بخشی از مقاله
طراحيBHA درحفاري هاي جهت دار سازندهاي جنوب غربي ايران
چکيده
طراحي BHA در حفاري هاي جهت دار سازند هاي جنوب غربي ايران مهم ترين جنبه حفاري جهت دار براي حفاري مسير مشخص شده مي باشد. کنترل زاويه آزيموت وAngle در چاههاي جهت دار حين چرخش رشته، با طراحي مناسب BHA و بکار بردن پارامترهاي مناسب حفاري امکان پذير است. از جمله پارامترهاي
در دسترس که در زاويه گرفتن چاه و در BHA هاي مختلف موثر هستند مي توان به : اندازه پايدارکننده ها، قطر و طول لوله وزنه ها، وزن روي مته، سرعت چرخش رشته و سرعت نفوذ مته اشاره کرد که کم و زياد کردن مقادير آنها باعث تغييرات انحنا و زاويه حفره مي گردد. از ساير پارامترهاي موثر نيز ميتوان سختي سازند، نفوذ پذيري و شيب سازند را نام برد که کنترل آنها خارج از توانايي حفار مي باشد. در اين مقاله با استفاده از سه روش Fulcrum, Stabilization وPendulum ، و مطابقت خصوصيات آنها با سازندهاي جنوب غربي ايران همچون گچساران و آسماري، سعي در طراحي BHA مناسب براي حفاري انحرافي با شعاع بزرگ 6-1( )ft 100 /deg در اين سازندها شده است.
واژه هاي کليدي: BHA(Bottom Hole Assembly), Azimuth, Angle, Fulcrum, Stabilization, Pendulum
-1 مقدمه
در حفاري جهت دار بعد از اينکه با ابزار االت انحراف از جمله: WhipStock, Casing WhipStock و Jet Bit نقطه K.O.P را به حفره داديم، با تعويض BHA ، عمليات جهت دار با زاويه اي مناسب شروع مي شود. در ادامه بسته به نوع محاسباتي که مهندسين براي برخورد با Target انجام مي دهند. BHA به صورت زاويه ساز، زاويه کاست و يا زاويه نگهدار خط سير را حفاري ميکند. بعد از اينکه حفره زاويه Inclination اوليه را بدست آورد توسط سه عامل نيروي کناره اي مته))Bit Side Forcing، کجي مته))Bit Tilt، تعداد، اندازه ترتيب قرار گيري پايدارکننده ها و لوله وزنه هاي بکار برده شده، مي توان نرخ تدريجي انحراف را با توجه به هدفي که براي BHA پيش بيني شده است طراحي کرد. فاکتورهايي که بر روي اين سه عامل اثر دارند و سبب واکنش آنها مي شوند عبارتند از: وزن روي مته، سرعت دوران رشته، نوع مته، خصوصيات سازند)سختي زاويه شيب(، سرعت نفوذ و دبي گل حفاري. تمام فاکتورهاي اثر گذار جز خصوصيات فيزيکي سازند قابل تغير و تنظيم بوده ولي هر سازند بر حسب نوع سنگ هاي متشکله، عمق قرارگيري و شيب، داراي خصوصيات ويژه خود مي باشد.
