آشنایی با پدیده‌های آسیب سازند (Formation Damage) در چاه‌های تولیدی و تزریقی

● واژگان
▪ خمیره سنگ(matrix)
مجموع قسمت‌های جامد(غیر از حفرات) تشکیل دهنده سنگ‌ها را گویند.
▪ پدیده‌ی مخروطی شدن آب و گاز(Gas & water coning )
درهنگام برداشت نفت از چاه اگربه شیوه‌ی درستی از مخزن برداشت نشود، نفت به اطراف حرکت کرده و گاز و آب به ترتیب در بالا و پایین ستون نفتی به حالت مخروطی به داخل ستون نفت وارد می‌شوند، ارتفاع ستون نفت را در آن چاه کاهش می‌دهند و باعث کاهش برداشت نفت از آن چاه می‌شوند
▪ مهاجرت ماسه( Sand migration)
درمخازن ماسه سنگی یامخازنی که دارای مقداری ماسه هستند اگر ماسه شل (loose) باشد، هنگام برداشت نفت یا گاز از آن مخزن، این ذرات ماسه به داخل چاه وارد می‌شوند و باعث می‌شوند خلل و فرج (porosity)مسیرحرکت خود را پر کنند و کیفیت مخزن راکاهش دهند. هم‌چنین این ذرات ماسه باعث ایجاد خوردگی در تاسیسات سر چاه و لوله‌های جداری می‌شوند که باید تمهیدات لازم جهت ثابت کردن(stable) این ذرات ماسه اندیشیده شود ومانع از مهاجرت آن‌ها به سمت دهانه چاه شد.
▪ آسفالتن Asphalten
بخش‌های سنگین نفت را که ظاهر آن همچون قیر است را آسفالتن می‌گویند. پدیده تشکیل آسفالتن نیز از پدیده‌هایی است که در بعضی از میادین ایران هنگامی رخ می‌دهد که بخش‌های سبک نفت به دلایل مختلف مانند water washing ، فعالیت میکروب‌ها(این میکروب‌ها می‌تواند به طور طبیعی در مخزن باشند یا هنگام تزریق آب به مخزب اگر ناخالصی‌های آب گرفته نشود (آب treat نشود) و حاوی این میکروب‌ها باشد) وغیره، از آن جدا شده و یک لایه آسفالتن در قسمت زیرین مخزن تشکیل ‌می‌شود که باعث قطع ارتباط مخزن با قسمت آبران آن شده و انرژی لازم برای بالا آمدن نفت را از آن می‌گیرد.
▪ مخازن گاز میعانی (Gas Condensated Reservoir ):
به مخازنی گفته می‌شود که گاز موجود در آن‌ها در شرایط دما و فشار سطحی به نفت تبدیل می‌شود و این نوع نفت بسیار سبک است و دارای API بالایی (در حدود ۵۰ API )است.
▪ شاخص تولید( Productivity index)
نسبت سیال تولید شده به سیال موجود در مخزن را گویند.
▪ پوسته
فاصله نزدیک چاه که به دلیل عواملی،خواص فیزیکی خود را از دست داده باشد. این عوامل می‌تواند ورود آب از گل حفاری به داخل سازند یا عوارض حاصل از مشبک کاری (سوراخ کردن) و هم‌چنین آزادشدن گاز نزدیکی چاه، به دلیل افت فشار و هم‌چنین رسوب آسفالتین(نوعی نفت بسیار سنگین با گرانروی بسیار بالا) می‌تواند باشند. مقدار پوسته را با یک ضریب به اسم ضریب پوسته نشان می‌دهند.
● آشنایی با پدیده‌های آسیب سازند (Formation Damage) در چاه های تولیدی و تزریقی
چاه های حفر شده در مخازن هیدروکربوری عامل ارتباط سطح و زیرزمین هستند. مهمترین کاربردهای یک چاه تولید سیالات هیدروکربوری و نیز تزریق سیالات گوناگون از جمله آب یا گاز با هدف ازدیاد برداشت و یا دفع آب های زائد می باشد. در ارتباط میان سطح و زیرزمین، فضای داخلی چاه به‌عنوان یک مسیر باز، عامل بازدارنده‌ای به حساب نمی‌آید، اما سازند زیرزمینی به دلیل شرایط فیزیکی متخلخل، محدود کننده‌ی این ارتباط است. به این معنا که ورود سیال از مبداء سازند و یا خروج آن از مقصد بستگی به میزان تخلخل ( Porosity)، نفوذپذیری (permeability) و نوع سنگ سازند از لحاظ دبی و فشار با محدودیت‌هایی مواجه است. قابلیت تولید (Productivity Index) و نیز قابلیت تزریق پذیری(Injectivity Index) شاخص‌هایی هستند که این محدودیت‌ها را بیان می کنند. یک سازند با تخلخل زیاد و نفوذپذیری بالا، در ازای میزان مشخصی از افت فشار، توان انتقال حجم بیشتری سیال از مخزن به چاه را در مقایسه با یک سازند با تخلخل و نفوذپذیری کمتر فراهم می آورد. به هنگام تزریق به چنین سازندی نیز، امکان تزریق سیال با دبی های بالاتر وجود دارد.
