اشاره:
آن‌چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست چهارمين بخش از مقاله‌ي «آشنايي با روش‌هاي نوين حفاري» و دومين بخش از مقاله‌ي « آشنايي با مباني حفاري زير تعادلي (Under Balance Drilling(UBD» 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 سعي مي‌كند به معرفي سيالات حفاري مورد نياز در حفاري زير تعدلي و ابزار‌هاي مورد نياز اين سيالات بپردازد.
توصيه مي‌شود خوانندگان گرامي قبل از مطالعه اين مقاله، مقاله‌هاي شماره 3و ‌17 مجموعه مقالات آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت را مطالعه كنند.
خواننده با مطالعه‌ي اين مقاله و مقاله‌هاي پيشيبن 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 را مقدمه‌ي ايجاد يك عرصه‌ عمومي براي گفت وگوي دانشگاهيان و حرفه‌مندان با مديران و سياست‌گزاران درباره‌ي سياست‌ها و استراتژي‌ها در بخش‌هاي مختلف مي‌داند و براي آشنايي خبرنگاران و دانشجويان سياست‌پژوه در حوزه‌هاي تخصصي، اقدام به تدوين و ارائه‌ي متوني آموزشي در اين‌باره مي‌كند.
سرويس مسائل راهبردي ايران rahbord.isna@gmail.com آمادگي بررسي دقيق‌تر نياز‌هاي خبرنگاران و سياست‌ پژوهان محترم و انعكاس ديدگاه‌هاي كارشناسان و متخصصان گرامي مهندسي نفت را درباره‌ي مجموعه‌ي اين مقالات دارد.

سيالات حفاري در روش حفاري زير تعادلي

روش‌هاي مختلفي براي رسيدن به شرايط زير تعادلي وجود دارد، بيشتر آنها شامل استفاده از سيالات حفاري با چگالي كم مي‌باشند اين سيال مي‌تواند فازگازي، مايع و يا مخلوطي از اين دو فاز باشد.

1 ـ سيالات حفاري گازي
ساده‌ترين وقديمي‌ترين روش حفاري زيرتعادلي استفاده از هواي خشك ( dry air) به عنوان سيال حفاري است. هواي فشرده شده ازطريق هرزگرد (swivel) كه در بالاي رشته حفاري قراردارد، وارد لوله حفاري شده وپس از خارج شدن از مته، از فضاي حلقوي بالا آمده وخارج مي‌گردد. شكل 1 كه در انتهاي خبر آمده است شماتيك سيستم حفاري با هوا را نشان مي‌دهد. 

يك روپوش دوار در اطراف رشته حفاري بين ميز دوار و سر چاه وجود دارد كه جريان برگشتي هوا را از طريق يك لوله كج (bloomie line) به محلي دورتر از دكل حفاري منحرف مي‌كند. كنده‌هاي بالا آمده توسط هوا در يك تانكر جمع‌آوري شده و در نزديكي دهانه خروجي لوله كج با پاشيدن آب از ايجاد گرد وخاك در فضا جلوگيري مي‌كنند همچنين يك شعله در محل خروجي قرار مي‌دهند تا درصورت خروج هيدروكربن همراه هوا سوخته شود.
مي‌توان به جاي هوا ازگازهاي بي‌اثر هم استفاده كرد، كه ارزان‌ترين آن‌ها نيتروژن است. در صورت حفاري در لايه‌هاي نفتي و يا در مخازن گازي، مي‌توان از گاز طبيعي هم به عنوان سيال حفاري استفاده كرد. در هنگام استفاده از گاز طبيعي مقررات ايمني بايد به درستي رعايت شود.
هنگامي كه از گاز به عنوان سيال حفاري استفاده مي‌شود، سيستم تراكم (پمپ‌ها) بايد قادر به تامين شدت جريان و فشار مناسب براي بالا آوردن كنده‌هاي حفاري و يا سيالات ورودي چاه باشد. فشار سيال حفاري و قدرت جابه‌جايي كنده‌ها توسط آن كاملا به يكديگر وابسته‌اند اگر فشار گردش سيال كافي نباشد، كنده‌هاي حفاري، ته چاه انباشه مي‌شوند وسبب گير كردن لوله‌هاي حفاري درچاه مي‌شود. معمولا كمترين سرعت گردش سيال براي جابه‌جايي موثر كنده‌ها را برابر 300ft/min در فشار اتمسفر در نظر مي‌گيرند. البته محاسبه دقيق اين سرعت براي شرايط مختلف نياز به محاسبات و مدلسازي‌هاي دقيق دارد.