در ميادين نفتي جنوب غربي ايران، سازند ها بر حسب فشار سيال درون خود به سه زون تقسيم مي شوند که به ترتيب قرارگيري از سطح عبارتند از زون نخست کم فشار متشکله از سازندهاي اغاجاري، ميشان و طبقه هفتم از سازند گچساران شامل اليه هاي نسبتا ضخيم تا متوسط مارل هاي قرمز و خاکستري با شيب سازند از صفر تا بيست درجه، زون دوم پر فشار با مجموع طبقات گچساران يک تا شش شامل سنگ هايي از جنس ژيپس و انيدريت با ضخامت و شيب کامال متغير و پيچيده که فشار سازند در اين زون از ساير زون ها بيشتر بوده و بيشترين مشکالت عمليات حفاري همچون گير BHA و رشته، برخورد با شيب سازند و عوض شدن رفتار BHA در اين زون رخ مي دهد. زون سوم متشکله از سازندهاي آسماري، پابده، گورپي، ايالم و سروک، شامل اليه هاي عموما ضخيم و افقي سنگ هاي آهکي، مارل هاي شيلي، ماسه سنگ ها و شيل هاي نفتي بوده و در صورت شيب دار بودن، اين شيب از پانزده درجه فراتر نمي رود. فشار سازند در اين زون مابين دو زون قبلي قرار دارد. ]9[ و ]4[ با توجه به اينکه گير رشته در سازندهاي جنوب غربي ايران، از مشکل ساز ترين عوامل در حفاري انحرافي است، طراحي به عمل آمده در اين مقاله، جهت به حداقل رساندن گير BHA در اين نواحي مي باشد. درصد گير رشته در نواحي زون با فشار پايين حدود 23 درصد، در نواحي با فشار باال 19 درصد و در نواحي با فشار متوسط 58 درصد است. ]7[
-2 بررسي عوامل موثر بر تغيير نرخ انحراف
تغيير در عوامل ذکر شده ي موثر بر انحراف رشته، در کنار در نظر گرفتن خصوصيات سازند، سبب تمايل زاويه سازي، زاويه کاستي و زاويه نگهداري رشته شده که در ادامه اين تغييرات را تشريح خواهيم کرد. در BHA هاي بکار برده شده پيشنهادي، موتور درون چاهي بر روي مته سوار شده و در کنارعدم چرخش رشته حفاري،مي توانند نيروي هيدروليکي گل حفاري را به دوران مته تبديل کنند.حال وضعيت قرار گيري پايدارکننده ها در باال و پايين موتور و همچنين ضرورت قرار گيري آنها با توجه به خط سير چاه را مورد بررسي قرار ميدهيم.
-1-2 نيروي کناره اي مته )Bit Side Forcing(
يکي از عوامل مهم در انحراف دادن به حفره نيروي کناره اي مته مي باشد. رشته با افزايش مقدار مثبت اين نيرو تمايل به زاويه سازي و با افزايش مقدار منفي تمايل به کاهش زاويه انحراف چاه را از خود نشان مي دهد. ضمنا هر چه اين نيرو به صفر نزديک شود تمايل رشته براي پيش روي خط سير بيشتر خواهد شد. نيروي کناره اي مثبت در حين زاويه سازي به سمت باالي حفره وارد شده که با کجي مته و افزايش وزن روي مته سبب افزايش زاويه سازي شده و نيروي کناره اي منفي نيز که در سمت پايين حفره وارد شده، سبب زاويه کاستي مي شود. ]1[
-2-2 اندازه و نحوه قرار گيري پايدار کننده ها و لوله وزنه ها در طول رشته -1-2-2 زاويه کاستي توسط عامل پاندولي))Dropping
فاصله محل قرار گيري پايدارکننده ها از مته به مقاومت لوله هاي وزني بستگي دارد. لوله هاي وزني با قطر
کوچکتر انحنا پذيري بيشتري نسبت به لوله هاي وزني با قطر بزرگتر دارند لذا آسانتر خميده مي شوند و در نتيجه با برخورد آنها با ديواره چاه، سبب خنثي شدن نيروي کناره اي مي گردند. در صورت استفاده از لوله هاي وزني کوچک بايد محل جاي اين لوله ها را به مته نزديکتر کرد تا از کمانه کردن لوله وزني بين مته و پايدار کننده جلوگيري شود. سرعت نفوذ مته به علت محدوديت در اعمال وزن بيشتر روي مته در مقايسه با لوله هاي وزني بزرگ و سنگين لطمه خواهد ديد بنابراين براي کاهش زاويه انحراف و حفظ سرعت حفاري از لوله هاي وزني با قطر بزرگ بين مته و اولين پايدارکننده استفاده ميکنيم.]8[ ميزان کاهش زاويه انحراف در حالت پاندولي نبايد از 2.5-3.5 درجه در 100 فوت تجاوز کند. در غير اين صورت احتمال وجود سگ دست )Dog Leg( و در نتيجه جا کليدي))Key Seat بيشتر ميشود.]6[
در شکل )1( برخي از BHA هاي زاويه کم کن را مشاهده مي کنيم که کاربرد بسياري در انحراف حفره دارند. در بين آنها با افزايش طول پاندولي )از مته تا اولين پايدار کننده( قدرت زاويه کم کني افزايش و لوله هاي وزنه با سايز بزرگتر، وزن بيشتري را براي نيروي کناره اي منفي اعمال مي کنند. در سازند هاي سخت همچون پوش سنگ گچساران و ديگر سازندهاي فشرده ميادين نفت جنوب غربي، با اعمال وزن بيشتر روي مته، سعي در باال بردن اين نيروي کناره اي منفي مي شود که طبق جداول ذکر شده وزن روي مته ي بيشتر در برخي نقاط حتي سبب زاويه سازي شده و در کم کردن زاويه به دليل مماس بين لوله وزنه و چاه هيچ تاثيري نخواهد داشت. در شکل فاصله گرفتن نخستين پايدارکننده از مته با افزايش مقدار منفي نيروي کناره اي نشان داده شده است. افزايش طول پاندولي لوله وزنه تا يک فاصله مشخص براي وزن روي مته هاي مختلف باعث افزايش مقدار منفي نيروي کناره اي مي شود، اما از اين مقدار مشخص به بعد به دليل بوجود آمدن خميدگي در لوله وزنه و برخورد
آن با ديواره چاه از مقدار نيروي کناره اي کاسته مي شود.