پدیده آسیب سازند به هرگونه فرآیند مضری اطلاق می شود که با تأثیر بر روی سازند مخزنی و بویژه تراوایی سنگ مخزن، قابلیت تولید یک چاه نفتی یا گازی و یا قابلیت تزریق پذیری یک چاه را نسبت به حالت طبیعی آن کاهش دهد. بنابرابن آسیب سازند یک پدیده‌ی نامطلوب است که در صورت بروز می تواند مشکلات عملیاتی و زیان‌های اقتصادی فراوانی ایجاد کند. کاهش نرخ تولید یا دبی نفت و گاز از چاه، کاهش نرخ قابل تزریق آب و گاز به درون سازند، افزایش افت فشار در اثر تولید و کوتاه شدن عمر مخزن و نهایتاً کاهش ذخایر هیدروکربنی که تولید آنها با رعایت صرفه اقتصادی مقدور می‌باشد، همگی از آثار آسیب سازند هستند.
اما باید دید که این آثار از چه شدت و حدتی برخوردارند و آیا تأثیر آن‌ها بر عملکرد مخزن و چاه قابل توجه است؟ در واقع شدت آسیب سازند بستگی به عواملی از جمله نوع آسیب و شیوه تکمیل چاه دارد که در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت.
پدیده آسیب سازند می تواند در تمام مراحل مختلف حفاری، تکمیل چاه، تحریک چاه، تعمیر چاه و تولید از چاه اتفاق افتد. عواملی که می توانند موجب آسیب رسانی به سازند شوند را می توان در چهار گروه اصلی دسته بندی کرد:
ـ عومل مکانیکی
ـ عومل شیمیایی
ـ عومل بیولوژیکی
ـ عومل حرارتی
▪ عوامل مکانیکی
از جمله رایج ترین عوامل مکانیکی می توان به مهاجرت ذرات ریز ( Fine Migration) مانند ماسه(Sand Migration) از درون مخزن به سمت چاه اشاره کرد که بستگی به سایز آن‌ها یا در درون سازند و در گلوگاه ارتباط حفره‌ها گرفتار می شوند و مانع از جریان سیال می گردند و یا در صورت عبور از حفره‌ها و ورود به چاه باعث ایجاد ساییدگی شدید در تأسیسات درون و برون چاهی می شوند. دبی تولید و جنس سنگ مخزن در بروز این نوع از آسیب بسیار تعیین کننده می باشد. انسداد ناشی از به دام افتادن سیالات(Phase Trapping) درون محیط متخلخل یکی دیگر از عوامل مکانیکی آسیب سازند است. پدیده تشکیل میعانات گازی در مخازن گاز میعانی و مخروطی شدن آب و گاز از لایه های بالایی به سمت لایه تولیدی از نمونه‌های رایج این نوع آسیب هستند. ساییدگی و صیقل خوردن(Mashing and Glazing) سطح درونی چاه در اثر تماس با مته حفاری نیز از جمله عوامل مکانیکی محسوب می شود که به دلیل شدت گرمای ناشی از گردش مته رخ می دهد و برای ورود سیال به درون چاه ایجاد مشکل می کند. استرس‌های ژئومکانیکی که در اثر فشار لایه‌های بالایی به سازند بروز می کنند و همچنین تلنبار شدن دانه‌های پروپانت ( Proppant Embedment and Plugging) که در عملیات شکاف دادن هیدرولیکی سازند به کار می روند از دیگر عوامل شناخته شده در آسیب سازند می باشند.
▪ عوامل شیمیایی
منظور از عوامل شیمیایی، برهمکنش سنگ و سیال، برهمکنش سیال- سیال و تغییرات ترشوندگی(Wettability) سنگ سازند است که هر کدام به شکلی در آسیب رساندن به سازند و کاهش قابلیت تولید چاه نقش دارند.
