ممانعت از مشكلات ناشي از ناپايداري ديواره چاه در يكي از ميادين نفتي فلات قاره ايران

Transcript

1 ماهنامه اكتشاف و توليد/ شماره / 89 ارديبهشت ماه 1391 روش ساخت مدل ژي ومكانيكي 1 و كاربرد ا ن در پيش بيني و ممانعت از مشكلات ناشي از ناپايداري ديواره چاه در يكي از ميادين نفتي فلات قاره ايران 2 ميثم افسري شركت نفت فلات قاره ايران 3 مديريتبرنامهريزيتلفيقيشركتملىنفت ايران فرهاد بهزادي شركتهاي نفتي وقت و هزينه زيادي را صرف مقابله با مشكلات ناشي از ناپايداري ديواره چاه در عمليات حفاري ميكنند. براي شناخت و پيش بيني دقيق عوامل ناپايداري ديواره چاه در حين حفاري و ممانعت از ا نها نياز به يك مدل جامع از اطلاعات مرتبط ميباشد. مدل ژي ومكانيكي يك مجموعه منطقي شامل اطلاعات مرتبط با زمين شناسي تنشهاي منطقه خواص مكانيك سنگ و فشار منفذي است كه به عنوان ابزاري جهت به روز نمودن سريع اطلاعات براي استفاده در عمليات حفاري و مديريت مخازن به كار گرفته ميشود. در اين مقاله روش ساخت مدل ژي ومكانيكي براي يكي از ميادين نفتي درياي ى ايران و كاربرد ا ن در تحليل و پيشبيني ناپايداري ديواره چاه تشريح و راهكارهايي براي حل اين مشكل اراي ه شده است. مدل ژي ومكانيكي پايداري ديواره چاه گسيختگي ديواره چاه گراديان ايجاد شكاف فشار منفذي تنشهاي درجا خواص الاستيك سنگ مقدمه عمليات حفاري ميدان مورد مطالعه (كه يكي از ميادين نفت فلات قاره ايران مي باشد) در سال هاي اخير همواره با مشكلات ناشي از ناپايداري ديواره چاه هرزروي گل توليد كنده هاي زياد تنگي حفره چاه گير كردن لوله ها و جريان سيالات ناخواسته 4 به دهانه چاه 5 همراه بوده است كه اين مشكلات باعث تحميل زمان از دست رفته زيادي در حين عمليات حفاري شده است. جهت پيش بيني بازه ايمن و پايدار وزن گل حفاري در چاه هاي ا ينده ميدان و درك بهتر پارامترهاي مو ثر در ناپايداري ديواره چاه و همچنين به منظور پيش بيني بازه ايمن و پايدار وزن گل براي حفاري چاه هاي ا ينده ميدان ساخت مدل ژي ومكانيكي ضروري به نظر مي رسيد. در اين مقاله مشكلات اصلي حفاري براي هر كدام از حفره هاي يك چاه ("36 و "26 و...) مشخص شده و سپس مراحل و روش ساخت مدل ژي ومكانيكي با استفاده از اطلاعات حفاري و نمودارگيري تشريح مي شود. در پايان كاربرد اين مدل براي پيش بيني جلوگيري از مشكلات معمول ناپايداري ديواره چاه و طراحي وزن بهينه گل حفاري بيان خواهد شد. 1- تعريف و كاربردهاي مدل ژي ومكانيكى مدل ژي ومكانيكي نمايشي عددي از وضعيت تنش هاي درجا و خواص مكانيك سنگ براي يك ستون چينه شناسي در ميدان مي باشد. مدل ژي ومكانيكي در حالت كلي خواص الاستيسيته ديناميك سازند را به خواص الاستيسيته استاتيك معادل ا ن مرتبط ساخته كه اين خواص الاستيسيته استاتيك براي تعيين مقاومت سازند و تنش هاي درجاي زمين به كارمي روند.[ 4 ] مدل ژي ومكانيكي از پروفايل هاى عمقي شامل پارامترهاي الاستيك يا الاستو-پلاستيك مقاومت سنگ تنش هاي درجاي زمين فشار منفذي 6 و جهت تنش هاي درجاي زمين تشكيل شده است.[ 4 ] برخي از كاربردهاي مدل ژي ومكانيكي عبارتند از: * پيش بيني فشار منفذي و گراديان ايجاد شكاف 7 براي طراحي لوله جداري و انتخاب وزن گل حفاري بهينه. * كاهش ريسك گير كردن لوله ها به دليل ناپايداري ديواره چاه. * انتخاب نوع تكميل مناسب حفظ پايداري مشبك ها و تنظيم افت فشار ايمن جهت جلوگيري از توليد شن در زمان توليد. * بررسي افت فشار منفذي در هنگام تخليه مخزن كه باعث فشردگي مخزن و مشكلات نشست سطحي مچاله شدن لوله هاي جداري و فعال شدن مجدد گسل ها مي شود. 2- مراحل و روش ساخت مدل ژي ومكانيكي ميدان مورد نظر اطلاعات استفاده شده براي ساخت مدل ژي ومكانيكي در اين ميدان عبارتند از: * داده هاي نمودارگيري (شامل نمودارهاي معمولي و ( 55

