مقاله کاهش هرزروی گل حفاری با استفاده از سیالات حفاری افرونی

بخشی از مقاله

کاهش هرزروي گل حفاري با استفاده از سیالات حفاري افرونی

چکیده

بیشتر مخازن نفت و گاز دنیا تولید قابل ملاحظهاي داشته و سریعاًیا در حال تخلیه شدن منابع هیدروکربنی خود هستند. سازندهاي موجود در بالا و پایین سازندهاي تولیدي و تخلیه شده فشار حفره بیشتري داشته و جهت حفاري و پایدار بودن دیواره چاه نیازمند سیال حفاري با وزن بالا هستند؛ از اینرو تماس سازندهاي تخلیه شده با سیال حفاري با وزن بالا باعث هرزروي گل حفاري، گیرکردن لولههاي حفاري در چاه و آسیب به مخزن میشود. این مشکلات در حالتی که در بین سازندهاي تولیدي و تخلیه شده لایههایی از شیلهاي تحتفشار قرار داشته باشد نیز ممکن است رخ دهد و حفاري در چنین حالتهایی از لحاظ ایمنی و اقتصادي با تجهیزات حفاري معمولی و سیالات رایج حفاري دشوار خواهد بود. در جهت رفع این مشکلات امروزه استفاده از سیالات حفاري افرونی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این تکنولوژي به طور موفقیتآمیزي در بیش از 300 مورد در حفاري چاههاي مختلف و مستعد هرزروي بکار رفته است. این سیالات جایگزین مناسبی براي حفاري زیر فشار تعادلی از لحاظ کارایی، مشکلات ایجاد شده و هزینه میباشند. در این پژوهش به معرفی کلی سیالات حفاري افرونی شامل خصوصیات، نحوه ساخت، مکانیزم عملکرد، کاربردهاي میدانی و نیز بررسی اقتصادي آنها پرداخته شده است.

واژه هاي کلیدي

افرون، پلیمر، حباب گازي، سورفکتانت، گل حفاري، هرزروي

2

مقدمه

عملیات حفاري توسط سیالات حفاري با وزن بالا نیازمند استفاده از عوامل مسدودکننده1 با غلظت پایین در کل سیستم گردش2
گل حفاري میباشد و یا در مواردي که هرزروي سیال حفاري از حد مجاز خود بیشتر شود مستلزم بازسازي3 و درمان چاه4 می-

باشیم. در حالی که این تکنیکها در سازندهاي پرفشار و دست نخورده موثر هستند اما در مورد سازندهاي تخلیه شده و آسیبهاي وارده به این نواحی استفاده از این نوع سیال در عملیات حفاري مناسب نخواهد بود و باعث تخریب مخزن و آسیب جدي به آن میشود. امروزه استفاده از حفاري زیر فشار تعادلی5 یکی از راههاي حل این مشکلات است. در این نوع عملیات حفاري از سیالی با وزن پایین استفاده میشود تا بتوان تعادل فشاري را در نواحی کم فشار و تخلیه شده برقرار کرد. این روش نیازمند استفاده از تجهیزات گرانقیمت و خاصی بوده و احتمال ریزش دیواره چاه را افزایش میدهد. در جهت رفع این مشکلات امروزه استفاده از
سیالات حفاري افرونی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از این تکنولوژي مشکلات و محدودیتهاي بیان شده را ندارد

.[1]

سیالات حفاري افرونی

سیالات حفاري افرونی به طور موفقیتآمیزي در بیش از 300 مورد در حفاري چاههاي موجود در مخازن تخلیه شده نفت و گاز، سازندهایی با تراوایی بالا و داراي شکافهاي ریز6 مورد استفاده قرار گرفتهاند. این سیالات جایگزین مناسبی براي حفاري زیر فشار تعادلی از لحاظ کارایی، مشکلات ایجاد شده و هزینه میباشند .[2-5] در این نوع سیال، هوا توسط وسایل رایج در فشار محیط با سیال حفاري مخلوط میشود. افرونها حبابهاي ریز گازي مانند هوا، نیتروژن و ... هستند که ساختاري خاص و منحصر بفرد دارند و و با توجه به اندازه این حبابها میتوانند در مواردي که هرزروي سیال حفاري، گیرکردن لولهها و سایر مشکلات مرتبط وجود دارد بکار روند.