آشناترین مثال از برهمکنش سنگ و سیال که موجب آسیب سازند می‌شود، آماس کردن و متورم شدن ذرات رسی سنگ مخزن در نتیجه‌ی تماس با آب است. با جذب مولکول‌های آب در درون خمیره سنگ، مولکول‌های رس این خمیره‌ افزایش حجم می‌یابند و با متورم شدن آن‌ها مسیر جریان درون سازند محدود می‌شود. پدیده‌ی شیمیایی پیچیده‌ی دیگری که در اثر پایین بودن شوری آب سازند یا بالا بودن pH آب رخ می دهد لخته شدن ذرات رس است. حرکت این لخته‌ها درون سازند موجب گیر افتادن آن‌ها در گلوگاه حفره‌های به هم متصل سنگ و مسدود کردن آن‌ها و در نتیجه انسداد مسیر جریان سیال هیدروکربنی می‌شود. برآشام شیمیایی(Chemical Adsorption) نیز که به معنای جذب مواد شیمیایی از جمله پلیمرها توسط دیواره خلل و فرج سنگ و انبساط این دیواره‌هاست از دیگر عوامل شیمیایی آسیب سازند است. از آنجایی که این انبساط نسبتاً ناچیز است در سنگ‌های با تراوایی بالا چندان تأثیری ندارد، اما اگر مسیرهای جریان از ابتدا باریک باشند، انبساط دیواره‌ها و نزدیک شدن آن‌ها به یکدیگر کار را برای عبور سیال دشوارتر می کند.
برهمکنش سیالات ناهمساز و یا تغییرات ناگهانی فشار و دمای سیال موجب ایجاد انواع رسوب و امولسیون در درون سازند می‌شوند که آسیب سازند را به دنبال دارند. آشناترین انواع رسوب عبارتند از واکس و آسفالتین(Wax and Asphaltenes) در سیالات نفتی و هیدرات‌ها و دایاموند(Hydrates and Diamonds) در سیالات گازی. واکس از زنجیره‌ی طولانی اتم‌های کربن تشکیل می‌شود که عمدتاً در اثر کاهش دمای سیال از فاز نفت جدا می‌شوند. آسفالتین از مولکول‌های غیر همگن قطبی با جرم مولکولی بسیار زیاد تشکیل شده که محتوی اتم های کربن، گوگرد، اکسیژن و هیدروژن هستند. دلایل و شرایط قطعی تشکیل این رسوب‌ها و بازگشت پذیر بودن این پدیده‌ها هنوز به درستی مشخص نشده است و محققان نظرات متفاوت و بعضاً متناقضی در مورد آن‌ها بیان کرده‌اند. هیدرات از ترکیب گاز و آب در دماهای پایین تشکیل می شود و دایاموند ذرات جامدی از جنس کربن هستند که با کاهش دما و فشار ایجاد می شوند. تغییرات ترمودینامیکی و یا برهمکنش سیالات ناهمساز همچنین می تواند به تشکیل ذرات Scale و سایر ذرات شناور منجر شود که اثرات زیانباری داشته و در نتیجه باعث کاهش تراوایی سازند و و ایجاد سایش در تأسیسات درون چاهی و سرچاهی می‌گردد.
از برهمکنش آب و نفت امکان تشکیل امولسیون نفت در آب (که در آن آب فاز پیوسته و نفت فاز پراکنده است) یا آب در نفت نیز وجود دارد. هرچند که امولسیون نفت در آب به دلیل عدم تغییر در گرانروی سیال اشکالی در فرآیند تولید ایجاد نمی کند اما امولسیون آب در نفت که نفت فاز پیوسته و آب فاز پراکنده آن را تشکیل می دهد، به دلیل رفتار غیرنیوتنی سیال، موجب کند شدن حرکت سیال و آسیب سازند می گردد.
آخرین دسته از عوامل شیمیایی آسیب سازند مربوط به تغییر ترشوندگی سنگ مخزن است.در حالت طبیعی هر دو نوع سنگ کربناته و ماسه‌ای آب دوست هستند. اگر به دلیل تماس با مواد شیمیایی که از طریق گل حفاری و یا تزریق برخی مواد شیمیایی به درون سازند وارد شده‌اند و یا در اثر تغییرات دمای مخزن، ترشوندگی سنگ از نوع آب دوست به نفت دوست تغییر یابد، آنگاه تراوایی نسبی نفت به دلیل چسبندگی آن با سطح دیواره خلل و فرج کاهش می یابد و جریان نفت درون سازند دشوارتر می گردد.
▪ عوامل بیولوژیکی
عوامل بیولوژیکی در قالب فعالیت باکتری‌های غیرهوازی(باکتری‌هایی که برای ادامه‌ی زندگی به اکسیژن نیاز ندارند) که معمولاً از طریق گل حفاری و یا تزریق سیالات به درون مخزن راه می یابند و می توانند باعث انسداد و گرفتگی مسیر جریان درون سازند و در نتیجه آسیب رساندن به آن شوند تعریف می گردند. این نوع آسیب علاوه بر کاهش قابلیت تولید چاه، منجر به بروز خوردگی و همچنین مشکلات ناشی از تولید گاز سمی H۲S نیز می گردد.
