور در حوزه دریای خزر لزوم توجه به این موضوع کاملاً محرز مینماید.
-2 ضرورت حفاریهای مایل
با پیشرفتهای اخیر در فنآوری حفاری، حفر چاهها در محیطهای مشکل و پیچیده امکان پذیرشده است. با وجود چالشهای فنی موجود، اجرای حفاریهای مایل به طور روزافزون در میدانهای نفتی رو به فزونی است. بکارگیری حفاریهای مایل ضمن دربرگیری بخش وسیعتری از منطقه زهکشی، کاهش هزینهها را نیز به دنبال دارد و با محدود شدن مناطق نفتی, اهمیت این موضوع بیشتر میشود
با این حال، در حال حاضر بحث ناپایداری چاهها به ویژه در حفاری های عمیق بر روی هزینه ها بسیار تاثیرگذار است و به طور ناخواسته حدود 10 درصد از هزینههای اجرایی را به خود اختصاص میدهد، بنابراین بحث تحلیل پایداری حفاریهای غیر عمودی در راستای کاهش هزینه هایحفاری کاملاً ضروری مینماید
-3 وضعیت تنشها در حفاریهای استوانهای
نظر به اینکه در حفاریهای استوانهای بکارگیری مختصات قطبی و تمرکز بر روی تنشهای مماسی و محوری بیشتر ضروری می نماید، لذا لازم است ابتدا مباحثی مانند مختصات قطبی، تبدیل مختصات دکارتی به مختصات قطبی، ماتریس انتقال و تشریح حالتهای مختلف حفاری، شامل حفاریهای عمودی، حفاریهای زاویه دار و افقی و معادلات مربوط مورد بررسی قرار گیرد.
-1-3 مختصات قطبی و دکارتی
با توجه به اینکه در حفاری چالها و چاهها بیشتر با تنشهای مماسی، محوری و شعاعی روبرو هستیم، لذا در تحلیل تنشها بهتر است به جای مختصات دکارتی از مختصات قطبی استفاده کنیم. شکل - 1 - نمونهای از عملکرد تنشهای مماسی و محوری را در حفاریهای استوانهای نشان میدهد .
تبدیل مختصات دکارتی به مختصات قطبی مطابق روابط - 1 - و - 2 - صورت می گیرد. در این روابط، زاویه θ زاویه بین محور x با خط واصل بین مبداء متصات و نقطه هدف است و r فاصله بین مبداء مختصات با نقطه هدف است .
شکل : - 1 - چگونگی عملکرد تنش های مماسی و محوری بر روی شکست دیواره چاه تانسور تنش در حالت قطبی به صورت رابطه - 3 - نمایش داده میشود.
-2-3 ماتریس انتقال
فرض بر این است که مطابق شکل - 2 - صفحه x'y' حول محور z' به اندازه θ دوران کرده است. ماتریس انتقال جهت تبدیل دستگاه قدیم به دستگاه جدید، یعنی دستگاه xyz، به صورت رابطه - 4 - خواهد بود. بدیهی است محور z' و z بر هم منطبق بوده و تغییراتی از سوی این محورها به وجود نخواهد آمد
شکل : - 2 - دوران صفحه x'y' حول محور z' به اندازه θ
