اشاره:
آن‌چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست اولين بخش از مقاله‌ي «آشنايي با پديده‌هاي آسيب سازند در چاه‌هاي توليدي و تزريقي » از مجموعه‌ي متون آموزشي مفاهيم مهندسي نفت، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و سياست‌پژوهان بخش بالادستي نفت و اقتصاد انرژي است كه در سرويس مسائل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران، تدوين شده است.
اين مقاله ضمن معرفي اجمالي انواع مختلف آسيب‌هاي سازندي به توضيح درباره‌ي تبعات‌ آن‌ها مي‌پردازد.
توصيه مي‌شود خوانندگان گرامي قبل از مطالعه اين مقاله شماره‌هاي 11و6مجموعه مقالات آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت را مطالعه كنند.
خواننده با مطالعه‌ي اين مقالات و مقالات قبلي مجموعه‌ي مفاهيم مهندسي نفت تا حدودي مي‌تواند درك كند كه در مراحل مختلف مديريت يك مخزن به چه فناوري‌ها و دانش‌هايي نياز است. در واقع مجموعه‌ي اين مقالات با ادبياتي غيرفني مفاهيمي فني را براي خواننده توضيح مي‌دهند كه با استفاده از آن تا حدودي مي‌توان به ارزيابي عملكرد مديريت مخزن پرداخت. پديد آمدن اين امكان براي خبرنگار يا سياست‌پژوه، توانايي ارزيابي و پرسش‌گري بالاتر و دقيق‌تري را در بررسي كلي سياست‌ها و ظرفيت‌هاي شركت‌هاي نفتي ايجاد مي‌كند.

 سرويس مسائل راهبردي ايران، آشنايي با مفاهيم تخصصي  در هر حوزه را مقدمه‌ي ايجاد يك عرصه‌ي عمومي براي گفت وگوي دانشگاهيان و حرفه‌مندان با مديران و سياست‌گذاران درباره‌ي سياست‌ها و استراتژي‌ها و برنامه‌ها در آن حوزه مي‌داند و اظهار اميدواري مي‌كند تحقق اين هدف، ضمن مستند سازي تاريخ فرآيند سياست‌گذاري عمومي و افزايش نظارت عمومي بر اين فرآيند، موجب طرح ديد‌گاه‌هاي جديد و ارتقاي كيفيت آن در حوزه‌هاي مختلف شود.
سرويس مسائل راهبردي  ايران ضمن اعلام آمادگي براي بررسي دقيق‌تر نياز‌هاي خبرنگاران و سياست‌پژوهان محترم، علاقه‌مندي خود را براي دريافت (rahbord.isna@gmail.com) و انتشار ديدگاه‌ها و مقالات دانشجويان، پژوهشگران، حرفه‌مندان، مديران و سياست‌گذاران محترم در ارائه‌ي عناوين جديد و يا تكميل يا ويرايش هر يك از گزارش‌ها و مقالات موجود اعلام مي‌كند.

واژگان

خميره سنگ(matrix)
مجموع قسمت‌هاي جامد(غير از حفرات) تشكيل دهنده سنگ‌ها را گويند.

پديده‌ي مخروطي شدن آب و گاز(Gas & water coning )
درهنگام برداشت نفت از چاه اگربه شيوه‌ي درستي از مخزن برداشت نشود، نفت به اطراف حركت كرده و گاز و آب به ترتيب در بالا و پايين ستون نفتي به حالت مخروطي به داخل ستون نفت وارد مي‌شوند، ارتفاع ستون نفت را در آن چاه كاهش مي‌دهند و باعث كاهش برداشت نفت از آن چاه مي‌شوند

مهاجرت ماسه( Sand migration)
درمخازن ماسه سنگي يامخازني كه داراي مقداري ماسه هستند اگر ماسه شل (loose) باشد، هنگام برداشت نفت يا گاز از آن مخزن، اين ذرات ماسه به داخل چاه وارد مي‌شوند و باعث مي‌شوند خلل و فرج (porosity)مسيرحركت خود را پر كنند و كيفيت مخزن راكاهش دهند. هم‌چنين اين ذرات ماسه باعث ايجاد خوردگي در تاسيسات سر چاه و لوله‌هاي جداري مي‌شوند كه بايد تمهيدات لازم جهت ثابت كردن(stable) اين ذرات ماسه انديشيده شود ومانع از مهاجرت آن‌ها به سمت دهانه چاه شد.

