بررسی مشکلات حفاری در لایه ای ترک خورده سازند دشتک در منطقه فارس

توجه : فایل کامل ورد پیوست شد.

بررسی مشکلات حفاری در لایه های شیلی ترک خورده سازند دشتک در ناحیه فارس ایران
 
 از جمله مشکلات در صنعت حفاری چاههای نفت و گاز غلبه بر سازندهای شیلی و کنترل ناپایداری و ریزش دیواره چاه در این لایه ها می باشد. بطوریکه در سالهای اخیر شاهد تحقیقات مستمر در زمینه مطالعه و تولید مواد گلسازی و پلیمری جدیدی در صنعت گلسازی می باشیم. همه این حرکت ها به منظور دستیابی به یک راه حل مناسب و کم هزینه برای یافتن منابع هیدروکربوری است. در این مقاله ما سعی نموده ایم به بررسی مسایل حفاری مرتبط با یکی از ضخیم ترین و مهمترین سازندهای ایران بپردازیم که در مخازن گازی افق دهرم بعنوان یک پوش سنگ عالی عمل می کند.
یکی از مهمترین مشکلات حفاری در چاههای واقع در منطقه فارس که به منظور دستیابی به ذخایر عظیم گازی در افق دهرم انجام می گیرد عبور از سازند شیلی دشتک می باشد. هرزروی های فراوان گل در این سازند باعث مشکلات بسیاری در حفاری چاههای منطقه فارس گردیده است. بطوریکه متخصصین حفاری همواره در پی راه حلهایی برای غلبه بر این مشکلات بوده اند. وجود هرزروی و ریزش دیواره چاه نه تنها باعث افزایش هزینه های حفاری به علت قیمت بالای مواد مورد استفاده در گلسازی می شود بلکه با عث مشکلات مهم دیگری همانند ناپایداری چاه و گیرکردن لوله های حفاری می شود. همچنین گذاشتن مانده در چاه بعلت ریزش شیلها را نباید نادیده گرفت. کار مانده یابی نیز مستلزم صرف وقت وهزینه های فراوان در عملیات حفاری می باشد. از طرفی کار مانده یابی در سازند بعلت وجود هرزروی و شیلهای ریزشی نسبت به سازندهای آهکی مشکلتر می باشد. بنابراین باید مطالعات دقیقی در زمینه حفاری در این سازند یا بطورکلی لایه های
شیلی صورت بگیرد
زمینه:
شیلها سنگهای رسوبی هستند که به آسانی متورق شده و دارای درصد بالایی از رس هستند. همچنین خاصیت بادکنندگی یا متورم شدن، هیدراته شدن و شکست پذیری دارند. ناپایداری حفره چاه، ایجاد گودی در داخل چاه، گیر لوله ها، تورک بالا و حفاری کج بعضی از مشکلاتی هستند که در هنگام حفاری در شیلها با آن مواجه می شویم. سالانه هزینه ای بالغ بر ۵۰۰ میلیون دلار صرف هزینه های مربوط به مبارزه با ناپایداری چاه در شیلها می گردد(۱). با توجه به مسایل زیست محیطی و هزینه های گل های پایه روغنی نیاز فراوانی به گلهای پایه آبی که در شیلها پایداری چاه را تضمین کنند وجود دارد.

بیشتر مسایل در رابطه با این سازندها بخاطر حساسیت شیلها به آب است. هیدراته شدن شیلها منتهی به کاهش مقاومت و شکست آنها می گردد. اغلب گلهای پایه روغنی در نبرد با مسایل مربوط به حفاری شیلها مورد استفاده قرار می گیرند

