بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل میدان تنش و تعیین پنجره ایمن گل حفاري در چاه (مطالعه موردي: جنوب غربی ایران)
چکیده
اطلاع از جهت و مقدار تنش در اعماق زیـاد نکتـه مهمـی در علـوم زمـین و مهندسـی مـیباشـد. یکـی از مهمترین کاربردهاي دادههاي تنش در صنعت نفت، تعیین پایداري چاهها میباشد. دست یابی به راه حـلهـاي علمی و مهندسی در مسائل تعیین وزن گل بهینه، مسیرهاي پایدار، محل نصب لولههاي جداري، تولیـد ماسـه … نیازمند اطلاع دقیق از موقعیت تنش در عمق میباشد. در این تحقیق مقدار و جهت تنشهـاي برجـا در چاهی از یک میدان در جنوب غربی ایران تعیین شده است. جهت تنش افقی حداقل در جهت ریزشهاي چـاه جهت تنش افقی حداکثر در راستاي شکستگیهاي کششی القایی ناشی از حفـاري مـیباشـد. جهـت هـر دو تنش افقی توسط لاگ تصویري (Image Log) تعیین شده اند. موقعیت تنشهاي برجا در میدان مورد تحقیـق
به صورت رژیم تنش نرمال میباشد. پس از تعیین جهت و محاسبه بزرگی تنشهاي درجـا، پنجـره ایمـن گـل حفاري براي طراحی یک چاه پایداري تعیین گردید.
واژههاي کلیدي: سنگ مخزن، ژئومکانیک، میدان تنش، پایداري چاه، پنجره ایمن گل حفاري
مقدمه
ژئومکانیک مخازن هیدروکربنی، نقش مهم و فزایندهاي در ارزیابی و توسعه میادین نفت و گاز ایفا میکنـد.
ژئومکانیک، به طور اساسی دانشی است که به بررسی و تحلیل رفتار زمین در برابر تنشها میپردازد. این تنش ها ممکن است تنشهاي طبیعی درون زمین یا تنشهاي القاء شده توسط انسان درعملیـات مختلـف از جملـه عملیات حفاري باشد. بنابراین همانگونه که از نام این علم پیداست، کلیـد حـل مشـکلات فیزیکـی و مکـانیکی حاصل از اندرکنش مصالح در اعماق مختلف زمین و تنشهـاي موجـود، درحیطـه ایـن علـم مـیگنجـد؛ ولـی پیداست که بررسی ناهنجاريهاي شیمیایی و مشکلات پدیدآمده از آن (به ویژه درصنعت حفار ) در بازه علـوم دیگري به غیر از ژئومکانیک قرار دارد .(Amadie and Stephansson, 1997) بـه همـین منظـور بـراي تحلیـل ناپایداري چاه دانستن جهت و مقدار تنشهاي درجا امري حیاتی و ضروري است.
در طی حفاري دو مشکل اصلی در پایداري چاه به نام ریزش (Breakout: BO) و شکست کششی القایی
(Drilling Induced Tensile Fracture: DITF) وجود دارد که می تواند منجر به مانده یابی (Fishing)، گیر لوله (stuck pipe)، عملیات گشاد شدن ( reaming، Sidetrackingف و هرزروي سیال شود
.2004) اغلب میتوان با تعیین پنجره گل ایمن براي حفاري چاه، این مشکلات را برطرف کرد. پنجره گل ایمن، شامل فشاري بین فشار منفذي و تنش افقی حداقل میباشد. تعیین این پنجره به شناخت میدان تنشهاي برجا نیاز دارد. تشریح کامل میدان تنش در زمین فقط نیازمند تعیین جهت و مقدار تنشهاي اصلی است.
جهت تنش افقی حداقل در جهت ریزشهاي چاه و جهت تنش افقی حداکثر در جهت شکستگیهاي کششی میباشد. این جهتها را میتوان با استفاده از نمودارهاي تصوریري تعیین نمود. مقدار تنش اصلی عمودي با انتگرال گیري از نمودار دانسیته به دست میآید. مقدار تنشهاي افقی حداقل و حداکثر به دلیل نبود اطلاعات تست نشتی، از روابط موجود تخمین گردید.
