بخشی از مقاله
محاسبه ناهمسانگردی بوسیله نگار تصویرگر دوقطبی برشی در یکی از مخازن گازی جنوب
چکیده
ناهمسانگردی به معنای تغییر خواص فیزیکی محیط در جهات مختلف است. این پدیده در اغلب مخازن کربناته نفت و گاز مشاهده میگردد. مهمترین عوامل ایجاد آن، تنشهای درجا، میان لایههای شیلی و شکستگی طبیعی است. بدلیل نقش مهمی که مطالعه ناهمسانگردی در ایمنسازی دیواره چاه، تعیین مسیر بهینه حفاری، تولید بهینه و برنامههای توسعهای میادین بازی میکند، اهمیت ویژهای در صنعت نفت و گاز داراست. یکراه محاسبه آن، استفاده از ابزار صوتی دارای فرستنده و گیرندههای دوقطبی است که بتواند زمان رفت و برگشت امواج برشی را درون سازند در جهات مختلف، ثبت کند. در این مطالعه، از نگار تصویرگر دوقطبی برشی، که دارای هشت ایستگاه گیرنده با آرایش خطی و فرستندههای دوقطبی و تکقطبی درون یک سیستم واحد میباشد، استفاده شدهاست. در حال حاضر، نگار تصویرگر دوقطبی برشی یکیاز بهترین ابزارها برای بدست آوردن کندی امواج برشی است و از آنجا که این امواج در هنگام ورود به محیط ناهمسانگرد انشقاق (SRODUL]LVLRQ) مییابد و به دو مؤلفه تند و کند تقسیم میشود، نگار مذکور با استفاده از این تکنیک و چرخش آلفورد (Alford Rotation)، زونهای ناهمسانگرد و جهت تنش بیشینه درجا را مشخص مینماید. در مطالعه حاضر، فواصل عمقی ناهمسانگرد، با استفاده از نگار مذکور محاسبه و دادههای آن با تفسیر نمودارهای مرسوم پتروفیزیکی و تصویری ریزمقاومت مقایسه گردید. نتایج نشان میدهد، تصویرگر دوقطبی برشی، ناهمسانگردی را بهصورت پیوسته و کمی تعیین مینماید و با نتایج حاصل از تفسیر نمودارهای مرسوم پتروفیزیکی و تصویری ریزمقاومت همخوانی دارد. همچنین راستای تنش بیشینه افقی حاصل از آن منطبق بر راستای بدست آمده از نمودار تصویری ریزمقاومت میباشد.
مقدمه
ناهمسانگردی موجب تفاوت خواص الاستیک سنگ در جهات مختلف شده و باعث تغییر رفتار سنگ و سیال مخزن در جهات متفاوت میگردد. درک صحیح آن از مراحل قبل از حفاری و تعیین مسیر بهینه حفاری تا برنامههای توسعهی میادین و مراحل ازدیاد برداشت، اهمیت فراوانی در کاهش ریسک، هزینه و همچنین افزایش تولید صیانتی از مخازن دارد. ناهمسانگردی میتواند هر فرآیندی را که در آن دو سیال با اختلاف چگالی منحصر به فرد وجود دارد، تحت تاثیر قرار دهد. به عنوان مثال فرآیندهای: تولید اولیه زیر نقطه حباب1، چرخه گاز، مخروطی شدن2 آب یا گاز، سیلابزنی3 و بسیاری از فرآیندهای تزریق بخار و تحریق درجا. مثالا اگر محیط ناهمسانگرد باشد، کنترل و پیشبینی جهت حرکت سیال طی فرآیند تزریق سیال کم است و میتواند فاکتور بهرهوری4 را کاهش دهد. در نتیجه در یک محیط ناهمسانگرد بسیاری از فرضیات از درجه اعتبار ساقط میگردند.
ارزیابی ناهمسانگردی مخزن و مشخص نمودن جهت تنش بیشینه، کاربردهای فراوانی از جمله در تعیین وزن مناسب گل، ایجاد شکاف هیدرولیکی مؤثر، جلوگیری از بسته شدن شکافهای طبیعی مخزن و تعیین جهت مشبککاری بهینه داراست. از آنجا که جهت حفاری نقش بسزایی در میزان تولید از مخزن داراست و باید بهنحوی تعیین شود که بیشترین تداخل را با شکستگی باز داشته باشد، لذا با تعیین جهت تنش افقی بیشینه، که شکستگیها در این جهت باز هستند، میتوان مسیر بهینه حفاری را تعیین نمود.