شکل :)1( نيروي کناره اي مته به همراه تغييرات طول پاندولي براي وزن روي مته 10 تا 60000 پوند در حفره 4/1 12 اينچ، قطر لوله وزنه2/1 6 اينچ، وزن گل ppg 2/1 10 و زاويه انحراف 10 درجه
در تصوير پايين، پايدار کننده دوم که 30 فوت از نخستين پايدارکننده فاصله دارد، نيروي کناره اي منفي را افزايش داده و کابرد آن در سازندهاي سختي همچون گچساران و پايين تر ازآن بهتر مشاهده مي گردد، .زيرا نياز به اعمال وزن کمتري بر روي مته براي باال بردن نيروي کناره اي منفي مي باشد. همچنين فاصله نخستين پايدارکننده از مته يعني همان طول پاندولي 60 فوت مي باشد.
شکل :)3(تاثير افزودن يک پايدارکننده Gauge در فاصله 30 فوت از نخستين پايدارکننده، قطر چاه in 4/1 12، لوله وزنه in 8، وزن گل ppg 9، زاويه انحراف 10 درجه
-2-2-2 زاويه افزايي توسط سيستم Fulcrum
در مدل Fulcrum يک عدد پايدار کننده بالفاصله بعد از مته قرار مي گيرد))Near Bit Stabilizerکه اين پايدارکننده بر ميزان نيروي کناره اي مثبت افزوده و افزايش زاويه چاه را به دنبال دارد. با افزايش وزن روي مته، بر ميزان نيروي کناره اي مثبت که به سمت باالي حفره مي باشد افزوده شده و چاه زاويه مي گيرد. در سازند هايي که افزايش تدريجي زاويه مد نظر مي باشد همچون نقاطي که احتمال بروز تورم شيلي و يا ريزش سازند وجود دارد، يک عدد پايدارکننده باالي پايدارکننده نزديک مته به فاصله استاندارد قرار ميگيرد. اگر پايدارکننده
دوم در فاصله 90 فوتي پايدارکننده نزديک مته قرار گيرد بيشترين زاويه سازي را مهيا مي کند)100/ft 6-5 ]5[ .)ft
البته در سيستم PDMبا استفاده از پايدارکننده گريز از مرکز که بر روي توربين در نزديک مته نصب مي شود و بسته به نوع کاربرد سه پر يا پنج پر مي باشد، مي توان همانند Bent Sub يا Bent Housing به BHA خميدگي داد تا قسمت باقيمانده رشته حفاري به گردش نيايد.]3[
در Inclination هاي کمتر، سيستم تک پايدارکننده نزديک مته بهتر از سيستم دو پايدارکننده سيستم سازي مي کند، به اين دليل که در زاويه هاي کم، افزودن يک پايدارکننده در باالي پايدارکننده نزديک مته، نيروي کناره اي مثبت به سمت باال را کاهش داده و بيشتر سبب مستقيم پيش رفتن رشته خواهد شد. نرخ درجه زاويه سازي بين 2 تا 5 درجه در 100 فوت توسط اين مجموعه ته چاهي بوجود مي آيد. در سازندهاي سختتر به دليل اينکه کجي مته به خوبي نمي تواند در نرخ زاويه سازي تاثير داشته باشد، نرخ زاويه سازي اين BHA به 1.5 تا 2 درجه در هر 100 فوت مي رسد. مجموعه تک پايدارکننده در برخي نواحي به خصوص وقتي که در آن لوله هاي وزني کوچکتر استفاده مي شود با رعايت وزن روي مته مي تواند به اندازه BHA نود فوتي کارايي داشته باشد. البته اگر لوله هاي وزني 8 تا 11 اينچ در آن بکار رود زاويه سازي کمتري را نيز به دنبال خواهد داشت.در ادامه تاثيرات Inclination به همراه نيروي کناره اي مته بر BHA هاي زاويه ساز مشاهده مي کنيم.
