بخشی از مقاله
خلاصه
حفاری چاههای نفت و گاز یکی از بخشهای مهم و در حین حال پرهزینه صنعت نفت میباشد. در عملیات حفاری زمان و راندمان عملیات حفاری به عنوان فاکتورهایی که ارتباط مستقیم با هزینههای حفاری دارند، از اهمیت فراوان برخوردارند. یکی از معیارهای راندمان حفاری، میزان نرخ نفوذ مته حفاری و به بیان دیگر نرخ حفر چاه میباشد. تخمین این پارامتر و اطلاع از آن هنگام برنامهریزی جهت حفر یک چاه، میتواند به ارزیابی دقیقتر مدت زمان حفاری و برآورد هزینه آن کمک شایانی نماید.
همچنین با آگاهی از میزان نرخ نفوذ و بهکارگیری آن در روابط موجود، میتوان زمان مناسب تعویض مته را تعیین نمود که این عامل در بهینهسازی عملیات حفاری نقش بسزایی خواهد داشت. در این پژوهش با استفاده از پارامترهای عملیات و سیال حفاری به عنوان ورودی، مدلی ساخته شد و از آن جهت تخمین نرخ نفوذ مته حفاری استفاده گردید. جهت ساخت مدل شبکه عصبی مصنوعی، 226 مجموعه داده واقعی حاصل از حفاری چاههای یکی از میادین جنوب غربی ایران مورد استفاده قرار گرفت.
13 پارامتر که بیشترین اثر را بر نرخ نفوذ داشتند، به عنوان ورودی در نظر گرفته شدند. جهت آموزش شبکه از الگوریتم لونبرگ-مارکوارت استفاده شد. یک لایه میانی با 18 نرون به عنوان ساختار بهینه شبکه عصبی در نظر گرفته شد. پس از ساخت و آموزش شبکه، میزان رگرسیون 0/89 برای دادههای آموزش و 0/80 برای دادههای آزمون بدست آمد. با توجه به تأثیر جنس سنگ بر نرخ نفوذ، سعی گردید با مطالعه لیتولوژی منطقه و بر اساس ویژگیهای هر سنگ، معادلی عددی برای آن تعیین گردد.
در نتیجه بر اساس توالی و خصوصیات هر قسمت از سازند، عددی جهت آن ساختار سنگی و در آن عمق بهدست آمد. نتایج حاصله، به عنوان یک ورودی مستقل دیگر به شبکه اعمال گردید. افزودن این ورودی باعث بهبود عملکرد مدل شد. در این حالت و با 14 نرون ورودی، میزان رگرسیون 0/926 برای داده های آموزش و 0/87 برای داده های آزمون بدست آمد.
1. مقدمه
عملیات حفاری چاههای نفت و گاز یکی از مهمترین و پر هزینهترین بخشهای صنعت نفت میباشد. افزایش راندمان و در نتیجه کاهش زمان و هزینه یکی از دغدغههای اصلی صنعت حفاری میباشد. در صنعت حفاری مدت زمان انجام عملیات حفر یک چاه، نقش تعیینکنندهای در هزینهی حفاری ایفا میکند. نرخ نفوذ1 مته حفاری یکی از فاکتورهای مؤثر در زمان و در نتیجه هزینه عملیات است. ساخت مدلی که توانایی برقراری ارتباط میان پارامترها و عوامل مؤثر بر نرخ نفوذ را داشته باشد و قادر به تخمین مقادیر این پارامتر باشد، از اهمیت فراوانی برخوردار است.
نرخ نفوذ حفاری عبارت از میزان پیشروی متهی حفاری در سنگها و سازندهای تحت حفاری در واحد زمان میباشد. این پارامتر با واحدهای فوت بر دقیقه یا متر بر ساعت شناخته میشود. این شاخص که در صنعت حفاری بسیار حائز اهمیت است توسط پایش عملیات حفاری و چاهنگاری اندازهگیری و ثبت میشود. به طور کلی نرخ نفوذ به دو شکل لحظه ای2 و متوسط بررسی میشود. نرخ نفوذ لحظهای در مدت زمان یا مسافت محدود و در واقع تنها در حین حفاری ثبت میشود. با توجه به ارزیابی این میزان میتوان به توصیف حفاری در هر سازند خاص و تأثیر پارامترهای حفاری بر عملیات حفاری پرداخت. نوع دیگر نرخ نفوذ که به نرخ نفوذ متوسط معروف است، در طول مدت حفاری و در بازه زمانی که تجهیزات لوله حفاری وارد چاه میشوند تا برگشت آن، محاسبه میشود
پارامترهای فراوانی بر نرخ نفوذ لحظهای مؤثرند که این پارامترها شامل خصوصیات سنگ، چاه و فشار منفذی، خصوصیات گل حفاری، طراحی و شرایط مته، پارامترهای عملیاتی و هیدرولیک مته میباشد. همچنین وقوع مشکلاتی در رابطه با مته و رشته حفاری میتواند باعث کاهش نرخ نفوذ شود
بهطور کلی عوامل مؤثر بر نرخ نفوذ به دو دسته عوامل قابل کنترل و عوامل غیرقابل کنترل یا محیطی طبقهبندی میشوند.