● جنبه های عملیاتی حفاری شیل ها:
وقتی شکست شیلی رخ می دهد خرده های شیلی قبل از اینکه مسایل پایداری روی دهد به داخل حفره چاه منتقل می شوند و این مسئله با تمیزکردن کامل چاه جلوگیری می شود. مهارتهای عملیات حفاری در سازندهای شیلی می تواند شکست شیلها و ریخته شدن کنده ها به داخل چاه را مینیمم نماید.
مدت زمانی که چاه بصورت حفره باز است باعث میشود که درجه مشخصی از فشار فضاهای خالی به طرف داخل چاه نفوذ کند که در نهایت درطی زمان خاصی باعث تعادل فشار سازند و گل می شود. بنابراین اگر حفره باز در زمان زیادی در تماس با سیال حفاری باشد کم کم شروع به ریزش می کند. نوسان فشار گل در داخل چاه هم می تواند باعث ریزش شیلها شود. تمیز کردن کامل چاه در جلوگیری از مشکلات گیرکردن بعد از ریزش شیلها اهمیت دارد. تمیز نشدن چاه در زمان مناسب سبب افزایش مقادیر کنده های حفاری در داخل شده و باعث ناپایداری حفره می شود.. شیلها باید با گلی حفاری شوند که از نفوذ فشار حفرات به داخل چاه جلوگیری کند و اگر وزن اولیه گل درست انتخاب شود از شکست شیلها حلوگیری کند. در بعضی جاها بطور موضعی میتوان با افزایش وزن گل از ریزش دیواره چاه جلوگیری نمود. وقتی وزن گل کاهش یابد لایه هایی که با فشار گل بیشتر حفاری شده بودند شروع به ریزش در اثر افزایش تنش شکست سنگ می کنند.
● مطالعه موردی:
مطالعه موردی در یکی از چاههای حفاری شده در یکی از میادین گازی ناحیه فارس ساحلی ایران انجام گرفته است که در حین حفاری از شیلهای سازند دشتک نیز عبور نموده اند. در این مطالعه پس از بررسی زمین شناسی ناحیه ای میدان مورد نظر و مروری بر تاریخچه حفاری چاه به بررسی متدها و گلهای حفاری استفاده شده در این کار پرداخته شده است.
● زمین شناسی ناحیه:
تاقدیس مورد نظر یک تاقدیس پشت نهنگی است که طول آن بر روی بیرون زدگی آسماری ۴۰ کیلومتر و عرض آن بر روی همین سازند حداکثر ۱۰ کیلومتر است. این تاقدیس در استان بوشهر و در حاشیه شمالی خلیج فارس قرار دارد.

سازند دشتک که در این مقاله بیشتر هدف بررسی مشکلات حفاری در آن می باشد اساسا" از انیدریت و دولومیت تشکیل شده که در بین آنها لایه هایی از رس و شیل دیده می شود. این سازند خود به دو بخش رسمی و ۴ بخش غیررسمی تقسیم می شود. در این ناحیه جنس اولین لایه ای که در شروع این سازند ظاهر می شود را بدرستی نمیتوان پیش بینی کرد. اما با توجه به اطلاعات چاههای حفاری شده در این ناحیه شروع این سازند در انتهای بخش تبخیری C یا اوایل کربناتهای بین B , C می باشد. بخش تبخیری D بالاترین واحد سنگی در سازند دشتک است که میان دولومیت سفیدار و سطح دگرشیبی بین تریاس و ژوراسیک قرار می گیرد و شامل تناوبی از دولومیت،انیدریت و شیل می باشد. بخش دولومیت سفیدار تقریبا" یک لایه دولومیتی سخت و برجسته به رنگ قهوه ای متبلور است. بخش تبخیری B این سازند به طور عمده از انیدریت و چند لایه دولومیت تشکیل یافته، بخش تبخیری A نیز عمدتا" از انیدریت و دولومیت و شیل تشکیل یافته است. انتهای این سازند را شیل های قهوه ای رنگ آغار تشکیل می دهند.

● تاریخچه حفاری چاه:
چاه مورد مطالعه در این مقاله یکی از چاههای ناحیه فارس می باشد که ضخامت سازند دشتک در آن به بیش از ۱۰۰۰ متر میرسد. همچین این لایه های این سازند اغلب در زون فرکچر خورده قرار گرفته اند که باعث هرزروی های فراوان گل می شود.
 
حفاری با مته ۲۶ اینچ از سازند آهکی داریان که در سطح قرار دارد شروع گردید. اولین هرزروی در عمق ۴۶ متری به میزان ۱۴۰ بشکه در ساعت رخ داد که با کم کردن GPM و اثبات پیل غلیظ بنتونایتی و استفاده از LCM Pill مقدار هرزروی کنترل شد. حفاری تا عمق ۱۰۰ متری با هرزروی های متعدد ادامه یافت که در این عمق ناگهان با هرزروی کامل مواجه گشتیم. استفاده از LCM Pill با مواد مختلف LCM در سایزهای گوناگون بی فایده بود و همچنین ریختن مواد LCM ازدهانه چاه بی نتیجه بود. نهایتا" حفاری بدون برگشتی تا عمق ۱۲۰ متری ادامه یافت و اجبارا" لوله های جداری دراین نقطه رانده شد.
 