2 مقالات * اطلاعات حفاري (وزن گل نواحي هرزروي گل نواحي جريان سيال ناخواسته به چاه FIT 11 و (LOT 12 * اطلاعات چاه ا زمايي ) 13 DST و (MDT خلاصه مشكلات مراحل مختلف حفارى * در حفره "36 و" 26 مشكل خاصي مشاهده نشد. * در حفره جريان سيالات ناخواسته به درون چاه هرزروي خفيف گل و چند مورد تنگي دهانه چاه مشاهده شد. * در حفره چندين مورد تنگي حفره چاه و گير لوله ها مشاهده شد. * در حفره مشكلات تنگي حفره چاه و گير لوله ها و همچنين هرزروي كامل 15 در چند ناحيه مشاهده شد اطلاعات نمودارگيري و زمين شناسي مدل ژي ومكانيكي براي كل عمق چاه از كف دريا تا عمق نهايي ساخته شده است. از ا نجايي كه اكثر نمودارها در حفره هاي بالايي چاه رانده نمي شوند اين نمودارها بر پايه روابط تجربي بين نمودارهاي چگالى و نمودارهاى صوتى ساخته شدند.[ 1 ] 3-2- فشار منفذي محاسبات مربوط به گراديان فشار منفذي 16 براي پيش بيني فشار منفذي در هر قسمت انجام شد. از اطلاعات فشارهاي اندازه گيري شده توسط DST و MDT و وزن گل مورد استفاده در نواحي جريان سيالات ناخواسته به دهانه چاه براي كاليبره كردن پروفايل فشار منفذي استفاده شد. (شكل 1 ) كه در ا ن ρ چگالي و g شتاب ثقل مي باشد. (σ h ب- تنش افقي حداقل ) Poro- در ميدان از مدل σ h به عنوان حدس اوليه براي تعيين مقادير Elastic به صورت زير استفاده گرديد. P P فشار منفذي α ثابت الاستيك كه در ا ن υ ضريب پواسون e y به ترتيب مقادير كشش در جهتهاي e x و E Biot مدول يانگ و تنش افقي حداقل و تنش افقي حداكثر ميباشند. σ v از مدل ژي ومكانيكي به دست ميا يد. P P و مقادير E و υ و e y به صورت حدس و خطا تغيير داده ميشود تا اينكه e x و مقادير همخواني مناسبي براي پروفايل تنش بر مبناي مقايسه با دادههاي واقعي LOT 12 و هرزروي گل به دست ا يد. پروفايل نهايي كاليبره شده تنش افقي حداقل در شكل 1 نشان داده شده است. جهت تنش افقي حداقل موازي جهت گسيختگي و ريزش ديواره چاه بر روي ديواره چاه قاي م ميباشد كه به صورت دو ناحيه توسعه يافته بر روي ديواره چاه از روي نمودارهاي تصويري قابل مشاهده است. همانطور كه در شكل 2 قابل مشاهده است جهت غالب اين گسيختگيها و در نتيجه جهت تنش افقي حداقل به صورت WNW-ESE ميباشد تنشهاي درجا 17 مقدار و جهت تنشهاي درجا در مدل ژي ومكانيكي بايد مشخص (σ H σ ) تنش v افقي حداكثر( شود. اين تنشهاي اصلي شامل تنش قاي م ) (σ h ميباشند. و تنش افقي حداقل( به طور كلي دو نوع شكست در ديواره چاه از روي نمودارهاي تصويري 18 قابل مشاهده مىباشد كه عبارتند از گسيختگي ديواره چاه 19 و شكافهاي ناشي از عمليات حفاري. 20 اين شكستگيها در تعيين جهت و مقدار تنشهاي درجا در مدل ژي ومكانيكي نقش بهسزايي دارند.[ 1 ] (σ v الف - تنش قاي م ) مقادير تنش قاي م از انتگرالگيري چگالي سازند نسبت به عمق به صورت زير محاسبه ميشود. اين مقادير در شكل 1 نشان داده شدهاند. پروفايل كاليبره شده از تنش هاي درجا و فشار منفذي و همچنين جهت تنش افقي حداقل در ميدان 56