خصوصیات سیالات افرونی

ویژگی غالب و منحصربفرد سیالات افرونی به رئولوژي و وجود حباب در این سیالات مربوط میشود. سیال پایه داراي خاصیت برشی-رقیقکننده7 شدیدي بوده و رفتاري با گرانروي تنش-برشی-کم8 و تکسوتروپی9 پایین نشان میدهد .[6] حباب افرونی از یک هسته هوا (گاز) تشکیل شده است که توسط یک پوسته/غشاي پلیمر/سورفکتانت پایدار شده است. شکل 1 شماتیکی از یک حباب معمولی پایدار شده توسط سورفکتانت را نشان میدهد. این حباب کرهاي از هواست که توسط یک لایه نازك سورفکتانت از محیط آبی پیرامون جدا شده است 8]، .[7 سر آبگریز10 سورفکتانت به سمت هسته گازي جهتگیري میکند و سر آبدوست11 آن

3

به سمت توده آب12 متمایل است؛ بنابر این یک حباب معمولی داراي یک مرز بیرونی آبدوست13 است. بر خلاف یک حباب معمولی هوا که توسط یک تکلایه سورفکتانت پایدار شده است، حباب افرونی ساختار پیچیدهتري دارد 8]،.[9 هسته هوا در افرون توسط یک غشاي سه-لایهاي سورفکتانت که بسیار پایدار است احاطه شده است (شکل .(2 ساختار افرونهاي پایه نفتی هم شبیه افرون-

هاي پایه آبی است (شکل .(3 محلول آبی با گرانروي بالا یا لایه قطبی فیلم سورفکتانت داخلی را احاطه کرده و توسط تک-لایه سورفکتانت بیرونی در محل نگه داشته شده است.

شکل (1 ساختار حباب معمولی پایدار شده توسط سورفکتانت

شکل (2 ساختار افرون پایه آبی شکل (3 ساختار افرون پایه نفتی

اندازه قطر افرون معمولاً بین 10 میکرومتر تا 100 میکرومتر است و افرونها میتوانند در سیستم چرخش تمیزسازي سیال حفاري باقی بمانند. بیشتر افرونها طی عملیات جداسازي خردههاي حفاري از سیال حفاري توسط Shale Shaker و یا پاكسازي لوله-

هاي جریان در سیال باقی مانده و جدا نمیشوند و به دلیل داشتن جرم پایین حتی در هایدروسیکلون14 و یا سنتریفیوژهاي با سرعت بالا15 محفوظ میمانند. افرونها با وسایل و ابزار تهچاهی مانند وسایل اندازهگیري حین حفاري (MWD16) و یا موتورهاي مربوط به سیال حفاري تداخل نداشته و شرایط ایدهآلی را براي حفاري جهتدار و افقی فراهم میکنند. به خاطر حجم کم هواي موجود در سیالات پایه (در حدود %15 حجمی در فشار و دماي محیط)، چگالی سیالات افرونی نزدیک به چگالی سیال پایه است..[10]

4

افرونها در شرایط مختلف بسیار پایدار هستند. میزان پایداري آنها به ضخامت، و گرانروي پوسته کپسولهکننده آنها بستگی دارد.

این پوسته باید داراي یک حداقل ضخامت معین باشد. این نکته بسیار ضروري و مهم است زیرا که افرونها در حین گردش سیال حفاري در اثر تغییر فشار بر اساس قانون بویل17 دچار تغییر حجم میشوند. اگر این پوسته بیش از حد نازك باشد، در اثر اعمال فشار بسیار زیاد دچار انبساط زیادي شده و امکان پاره شدن آن وجود دارد .[7] علاو بر ضخامت، عامل بسیار مهم دیگري که در پایداري افرون نقش دارد گرانروي پوسته است. پوسته باید داراي حداقل گرانروي باشد تا از پدیدهاي که اثر مارانگونی18 نامیده می-