سپس حفاری حفره ۴/۱ ۱۲ اینچ با استفاده از Stiff foam و هوا با سرعت مناسب ادامه یافت. عبور از سازندهای فهلیان، هیث، سورمه، نیریز و همچنین قسمت های بالایی و میانی دشتک انجام گرفت. در حین حفاری با کف به منظور کاهش اثرات لرزشی و کوبشی استرینگ حفاری در ریزش دیواره چاه, لوله های حفاری ۸/۵۶اینچ به ۵ اینچ تغییر داده شد.
حفاری یا کف و هوا در این سازند بر سرعت حفاری افزوده و مانع از ریزش زیاد دیواره چاه می گردد چرا که سرعت بالای حفاری باعث می شود که خیلی سریع حفاری در افق های شیلی پایان یافته و کیسینگ گذاری انجام شود. حفاری در این سازند با سرعت متوسط حدود ۱۲ متر در ساعت انجام گرفت. یکی از مشکلاتی که در این چاه رخ داد گیرکردن لوله ها در عمق ۱۶۰۰ متری بود که نهایتا" باعث گذاشتن مانده شد. علت این امر بادکردن و ریزش شیلهای جداره چاه به مقدار زیاد می باشد که باعث بازشدن جار از مندریل آن و به جا ماندن مته و متعلقات آن در چاه گردید. همچنین با تغییر سیال حفاری از Stiff foam به گل هوازده و مواد Shale Inhibitor (PHPA) جدید در عملیات مانده یابی، سعی در کنترل ریزش شیلها و تنگی چاه نمودیم که بازهم بی نتیجه بود.
کار مانده یابی در این چاه نیز بعلت ریزش مداوم شیلهای لایه مزبور بی نتیجه بود که نهایتا" با سیمان پلاگ در بالای مانده و استفاده از موتور درون چاهی چاه کج گردید.
در عملیات کج کردن چاه نیز بعلت نوع خاص موتور مجبور به استفاده از آب منطقه بعنوان سیال حفاری جهت کم کردن هزینه ها شدیم. از طرفی هرزروی زیادی که در چاه وجود داشت مانع استفاده از هرگونه گل دیگری بود بطوری عملیات کج کردن چاه بدون هیچگونه برگشتی صورت گرفت.
پس از اینکه عملیات کج کردن چاه با موفقیت انجام گرفت با تغییر سیستم سیال حفاری Fresh Water به Stiff Foam عملیات حفاری تا نقطه کیسینگ گذاری با موفقیت انجام گرفت.

● گل حفاری استفاده شده:
استفاده از یک سیال مناسب حفاری یکی از مهمترین کارها در حفاری چاه می باشد. بسته به اینکه چه نوع سازند و با چه تولزی می باید حفاری شود نوع سیال و افزودنیهای آن تغییر می کند.
سیالات حفاری غیر آبی معمولا" برای غلبه بر مشکلات حفاری در سازندهای شیلی استفاده می شوند. با اینحال تجربیات حفاری در نواحی گسل خورده و فرکچردار نشان داده که این سیالات نیز مثمر ثمر نبوده اند. از طرفی به علت مسایل زیست محیطی استفاده از گلهای پایه زوغنی در سال های اخیر محدود شده و متخصصین صنعت نفت به دنبال استفاده از مواد دیگری برای مهارکردن شیلها هستند.
برقراری موازنه شیمیایی بین سیال حفاری و فعالیت آبی سازند در کنترل شیلها خیلی مهم است اما با اینحال آنهم با افزایش عمق و تغییر کانی شناسی سازند تغییر می کند(۲). کاهش وزن گل و لرزشهای ابزارهای حفاری در داخل چاه در ریزش شیل ها تاثیرگذار هستند. سیال حفاری مورد استفاده در اینجا گل Stiff foam می باشد.

در جدول ۱ مواد افزودنی گل Stiff foam آورده شده است. بعد از بریدن لوله ها در چاه مجبور به استفاده از گل هوازده برای استفاده در عملیات مانده یابی شدیم. در جدول شماره ۲ مواد بکارگرفته شده در سلوشن گل هوازده این چاه آورده شده است. در گل هوازده مقدار هوا بسته به وزن گل ورد نیاز به سلوشن افزوده می شود. همچنین در جدول شماره ۲ خواص این نوع گل آمده است.
 
