تجهیزصنعت تامین و تجهیز صنایع
آشنایی با مفاهیم ایجاد شکستگی های مصنوعی به روش هیدرولیکی
از نقطه نظر مهندسی نفت و گاز و بهره برداری از مخازن هیدروکربوری، افزایش بهره دهی در چاه ها به ویژه در چاه هایی با نفوذ پذیری کم یا چاه های آسیب دیده یکی از مهمترین اهداف می باشد.
تا به امروز روش های متفاوتی برای افزایش میزان بهره دهی چاه ها ارائه و انجام شده است که هر یک می تواند به طریقی موجب بهبود عملکرد چاه ها گردد.
از مهمترین روش های بهبود بهره دهی چاه ها، اثر گذاشتن بر فیزیک سنگ مخزن می باشد که در آن سعی می شود تا ساختار فیزیکی سنگ مخزن بهبود یابد.
از جمله مهم ترین این روش ها می توان به ایجاد شکستگی های مصنوعی در سنگ مخزن اشاره کرد.
همانطور که می دانیم، نفت و گاز در فضای حفره ها و شکاف های طبیعی در سنگ های زیر سطح زمین تجمع می یابد.
وقتی که چاهی در درون این سنگ های حاوی سیالات هیدروکربنی، حفاری می شود به علت ایجاد پروفایل فشاری، سیالات باید از داخل سنگ های اطراف چاه به درون چاه حرکت کنند و سپس از درون چاه به سطح زمین منتقل شوند.
اگر خلل و فُرج هایی که در سنگ مخزن وجود دارند به هم متصل باشند و سیال به راحتی به درون چاه حرکت کند، سنگ مخزن را سنگی با نفوذ پذیری بالا می دانیم.
ولی در مورد نفوذپذیری های پایین، سیال به راحتی قادر به حرکت از داخل سنگ مخزن به درون چاه نیست.
در این گونه موارد کانال های داخل سنگ، آن گونه که باید، اجازه ی حرکت سیال را به درون چاه نمی دهند پس چاه بهره وری اقتصادی ندارد زیرا به مقدار لازم از آن چاه سیال نفتی یا گازی تولید نمی شود.
به همین دلیل نیاز به ایجاد شکاف ها و کانال های مصنوعی در داخل سنگ مخزن احساس می شود.
در واقع این کانال ها توان سنگ مخزن را برای هدایت سیال به درون چاه بالا می برند، این کانال ها معمولاً توسط عملیات شکاف هیدرولیکی(Hydraulic Fracturing) ایجاد می شوند.
ایجاد شکستگی مصنوعی یکی از روش های رایج در جهت انگیزش چاه ها برای افزایش تولید نفت و گاز می باشد.
در شکاف هیدرولیکی، شکاف هایی از دیواره ی چاه به سوی سازند تولیدکننده ی نفت و یا گاز ایجاد می شود.
این تکنولوژی بارها در دنیا مورد استفاده قرار گرفته و هم اکنون نیز در حال به کارگیری است.
در حین حفاری هر چاه، به ویژه چاه های گازی، هر چه عمق بیشتر می شود، همراه با عمل حفاری و تکمیل چاه حتما باید از فن آوری ایجاد شکاف هیدرولیکی نیز در چاه استفاده کرد.
فن آوری شکاف هیدرولیکی می تواند تولید یک چاه را حداقل تا دو برابر افزایش دهد.
پیشینه ی استفاده از این روش به سال ۱۹۴۸ برمی گردد که در یکی از مخازن گازی آمریکا انجام شد.
اما اولین بار در سال ۱۹۴۹ از این روش به صورت تجاری و با بهرهدهی اقتصادی استفاده شد و به خاطر موفقیتی که در افزایش تولید آن چاه نفتی داشت، سریعا گسترش یافت.
در حال حاضر بیش از نیمی از چاه های گازی و نفتی آمریکا بدون فن آوری شکاف هیدرولیکی، قادر به تولید نیستند.
امروزه در منطقه آمریکای شمالی حدود ۲۵۰۰۰ مورد ایجاد شکستگی مصنوعی در سال انجام می گیرد.
در این منطقه ایجاد شکستگی های مصنوعی در حدود ۵۸% مربوط به چاه های گازی و ۳۸% مربوط به چاه های نفتی است.