شود و باعث نفوذ آب از پوسته به حجم توده سیال میشود جلوگیري کند. این پدیده باعث نازكشدن و عدم پایداري پوسته می-

شود. سرعت انتقال آب با گرانروي پوسته رابطه معکوس دارد. بنابر این، افزودن موادي مانند بیوپلیمرها که افزایش گرانروي را درپی دارند مورد نیاز است. این مواد همچنین جریان توده سیال را به نواحی هدر رفته19 کند میکنند .[8]

برخلاف حبابهاي معمولی که در برابر فشارهاي بسیار کم و در حد چند psi متلاشی میشوند، سیالات افرونی در برابر فشرده شدن در فشارهاي بالا (حداقل (4000 psig در یک بازه زمانی قابل توجه از خود مقاومت نشان میدهند (شکل .(4 زمانی که یک سیال حاوي حجمی از حبابها، در برابر افزایش ناگهانی فشار در محدوده بالاي چند صد psi قرار میگیرد، حبابها در ابتدا بر اساس قانون بویل (رابطه معکوس حجم و فشار) فشرده و کوچک میشوند. سیالات افرونی نیز از این قائده مستثنا نیستند. حباب-

هاي معمولی تحت این فشار شروع به از دست دادن هواي موجود در خود در اثر نفوذ20 از طریق غشاء و دیواره حباب میکنند و هواي خارج شده در محیط آبی پیرامون حل میشود. حبابهاي سیالات افرونی نیز هواي موجود در خود را از دست میدهند، اما سرعت خروج هوا از این حبابها بسیار پایین بوده و سرعت فشردگی و کوچک شدن آنها به ترکیب سیال، اندازه حباب و سرعت افزایش و کاهش فشار21 بستگی دارد .[1] حبابهاي افرونی میتوانند در بازههاي زمانی کوتاه، فشردهسازي22 و رفع فشار23 را تحمل کنند و پایدار بمانند. همانطور که در شکل 5 دیده میشود، در فشردهسازي سریع سیال افرونی از فشار محیط تا MPa

2079 و رفع فشار تا فشار ابتدایی (فشار محیط)، افرونها به حالت اولیه و شکل کامل خود باز میگردند 1 ]،11،.[12

5

شکل (4 طول عمر افرونها در برابر افزایش فشار شکل (5 پایداري افرونها در حین فشردهسازي و رفع فشار

اولین و اصلیترین نوع سیالات حفاري افرونی مورد استفاده در مقیاس میدانی یک سیال پلیمري پایه آبی و یک سیال پایه غیر-
آبی مانند افرون پایه-استري24 بوده است . [13] جدول 1و2 ترکیب سیالات افرونی پایه آبی و پایه نفتی معمولی را نشان میدهد.

هردو نوع این سیال از یک گرانروساز25، تولید کننده افرون26، پایدارکننده افرون27 و عامل کنترل تصفیه28 تشکیل شدهاند. تفاوت اصلی موجود بین دو سیال فاز پیوسته است که در افرون پایه آبی آب (آب شیرین یا آب نمک) است و در افرون پایه نفتی نفت و یا سیال مصنوعی29 است 3]،.[14در جدول 3 خصوصیات سیالات افرونی پایه آبی و پایه نفتی مقایسه شده است 3]،.[15

جدول (1 ترکیب یک نمونه سیال افرونی پایه آبی

Concentration Function Component

0.97 (m3 / m3) Continuous Phase Fresh water/brine
0.71 (kg/ m3) Hardness Buffer Soda ash
14.26 (kg/ m3) Viscosifier Biopolymer blend
14.26 (kg/ m3) Filtration Control Agent and Thermal Stabilizer Polymer blend
1.43 (kg/ m3) pH control pH buffer
2.85 (kg/ m3) Aphron Generator Surfactant blend
1.19 (kg/ m3) Biocide Biocide
2.85 (kg/ m3) Aphron Stabilizer Polymer/Surfactant blend*
2.85 (kg/ m3) Shale Inhibitor Polymer*