2ـ سيالات حفاري دوفازي
مخلوط كردن گاز و مايع روش خوبي براي رسيدن به هر چگالي دلخواه بين چگالي مايع و فاز گاز است. اين مخلوط گاز مايع گاهي با عنوان سيال حفاري سبك شده شناخته مي‌شود. اين سيالات سبك شده بر اساس ساختار و نسبت حجمي هر دو فاز به انواع :ميست (mist)، فوم (foam) و يا مايع هوازده (aerated liquid) تقسيم‌بندي مي‌شوند. ساختار وخواص اين سيالات به شدت به نسبت حجمي گاز و مايع در شرايط دما و فشار چاه بستگي دارند، چگالي انواع سيالات حفاري سبك شده در زير آمده است.

(ppg) چگالي سيال                              سيال حفاري

0.1 ـ 0.01                                       گاز

0.3 ـ 0.1                                        ميست

3.54 ـ 0.3                                     فوم

6.95 ـ 4                                         مايع هوازده

19 ـ 6.95                                       مايع

الف-mist
اگر درصد حجمي مايع در گاز كمتر از 2.5 درصد باشد، مايع به صورت قطرات ريز جدا از هم در فاز پيوسته گازي معلق خواهد ماند، حفاري با اينگونه سيال حفاري را حفاري با ميست (mist Drilling) مي‌گويند. يك پمپ‌ سه زمانه كوچك براي تزريق مايع به درون گاز، پيش از وارد شدن به لوله حفاري استفاده مي‌شود.سيال مايع تزريقي معمولا آب، سورفكتانت و يا سيالات ضد خوردگي مي‌باشند. گاهي اوقات براي جلوگيري از واكنش سيال با لايه‌هاي شيلي به آن نمك يا پليمر هم اضافه مي‌كنند. ذرات مايع چون به صورت قطرات جدا از هم در فاز گازي جريان دارند، اثر چنداني بر خواص رئولوژيك سيال ندارند. اما سبب افزايش فشار درون چاه مي‌شوند.
حفاري با ميست معمولا زماني انجام مي‌شود كه هنگام حفاري باهواي خشك با ورود مقدار قابل ملاحظه‌اي آب به درون چاه مواجه مي‌شويم.معمولا از هوا در ميست استفاده مي‌شود و تنها عاملي كه استفاده ازگازهاي ديگري مانند نيتروژن، دي‌اكسيد كربن و يا گاز طبيعي را محدود مي‌كند، مساله هزينه آنهاست، هنگامي كه فاز مايع قابل اشتعال است ( مانند نفت خام يا گازوئيل ) نيتروژن به هوا ارجحيت دارد. همچنين استفاده از هوا ممكن است سبب خوردگي و پوسيدگي لوله‌هاي حفاري درته چاه شود.