تولید نفت در تمام چاه هایی که از تکنولوژی شکاف هیدرولیکی استفاده می کنند ۲ تا ۵ برابر شده است.
تا کنون مطالعات زیادی در مورد این روش صورت گرفته است که نتایج آن در کتاب ها و مقالات متعدد به چاپ رسیده است.
استفاده مناسب از این روش می تواند در بهبود نفوذپذیری سنگ مخزن و در نتیجه بهبود شاخص بهره دهی چاه ها نقش موثری ایفا نماید.
به این منظور لازم است تا ضمن بررسی عوامل مختلف تاثیر گذار بر بازدهی فرایند ایجاد شکستگی های مصنوعی، تاثیر این فرایند بر افزایش بازدهی چاه ها در مخازن ایران مورد بررسی قرار گیرد.
از جمله ی مهترین عوامل تاثیرگذار بر روی شکاف هیدرولیکی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
۱) انتخاب بهترین سیال به منظور ایجاد شکاف و پر کردن شکافها و روشی جهت ایجاد شکستگی در مخازن نفتی و گازی:
که تاثیر بسیار مهمی در بازده این عملیات دارد و اگر این دو عامل به درستی و متناسب با شرایط مخزن صورت نپذیرد، عملیات شکاف هیدرولیکی تاثیر به سزائی بر روند تولید از مخزن نخواهد داشت.
سیالی که برای ایجاد شکاف های هیدرولیکی بکارمی رود یعنی Hydraulic Fracturing Fluid یکی از پیچیده ترین سیالات است که از مواد زیادی تشکیل شده است.
یکی از این مواد پروپن است.
پروپن ماده ای است که از ذرات مختلفی مانند سرامیک، شیشه و پلیمر تشکیل شده است.
با ایجاد شکاف در لایه، این مواد در داخل شکاف ها قرار می گیرند تا از بسته شدن آن ها جلوگیری کنند.
۲) چگونگی انتخاب یک چاه، سازند یا میدان مناسب جهت انجام عملیات ایجاد شکستگی مصنوعی:
ممکن است نیازی به ایجاد شکاف در همه ی چاه های یک مخزن نباشد و لذا به منظور صرفه جوئی اقتصادی انتخاب چاه و سازندی که باید در آن شکاف مصنوعی ایجاد شود از حساسیت بالایی برخوردار است.
۳) چگونگی اثر خواص مکانیکی سنگ بر عملیات ایجاد شکستگی و در ژئومتری(شکل هندسی) شکستگی های ایجاد شده با این روش:
باید خواص سنگ مخزن به طور کامل تعیین شود تا در موقع ایجاد شکاف مساله ی بازدارنده ای ایجاد نشود و عملیات موفقیت آمیز صورت بپذیرد.
۴) چگونگی تاثیر شکستگی های مصنوعی و طبیعی بر هم: که باید تاثیر آن ها به درستی مورد مطالعه قرار گیرد.
چگونگی ایجاد شکاف از نقطه نظر مکانیک سنگ
از لحاظ مکانیک سنگ ایجاد شکاف مصنوعی در سنگ را این گونه می توان بیان کرد:
هر نوع سنگ سازندی به طور کلی میزانی از قدرت ( استحکام) را که به ساختار سنگ، فشردگی آن سنگ و سیمانی بودنش وابسته است، از خود نشان می دهد.
نیروهایی که تمایل به کنار هم نگه داشتن سنگ ها را دارند شامل میزان استرس بر روی سنگ ها و استحکام هر سنگ به خودی خود می باشند.
وقتی که چاه پر از سیال می شود و فشاری از روی سطح بر روی سیال گذاشته می شود، فشار سیال در مکان سوراخ های درون چاه ( Perforation) و حتی حفرات سنگ مخزن افزایش می یابد.
فشار هیدرولیکی به صورت مساوی در کلیه ی جهات اعمال می شود.
اگر فشار تا اندازه ای افزایش یابد که نیرویی که در اثر این اعمال فشار ایجاد می شود، برابر با نیرویی شود که آن نیرو تمایل به نگه داشتن سنگ ها در کنار هم است.
در اثر اعمال هر مقدار فشار اضافه تر باعث می شود که در سنگ مخزن شکستگی ها و شکاف هایی ایجاد شود.