▪ عوامل ترمودینامیکی
دمای مخازن در حالت معمول ثابت فرض می شود. در مواردی که روش های ازدیاد برداشت همچون تزریق بخار آب و یا تزریق آب از منابعی که اختلاف دمایی زیادی با سیال مخزن دارند صورت می گیرد، امکان تغییر دمای مخزن وجود دارد. در این موارد عوامل حرارتی می توانند با شدت بخشیدن به عواملی چون تغییر ترشوندگی و یا افزایش سرعت واکنش‌های شیمیایی به بروز پدیده آسیب سازند سرعت بدهند.
مسئله مهم دیگر در ارزیابی آسیب سازند، شیوه‌ی به کار رفته در تکمیل چاه(Well Completion) است. شیوه‌های رایج تکمیل چاه عبارتند از: تکمیل با "حفره باز"( Open Hole) و "حفره جداره دار"( Cased Hole). در تکمیل با حفره باز، پس از حفر چاه و وارد شدن به سازند مخزنی، ارتباط دیواره چاه با مخزن به صورت طبیعی و بدون حایل برقرار می شود. در این روش جداره‌های فولادی که در بخش‌های بالاتر چاه ـ به منظور جلوگیری از ریزش دیواره چاه و نیز ممانعت از ورود سیالات به درون چاه یا هرزروی گل حفاری به درون لایه‌های زیرزمینی ـ کار گذاشته می شوند، به قسمت انتهایی چاه وارد نمی شوند و ناحیه‌ی تولیدی در ارتباط مستقیم با سنگ مخزن است. در حفره جداره دار، همانگونه که از نام آن پیداست، جداره‌های فولادی تا انتهای عمق چاه وارد می شوند و سپس برای برقراری ارتباط حفره چاه و سازند مخزنی، عملیات مشبک کاری انجام می شود که با سوراخ کردن اطراف جداره فولادی، راه ارتباطی برای ورود سیال هیدروکربنی از مخزن به درون چاه برقرار می‌گردد. در عملیات مشبک کاری، عمق نفوذ سوراخ‌های ایجاد شده از چند سانتی‌متر تا چند ده سانتیمتر متغییر است. از آنجایی که بیشترین آثار منفی آسیب سازند معمولاً در اطراف چاه و به شعاع کمتر از نیم متر رخ می دهد، سوراخ های ایجاد شده در درون سازند به هنگام تکمیل چاه به روش حفره جداره دار می توانند این فاصله را پشت سر بگذارند و تا حدود زیادی باعث حذف آثار منفی آسیب های ایجاد شده در سازند شوند. برخلاف روش تکمیل حفره جداره دار، در روش تکمیل حفره باز، آسیب های وارده به سازند کاملاً اطراف چاه را تحت تأثیر قرار می دهند و با ایجاد یک پوسته(Skin) در حوالی چاه، مانع از ورود بی دردسر سیال به داخل چاه می شوند.
آسیب سازند یک پدیده اجتناب ناپذیر است. هرچند که با رعایت اصول مهندسی می توان از شدت آن کاست و یا بروز آن را به تعویق انداخت اما در بلند مدت ترمیم سازند جهت حفظ توان تولید اقتصادی یک چاه، ناگزیر است. جهت ترمیم سازند یا می‌بایست پوسته ایجاد شده در اطراف چاه را حذف کرد و یا به طریقی با عبور از آن ارتباط حفره چاه با بخش آسیب ندیده سازند را برقرار نمود. اولین گام در ترمیم سازند شناخت دقیق عوامل ایجاد آسیب و نوع و شدت آسیب است. تست های آزمایشگاهی یک عامل کلیدی در شناخت آسیب ایجاد شده هستند. همچنین مجموعه ی کاملی از تاریخچه چاه مورد نیاز است که اطلاعات تمامی فازها از حفاری تا تولید را بدست دهد. اطلاعات جمع آوری شده می بایست توسط تیمی از متخصصان که شامل زمین شناس، متخصص ژئوشیمی، شیمیدان و البته مهندس نفت است مورد تجزیه و تحلیل قرار بگیرد و روش بهینه ترمیم سازند و چگونگی اعمال آن تعیین گردد.
روش های ترمیم سازند و بازیافت قابلیت تولید چاه در مطلب جداگانه ای مرور خواهد شد.

تدوین :
مهندس امین غلامی ـ دانشجوی کارشناسی ارشد مخازن هیدروکربوری- دانشگاه صنعت نفت تهران و کلگری کانادا ـ خبرنگار نفت سرویس مسایل راهبردی دفتر مطالعات خبرگزاری دانشجویان ایران(ISNA)

منبع : خبرگزاری ایسنا