جدول ۱- مواد افزودنی گل Stiff Foam
▪ مفدارپوند بر بشکه مواد گل
ـ ۱۵ - ۱۰/ Bentonite/Salt Clay
ـ ۰.۵/ Caustic Soda
ـ ۰.۵/ Soda Ash
ـ ۵% – ۳%/ Foam
ـ ۲ - ۱ / CMC HV
در گل هوازده از(PartialllyHydrolized Polly Acril Amid) PHPA که یکی از مواد پلیمری جدید در صنعت گلسازی است استفاده گردید. PHPA همچون یک آنیون در گل حفاری عنوان ویسکوزی فایر و ثابت کننده شیل و همچنین در افزایش بازیافت نفت از مخازن استفاده می شود(۳). خصوصیات پلی لاکترولیت ها در سلوشن های آبی در دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است. همچنین این ماده با حداکثر خاصیت ویسکوزی فایر کمترین مقدار جامدات را در گل به همراه پایداری حرارتی گل را به جا می گذارد.
جدول ۲- مواد گل هوازده
▪ مقدار (پوند بر بشکه) / مواد گل
ـ ۱/ Soda Ash
ـ ۰.۵/ Caustic Soda
ـ ۱۵/ KCL
ـ ۰.۲۵/ PHPA
ـ ۱ – ۰.۵ / CMC HI-VIS
ـ ۰.۵/ O۲Scavenger
ـ ۱ – ۰.۵/ Xantan.Gum

جدول ۳- خواص مواد گل هوازده
▪ محدوده خواص سلوشن
ـ (۴۳ یا هوا) ۶۳/ Density(pcf)
ـ ۴۰/ Funnel vis(Qur/sec)
ـ ۱۰ / PH
در اینجا خواص بعضی مواد استفاده شده در گل حفاری در لایه های شیلی به صورت زیر آمده است:
-کلراید پتاسیم معمولا" در فواصل شیلی با آب مخلوط شده و به گل اضافه می شود تا از فعالیت آنیونی شیل جلوگیری کند.
- نشاسته یا استارچ به آب زده می شود تا آب اضافی گل را حبس کرده و آب گمشدگی را کنترل کند.
- کربوکسی متیل سلولز CMC که در دو نوع موجود می باشد که نوع با ویسکوزیته پایین آن جهت کنترل water loss و نوع با ویسکوزیته بالای آن جهت بالابردن ویسکوزیته استفاده می شود.
-Xantan Gum برای بالابردن غلظت گل در حرارت های بالا استفاده دارد.
- Soda Ash (Na۲Co۳) جهت رسوب دادن کلسیم گل در سیالاتی که نیاز به PH بالا است از آن استفاده می شود

-Caustic Soda یا سود سوزآور (NaOH) نیز جهت بالا بردن PH سیال حفاری تا حدود ۱۴ استفاده می شود و بسیار خطرناک است.

● نتیجه گیری:

در حفاری سازندهای شیلی فرکچردار سازند دشتک استفاده از گل روغنی بعلت هرزروی های زیاد گل بی ثمر بوده و در خیلی از موارد بعلت برگشت ناپذیری گل در این سازند برای کاهش هزینه های حفاری استفاده از Stiff Foamبهترین گزینه است.

همچنین استفاده از (PartialllyHydrolized Polly Acril Amid) PHPA که در بعضی کشورها برای غلبه بر مشکلات سازندهای شیلی بکار می رود در مورد لایه های شیلی ترکدار سازندی مانند دشتک مثمر ثمر نمی باشد. اما در لایه های مارنی و شیلی که درز و شکاف کمتری دارند نتایج بهتری را از خود نشان داده است. با توجه به سرعت بالای حفاری در لایه شیلی همانند دشتک در صورت انتخاب بهینه پارامترهای حفاری با هوا ، استفاده از Stiff Foam میتواند گزینه مناسبی باشد.
 مراجع:
۱-Shale Stability with Water Base Muds, Principal Investigators: Martin E. Chenevert, Mukul M. Sharma , ۲۰۰۷

۲-Stressed Shale Drilling Strategy - Water Activity Design Improves Drilling Performance (SPE ۱۰۲۴۹۸),J.C. Rojas, SPE, BP;D.E. Clark, SPE, Baker Hughes Drilling Fluids;and J. Zhang, SPE, Baker Atlas and Baker Hughes
 
۳-Synthesis of Partially Hydrolyzed Polyacrylamide and Investigation of Solution, M. EbrahimZeynali, Ahmad Rabii*, and HabibollahBaharvand.

۴- زمین شناسی ایران، چینه شناسی زاگرس – همایون مطیعی

۵- گزارشات حفاری چاه مورد نظر – شرکت ملی نفت

-۶Applied driiling engineering, Adam T.Bourgoyne Jr., Keith K.Millhelm, Martin E.Chenvert, F.S Young Jr., P۶۰, ۲۰۰۲.