آسفالتن Asphalten
بخش‌هاي سنگين نفت را كه ظاهر آن همچون قير است را آسفالتن مي‌گويند. پديده تشكيل آسفالتن نيز از پديده‌هايي است كه در بعضي از ميادين ايران هنگامي رخ مي‌دهد كه بخش‌هاي سبك نفت به دلايل مختلف مانند water washing ، فعاليت ميكروب‌ها(اين ميكروب‌ها مي‌تواند به طور طبيعي در مخزن باشند يا هنگام تزريق آب به مخزب اگر ناخالصي‌هاي آب گرفته نشود (آب treat نشود) و حاوي اين ميكروب‌ها باشد) وغيره، از آن جدا شده و يك لايه آسفالتن در قسمت زيرين مخزن تشكيل ‌مي‌شود كه باعث قطع ارتباط مخزن با قسمت آبران آن شده و انرژي لازم براي بالا آمدن نفت را از آن مي‌گيرد.

مخازن گاز ميعاني( Gas Condensated Reservoir ):
به مخازني گفته مي‌شود كه گاز موجود در آن‌ها در شرايط دما و فشار سطحي به نفت تبديل مي‌شود و اين نوع نفت بسيار سبك است و داراي API بالايي (در حدود 50 API )است.

شاخص توليد( Productivity index)
نسبت سيال توليد شده به سيال موجود در مخزن را گويند.

پوسته
فاصله نزديك چاه كه به دليل عواملي،خواص فيزيكي خود را از دست داده باشد. اين عوامل مي‌تواند ورود آب از گل حفاري به داخل سازند يا عوارض حاصل از مشبك كاري (سوراخ كردن) و هم‌چنين آزادشدن گاز نزديكي چاه، به دليل افت فشار و هم‌چنين رسوب آسفالتين(نوعي نفت بسيار سنگين با گرانروي بسيار بالا) مي‌تواند باشند. مقدار پوسته را با يك ضريب به اسم ضريب پوسته نشان مي‌دهند.

آشنايي با پديده‌هاي آسيب سازند (Formation Damage) در چاه هاي توليدي و تزريقي

چاه هاي حفر شده در مخازن هيدروکربوري عامل ارتباط سطح و زيرزمين هستند. مهمترين کاربردهاي يک چاه توليد سيالات هيدروکربوري و نيز تزريق سيالات گوناگون از جمله آب يا گاز با هدف ازدياد برداشت و يا دفع آب هاي زائد مي باشد. در ارتباط ميان سطح و زيرزمين، فضاي داخلي چاه به‌عنوان يک مسير باز، عامل بازدارنده‌اي به حساب نمي‌آيد، اما سازند زيرزميني به دليل شرايط فيزيکي متخلخل، محدود کننده‌ي اين ارتباط است. به اين معنا که ورود سيال از مبداء سازند و يا خروج آن از مقصد بستگي به ميزان تخلخل ( Porosity)، نفوذپذيري (permeability) و نوع سنگ سازند از لحاظ دبي و فشار با محدوديت‌هايي مواجه است. قابليت توليد (Productivity Index) و نيز قابليت تزريق پذيري(Injectivity Index) شاخص‌هايي هستند که اين محدوديت‌ها را بيان مي کنند. يک سازند با تخلخل زياد و نفوذپذيري بالا، در ازاي ميزان مشخصي از افت فشار، توان انتقال حجم بيشتري سيال از مخزن به چاه را در مقايسه با يک سازند با تخلخل و نفوذپذيري کمتر فراهم مي آورد. به هنگام تزريق به چنين سازندي نيز، امکان تزريق سيال با دبي هاي بالاتر وجود دارد.
پديده آسيب سازند به هرگونه فرآيند مضري اطلاق مي شود که با تأثير بر روي سازند مخزني و بويژه تراوايي سنگ مخزن، قابليت توليد يک چاه نفتي يا گازي و يا قابليت تزريق پذيري يک چاه را نسبت به حالت طبيعي آن کاهش دهد. بنابرابن آسيب سازند يک پديده‌ي نامطلوب است که در صورت بروز مي تواند مشکلات عملياتي و زيان‌هاي اقتصادي فراواني ايجاد کند. کاهش نرخ توليد يا دبي نفت و گاز از چاه، کاهش نرخ قابل تزريق آب و گاز به درون سازند، افزايش افت فشار در اثر توليد و کوتاه شدن عمر مخزن و نهايتاً کاهش ذخاير هيدروکربني که توليد آنها با رعايت صرفه اقتصادي مقدور مي‌باشد، همگي از آثار آسيب سازند هستند.
اما بايد ديد که اين آثار از چه شدت و حدتي برخوردارند و آيا تأثير آن‌ها بر عملکرد مخزن و چاه قابل توجه است؟ در واقع شدت آسيب سازند بستگي به عواملي از جمله نوع آسيب و شيوه تکميل چاه دارد که در ادامه به بررسي آنها خواهيم پرداخت.
پديده آسيب سازند مي تواند در تمام مراحل مختلف حفاري، تکميل چاه، تحريک چاه، تعمير چاه و توليد از چاه اتفاق افتد. عواملي که مي توانند موجب آسيب رساني به سازند شوند را مي توان در چهار گروه اصلي دسته بندي کرد:
• عومل مکانيکي
• عومل شيميايي
• عومل بيولوژيکي
• عومل حرارتي