همانگونه که اشاره گرديد BHA تک پايدارکننده بيشترين نيروي کناره اي را در زاويه انحراف کم که در سازندهاي نزديک سطح انجام مي شود را بوجود مي آورد. به عنوان نمونه ميتوان به کاربرد سيستم باال در نقاط
K.O.P در حفاري هاي جهت دار قسمت هايي از سازندهاي ميشان و گچساران که در عمق 800 تا 2000 متري هستند، اشاره نمود. البته در زواياي انحراف بيشتر از 10 درجه BHA هاي شماره 8 و 9 در شکل )9( بيشترين نيروي کناره اي را در سازند فراهم مي کنند. در زواياي انحراف بيشتر از 50 درجه نيز BHA شماره 6 در همان شکل اين کار را انجام ميدهد.
در حفاري جهت دار پيشرفته به خصوص در سازندهاي نرم، به منظور برخورد با هدف، کمترين تعداد لوله هاي وزني و پايدارکننده استفاده مي شود. لوله هاي حفاري سنگين با ديواره ضخيم جايگزين لوله هاي وزني استاندارد مي شوند و نياز به پايدارکننده هايي که لوله هاي وزنه را از برخورد با ديواره نگه دارند حذف مي شود.
به طور معمول نرخ زاويه سازي توسط مجموعه داراي سه پايدارکننده و مجموعه هاي سازنده 30 تا 50 فوت بين مقدار کم تا متوسط مي باشد. در برخي نقاط اين مجموعه ها به عنوان مجموعه هاي زاويه نگه دار مي توانند بکار روند. اثر کجي مته روي اين مجموعه ها تاثير زيادي ندارد.
-3-2-2 نگهداري زاويه )Holding(
دو حالت براي استفاده از سيستم Stiff Hook Up وجود دارد. در حفاري حفره ½ 17 اينچ که در چاههاي عمودي انجام شده و باعث ثابت نگه داشتن راستاي چاه و حالت عمودي آن مي شود. معموال حفره دوم را تا انتهاي منطقه کم فشار گچساران بين عضو 1 و عضو 2 حفاري مي کنند. جنس سنگ هاي اين دو اليه معموال انيدريت، مارل قرمز و خاکستري و نيز سنگ آهک بوده و حاوي آب پر فشار محبوس است. لذا اشکاالت مهم در عمليات حفاري اغلب در اين اليه ها رخ مي دهد.)هرزروي گل، جريان آب سازند؛ مچالگي جداري(
BHA هاي نگه دارنده، زاويه انحراف را نگه داري نمي کنند. بلکه آنها Build و Drop را به کمترين مقدار مي رسانند. تمامي BHA نشان داده شده در شکل )7( داراي تمايل به هر دوي Build و Drop است. BHA زاويه
نگهدار چهار پايدار کننده وقتي که نيروي کناره اي افزوده ميشود و يا براي افزايش سرعت نفوذ وزن روي مته را باال ميبريم، کمترين ميزان تغييرات را از خود نشان ميدهد. BHA( شماره 7 در شکل )7 البته اين به دليل نيروهاي مقاومت در برابر ايجاد نيروي کناره اي مثبت و منفي BHA مي باشد که در اطراف پايدار کننده ها اتفاق مي افتد. استفاده بيشتر از 5 پايدار کننده براي کنترل انحراف تاثيري بر باال بردن نگه داري زاويه ندارد، زيرا در زواياي انحراف شديدتر، پنجمين پايدارکننده ميتواند گشتاور بيشتري را براي چرخش سيستم اضافه کند