گستردگی این شکاف ها با توجه به میزان فشاری که بر سیالات است که در اثر تزریق سیال می باشد، قابل کنترل است.
وقتی که فرآیند انجام شد و جریان معکوسی به خاطر تولید سیال در چاه برقرار شد، فشار به صورت تدریجی تا فشار مخزن کاهش می یابد.
هنگامی که این امر صورت می پذیرد، نیرویی که تمایل به نگه داشتن سنگ ها در کنار هم دارد، دوباره نیروی غالب شده و شکاف ها بسته خواهند شد.
برای جلوگیری از این حالت، باید یک سری مواد جامد در داخل شکاف ها قرار داده بشوند که بتوانند شکاف را باز نگه دارند.
این مواد، مواد پر کننده ( Propping agent) نامیده می شوند. به خاطر این که نفوذ پذیری این مواد بسیار بالاتر از نفوذ پذیری سنگ مخزن می باشد لذا توانایی شکاف های پر شده در هدایت سیال به درون چاه باعث افزایش تولید می شود.
در حقیقت ایجاد شکاف عملیاتی است بسیار مفید جهت تولید که در بسیاری از چاه ها و میدان ها قابل اجرا می باشد که اگر استفاده نشود این چاه ها و میادین قابلیت تولید اقتصادی نخواهند داشت.
سازند های سازگار با شکاف هیدرولیکی
سازندهایی که عملیات شکاف مصنوعی در آنها قابل اجرا می باشند تقریبا همه ی سازندها هستند به غیر از آن هایی که سازندهای بسیار نرم می باشند.
مثلا عملیات شکاف به طور موفقیت آمیزی تاکنون در سازندهای ماسه ای، limestone ، دولومیتی، کنگومراها و حتی شیل های سخت و شکننده و … انجام پذیرفته است.
ولی در سازندهای با طبیعت پلاستیکی شیل های نرم و رس ها انجام نپذیرفته است و ایجاد شکاف در آن ها بسیار سخت می باشد.
انواع سیالات شکاف
سیالات شکاف (Hydraulic Fracturing Fluids)به طور کلی به ۳ دسته ی وسیع تقسیم می شوند:
۱) پایه آبی
۲) پایه روغنی
۳) پایه مخلوط (mixed based)
این طبقه بندی بر اساس ترکیب اصلی سیال شکاف انجام شده است.
البته ( پایه آبی aqueous based) فاز اصلی آن یا آب است و یا اسید و پایه ی مخلوط فاز اصلی اش امولسیون (مخلوط معلق) است.
مواد پر کننده شکاف
مواد پر کننده نیز ( پروپن ) همانگونه که گفته شد نقش به سزایی در شکاف هیدورلیکی دارند.
میزان پروپن مورد نیاز، حالتی که این مواد در داخل شکاف ها قرار می گیرند و مشخصات این مواد، ۳ عامل بسیار مهم هستند که در شاخص تولید از چاه نقش حیاتی را ایفا می کنند.
۶مشخصه ی مهم این مواد پرکننده که بر نتیجه ی عملیات تاثیر به سزایی دارند به قرار زیرند:
۱) استحکام ذرات
۲) سایز ذرات
۳) توزیع سایز ذرات
۴) فاکتور گردی ذرات
۵) کیفیت ماده پر کننده ( میزان ذرات سالم و ناخالصی ها)
۶) دانسیته ی پروپن
فن آوری ایجاد شکاف
ایجاد شکاف مصنوعی بسیار سریع در اکثر نقاط گسترش یافت؛ علت این امر به خاطر میزان موفقیت نسبی این پروژه و تولید بیشتر نفت و گاز بود و سپس در طی چندین سال، هزاران چاه در سال با این فن آوری به تولید پرداختند.
امروزه استفاده از این فناوری به گونه ای است که چندین هزار گالن از سیال و بیشتر از یک میلیون پوند از پروپن ( Propping agent) تزریق می گردد.
البته سرعت تزریق در بعضی مواقع حتی تا ۳۰۰ بشکه در دقیقه هم رسیده است.
به طور متوسط سرعت تزریق بین ۲۰ تا ۶۰ بشکه در دقیقه می باشد.
مواد استفاده شده، وسایل مورد نیاز جهت ایجاد شکاف و تکنیک استفاده از این روش بسیار پیچیده می باشد که در (شکل ۱) نشان داده شده است.