3 ماهنامه اكتشاف و توليد/ شماره / 89 ارديبهشت ماه 1391 (σ H ج- تنش افقي حداكثر ) براي تعيين مقادير تنش افقي حداكثر ابتدا نواحي داراي شكستگي (گسيختگي و/يا شكاف هاي ناشي از عمليات حفاري) از روي نمودارهاي تصويري و نمودار Orthogonal Caliper تعيين مي شوند. سپس به كمك نرم افزار و به روش مدل سازي محاسبه پارامترهاي مكانيكي ) و زاويه شكست) و همچنين σ) h انجام مي شود. در مرحله پاياني σ v و محاسبه تنش هاي اصلي ) σ) H به صورتي كاليبره مي شود كه مدل مقدار تنش افقي حداكثر ) بتواند دوباره شكست مشاهده شده در ا ن نواحي را پيش بيني كند.[ 1 ] جهت تنش افقي حداكثر موازي با جهت شكاف هاي ناشي از عمليات حفاري بر روي ديواره چاه مي باشد كه در اينجا با توجه به σ H نتايج نمودار FMI (شكل 3) و نتايج رز دياگرام (شكل 4) جهت به صورت NNW-SSW مي باشد خواص الاستيك سنگ از ا نجا كه در اين پروژه اطلاعات مغزه در دسترس نبود بنابراين از روابط موجودي كه از پارامترهاي اندازه گيري شده نمودار DSI استفاده مي كنند براي محاسبه خواص الاستيك سنگ استفاده شد. t S را نيز 22 t c مقدار 21 نمودار DSI علاوه بر اندازه گيرى مقدار ثبت مي كند كه با استفاده از اين پارامترها و مقادير نمودار چگالي مي توان خصوصيات الاستيك سنگ را بر پايه روابط موجود به دست ا ورد. اما از ا نجا كه در نمودارگيري پارامترها در فركانس هاي بسيار بالا ثبت مي شوند مقادير به دست ا مده از اين روابط خواص ديناميك سنگ مي باشند. فرا يند شكست و تغيير شكل دهانه چاه در مقايسه با فرا يند انتشار امواج با فركانس بالا يك فرا يند كند محسوب مي شود بنابراين خواص ديناميك توسط روابط تجربي موجود به خواص استاتيك معادل ا ن تبديل شدند. پارامترهاي محاسبه شده عبارتند از: مدول يانگ مقاومت تراكمي تك محوري 23 ضريب پواسون و زاويه اصطكاك داخلي. 3- پيش بيني پايداري ديواره چاه با استفاده از مدل ژي ومكانيكي با استفاده از اطلاعات فوق مدل ژي ومكانيكي در چاه مورد نظر ساخته شد و سپس پروفايل پايداري ديواره چاه براي تمامي نواحي چاه از سطح تا عمق نهايي مشخص گرديد. اين پروفايل شامل نواحي جريان سيالات ناخواسته به دهانه چاه گسيختگي ديواره چاه شكست كششي هرزروي گل و پنجره وزن گل بهينه و پايدار مي باشد. در اين پروفايل وزن گل بهينه معادل فشاري از گل مى باشد كه (σ h P) P و كمتر از مقدار تنش افقي حداقل ) بيشتر از فشار منفذي ) است. وقتي كه فشار گل كمتر از فشار منفذي باشد سيال سازند وارد دهانه چاه مي شود و چنان چه فشار گل بيشتر از مقدار تنش افقي حداقل در ا ن ناحيه باشد شكاف هاي ناشي از عمليات حفاري بر روي ديواره چاه ايجاد مي شوند كه در واقع نقطه شروع هرزروي گل است. وزن گل پايدار معادل فشاري از گل است كه بيشتر از فشار (σ h باشد. گسيختگي ديواره چاه و كمتر از مقدار تنش افقي حداقل ) وزن گل حداقل وزن گلي است كه كمتر از ا ن ديواره چاه شروع به ريزش مي كند و حفره چاه به شكل بيضوي در مي ا يد. همچنين وزن گل حداكثر نيز وزن گلي است كه بيشتر از ا ن شكاف در ديواره چاه به وجود مي ا يد و باعث ايجاد هرزروي كلي مي شود. (شكل 5) شكاف هاي ناشي از عمليات حفاري بر روي نمودار FMI جهت اين شكاف ها σ) H مي باشد. موازي تنش افقي حداكثر ) 3 نتايج نمودار تصويري FMI كه در ا ن گسيختگي بيضوي در ديواره چاه مشخص σ) h ايجاد مي شود. شده است كه اين گسيختگي ها در جهت تنش افقي حداقل ) 4 جهت تنش هاي افقي حداكثر و حداقل در ميدان 2 57