 ب- Foam
اگر نسبت حجمي مايع بيشتر از 2.5 درصد باشد يك فوم پايدار تشكيل مي‌شود. روش ترزيق مانند قبل است اما دراينجا درصد حجمي مايع بين 2.5 تا 25 درصد مي‌باشد. مايع يك ساختار سلولي يك‌پارچه تشكيل مي‌دهد كه گاز را درون خود حبس كرده و گاز و مايع با سرعت يكسان حركت مي‌كنند. فوم‌ها معمولا بر اساس كيفيت و ساختارشان توصيف مي‌شوند. كيفيت يك فوم، درصد حجمي گاز در شرايط دما و فشار چاه است وساختار فوم بيانگر حالت حباب‌ها درون آن است. يك فوم نرم ( fine) حباب‌هاي كوچكتر و يك فوم زبر (coarse) حباب‌هاي درشت‌تر دارد.
فوم‌ها ويسكوزيته بالايي دارند كه موجب تقويت قدرت جابه‌جايي كنده‌ها در اين سيالات مي‌شوند. رئولوژي فوم‌ها به شدت به درصد مايع در آنها بستگي دارد و از 115cp تا 35cp  (سانتي پور يا cp واحد ويسكوزيته است) متغير مي‌باشد. هنگامي كه فوم به سطح مي‌آيد براي جدا كردن كنده‌ها از آن مي‌توان از سيستم‌هاي ضد كف (Difoaming system) براي از بين بردن حالت كفي سيال استفاده كرد.

ج- سيال هوازده
هنگامي كه درصد حجمي مايع از 25 درصد فراتر مي‌رود، ساختار فوم نابود مي‌شود و گاز حباب‌هايي جدا از هم مي‌سازد كه مستقل از فاز مايع مي‌باشند تا آنجا كه دو فاز مايع و گاز مي‌توانند با سرعت‌هاي متفاوتي حركت كنند. به اينگونه سيال، سيال حفاري هوازده گفته مي‌شود. آنها مي‌توانند از مخلوط كردن فاز مايع و گاز مانند هوا و گل حفاري تشكيل شوند. استفاده از آب‌ خالص يا آب نمك به همراه يا بدون مواد ويسكوز و يا حتي نفت خام هم نامعمول نيست. پمپ‌هاي گل دكل براي پمپ كردن فاز مايع به درون stand pipe و از آنجا به سمت لوله‌هاي حفاري به كارمي‌روند، كمپرسورها هم معمولا طوري نصب مي‌شوند كه گاز را در stand pipe به سيال حفاري تزريق كنند. سيال هوازده در مسير برگشت از يك سيستم جداساز گاز و مايع عبور مي‌كند. شكل 2كه در انتهاي متن آمده است به صورت شماتيك اجزاء اصلي سيستم حفاري با سيال هوازده را نشان مي‌دهد.

 چون گازها بيشتر از مايعات تراكم‌پذيرند درصد حجمي مايع درسيالات حفاري سبك شده در حين گردش در چاه ودر شرايط دما وفشار مختلف تغيير خواهد كرد. با افزايش فشار درصد حجمي مايع وچگالي سيال افزايش مي‌يابد .اين شرايط با ورود سيالات سازند به چاه پيچيده‌تر هم مي‌شود. مثلا ورود آب به چاه مي‌تواند سيال ميست را هنگام ورود به فضاي حلوقي به فوم تبديل كند. بنابراين محاسبه فشار گردش و همچنين پيش‌بيني سيالات سازند نقش مهمي در تعيين نوع سيال حفاري ايفا مي‌كنند.

3 ـ سيالات حفاري مايع

فشار منفذي سيال سازند اغلب از فشار هيدروستاتيك آب خالص و يا آب نمك در همان عمق بيشتر است. در اين شرايط مي‌توان توسط يك سيال حفاري مايع به كار حفاري زيرتعادلي پرداخت. در شرايط خاص حتي اين امكان وجود دارد كه با استفاده از سيالات با چگالي بيشتر از گراديان فشارسازند به شرايط زيرتعادلي رسيد. به عنوان مثال هرزروي سيال حفاري درسازندهاي كم فشار باعث كاهش فشار هيدروستاتيك سيال درون چاه مي‌شود و به سيال سازند اين امكان را مي‌دهد كه وارد چاه شود. ورود سيال سازند به چاه، چگالي سيال حفاري را كاهش مي‌دهد تا زماني كه با گردش مجدد سيال حفاري، سيال حفاري جديد وارد چاه شود اين روش در ميدان نفتي Pearsall در تگزاس انجام شد كه يكي از موفق‌ترين كاربردهاي اخير حفاري زيرتعادلي در ايالات متحده بوده است.

