بخشی از مقاله
چکیده
امروزه مطالعات ژئومکانیک در بسیاری از جنبههای مربوط به مهندسی نفت از جمله اکتشاف، حفاری، تولید و توسعه مخازن ورود پیدا کرده است. تعیین مقدار و جهت تنشهای برجای زمین به عنوان مراحل ابتدایی در این مطالعات از اهمیت زیادی جهت حصول نتیجه نهایی دقیقتر برخوردار میباشد. به علاوه مواردی همچون تعیین مسیر بهینه حفاری، شکافت هیدرولیکی، اسید کاری، کنترل تولید شن، مشبک کاری و ... مستقیماً تحت تاثیر تنشهای برجا قرار میگیرند.
در این مطالعه پس از بیان مفاهیم کلی در خصوص تعیین امتداد تنشهای افقی در مخازن و بررسی ریاضی تشکیل شکستگیهای کششی و برشی به عنوان مشخص کننده جهت تنشهای افقی با استفاده از تصویرگرها، تعیین جهت تنشهای افقی با استفاده از نمودارهای تصویرگر در یک چاه برای یکی از مخازن جنوبغربی ایران صورت گرفته است. مشخص شده است که جهت کمترین تنش افقی به صورت میانگین داری امتداد N40W-S40E بوده، و بیشترین تنش افقی که عمود بر جهت کمترین تنش افقی میباشد دارای امتداد N50E-S50W میباشد. همچنین با مقایسه کیفی این نتایج با دادههای حاصل از نقشه جهانی تنش مشخص شده است، که تطابق خوبی بین نتایج هر دو روش وجود دارد، و میتوان استنباط کرد که تنشهای افقی برای ناحیه مورد بررسی تحت تاثیر حرکت صفحه عربی به زیر صفحه ایران قرار میگیرند.
-1 مقدمه
امروزه در تمامی مراحل مربوط به مطالعات مهندسی مخازن نفت، بررسیهای ژئومکانیکی گستردگی زیادی پیدا کرده است. تنشهای برجای زمین جزء لاینفک این مطالعات میباشند. روشهای مختلفی برای تعیین جهت تنشهای افقی در زمین استفاده میشود که از جمله میتوان به استفاده از تحلیل دادههای لغزش گسل، روش مکانیزم کانونی زلزله، روش شکست هیدرولیکی و استفاده از نمودارهای تصویرگر مبتنی بر شناسایی شکستگیهای داخل چاه اشاره کرد. استفاده از نمودارهای تصویرگر جهت شناسایی این تنشها یکی از روشهای موردپسند مهندسین و زمینشناسان میباشد.
تصویرگرها ارائه دهنده تصاویری از دیواره چاه میباشند که میتوانند جزئیات موجود بر روی دیواره چاه را با دقت خوبی نمایش دهند. کاربرد اصلی تصویرگرها در کنار سایر کاربردهای آنها، شناسایی شکستگیهای داخل چاه میباشد. که البته بر حسب تصویرگر مورد استفاده کیفیت و نوع تصویر به نمایش درآمده هم متفاوت خواهد بود
به عنوان مثال تصویرگر UBI که پوشش صد در صدی روی دیواره چاه ارائه میدهد جهت انجام مطالعات ژئومکانیک ابزار بهتری نسبت به ابزار FMI میباشد که پوشش کمتری روی دیواره چاه دارد 3]و.[4 در این مطالعه با استفاده از نمودار تصویرگر رانده شده در یک چاه برای یکی از مخازن جنوب غربی ایران پس از بیان مفاهیم و روش به کارگرفته شده در شناسایی جهت تنشهای افقی، بر اساس شکستگیهای کششی و ریختگیهای داخل چاه به شناسایی جهت بیشترین تنش افقی - - و کمترین تنش افقی - - در چاه مذکور پرداخته شده است. سپس به مقایسه کیفی نتایج حاصل با دادههای حاصل از پایگاه جهانی تنش پرداخته ایم.
-2 روش انجام کار
1-2 تعریف شکستگی و مفاهیم مربوطه
واژه شکستگی به هرگونه گسیختگی یا ناپیوستگی فیزیکی در سنگ اطلاق میشود که از حد آستانه مقاومت سنگ گذشته باشد. شکستگیها بر مبنای فرایند پیدایش به سه دسته عمده -1 شکستگیهای طبیعی -2 شکستگیهای توسعهیافته -3 شکستگیهای حاصل از عملیات حفاری - مصنوعی - تقسیم بندی میشوند.
شکستگیهای طبیعی معمولاً تحت تاثیر تنشهای تکتونیکی در اثر عواملی همچون چین خوردگی، گسل خوردگی و سایر پدیدههای تکتونیکی به وجود میآیند. شکستگیهای توسعه یافته نوعی از شکستگیهای طبیعی هستند که از حالت شکستگی بسته به شکستگی باز تبدیل شده اند و عامل اصلی به وجود آورنده آنها هم استفاده از گل حفاری بسیار سنگین در طی عملیات حفاری میباشد. اما شکستگیهای حاصل از عملیات حفاری که به شکستگیهای مصنوعی معروف میباشند در اثر توزیع غیر یکسان و نامساوی تنشهای مماسی روی دیواره چاه حاصل میشوند .[5] در حقیقت این شکستگیها حاصل تقابل میان تنشهای اطراف چاه و سیال حفاری استفاده شده میباشند. از آنجایی که این نوع از شکستگیها نقش مهمی در تعیین تنشهای برجای افقی دارند لذا در ادامه به بیان کاملی از آنها پرداخته میشود.