4 مقالات از نقطه نظر ژي ومكانيكي وزن گل پايدار چاه را در ناحيه ايمن از نظر شكست كششي و يا گير اختلاف فشاري كه نتيجه وزن بالاي گل است قرار مي دهد. به علاوه اين وزن گل چاه را در ناحيه ايمن از نظر شكست برشي يا گسيختگي چاه كه نتيجه وزن پايين گل است نگاه ميدارد. P mud روابط زير حد بالا و پايين وزن گل را بيان مي كند كه در ا ن فشار هيدروستاتيك گل در عمق مورد نظر و T مقاومت كششي سنگ ديواره چاه مي باشد كه در اكثر سازندها مقدار T در حدود مقاومت تراكمي است. 5 شماتيك اثرات تغيير وزن گل در ايجاد نواحي ناپايدار در ديواره چاه نتايج پيشبيني پايداري ديواره چاه حاصل از مدل ژي ومكانيكي براي حفرههاي و و به ترتيب در شكلهاي 6 و 7 و 8 نشان داده شده است كه هر كدام شامل پنجره ايمن براي وزن گل ناحيه ايجاد جريان سيالات ناخواسته به دهانه چاه ناحيه شكست برشي حد ايجاد شكست كششي و ناحيه ايجاد هرزروي گل در مقايسه با وزن گل واقعي استفاده شده در عمليات حفاري در هر ناحيه ميباشد. مدل ژي ومكانيكي ساخته شده نشان ميدهد كه پنجره وزن گل پايدار براي عمقهاي متوسط و زياد معمولا نازك ميباشد در حالي كه براي نواحي كم عمق اين پنجره قابل قبول ميباشد. نتايج حاصل از مدل ژي ومكانيكي نشان ميدهد كه حفره و قسمت بالايي حفره مقادير فشار منفذي فشار گسيختگي و گراديان ايجاد شكاف كمتري را دارا ميباشند (شكلهاى 6 و 7). در حفاري اين نواحي گسيختگي و هرزروي گل به وفور اتفاق افتاده است كه بنا بر نتايج مدل ژي ومكانيكي وزن گل مورد استفاده در برخي نواحي خارج از پنجره پايدار وزن گل بوده است. در قسمتهاي پايين حفره تا عمق نهايي چاه فشار منفذي فشار گسيختگي و شيب شكست سازند داراي مقادير بيشتري هستند كه اين موضوع باعث نازكتر شدن پنجره ايمن وزن گل ميشود (شكلهاى 7 و (8. عمليات حفاري در موارد زيادي دراين قسمتها در ناحيه گسيختگي ديواره چاه قرار گرفته است. فرا يند گسيختگي ديواره چاه بدين صورت است كه در ابتدا ديواره چاه در امتداد σ) h دچار شكست برشي ميشود. اين تنش افقي حداقل ) شكستهاي برشي ناپايدار هستند و پس از مدت كوتاهي 6 نتايج پيش بيني پايداري ديواره حاصل از MEM براي حفره 58

5 ماهنامه اكتشاف و توليد/ شماره / 89 ارديبهشت ماه 1391 ريزش مي كنند كه باعث ايجاد دو ناحيه پهن تر در مقابل هم روي ديواره چاه مي شود كه شرايط ناپايدار چاه را به دنبال خواهد داشت. همچنين در برخي از نواحي وزن كم گل مورد استفاده باعث قرارگيرى در ناحيه ورود سيال ناخواسته به درون چاه شده است. در برخي نواحي نيز وزن زياد گل باعث ايجاد شكاف در دهانه چاه و هرزروي گل شده است. نتيجه گيري 1) بر اساس نتايج نمودارهاي تصويري و مدل ژي ومكانيكي جهت تنش σ) h در ميدان مورد مطالعه به ترتيب σ) H و تنش افقي حداقل ) افقي حداكثر ) NNE-SSW و WNW-ESE مي باشد كه منطبق با رژيم محلي تنش هاي منطقه است. 2) نتايج حاصل از مدل ژي ومكانيكي نشان مي دهد كه يك تغيير ا شكار در پروفايل فشار منفذي شكست برشي و شيب شكست سازند در ناحيه بين 7 نتايج پيش بيني پايداري ديواره حاصل از MEM براي حفره 8 نتايج پيش بيني پايداري ديواره حاصل از MEM براي حفره 59