عوامل مكانيكي
از جمله رايج ترين عوامل مکانيکي مي توان به مهاجرت ذرات ريز ( Fine Migration) مانند ماسه(Sand Migration) از درون مخزن به سمت چاه اشاره کرد که بستگي به سايز آن‌ها يا در درون سازند و در گلوگاه ارتباط حفره‌ها گرفتار مي شوند و مانع از جريان سيال مي گردند و يا در صورت عبور از حفره‌ها و ورود به چاه باعث ايجاد ساييدگي شديد در تأسيسات درون و برون چاهي مي شوند. دبي توليد و جنس سنگ مخزن در بروز اين نوع از آسيب بسيار تعيين کننده مي باشد. انسداد ناشي از به دام افتادن سيالات(Phase Trapping) درون محيط متخلخل يکي ديگر از عوامل مکانيکي آسيب سازند است. پديده تشکيل ميعانات گازي در مخازن گاز ميعاني و مخروطي شدن آب و گاز از لايه هاي بالايي به سمت لايه توليدي از نمونه‌هاي رايج اين نوع آسيب هستند. ساييدگي و صيقل خوردن(Mashing and Glazing) سطح دروني چاه در اثر تماس با مته حفاري نيز از جمله عوامل مکانيکي محسوب مي شود که به دليل شدت گرماي ناشي از گردش مته رخ مي دهد و براي ورود سيال به درون چاه ايجاد مشکل مي کند. استرس‌هاي ژئومکانيکي که در اثر فشار لايه‌هاي بالايي به سازند بروز مي کنند و همچنين تلنبار شدن دانه‌هاي پروپانت ( Proppant Embedment and Plugging) که در عمليات شکاف دادن هيدروليکي سازند به کار مي روند از ديگر عوامل شناخته شده در آسيب سازند مي باشند.

