بخشی از مقاله
چکیده
پایداری دیواره چاه در صنعت حفاری دارای اهمیت بسیاری میباشد. ناپایداری دیواره چاه دلیلی بر تحمیل هزینههای بسیار زیاد بر عملیات حفاری میباشد. اما با بکارگیری مدلهای جامع ژئومکانیکی میتوان این هزینهها را بهطور چشمگیری کاهش داد. در بین پارامترهای موثر بر پایداری دیواره چاه، پارامترهای مسیر حفاری و فشار سیال حفاری قابل کنترل توسط تیم حفاری میباشند.
مقاله حاضر به بررسی پایداری دیواره چاه در یکی از میادین گازی جنوب ایران میپردازد. در این پژوهش با بکارگیری روش عددی تفاضل محدود و با استفاده از نرمافزار ژئومکانیکی FLAC 3D به مدلسازی کامل جریان سیال و ژئومکانیک پرداخته شد و برای لایه مورد بررسی پنجره ایمن گل حفاری و بهینه ترین فشار گل حفاری بهدست آمد. حد بالای پنجره ایمن گل که فشار شکست کششی سازند میباشد، 61 مگاپاسکال، حد پایین پنجره ایمن گل که فشار شکست برشی میباشد، 32 مگاپاسکال و بهینهترین فشار برای گل حفاری در این سازند 50 مگاپاسکال بهدست آمد.
.1 مقدمه و مبانی نظری
بررسی پایداری چاه و برنامهریزی عاقلانه قبل از حفاری باعث شناسایی مناطق مشکلساز و ارتقاء عملیات حفاری می-شود. بسیاری از پارامترها بر پایداری چاه تاثیر میگذارد. برخی از این پارامترها به خواصگل حفاری و تعامل آن با سازند و برخی از آنها به خواص مکانیکی سازند و اندازه و توزیع نیروهای اطراف چاه مرتبط میشود.
حفاری چاه در یک سازند به دلیل برداشت سنگ، باعث تغییر تنشها در اطراف چاه می شود. این تغییر تنشها بسیار مهم است به دلیل اینکه باعث افزایش تنش در اطراف چاه می شود. بنابراین به منظور پایداری چاه این تنشهای القایی باید توسط فشار گل مناسب و بهینه تعدیل شوند.
هدف از این مطالعه، تعیین پنجره ایمن گل حفاری و برآورد فشار بهینه گل در یکی از میادین جنوب ایران با استفاده از روش عددی می باشد که به منظور این هدف از نرم افزار FLAC 3D استفاده شده است. در این مطالعه ابتدا مشخصات ژئومکانیکی سازند تعیین می شود و سپس مدل سازی آنالیز پایداری چاه از جمله ساخت هندسه مدل و تخصیص خواص محیط و تعیین شرایط مرزی انجام میشود و در نهایت به بررسی نتایج مدل سازی عددی و تحلیل حساسیت فشار گل پرداخته میشود.
.2 روش و مراحل تحقیق
.1,2 پارامترهای ژئومکانیکی
جهت بهدست آوردن پارامترهای ژئومکانیکی سازندها نیاز به پارامترهای چگالی سازندها و زمان گذر موج فشاری و برشی سازندها میباشد. برای بهدست آوردن چگالی از لاگ چگالی،بهدست آوردن زمان گذر موج فشاری و برشی در سازندها از لاگ صوتی و تخلخل سازندها از لاگ گاما استفاده میشود. از این لاگها، پارامترهای ژئومکانیکی سازندها از جمله مدول یانگ دینامیکی، مدول بالک دینامیکی، مدول برشی دینامیکی و ضریب پواسون دینامیکی محاسبه می شوند.
.1,1,2 مشخصات ژئومکانیکی سازند
دادههای نمودارگیری در سازند مورد مطالعه از عمق 2900 تا 3000 متر موجود بود. این بازه 100 متری شامل توالی لایههای آهک، دولومیت و انیدرید است. در این مقاله به بررسی وضعیت پایداری دیواره چاه در این عمق پرداخته شده است. پارامترهای مورد نیاز برای بررسی پایداری چاه در لایه مورد بررسی، با استفاده از دادههای نمودارگیری بهدست آمدند.
عمق، ضخامت، چگالی، تخلخل و تراوایی لایهها در جدول1 آورده شده است. قطر چاه و مشخصات ژئومکانیکی لایهها در جدول2 آورده شده است و مقادیر تنشهای برجا و فشار منفذی در جدول3 آورده شده است.
جدول-1 مشخصات لایهها
جدول-2 مشخصات ژئومکانیکی لایهها
جدول-3 مقادیر تنش های برجا و فشار منفذی
با محاسبه مقادیر تنش عمودی برجا و تنشهای افقی حداقل و حداکثر برجا، برحسب عمق میتوان به رژیم تنش حاکم پی برد. با توجه به دادههای بهدست آمده در جداول با استفاده از لاگ چاهپیمایی و طبق نظریه رژیم تنشهای برجای اندرسون رژیم تنش حاکم در این لایه بهصورت نرمال میباشد.