6 مقالات عمق 3015 متر (قسمت پايين حفره ( تا عمق نهايي چاه قابل مشاهده است. بنابراين ناحيه بين عمق 3015 متر تا عمق نهايي چاه بايد به صورت جداگانه از قسمت بالايي ا ن حفاري شود و پيشنهاد مي شود كه پاشنه لوله جداري 24 تقريبا در عمقي نزديك به اين عمق قرار گيرد. 3) اين مطالعه نشان مي دهد كه پيش بيني پايداري ديواره چاه به وسيله مدل ژي ومكانيكي مي تواند اكثر مشكلات حفاري را مرتفع نمايد بنابراين مدل ژي ومكانيكي ساخته شده مي تواند براي طراحي چاه هاي ا ينده ميدان به كار برده شود. 4) پيشنهاد مي شود كه از روش حفاري كنترل فشار 25 براي كاهش ريسك ناشي از نازك شدن پنجره ايمن و پايدار وزن گل (ناحيه بين فشار منفذي و ضعيف ترين گراديان شكست) استفاده شود. در اين روش حفاري با ستون هيدروستاتيك كمتر از مقدار مورد نياز براي تعادل با فشار منفذي صورت مي گيرد. در حالي كه اين مقدار اختلاف توسط فشار اصطكاكي فضاي حلقوي 26 در هنگام گردش گل و توسط پس فشار سطحي در موارد ايستا و حالت اتصالات و عمليات لوله بالا/ پايين جبران مي شود. 5) پيشنهاد مي شود از روش حفارى 27 APWD كه قابليت ثبت تغييرات در چگالى معادل گردشى به صورت هم زمان با عمليات حفاري را دارد استفاده شود تا از قرار گرفتن وزن گل ته چاه در پنجره پايدار وزن گل اطمينان حاصل شود. 6) براي حصول نتايج بهتر بايد خواص مكانيك سنگ به دست ا مده از نمودارگيري و روابط موجود توسط ا زمايش هاي مقاومت سنگ بر روي مغزه ها كاليبره شود. 7) مدل ژي ومكانيكي ساخته شده براي اين ميدان بايد در حين عمليات حفاري چاه هاي جديد ميدان به روز شود زيرا پشتيباني ژي ومكانيك هم زمان با عمليات حفاري امكان تصميمگيريهاي حياتي در صورت وقوع حوادث پيش بيني نشده را فراهم مي سازد. 8) مدل ژي ومكانيكي ساخته شده براي ميدان علاوه بر پيش بيني پايداري ديواره چاه براي پيش بيني توليد شن تخليه مخزن و نشست سطحي و موارد ديگر نيز كاربرد دارد. 1 Mechanical Earth Model (MEM) 2 Meisam_afsari@yahoo.com 3 Farhad_fb@yahoo.com 4 Kick 5 Non Productive Time (NPT) 6 Pore Pressure 7 Fracture Gradient 8 Dipole Shear sonic Imager 9 Full-bore Microresistivity Imager 10 Logging While Drilling 11 Formation Integrity Test 12 Leak-off Test 13 Drill-stem Test 14 Modular formation Dynamics Tester 15 Complete Loss 16 Pore Pressure Gradient 17 In-Situ Stresses 18 Image Logs 19 Borehole Breakout پانويس ها 20 Drilling Induced Fracture 21 Compressional transit time 22 Shear transit time 23 Unconfined Compressive Strength (UCS) 24 Casing Shoe 25 Managed Pressure Drilling 26 Annular Friction Pressure 27 Annular Pressure While Drilling منابع [1] Afsari, M., Ghafoori, M.R., Roostaeian, M., Haghshenas, A., Ataei, A., Masoudi, R., " Mechanical Earth Model (MEM); an Effective Tool for Borehole Stability Analysis and Managed Pressure Drilling (Case Study)" paper SPE presented at the 2009 SPE middle east oil and gas show an conference held in Bahrain, Kingdom of Bahrain, March [2] Rahim, Z., Al-Qahtani, M. Y., Bartko, K. M., Goodman, H., Hilarides, W. K., and Norman, W. D.: The Role of Geomechanical Earth Modeling in the Unconsolidated Pre-Khuff Field Completion Design for Saudi Arabian Gas Wells, paper SPE presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in Denver, Colorado, U.S.A., 5-8 October [3] Plumb, R., Edwards, S., Pidcock, G., Lee, D., and Stacey, B.: The Mechanical Earth Model Concept and Its Application to High-Risk Well Construction Projects, paper IADC/SPE presented at the 2000 IADC/ SPE Drilling Conference. [4] [5] گزارش هاي زمين شناسي حفاري پتروفيزيك و توليد چاه هاي منتخب در ميدان مورد مطالعه/شركت نفت فلات قاره ايران. 60