عوامل شيميايي 
منظور از عوامل شيميايي، برهمکنش سنگ و سيال، برهمکنش سيال- سيال و تغييرات ترشوندگي(Wettability) سنگ سازند است که هر کدام به شکلي در آسيب رساندن به سازند و کاهش قابليت توليد چاه نقش دارند.
آشناترين مثال از برهمکنش سنگ و سيال که موجب آسيب سازند مي‌شود، آماس کردن و متورم شدن ذرات رسي سنگ مخزن در نتيجه‌ي تماس با آب است. با جذب مولکول‌هاي آب در درون خميره سنگ، مولکول‌هاي رس اين خميره‌ افزايش حجم مي‌يابند و با متورم شدن آن‌ها مسير جريان درون سازند محدود مي‌شود. پديده‌ي شيميايي پيچيده‌ي ديگري که در اثر پايين بودن شوري آب سازند يا بالا بودن pH آب رخ مي دهد لخته شدن ذرات رس است. حرکت اين لخته‌ها درون سازند موجب گير افتادن آن‌ها در گلوگاه حفره‌هاي به هم متصل سنگ و مسدود کردن آن‌ها و در نتيجه انسداد مسير جريان سيال هيدروکربني مي‌شود. برآشام شيميايي(Chemical Adsorption) نيز که به معناي جذب مواد شيميايي از جمله پليمرها توسط ديواره خلل و فرج سنگ و انبساط اين ديواره‌هاست از ديگر عوامل شيميايي آسيب سازند است. از آنجايي که اين انبساط نسبتاً ناچيز است در سنگ‌هاي با تراوايي بالا چندان تأثيري ندارد، اما اگر مسيرهاي جريان از ابتدا باريک باشند، انبساط ديواره‌ها و نزديک شدن آن‌ها به يکديگر کار را براي عبور سيال دشوارتر مي کند.
برهمکنش سيالات ناهمساز و يا تغييرات ناگهاني فشار و دماي سيال موجب ايجاد انواع رسوب و امولسيون در درون سازند مي‌شوند که آسيب سازند را به دنبال دارند. آشناترين انواع رسوب عبارتند از واکس و آسفالتين(Wax and Asphaltenes) در سيالات نفتي و هيدرات‌ها و داياموند(Hydrates and Diamonds) در سيالات گازي. واکس از زنجيره‌ي طولاني اتم‌هاي کربن تشکيل مي‌شود که عمدتاً در اثر کاهش دماي سيال از فاز نفت جدا مي‌شوند. آسفالتين از مولکول‌هاي غير همگن قطبي با جرم مولکولي بسيار زياد تشکيل شده که محتوي اتم هاي کربن، گوگرد، اکسيژن و هيدروژن هستند. دلايل و شرايط قطعي تشکيل اين رسوب‌ها و بازگشت پذير بودن اين پديده‌ها هنوز به درستي مشخص نشده است و محققان نظرات متفاوت و بعضاً متناقضي در مورد آن‌ها بيان کرده‌اند. هيدرات از ترکيب گاز و آب در دماهاي پايين تشکيل مي شود و داياموند ذرات جامدي از جنس کربن هستند که با کاهش دما و فشار ايجاد مي شوند. تغييرات ترموديناميکي و يا برهمکنش سيالات ناهمساز همچنين مي تواند به تشکيل ذرات Scale و ساير ذرات شناور منجر شود که اثرات زيانباري داشته و در نتيجه باعث کاهش تراوايي سازند و و ايجاد سايش در تأسيسات درون چاهي و سرچاهي مي‌گردد.
از برهمکنش آب و نفت امکان تشکيل امولسيون نفت در آب (که در آن آب فاز پيوسته و نفت فاز پراکنده است) يا آب در نفت نيز وجود دارد. هرچند که امولسيون نفت در آب به دليل عدم تغيير در گرانروي سيال اشکالي در فرآيند توليد ايجاد نمي کند اما امولسيون آب در نفت که نفت فاز پيوسته و آب فاز پراکنده آن را تشکيل مي دهد، به دليل رفتار غيرنيوتني سيال، موجب کند شدن حرکت سيال و آسيب سازند مي گردد.
آخرين دسته از عوامل شيميايي آسيب سازند مربوط به تغيير ترشوندگي سنگ مخزن است.در حالت طبيعي هر دو نوع سنگ کربناته و ماسه‌اي آب دوست هستند. اگر به دليل تماس با مواد شيميايي که از طريق گل حفاري و يا تزريق برخي مواد شيميايي به درون سازند وارد شده‌اند و يا در اثر تغييرات دماي مخزن، ترشوندگي سنگ از نوع آب دوست به نفت دوست تغيير يابد، آنگاه تراوايي نسبي نفت به دليل چسبندگي آن با سطح ديواره خلل و فرج کاهش مي يابد و جريان نفت درون سازند دشوارتر مي گردد.

عوامل بيولوژيكي
عوامل بيولوژيکي در قالب فعاليت باکتري‌هاي غيرهوازي(باكتري‌هايي كه براي ادامه‌ي زندگي به اكسيژن نياز ندارند) که معمولاً از طريق گل حفاري و يا تزريق سيالات به درون مخزن راه مي يابند و مي توانند باعث انسداد و گرفتگي مسير جريان درون سازند و در نتيجه آسيب رساندن به آن شوند تعريف مي گردند. اين نوع آسيب علاوه بر کاهش قابليت توليد چاه، منجر به بروز خوردگي و همچنين مشکلات ناشي از توليد گاز سمي H2S نيز مي گردد.