فرضیات مربوط به همسانگردی برای اولین بار در اوایل دهه 1930، هنگامیکه اندازهگیریهای انجامشده با الکترودهایی که در جهات مختلف روی سطح زمین خوابانیده شدهبودند، نتایج متفاوتی در مورد لایههای شیبدار نسبت به لایههای افقی ارائه دادند، متزلزل شد. ایده امکان استفاده از امواج صوتی برای تعیین خصوصیات مخازن توسط کنراد شلومبرژه در سال 1936 مطرح شد ولی بهدلیل عدم وجود ابزارهای الکتریکی مناسب، تا سال 1946 بصورت ایده باقیماند. معرفی منبعهای برشی در اواسط دهه 1970 نشانداد که،ناهمسانگردی موج برشی در اکثر موارد قابل توجه بوده و به صورت کمُی قابل تحلیل و بررسی میباشد .(Crampin et al, 1980; Crampin et al, 1986; Alfod, 1986) فرضیات مربوط به ناهمسانگردی در اواسط دهه 1980، هنگامیکه با توسعه حفاری افقی، حسگرها در اینگونه چاهها کار گذاشتهشدند، جهش یافت .(white, 1991) بونس و زوباک در سال 2006 مطالعهای بر روی دادههای برداشتشده از رصدخانه گسل عمیق سنآندریاس5 انجام دادند .(Boness and Zoback, 2006) میر و کروز در همان سال در مطالعهای به بررسی الگوهای ناهمسانگردی و ناهمگنی تراوایی در تعداد زیادی از پلاگهای استوانهای عمودی و افقی شاخص رخسارهای6 نمونهبرداری شده از ماسه سنگهای عضو ویرگل سنتونین بالایی7 پرداختهاند .(Meyer and Krause, 2006) مونزمازو و همکاران در سال 2007 به بررسی و اندازهگیری کمُی تأثیر ناهمسانگردی تراوایی بر روی عملکرد تولیدی یک مخزن شکافدار در طول فرآیند سیلابزنی پرداختند .(Munoz Mazo et al, 2007) صالح و همکاران در سال 2008 در پژوهشی رابطه بین تراوایی و ناهمسانگردی سرعت لرزهای را مورد بررسی قراردادند .(Saleh et al, 2008) ینوگو در سال 2010 با استفاده از اندازهگیریهای فراصوتی، مطالعهای برروی ناهمسانگردی رخنمون شیل گرین ریور انجام داد .(Yenugu, 2010) درسال 2012، پاچینیلام و همکاران با استفاده از دادههای بدست آمده از نگار تصویرگر برشی دوقطبی صوتی و تلفیق این اطلاعات با دادههای نگارهای 8)0, و چگالی به ارزیابی ناهمسانگردی سازند پرداخته و همچنین جهت و مقدار بیشینه و کمینه را در چاه شماره یک میدان کاناوارا واقع در حوضه رسوبی کامبای جنوبی در هند، تعیین کردهاند ( Pachineelam et al, .(2012 منابع اطلاعاتی مختلفی برای محاسبه ناهمسانگردی مخزن در مقیاسهای متفاوت وجود دارد اعم از: آنالیز مغزه، استفاده از نگار تصویرگر دوقطبی برشی، لایهآزمایی، چاهآزمایی و دادههای لرزهای. در این میان، تصویرگر دوقطبی برشی از نظر هزینه، مدت زمان لازم برای برداشت، اندازهگیری درجای خصوصیات مخزن، پیوسته بودن در کل بازه نمودارگیری، تعدد کمیتهای قابل اندازهگیری، درجه اعتبار بالا و سهولت تلفیق با سایر نمودارها (بهعلت ماهیت نمودار بودن) دارای مزایای رقابتی بیشتری نسبت به سایر روشهاست. در مطالعه حاضر نیز، ابتدا ارزیابی ناهمسانگردی مخزن توسط نگار تصویرگر دوقطبی برشی صورت گرفتهاست. سپس با مقایسه نتایج حاصل از نگار مذکور با تفسیر حاصل از نمودارهای مرسوم پتروفیزیکی و تصویری ریزمقاومت علاوهبر سنجش میزان دقت آن، علل بروز ناهمسانگردی نیز در چاه مورد مطالعه مشخص شدهاست.
روش تحقیق
یک تکنیک دقیق و پرکاربرد جهت محاسبه ناهمسانگردی، استفاده از امواج برشی است. از آنجا که محیط ناهمسانگرد در جهت بیشترین تنش افقی، متراکمتر شده و در جهت عمود بر آن فشردگی کمتری پیدا میکند، لذا موج برشی هنگام ورود به این محیط به دو مؤلفه تند و کند تقسیم میگردد. مؤلفه تند در جهت بیشترین تراکم و مؤلفه کند عمود بر آن حرکت میکند .(Anderson et al, 1994) نگار تصویرگر دوقطبی برشی با دارا بودن فرستندههای دوقطبی و هشت ایستگاه گیرنده که هرکدام شامل دو گیرنده عمود برهم است، توانایی ثبت کندی موج برشی در جهات مختلف عمود بر محور چاه را داراست.