عوامل قابلکنترل: این عوامل در اختیار عامل انسانی بوده و نسبت به پارامترهای محیطی قابلیت انعطاف بیشتری دارند. به دلیل شرایط اقتصادی و زمین شناسی، کنترل این عوامل ارزان و قابل دسترس میباشد .[1] انتخاب بهینه مقادیر قابل کنترل علاوه بر بهبود نرخ نفوذ، در انجام حفاری ایمن مؤثر است. کنترل وزن گل جهت جلوگیری از ریزش دیواره یا فوران چاه، کنترل پارامترهای وزن روی مته یا سرعت چرخش مته جهت پایداری رشته حفاری و نرخ پمپاژ سیال حفاری جهت هیدرولیک مته و پاکسازی چاه، از نمونههای انتخاب بهینه هستند .[3] برخی از عوامل قابلکنترل در ادامه شرح داده میشود:
وزن روی مته: - WOB - 1 نتایج آزمایشات و تحقیقات مختلف نشان دهندهی تأثیر مستقیم وزن روی مته بر نرخ نفوذ میباشد. صرفنظر از نوع مته، فشار وارده مته بر سنگ باید به اندازهای باشد که بتواند بر مقاومت فشاری سنگهای سازند غلبه کند. برای هر دو سازند نرم و سخت، تا زمانی که پاکسازی ته چاه به شکل مناسبی انجام گیرد، نرخ نفوذ به صورت مستقیم با افزایش وزن روی مته افزایش مییابد. در وزنهای بالاتر به علت تولید زیاد خردهها و یا فرورفتن دندانههای مته به درون سنگ، تأثیر این پارامتر بر نرخ نفوذ کاهش مییابد .[1] شکل 1 ارتباط بین وزن روی مته - - WOB و نرخ نفوذ حفاری - - ROP را نشان میدهد
شکل 1 -تغییرات نرخ نفوذ در برابر وزن روی مته. در این شکل R نشاندهنده نرخ نفوذ و W وزن روی مته میباشد.
سرعت چرخش2 مته - : - RPM مطالعات نشان میدهد که افزایش نرخ نفوذ بر خلاف سازندهای سخت، نسبت مستقیمی با سرعت چرخش مته در سازندهای نرم دارد. در سازندهای سخت نرخ نفوذ، در سرعتهای بیش از سرعت چرخش بهینه افزایش بیشتری نخواهد یافت .[1] شکل 2 ارتباط میان نرخ نفوذ حفاری و سرعت چرخش مته را نمایش میدهد .[4] در سازندهای سخت با افزایش سرعت چرخش مته، افزایش نرخ نفوذ با آهنگ کندتری صورت میگیرد. به همین دلیل در سازندهای نرم از سرعتهای چرخش بالا و در سازندهای سخت از سرعتهای چرخش پایین استفاده میشود. در صورتی که پاکسازی ته چاه از خردههای حفاری به خوبی انجام پذیرد، افزایش نرخ نفوذ با سرعت چرخش از ارتباط نزدیکتری برخوردار خواهد بود
شکل - 2 تغییرات نرخ نفوذ در برابر سرعت چرخش مته. در این شکل R نشاندهنده نرخ نفوذ و N سرعت چرخش میباشد.
خصوصیات سیال حفاری: از میان خصوصیات متنوع سیال حفاری، به عنوان نمونه میتوان دانسیته گل، خصوصیات رئولوژی1 گل، مشخصات فیلتراسیون2، توزیع و محتوای جامد گل و ترکیب شیمیایی را نام برد . نرخ نفوذ با افزایش دانسیته سیال، گرانروی و محتوای جامد، کاهش مییابد و با افزایش نرخ فیلتراسیون، افزایش مییابداین. موضوع اساساً بهوسیله اثر فشار دیفرانسیلی3 بر ته چاه ایجاد میشود. ویسکوزیته سیال افت فشار در مسیر رشته حفاری را کنترل میکند و بنابراین نیروی ضربه هیدرولیکی4 را در مته فراهم میکند. همچنین محتوای ذرات جامد گل با سایز کمتر از 1 میکرومتر به دلیل مسدود کردن فیلتراسیون در قسمت زیر مته، بر روی نرخ نفوذ مؤثر خواهد بود. شکل 3 نحوه رفتار نرخ نفوذ را نسبت افزایش پارامترهای مختلف سیال حفاری نمایش میدهد
شکل 3 -نحوهی رفتار نرخ نفوذ نسبت به افزایش گرانروی، فیلتراسیون، محتوای نفت، محتوای جامد و وزن مخصوص سیال حفاری