.2,2 مدل سازی آنالیز پایداری چاه با استفاده از روش عددی .1,2,2 ساخت هندسه مدل
اولین قدم برای مدلسازی عددی با استفاده از نرمافزار FLAC 3D، ساخت هندسهی مدل میباشد. ابعاد هندسی مدل باید بهنحوی انتخاب شوند که تاثیری بر پاسخهای نهایی نداشته باشد. از طرف دیگر انتخاب ابعاد بزرگ ضمن افزایش مدت زمان حل مسائل، گاها نیاز به استفاده از سیستمهای کامپیوتری قدرتمند دارند و سختافزارهای در دسترس قابلیت حل این مدلها را ندارند.
از اینرو میتوان گفت باید ابعاد هندسی مدل بهصورت بهینه انتخاب شوند.[4] بههمین دلیل برای تحلیل پایداری لایه مورد مطالعه ابعاد مدل سهبعدی به صورت 4 متر در جهت x، 4 متر درجهت y و 10 متر در جهت z - در امتداد عمق چاه - ساخته شد. همچنین مشبندی مدل به نحوی در نظر گرفته شده که ضمن داشتن تراکم مناسب در راستای محور z در صفحه ی xy نیز با فاصله گرفتن از دیواره چاه از تراکم مش بندی کاسته شود.
.2,2,2 تخصیص خواص محیط و تعیین شرایط مرزی
مرحله دوم برای مدلسازی، انتخاب یک مدل رفتاری و اعمال خصوصیات سنگ میباشد. در این مدل، از معیار موهر-کلمب بهمنظور مطالعه رفتار سنگ و تعیین تنشهای اطراف چاه و از معیار سیال همسانگرد برای جریان سیال استفاده می-شود. خصوصیات سنگ سازند و سیال موجود در سازند که جهت آنالیز پایداری چاه در نرمافزار FLAC 3D مورد نیاز است، طبق داده های بهدست آمده وارد نرمافزار میشود. شرایط مرزی باید بهگونهای باشد که با شرایط واقعی تطابق داشته باشد؛ به همین دلیل سطح بالای مدل جهت اعمال نیروهای خارجی آزاد گذاشته شد و سطوح جانبی و کف مدل ثابت شدند.
.3,2,2 به تعادل رسیدن مدل
شرایط مرزی شامل تنشهای عمودی، افقی حداقل و حداکثر و فشار سیال درون چاه است. در این مدل محور x در جهت تنش افقی حداکثر، محور y در جهت تنش افقی حداقل و محور z که در راستای محور چاه قرار دارد در جهت تنش عمودی قرار داده شده است. قبل از به تعادل رسیدن مدل تنش معادل با روبارهی موجود در بالای لایه مورد بررسی اعمال شد. برای بررسی درستی به تعادل رسیدن مدل پس از بررسی تنش در جهت قائم نمودار نیروهای نامتعادلکننده و نیز وضعیت سرعت و جابجایی در برخی از نقاط گرهی مورد ارزیابی قرار گرفت و در انتها مدلسازی حفاری چاه انجام گرفته میشود.
.3 ارائه و تحلیل نتایج
.1,3 تحلیل حساسیت فشار گل و بهدست آورن بازه ایمن فشار گل حفاری
برای لایه مورد بررسی تحلیل حساسیت بر روی فشار گل انجام شده است. برای بهدست آوردن فشار گل بهینه وتعیین پنجره ایمن گل، برای فشارهای گل مختلف از 0 تا 80 مگاپاسکال چاه را مدلسازی و تغییرات آن را بررسی شده و از لحاظ پایداری چاه تحلیل میگردد. در نرمافزارFLAC 3D فشار گل بهصورت فشار یکنواخت عمود بر دیواره داخلی چاه به مدل داده میشود.
لایه مورد بررسی در فشارهای مختلف مدلسازی شده که نتایج آن در شکل1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود ابتدا برای فشار صفر، چاه بدون گل حفاری، در تمامی جهات دیواره چاه شکست اتفاق افتاده و چاه ناپایدار است. با افزایش فشار گل حفاری و مدلسازی چاه برای فشارهای بالاتر بصورت متوالی از ناحیه پلاستیک دیواره اطراف چاه کاسته شده و پایدارتر میگردد. همانطور که مشاهده میشود در فشار 35 مگاپاسکال دیواره اطراف چاه کاملا پایدار است و شکستی مشاهده نمیشود.
بنابراین برای پیدا کردن دقیق فشار شکست فشارهای بین بازه 30 تا 35 مگاپاسکال مدلسازی شده که حد پایین پنجره گل برای لایه 32 مگاپاسکال بهدست آورده شد. با مدلسازی چاه برای فشارهای بعدی مشاهده میشود که چاه پایدار بوده و شکستی در دیواره رخ نمیدهد. در فشار 65 مگاپاسکال در دیواره چاه شکست مشاهده میشود