این نگار حالتهای کارکرد9 مختلفی دارد که در هنگام چاهنگاری، بسته به اطلاعات مورد نیاز، تعداد حالتهای کارکرد تعیین میشود. حالت کارکرد دوقطبی متقاطع10 در یک برداشت استاندارد در هر عمق 32 موج کامل ثبت میکند. در هر عمق بهصورت متناوب فرستندههای محورهای [ و \ موجی را ایجاد و هریک از گیرندهها آن را دریافت میکند. 32 موج برداشت شده در چهار گروه [[، [\، \\ و \[ قرار میگیرند. جهت اول امتداد فرستنده و جهت دوم امتداد گیرنده را نشان میدهد. دادههای گروه [[ و \\ را اصطلاحا دادههای مربوط به فرستنده و گیرندههای روی یک خط (LQOLQH) و دادههای گروه [\ و \[ را فرستنده و گیرندههای روی خطوط عمودبرهم (crossline) گویند. از این حالت جهت مطالعه ناهمسانگردی استفاده میشود، که در مطالعه حاضر نیز از آن استفاده شدهاست. اگر محورهای ابزار (محورهای [ و (\ همجهت با محورهای ناهمسانگردی باشند، در یک محیط ناهمسانگرد، شکلموجهای11 ثبت شده توسط فرستندهها و گیرندههای روی یک خط مقدار برابری داشته و مژلفه تند موج برشی و شکلموجهای ثبت شده توسط فرستنده و گیرندههای روی خطوط عمودبرهم باهم ادغام شده و مؤلفه کند موج برشی را تشکیل میدهند. اما جهت دادههای خام برداشتشده، عمدتا منطبق بر محورهای ناهمسانگردی نیست و این دادهها میبایست چرخش داده شوند تا در راستای محورهای اصلی ناهمسانگردی قرارگیرند. بدین منظور از یک تکنیک ریاضی بهنام چرخش آلفورد استفاده میگردد. مبنای علمی چرخش آلفورد این است که باید مقدار انرژی دو گیرنده عمود همراستا (گروه [\ و (\[ یکسان باشد. بنابراین زاویه چرخش موجهای خام برابر با مقداری است که در آن اختلاف انرژی دو گیرنده عمود همراستا حداقل شود( Alford, .(1986 پس از صورت گرفتن این مراحل جهت و بزرگی ناهمسانگردی در مخزن، با تشکیل نمودارهای حداکثر و حداقل انرژی و نقشه ناهمسانگردی، تعیین میگردد.
از آنجا که عوامل اصلی ناهمسانگردی تنشهای درجا، لایههای شیلی و شکستگیهای طبیعی است، در مطالعه حاضر بهمنظور تأیید نتایج حاصل از تصویرگر دوقطبی برشی، از تفسیر نمودارهای پتروفیزیکی، جهت مشخص کردن سنگشناسی، و از نمودار تصویری ریزمقاومت، جهت شناسایی شکستگیها، استفاده شدهاست. تنشهای درجای محیط شامل تنش عمودی، حاصل از وزن لایههای بالایی، تنش افقی بیشینه و تنش افقی کمینه است. همانطور که در شکل1 مشاهده میگردد، در یک محیط بدون تنش، شکستگیها میتوانند در هر جهتی باز یا بسته باشند. زمانیکه تنشهای افقی نابرابر به محیط وارد میگردد، شکستگیها در جهت تنش بیشتر باز و در جهت عمود بر آن بسته میشوند ( Johnston et .(al, 1996 موج برشی در جهت شکستگیهای باز، راستای تنش افقی بیشینه، سریعتر و در جهت عمود بر آن، راستای تنش افقی کمینه، کند حرکت میکند. از آنجا که تصویرگر دوقطبی برشی میتواند کندی موج برشی را در تمامی سازندها و تمامی جهات محاسبه کند، لذا قادر به جهتیابی راستای تنشهای افقی بیشینه و کمینه، بهصورت پیوسته، در کل بازه نمودارگیری است.
زمانیکه در مورد تنشهای افقی صحبت میشود، باید به دو پدیده مهم شکستگی القایی12 و گسیختگی دیواره چاه13 توجه گردد. این دو پدیده در حین حفاری و متأثر از عواملی چون وزن گل، اختلاف مقدار تنش افقی حداقل و حداکثر، مقدار انحراف چاه از محور قائم و خواص الاستیک سنگ تشکیل میشوند. شکستگی القایی، یک شکست کششی در دیواره چاه است و در جهت تنش افقی بیشینه و گسیختگی دیواره چاه تحت تأثیر تنشهای فشارشی در جهت تنش افقی کمینه تشکیل میشود (شکل.(2 از آنجا که نمودار تصویری ریزمقاومت شکستگیهای روی دیواره چاه را مشخص مینماید، در نتیجه با مشاهدهی این دو پدیده در تصویر دیواره چاه میتوان جهت تنشهای افقی را بدست آورد و با جهت بدست آمده از تصویرگر دوقطبی برشی مقایسه نمود (که در مطالعه حاضر نیز این روند صورت گرفتهاست).