1-1-2 شکستگیهای حاصل از عملیات حفاری - مصنوعی -
شکستگیهای مصنوعی به دو صورت کششی و برشی موجود میباشند. شکستگیهای کششی در اثر عواملی همچون گل حفاری استفاده شده در حین حفاری، بار روی مته و برداشته شدن وزن طبقات بالایی از روی طبقات زیرین در حین حفاری به وجود میآیند، ولی معمولاً استفاده از گل حفاری با وزن بالا دلیل عمده ایجاد این نوع شکستگیها میباشد.
از لحاظ ساز و کار تشکیل همانند شکستگیهای ایجاد شده در حین شکست هیدرولیکی میباشند و به صورت عمودی و در راستای بیشترین تنش افقی ایجاد میشوند. اما شکستگیهای برشی از لحاظ ساز و کار تشکیل با شکستگیهای کششی متفاوت میباشند به طوری که در اثر اعمال نیروی فشاری وارده بر دیواره چاه از طرف سازند ایجاد میشوند، در واقع میتوان گفت استفاده از گل حفاری سبک نقش اساسی را در تشکیل این شکستگیها ایفا میکند. جهت آنها موازی با کمترین تنش افقی و عمود بر بیشترین تنش افقی میباشد. این نوع از شکستگیها به صورت نیمه پایدار بوده و با گذشت زمان باعث ریختگی داخل چاه میشوند، لذا در حالت کلی باعث گشادشدگی دیواره چاه شده و قطر چاه در نواحی با این شکستگیها افزایش مییابد. شکل 1 تشکیل شکستگیهای کششی، شکستگیهای برشی و جهت تنشهای افقی را نشان میدهد
شکل 1؛ نمایش شماتیک شکستگیهای کششی و برشی به همراه تنشهای افقی
2-2 نمودارهای تصویرگر
تکنولوژی استفاده از نمودارهای تصویرگر جهت برداشت تصاویر با کیفیت و دقت بالا از دیواره چاههای نفت مورد استفاده قرار میگیرد. این نمودارها در شناسایی عوارض و پدیدههای موجود در دیواره چاههای نفت نقش مهمی را ایفا میکنند. کاربردهای متنوع زیادی برای این ابزارها وجود دارد که استفاده از آنها در مطالعات ژئومکانیکی جهت شناسایی شکستگیها به منظور مدلسازی و شناسایی جهت تنشهای برجای زمین یکی از پراهمیتترین کاربردهای آنها در صنعت نفت میباشد. بر حسب سیستم گل مورد استفاده در چاههای نفت از تصویرگرهای مختلفی میتوان استفاده کرد
شکستگیهای کششی روی نمودارهای تصویرگر بصورت موازی با محور چاه با یک اختلاف فاز 180 درجهای و شکستگیهای برشی نیز با یک اختلاف فاز 180 درجهای عمود بر محور چاه دیده میشوند. بنابراین با تعیین جهت شکستگیها بر روی دیواره چاه میتوان جهت تنشهای برجای افقی اطراف چاه را تعیین کرد8]و.[9 شکل 2 نمایش دهنده شناسایی این شکستگیها با استفاده از نمودار تصویرگر FMI میباشد. طوری که ریختگیهای داخل چاه - Breakouts - و شکستگیهای کششی ناشی از عملیات حفاری - Drilling Induced Fractures - را به خوبی به تصویر کشانده است.
شکل -2 شناسایی شکستگیهای کششی و برشی با استفاده از تصویرگر [9] FMI
البته ذکر این نکته نیز حائز اهمیت است که جهت شناسایی ریختگیهای داخل چاه و شکستگیهای کششی با استفاده از تصویرگرها استفاده از ابزارهایی که پوشش بیشتری روی دیواره چاه دارند مناسبتر میباشد. لذا بدین منظور استفاده از تصویرگرهای صوتی مثل UBI میتواند کارآمدتر باشد. چراکه میتواند با دقت بیشتری به دلیل پوشش بیشتر دیواره چاه این نوع شکستگیها را شناسایی کند.[9] شکل 3 نمایش دهنده تصاویر ارائه شده توسط این ابزار میباشد.
در نهایت با استفاده از اطلاعات بدست آمده از تصویرگرها و آنالیز آماری مشخصات هندسی عوارض شناخته شده از جمله ریختگیهای داخل چاه و شکستگیهای کششی، به طور میانگین جهت کمترین و بیشترین تنش افقی تعیین میگردد.
3-2 بیان ریاضی تشکیل BOs و DIFs
به طور کلی قبل از حفاری تنشهای برجا در زمین قرار دارند، که بعد از حفاری در اثر برهم خوردن تعادل بین این تنشها، تنشهای جدیدی در داخل چاه به وجود میآیند، تنشهای جدید که به عنوان تنشهای ناشی از حفاری شناخته شده میباشند در مختصات استوانهای قابل محاسبهاند. شکل 5 نمایش دهنده تنشهای برجا و القایی میباشد، که به نحو مناسبی این تنشها را نشان داده است. این تنشها عبارتند از - تنش شعاعی - ، - تنش مماسی - و - تنش محوری - . Kirsh - 1898 - روابطی را برای محاسبه این تنشها بر اساس تنشهای برجا ارائه داده است که به صورت زیر بیان میگردند
شکل -3 نمایش ریختگیهای داخل چاه با استفاده از تصویرگر [9] UBI
برای نمایش بهتر آنچه در چاه رخ میدهد میتوان اطلاعات حاصل از دوربینهای درون چاهی را به کار گرفت. شکل 4 نمایش دهنده تصویری از نتایج ارائه شده توسط دوربینهای درون چاهی میباشد که به خوبی نشان دهنده ریختگیها و شکستگیهای کششی در چاه میباشد.
شکل 4؛ تصاویر ارائه شده از دوربینهای درونچاهی
شکل -5نمایش شماتیک تنشهای برجا و القایی ناشی از حفاری در اطراف