عوامل ترموديناميكي 
دماي مخازن در حالت معمول ثابت فرض مي شود. در مواردي که روش هاي ازدياد برداشت همچون تزريق بخار آب و يا تزريق آب از منابعي که اختلاف دمايي زيادي با سيال مخزن دارند صورت مي گيرد، امکان تغيير دماي مخزن وجود دارد. در اين موارد عوامل حرارتي مي توانند با شدت بخشيدن به عواملي چون تغيير ترشوندگي و يا افزايش سرعت واکنش‌هاي شيميايي به بروز پديده آسيب سازند سرعت بدهند.

مسئله مهم ديگر در ارزيابي آسيب سازند، شيوه‌ي به کار رفته در تکميل چاه(Well Completion) است. شيوه‌هاي رايج تکميل چاه عبارتند از: تکميل با "حفره باز"( Open Hole) و "حفره جداره دار"( Cased Hole). در تکميل با حفره باز، پس از حفر چاه و وارد شدن به سازند مخزني، ارتباط ديواره چاه با مخزن به صورت طبيعي و بدون حايل برقرار مي شود. در اين روش جداره‌هاي فولادي که در بخش‌هاي بالاتر چاه ـ به منظور جلوگيري از ريزش ديواره چاه و نيز ممانعت از ورود سيالات به درون چاه يا هرزروي گل حفاري به درون لايه‌هاي زيرزميني ـ کار گذاشته مي شوند، به قسمت انتهايي چاه وارد نمي شوند و ناحيه‌ي توليدي در ارتباط مستقيم با سنگ مخزن است. در حفره جداره دار، همانگونه که از نام آن پيداست، جداره‌هاي فولادي تا انتهاي عمق چاه وارد مي شوند و سپس براي برقراري ارتباط حفره چاه و سازند مخزني، عمليات مشبک کاري انجام مي شود که با سوراخ کردن اطراف جداره فولادي، راه ارتباطي براي ورود سيال هيدروکربني از مخزن به درون چاه برقرار مي‌گردد. در عمليات مشبک کاري، عمق نفوذ سوراخ‌هاي ايجاد شده از چند سانتي‌متر تا چند ده سانتيمتر متغيير است. از آنجايي که بيشترين آثار منفي آسيب سازند معمولاً در اطراف چاه و به شعاع کمتر از نيم متر رخ مي دهد، سوراخ هاي ايجاد شده در درون سازند به هنگام تکميل چاه به روش حفره جداره دار مي توانند اين فاصله را پشت سر بگذارند و تا حدود زيادي باعث حذف آثار منفي آسيب هاي ايجاد شده در سازند شوند. برخلاف روش تکميل حفره جداره دار، در روش تکميل حفره باز، آسيب هاي وارده به سازند کاملاً اطراف چاه را تحت تأثير قرار مي دهند و با ايجاد يک پوسته(Skin) در حوالي چاه، مانع از ورود بي دردسر سيال به داخل چاه مي شوند.

آسيب سازند يک پديده اجتناب ناپذير است. هرچند که با رعايت اصول مهندسي مي توان از شدت آن کاست و يا بروز آن را به تعويق انداخت اما در بلند مدت ترميم سازند جهت حفظ توان توليد اقتصادي يک چاه، ناگزير است. جهت ترميم سازند يا مي‌بايست پوسته ايجاد شده در اطراف چاه را حذف کرد و يا به طريقي با عبور از آن ارتباط حفره چاه با بخش آسيب نديده سازند را برقرار نمود. اولين گام در ترميم سازند شناخت دقيق عوامل ايجاد آسيب و نوع و شدت آسيب است. تست هاي آزمايشگاهي يک عامل کليدي در شناخت آسيب ايجاد شده هستند. همچنين مجموعه ي کاملي از تاريخچه چاه مورد نياز است که اطلاعات تمامي فازها از حفاري تا توليد را بدست دهد. اطلاعات جمع آوري شده مي بايست توسط تيمي از متخصصان که شامل زمين شناس، متخصص ژئوشيمي، شيميدان و البته مهندس نفت است مورد تجزيه و تحليل قرار بگيرد و روش بهينه ترميم سازند و چگونگي اعمال آن تعيين گردد.
روش هاي ترميم سازند و بازيافت قابليت توليد چاه در مطلب جداگانه اي مرور خواهد شد.

تدوين : مهندس امين غلامي
دانشجوي کارشناسي ارشد مخازن هيدروكربوري- دانشگاه صنعت نفت تهران و كلگري كانادا 
خبرنگار نفت سرويس مسايل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران(ISNA)