یافته ها
بعد از تفسیر و پردازش دادههای تصویرگر دوقطبی برشی نمودارهای بیشینه و کمینه انرژی ناهمسانگردی، محور اصلی ناهمسانگردی و نقشه ناهمسانگردی حاصل میگردد. در محیطهای همسانگرد بیشینه و کمینه انرژی نزدیک بههم و اختلاف آنها تقریبا صفر میباشد و تفاوت بیشتر این دو نمودار ازهم، بیانگر بیشتر بودن میزان ناهمسانگردی محیط است. میزان دقت و صحت نمودار حداقل انرژی ناهمسانگردی، به عواملی چون ریزش دیواره چاه، کیفیت دادههای خام موج کامل و دقت زاویه بدست آمده از چرخش آلفورد وابسته است. در حالت ایدهآل این مقدار برای هر دو محیط همسانگرد و ناهمسانگرد صفر میباشد و هرچه نسبت به صفر افزایش یابد، نشانگر کیفیت پایینتر دادههاست. لذا هرچه کمینه انرژی ناهمسانگردی کمتر و بیشینه انرژی آن بیشتر باشد، محیط ناهمسانگردی بیشتری دارد. نقشه ناهمسانگردی حاصل از تفسیر دادههای تصویرگر دوقطبی برشی، براساس انشقاق موج برشی طراحی شدهاست. بدینصورت که، در هر فاصله عمقی که انشقاق موج برشی رخ داده باشد، در نقشه ناهمسانگردی آن دو توده رنگی، مختلف با رنگ زمینه، حاصل میگردد. این دو توده رنگی امواج برشی تند و کند را نشان میدهد. متقابلا در هر عمقی انشقاق رخ نداده باشد، یعنی محیط همسانگرد باشد، تودههای رنگی در نقشه ناهمسانگردی ظاهر نمیگردد. همچنین، نگار تصویرگر دوقطبی برشی محور اصلی ناهمسانگردی را، که همان راستای حرکت مؤلفه تند موج برشی است، بهصورت پیوسته در کل بازه نمودارگیری محاسبه میکند.
اطلاعات مورد استفاده در این مطالعه مربوط به یک چاه در سازندهای مخزنی دالان و کنگان، واقع در جنوبغربی ایران است. بهعنوان نمونه، بازهای از نتایج بدست آمده در شکل 3 نشان داده شدهاست. در این شکل ستونها بهترتیب از چپ به راست عبارتند از: عمق ، نگار قطرسنج، ستون سنگشناسی حاصل از تفسیر نمودارهای مرسوم پتروفیزیکی، تصویر دینامیک دیواره چاه حاصل از تفسیر نمودار تصویری ریزمقاومت، نگارهای بیشینه و کمینه انرژی ناهمسانگردی، نقشه ناهمسانگردی، محور اصلی ناهمسانگردی و نمودار ناهمسانگردی برحسب درصد. فواصل عمقی ناهمسانگرد با کادر روی شکل مشخص شدهاند. همانطور که ملاحظه میگردد، در اعماقی که در نقشه ناهمسانگردی توده رنگی ظاهر شده، نمودارهای بیشینه و کمینه انرژی نیز از یکدیگر فاصله گرفتهاست. ستون انتهایی از سمت راست، بیانگر مقدار کمّی ناهمسانگردی است. این نمودار از تفاضل دو نمودار بیشینه و کمینه انرژی بدست آمده است. طبیعتا هرچه درصد ناهمسانگردی محاسبه شده توسط این نمودار بیشتر باشد، میزان ناهمسانگردی محیط نیز بیشتر است. از آنجا که تقریبا اکثر سنگها درصدی ناهمسانگردی دارند، لذا این نمودار نیز در تمامی اعماق عددی بزرگتر از صفر را نشان میدهد. نقشه ناهمسانگردی بیانگر محیطی با میزان ناهمسانگردی قابل توجه است. لذا همانطور که در شکل 3 نیز مشاهده میشود، در فواصلی که درصد ناهمسانگردی از 50 درصد بیشتر شده (با رنگ مشکی روی ستون انتهایی مشخص میباشد)، در نقشه ناهمسانگردی نیز تودههای رنگی بوجود آمده است.