بحث
میدان مورد مطالعه از سه مخزن آسماري ، بنگستان و خامی تشکیل شده است که مخازن آسماري و بنگستان آن نفتی و مخزن خامی آن گازي میباشد. مخزن بزرگ آسماري از نظر ویژگیهاي سنگ مخزن، بسیار پیچیده و ناهمگون میباشد. وضعیت لیتولوژي چاه مورد نظر در سازند آسماري با استفاده از کراس پلات نمودارهاي دانسیته - فوتوالکتریک و نوترون – دانسیته تعیین گردید. در هر دو کراس پلات بخوبی مشخص است که لیتولوژي غالب کربناته ( دولومیت درصد بیشتري نسبت به سنگ آهک دارد ) است و مقدار ناچیزي ماسه سنگ در مقایسه با فراوانی کربناته مشاهده میشود. در شکل 1 کراس پلاتهاي مربوطه نشان داده شده است.
جهت تنشهاي اصلی
ریزشها و شکستگیهاي کششی القایی در دیوارههاي چاه به خوبی جهت تنش را نشان میدهـد. در چـاه-
هاي تقریبا عمودي محور BO مستقیما در جهت تنش افقی حـداقل اسـت و DITF در راسـتاي تـنش افقـی حداکثر میباشد . (Tingay, 2008 ) بنابراین از این شکستگیها براي تعیین جهت تنش استفاده میشود. جهـت شکستگیهاي چاه همچنین با استفاده از نمودارهايفژئـوفیزیکی از قبیـل Televiewer Ultrasonic (BHTV) Borehole یا Formation Micro Imager (FMI) و نمودارهاي قطریاب (Caliper Logs) تعیین میشوند (شکل
هاي 2 و .(3
شکل-2 تشخیص DITF و BO با استفاده از نمودار .FMI
شکل -3 انواع افزایش قطر چاه و نحوه تشخیص آن توسط لاگ کالیپر((Reinecker, 2003
بزرگی (مقدار) تنشهاي برجا
با فرض قائم بودن یکی از مولفههاي تنش اصلی، چاههاي قائم به موازات تنش اصلی عمودي ( ( Sv می-
باشند. بنابراین تنشهاي افقی حداکثر ( ( SHmax و حداقل ( ( Shmin دو تنش اصلی دیگر خواهند بود. تنش قائم یا بعبارتی دیگر تنش روباره با انتگرال گیري از دانسیته سنگ از سطح تا عمق مورد نظر به دست میآید:
رابطه (1) :ρ ( z) دانسیته سنگ که تابعی از عمق میباشد، g ثابت شتاب گرانشی و دانسیته متوسط میباشد. دانسیته متوسط در چاه مورد مطالعه برابر با 2.56 در نظر گرفته شده است.
مقدار را میتوان توسط روشهاي مختلفی مانند روش شکست هیدرولیکی، آزمایشات نشت (Leak off tests)، Micro-fracture test و Mini-fracture test تعیین کرد. Willis and Hubbert (1957) بحث کاملی را در مورد اینکه شکست هیدرولیکی که در آن شکستگی ایجاد شده عمود بر جهت تنش افقی حداقل گسترش مییابد، ارائه دادند. دلیل آنها این بود که کار انجام شده براي بازکردن یک ترك به یک مقدار معلوم، متناسب با تنشی است که به طور عمود بر صفحه ترك در مقابل مقدار باز شدگی به وجود میآید. به دلیل عدم
انجام این آزمایشات، مقدار تنشهاي افقی از رابطه پروالاستیک، به صورت زیر تحمین گردید ( Zoback et :(al, 2003
شکل - 4 روش شکست هیدرولیکی:σh تنش افقی حداقل، : σH تنش افقی حداکثر، :ν ضریب پواسون، :σV تنش قائم، :α ضریب بایوت، :PP فشار منفذي، :E مدول یانگ، εx و :εy کرنش در جهت تنش افقی حداقل و حداکثر.
ضرایب الاستیک را میتوان با استفاده از نمودارهاي چاه پیمایی و روابط تجربی به دست آورد. گرادیان فشار منفذي متوسط در چاه مورد مطالعه برابر با 0/365 psi/ft، ضریب بایوت برابر با یک ، =1.5 و =1
در نظر گرفته شده است از دادههاي دینامیکی به طور مستقیم نمی توان در ساخت مدلهاي مکانیکی استفاده کرد، بلکه باید با تغییراتی محاسباتی آنها را به دادههاي استاتیکی تبدیل کرده و سپس وارد مدل ژئومکانیکی نمود. نسبت پواسون و مدول یانگ استاتیکی با اتفاده از روابط زیر محاسبه شد:
