چاه‌آزمايي

اشاره
آن چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست اولين بخش از مقاله‌ي «آشنايي با مفاهيم چاه‌آزمايي» است؛ از مجموعه‌ي متون آموزشي آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و سياست‌پژوهان بخش بالادستي نفت و اقتصاد انرژي كه در سرويس مسائل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران، تدوين شده است.
اين مقاله سعي مي‌كند ضمن آشنايي خوانندگان با تعريف چاه‌آزمايي (well test) به توضيح چگونگي كاربرد تحليل‌هاي حاصل از اين عمليات‌ها در تشخيص خواص مخزن و  سيال موجود در آن و ارتباط آنها با هم و به طور كلي مطالعه‌ و شبيه‌سازي مخزن بپردازد.
خواننده با مطالعه‌ي اين مقاله تا حدودي مي‌تواند درك كند كه در مراحل مختلف مديريت يك مخزن به چه فناوري‌هايي در چاه‌آزمايي نياز است. در واقع اين مقاله با ادبياتي غيرفني مفاهيمي فني را براي خواننده توضيح مي‌دهد كه با استفاده از آن تا حدودي مي‌توان به ارزيابي عملكرد مديريت مخزن در انجام عمليات‌هاي چاه‌آزمايي پرداخت. پديد آمدن اين امكان براي خبرنگار يا سياست‌پژوه توانايي امكان ارزيابي و پرسش‌گري بالاتري و دقيق‌تري در بررسي كلي سياست‌ها و ظرفيت‌هاي شركت‌هاي نفتي در انجام عمليات‌ چاه‌آزمايي پديد مي‌آورد.
توصيه مي‌شود خوانندگان گرامي قبل از مطالعه اين مقاله شماره‌هاي پيشين مجموعه مقالات آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت را مطالعه كنند.
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. 

 مقدمه و ضرورت چاه‌آزمايي

به محض حفر يك چاه در درون مخزن و آغاز استخراج سيال درون آن، تغييراتي در پارامتر‌هاي مخزني مانند فشار، حجم سيال درون مخزن، گرانروي سيال و... ايجاد مي‌شود. تغيير پارامتر‌هاي مخزن باعث تغيير رفتار مخزن مانند چگونگي فاز‌هاي سيال(مايع و گاز) درون مخزن، در نتيجه چگونگي فازهاي سيال استخراج شده، ميزان دبي و... مي‌شود.
بنابراين با گذشت زمان و ادامه‌ي برداشت از مخزن، رفتار مخزن تغيير مي‌كند. در واقع پارامترهاي مخزن به نوعي تابع زمان هستند. عمليات چاه آزمايي (Well Testing) تجزيه و تحليل رفتار مخزن و چاه  بر اساس زمان است؛ نتايج حاصل از آن مي‌تواند تأثير زيادي در تشخيص مقادير واقعي پارامترهاي مخزني داشته باشد، از اين رو چاه آزمايي يكي از مهم‌ترين ابزار‌هاي مهندسان براي شناخت مخزن نفت محسوب مي‌شود. به دست آوردن مقدار واقعي اين تغييرات نقش عمده‌اي در ايجاد يك مدل دقيق و به روز از مخزن دارد.
در سال‌هاي 1950، چاه آزمايي به عنوان ابزاري براي شناخت رفتار واقعي مخزن در قبال تغييرات ايجاد شده‌ي درون چاه، وارد مهندسي نفت شد. مخزن نفت محيطي ناشناخته و بسيار ناهمگن است كه تشخيص دقيق آن عملاً امكان پذير نيست. با توجه به ويژگي‌هاي كلي مخزن، مدل‌هاي رياضي اوليه‌اي براي تفسير رفتار مخزن و چگونگي حركت سيال در درون محيط‌هاي متخلخل مختلف از جمله محيط متخلخل مخازن شكافدار، وجود دارد. اين مدل‌ها كه اصطلاحاً مدل‌هاي ايده‌آل گفته مي‌شوند، تا اندازه‌اي توانايي پيش‌بيني رفتار واقعي مخزن را دارند. پارامتر‌هاي مدل را بايد پس از تطبيق با رفتار مخزن اصلاح كنند، تا رفتار مدل، رفتار واقعي مخزن را نشان دهد.
پس از انجام هرتست، روي مخزن واقعي، اطلاعات فشار و زمان را روي نمودارهايي (مختصات لگاريتمي، شبه لگاريتمي يا دكارتي) پياده كرده و آن را بر اساس نمودار‌هاي مدل‌هاي اوليه تفسيرمي‌كنند و اطلاعاتي مانند نوع رژيم  جريان(خطي، شعاعي، كره‌اي)، مساحت مخزن و... غيره را به‌دست آورند.

درحدود سال‌هاي 1970به بعد، محققين با ارائه كردن نمودارهاي مدل (Type curves) فشار در برابر زمان، به تشخيص حالت‌هاي كلي شكل مخزن پرداختند كه در تفسير نمودارهاي چاه‌آزمايي نقش بسيار زياد و مهمي دارند.
نمودار‌هاي مدل نسبت به روش قبلي، جزئي تر و دقيق‌تر بوده و حالت‌هاي بيشتري را نشان مي‌دهند، از اين رو براي مهندس نفت اين امكان ايجاد مي‌شود كه با اخذ اطلاعات مخزن و پياده كردن داده‌هاي مربوط به آزمايش روي نمودار، نمودار بدست آمده از مخزن واقعي را با نمودارهاي مدل (Type curves) منطبق كرده و براساس آن پارامترهاي ديگر مهندسي مخزن (نفوذ‌پذيري، ضريب پوسته و....) را به دست ‌آورد، و يا درحالت عدم انطباق كامل با نمودار‌هاي مدل، برخي از پارامترهاي نمودار مدل را  تغيير داده تا بهترين نمودار بيان‌كننده‌ي حالت واقعي مخزن را شناسايي كند.
 پس از اين براي افزايش دقت، روش استفاده از نمودارهاي مشتق ( نمودار مشتق  فشار در برابر زمان ) ارائه شد. در واقع نمودار‌هاي مشتق نيز يك نوع نمودار مدل هستند كه محاسبات مهندسي بر اساس آن‌ها بيشتر، در تأييد و تكميل نتايج بدست آمده از نمودارهاي مدل(Type curves) معمولي بكارمي‌رود. امروزه روش‌هاي مدرن‌تري درحال گسترش مي‌باشند كه Deconvolution ناميده مي‌شوند.

دركشورما به دليل اهميت داشتن توليد روزانه، بستن چاه به مدت دو يا سه روز براي انجام تست تا حدود زيادي امكان‌پذير نيست و يا خيلي سخت است به‌همين دليل مجهز كردن چاه‌ها به سيستم‌هاي هوشمند (چاه هوشمند) براي ثبت فشار و زمان و دبي توليد مي‌تواند تا حدودي مار از عمليات چاه‌آزمايي بي‌نياز كند. يكي از نكات جالب درمورد چاه‌آزمايي اين است كه با استفاده از اطلاعات سه متغير زمان، فشار و دبي توليدي يا دبي تزريقي، اكثر پارامترهاي مهندسي مخزن نظير نفوذپذيري، ضريب پوسته، سطح تخليه چاه (حجم مؤثر درتوليد چاه، به بيان ديگر حجمي از مخزن كه توسط هر چاه تخليه مي‌شود)، نوع مخزن (ساده يا تركيبي) را به ‌دست مي‌آورند.
قبل از ورود به مقوله چاه‌آزمايي به تعريف واژگان تخصصي به‌كار رفته در متن وتوضيحات كمي درمورد مخزن نفت را مي‌پردازيم.

واژگان تخصصي

نفوذپذيري يا تراوايي:( Permeability)
توانايي سنگ براي عبوردهي سيالي (با گران‌روي مشخص و در فشار مشخص) از درون خلل و فرج خود را Permeability مي‌گويند. نفوذ پذيري مطلق تنها به خصوصيات سنگ بستگي دارد، اما نفوذپذيري نسبي علاوه برخصوصيات سنگ، به خصوصيات سيال و درصد اشباع(سنگ از سيال) نيز بستگي دارد.

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.

حركت سيال درون محيط متخلخل
پس‌ از اكتشاف مخزن نظارت مهندسين مخازن آغاز شده و با بررسي ساختار فضايي مخزن شروع به عمليات حفاري در نقاط بهينه و مشخص شده‌ي مخزن مي‌كنند. پس از تكميل چاه، حركت سيال به سمت چاه و توليد از مخزن آغاز مي‌شود. 
درك چگونگي نمودارهاي چاه‌آزمايي، نيازمند شناخت كمي و كيفي حركت سيال در محيط متخلخل است. ازاين رو سه ‌نمونه حركت خطي(Linear)، شعاعي(Radial)، كروي(Spherical) براي سيال درون مخزن پيش‌بيني شده است كه در شكل‌هاي زير نشان داده مي‌شود.

Fig.1- types of flow

 با استفاده از روابط قانون پايستگي جرم (كه بيان مي‌كند؛ جرم به‌وجود نمي‌آيد و از بين هم نمي‌رود) و هم‌چنين قانون دارسي (كه بيان‌كننده ارتباط ميان سرعت خطي و گراديان فشار(آهنگ تغييرات فشار بر حسب كم و يا زياد شدن فاصله) مي‌باشد)، مدل سازي رياضي حركت سيال در محيط متخلخل در هر يك از سه سيستم فوق به دست مي‌آيد كه البته در به دست آوردن اين معادلات تعداد فاز(جامد، مايع، گاز) و نوع سيال موجود درمخزن نيز تأثيرگذاراست.

مرزهاي مخزن
از مهم‌ترين عوامل تأثيرگذار درحل مدل رياضي حركت سيال در محيط متخلخل نوع مرزهاي مخزن است.
به ديواره‌ي چاه مرز داخلي گفته مي‌شود، دورترين نقطه‌ي مخزن و به بيان ديگر حاشيه‌ي مخزن را مرز بيروني مخزن  مي‌گويند.

مرز داخلي: كه به دوصورت مي‌باشد:

1) توليد با فشار جرياني ثابت 
در اين روش فشار را ثابت نگه مي‌داريم و دبي تغيير مي‌كند كه راحت‌تر از روش دبي ثابت است.در اين روش از Gauge هايي استفاده مي‌شود كه مي‌توانند دبي برداشت را تغيير دهند. در مخازني كه خطر مخروطي شدن گاز يا آب وجود دارد، براي پيشگيري از وقوع اين خطر، بيشتر از اين روش استفاده مي‌شود تا فشار مخزن تا حد زيادي حفظ شود.

2) توليد با دبي جرياني ثابت
در اين روش دبي جريان را با استفاده ازيك شير(choke) كه معمولا در مقابل محدوده‌ي مخزن و محلي كه لوله‌ي جداري(Production casing) مشبك كاري قرار مي‌دهند، ثابت نگه مي‌دارند. 

مرز بيروني:
كه به سه صورت مي‌باشد:
چنان‌كه گفته شد مرز بيروني به دورترين نقطه‌ي مخزن گويند، جريان سيال در ماقبل اين مرز وجود دارد و در اين مرز جرياني نخواهيم داشت.
مرز بيروني نيز به سه صورت توضيح داده مي‌شود.

1) براي مخازن محدود كه حجم مشخصي دارند، در مرز بيروني افت فشار داريم. 
2) براي مخازني كه همراه با تأمين‌كننده قوي، نظير محيط آبده يا كلاهك گازي با فشار بالا هستند كه اجازه كاهش فشار را درسطح بيروني مخزن نمي‌دهند، فشار درسطح بيروني را برابر با فشار اوليه مخزن مي‌گيرند، به بيان ديگر افت فشار نداريم. 
3) حالتي كه مصرف رياضي دارد، يعني آن‌قدر مخزن را بزرگ فرض مي‌كنيم كه با ميل كردن شعاع بيروني به سمت بي‌نهايت، فشار برابر با فشار اوليه مخزن مي‌شود و افت فشار نخواهيم داشت

انواع تست‌هاي رايج

پس ازاين‌كه به‌طوركيفي متوجه شكل مخزن ونوع حركت سيال آن شديم بايد كمي درمورد چگونگي انواع آزمايش‌هايي كه برروي چاه انجام مي‌گيرد توضيح دهيم.
انواع تست‌هايي كه برروي چاه‌هاي نفت انجام مي‌شوند عبارتند از:

1 - Drawdown Test
Multiple Flow Tests -2
3- Reservoir Limit Test
4- Build up Test
5- Injection Build up or Full Off Test
6- Multiple Well interferences
7- Drill stem Tests

هم‌چنين تست‌هاي زيربراي مخازن گازي انجام مي‌گيرد:

1) Back Pressure or flow after flow
2) Isochronal test
3) Modified Isochronal test

امروزه از Well test moduleنرم‌افزارهاي Pan-System، CMG، Eclipse  براي تحليل اطلاعات حاصل از انجام تست‌هاي چاه استفاده مي‌شود

تشريح كيفي بعضي از تست‌ها

1- تست build up:
شرح اين تست به اين صورت است كه چاهي كه با يك دبي ثابت و مشخص توليد مي‌كند را به‌طوركامل مي‌بندند (عملاً توليد آن را متوقف كنيم) و سپس با يك ثبت‌كننده فشار، فشار ته چاه را اندازه‌ گرفته و آن را براساس زمان ثبت مي‌كنند. با پياده كردن مقادير فشار و زمان بر روي نمودارهرنر (Horner) (شكل 2) مي‌توان نفوذپذيري، ضريب پوسته و فشار اوليه مخزن را بدست آوريم. البته لحاظ كردن زمان توليد قبل از تست نيز ضروري مي‌باشد.مدت زمان بستن چاه بين 2 تا 3 روز است تا فشار در تمام قسمت‌هاي مخزن تقريبا يكي شود.

شكل2- Horner plot

2- drawdown test:
در تست drawdown عكس تست build up عمل مي‌شود، به گونه‌اي كه چاه بسته را با دبي ثابت براي توليد بازكرده و سپس با ثبت اطلاعات فشار و رسم نمودار داده‌هاي فشار در برابر زمان و آناليز اين نمودار، مي‌توان مقادير نفوذپذيري، ضريب پوسته، شكل مخزن و سطح تخليه‌ي آن را به‌ دست آورد.اين تست معمولا بلافاصله بعد از تست Build up ،كه در طي آن چاه بسته است، انجام مي‌شود.

 در چاه‌آزمايي معمولي با داشتن خروجي (داده‌هاي فشار) و ورودي (دبي جريان)، براي به‌ دست آوردن سيستم مخزن (مقصود تمام خصوصيات مخزن شامل شكل مخزن، شكافدار يا غير شكافدار بودن و...،است )  تلاش مي‌شود .

در روش Convolution ابتدا يك سيستم براي مخزن حدس مي‌زنيم و با استفاده از داده‌هاي ورودي، داده‌هاي خروجي را به‌دست مي‌آوريم. اين داده‌ها با داده‌هاي خروجي واقعي مقايسه مي‌شوند و آن‌قدر سيستم را تغيير مي‌دهند تا بهترين تشابه(Match) بين خروجي حاصل از محاسبه و خروجي‌هاي واقعي به‌دست آورند و آن سيستم را سيستم مخزن لحاظ مي‌كنند.
در روش Deconvolution سيستم مخزن را حدس نمي‌زنيم اما با گزاردن محدوديت‌هايي براي سيستم، خروجي‌ها را به‌دست آورده و بعد از مقايسه با خروجي‌هاي واقعي مي‌توان سيستم مخزن را به‌دست آورد.

 DST- 3 :
 Drill stem test تست معمول و رايجي است كه بيشتر مورد استفاده‌ي مهندس بهره‌برداري مي‌باشد. اين تست معمولاً بعد از عمليات حفاري انجام مي‌شود. 
 در اين تست دستگاه Drill stem را روي لوله حفاري مي‌بندند. در پائين آن يك شير كنترل قراردارد كه هنگام پايين آمدن بسته است. دستگاه را به پائين چاه مي‌فرستند درحالي كه فشار داخل لوله خيلي كمتر از فشار هيدروستاتيك گل مي‌باشد. پس از آن‌كه دستگاه درمقابل مخزن قرارگرفت Packer (جداري‌اي لاستيكي كه پس از باز شدن، فضاي بين لوله و لوله‌ي جداري را مسدود مي‌كند) را بازكرده تا فشار ستون گل را از روي مخزن بردارند و هم‌زمان شير كنترل ورودي Drill Stem را بازمي‌كنند تا سيال وارد شود. پس از زماني معين ، شير را مي‌بندند ودر تمام اين مدت داده‌هاي فشارو زمان را ثبت مي‌كنند اين عمل باز و بسته كردن شير را چندين بار انجام مي‌دهند تا سيال توليدي، همان سيال مخزن شود و عملاً جواب تست بهبود يابد. درواقع مي‌توان گفت DST مجموعه چند تست drawdown و Build Up پياپي مي‌باشد.
ادامه دارد...

تدوين: مهندس اصغرصادقي
دانشجوي كارشناسي‌ارشد مهندسي مخازن- هيدروكربوري دانشگاه صنعتي‌شريف
خبرنگار نفت سرويس مسايل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران(ISNA)