 تجهيزات سطحي

شايد بتوان گفت مهمترين اختلاف بين حفاري معمولي و حفاري زيرتعادلي در سيستم‌ها و تجهيزات اضافه‌اي باشد كه در حفاري زيرتعادلي استفاده مي‌شود اين تجهيزات اصولا تمام سيال برگشتي از چاه را به محلي دورتر از دكل منحرف مي‌كنند و سيالات هيدروكربني توليدي را از سيال حفاري جدا مي‌كند. به اين طريق حفاري زيرتعادلي مي‌تواند در حين حفاري يك سازند نفوذپذير هم با ايمني بالا ادامه داشته باشد.
پيچيدگي سيستم‌هاي سطحي معمولا تحت تاثير سيال حفاري انتخاب شده و كيفيت و مقدار سيال توليدي سازند مي‌باشد. هنگامي كه هواي خشك سيال حفاري وگاز طبيعي تنها سيال توليدي سازند باشد در صورت عدم وجود سولفيد هيدروژن H2S معمولا يك لوله كج مشتعل در فضاي بازكافي مي باشد. در شرايط پيچيده‌اي كه سيال حفاري شامل آب و نيتروژن و سيال توليدي سازند گاز طبيعي، نفت و آب مي‌باشد از يك سيستم چرخش بسته كه شامل يك جدا كننده چند فازي است، استفاده مي‌شود. اين سيستم اين امكان را فراهم مي‌آورد كه نفت ذخيره شود، گاز بسوزد و آب هم براي تزريق مجدد بازيابي گردد.
سيستم‌هاي جدا كننده خود اين امكان را دارند كه بسته به عايق بودن و يا متصل بودن لوله‌ها به فضاي باز به صورت باز يا بسته طراحي ‌شوند. در هنگام استفاده از سيالات حفاري شامل هوا براي جلوگيري از خطر انفجار در حين حفاري سازندهاي هيدوركربن‌دار، معمولا از جداكننده‌هاي بسته استفاده نمي‌شود و برعكس هنگامي كه در سيال توليدي سولفيد هيدروژن وجود دارد بايد سيستم‌هاي بسته استفاده شود.
در بسياري از موارد، تجهيزات سطحي در مسير سيال حفاري برگشتي داراي دريچه‌هاي (chock)قابل تنظيم هستند. اين دريچه‌ها امكان ايجاد يك فشار پشتيبان (Back pressure) بر روي چاه را فراهم مي‌كنند كه درواقع نوعي كنترل برفشار چاه است و به چگالي و رئولوژي سيال حفاري بستگي ندارد. اين روش در كنترل فشار چاه انعطاف‌پذيري ايجاد مي‌كند و به خصوص مي‌تواند در هنگام حفاري سازند‌هاي نه چندان پايدار و يا لايه‌هاي با توليد زياد فشار اختلافي زيرتعادلي تا چند صد psi محدود كند. البته در حفاري با هوا يا ميست اگر فشار پشتيبان افزايش يابد، سرعت سيال حفاري در فضاي حلقوي كاهش مي‌يابد كه ممكن است پاكسازي چاه را به خطر اندازد. استفاده از فشار پشتيبان مي‌تواند به كنترل تغييرات درصد حجمي مايع در اعماق مختلف نيز كمك كند. هنگامي كه مي‌خواهيم يك سيال فوم در فضاي حلقوي ساختار خود را حفظ كند اين مساله اهميت بيشتري مي‌يابد.

تدوين: مهندس توماج فرود
دانشجوي كارشناسي ‌ارشد مهندسي حفاري-‌بهره‌برداري دانشگاه صنعتي اميركبير
خبرنگار مهندسي نفت سرويس مسايل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران(ISNA) 

انتهاي پيام