آشنایی با مفاهیم ایجاد شکستگی های مصنوعی به روش هیدرولیکی

مفاهیم مهندسی نفت

● Hydraulic Fracturing

از نقطه نظر مهندسی نفت و گاز و بهره برداری از مخازن هیدروکربوری، افزایش بهره دهی در چاه‌ها به‌ویژه در چاه‌هایی با نفوذ پذیری کم یا چاه‌های آسیب‌دیده یکی از مهمترین اهداف می باشد. تا به امروز روش‌های متفاوتی برای افزایش میزان بهره‌دهی چاه‌ها ارائه و انجام شده‌است که هر یک می‌تواند به طریقی موجب بهبود عملکرد چاه‌ها گردد. از مهمترین روش‌های بهبود بهره‌دهی چاه‌ها، اثر گذاشتن بر فیزیک سنگ مخزن می‌باشد که در آن سعی می‌شود تا ساختار فیزیکی سنگ مخزن بهبود یابد. از جمله مهم‌ترین این روش‌ها می‌توان به ایجاد شکستگی‌های مصنوعی در سنگ مخزن اشاره کرد.

همانطور که می دانیم، نفت و گاز در فضای حفره‌ها و شکاف‌های طبیعی در سنگ‌های زیر سطح زمین تجمع می‌یابد. وقتی که چاهی در درون این سنگ‌های حاوی سیالات هیدروکربنی، حفاری می‌شود به علت ایجاد پروفایل فشاری، سیالات باید از داخل سنگ‌های اطراف چاه به درون چاه حرکت کنند و سپس از درون چاه به سطح زمین منتقل شوند. اگر خلل و فُرج‌هایی که در سنگ مخزن وجود دارند به هم متصل باشند و سیال به راحتی به درون چاه حرکت کند، سنگ مخزن را سنگی با نفوذ پذیری بالا می‌دانیم ولی در مورد نفوذپذیری‌های پایین، سیال به راحتی قادر به حرکت از داخل سنگ مخزن به درون چاه نیست. در این گونه موارد کانال‌های داخل سنگ، آن‌گونه که باید، اجازه‌ی حرکت سیال را به درون چاه نمی‌دهند پس چاه بهره‌وری اقتصادی ندارد زیرا به مقدار لازم از آن چاه سیال نفتی یا گازی تولید نمی‌شود. به همین دلیل نیاز به ایجاد شکاف‌ها و کانال‌های مصنوعی در داخل سنگ مخزن احساس می‌شود. که در واقع این کانال‌ها توان سنگ مخزن را برای هدایت سیال به درون چاه بالا می‌برند، این کانال‌ها معمولاً توسط عملیات شکاف هیدرولیکی(Hydraulic Fracturing) ایجاد می‌شوند.

ایجاد شکستگی مصنوعی یکی از روش‌های رایج در جهت انگیزش چاه‌ها برای افزایش تولید نفت و گاز می باشد. در شکاف هیدرولیکی، شکاف‌هایی از دیواره‌ی چاه به سوی سازند تولیدکننده‌ی نفت و یا گاز ایجاد می شود. این تکنولوژی بارها در دنیا مورد استفاده قرار گرفته و هم اکنون نیز در حال به کارگیری است. در حین حفاری هر چاه، به‌ویژه چاه‌های گازی، هر چه عمق بیشتر می‌شود، همراه با عمل حفاری و تکمیل چاه حتما باید از فن‌آوری ایجاد شکاف هیدرولیکی نیز در چاه استفاده کرد. فن‌آوری شکاف هیدرولیکی می تواند تولید یک چاه را حداقل تا دو برابر افزایش ‌دهد. پیشینه‌ی استفاده از این روش به سال ۱۹۴۸ برمی گردد که در یکی از مخازن گازی آمریکا انجام شد. اما اولین بار در سال ۱۹۴۹ از این روش به صورت تجاری و با بهرهدهی اقتصادی استفاده شد و به خاطر موفقیتی که در افزایش تولید آن چاه نفتی داشت، سریعا گسترش یافت. در حال حاضر بیش از نیمی از چاه‌های گازی و نفتی آمریکا بدون فن‌آوری شکاف هیدرولیکی، قادر به تولید نیستند. امروزه در منطقه آمریکای شمالی حدود ۲۵۰۰۰ مورد ایجاد شکستگی مصنوعی در سال انجام می گیرد.

در این منطقه ایجاد شکستگی‌های مصنوعی در حدود ۵۸% مربوط به چاه‌های گازی و ۳۸% مربوط به چاه‌های نفتی است. تولید نفت در تمام چاه‌هایی که از تکنولوژی شکاف هیدرولیکی استفاده می‌کنند ۲ تا ۵ برابر شده است. تا کنون مطالعات زیادی در مورد این روش صورت گرفته‌است که نتایج آن در کتاب‌ها و مقالات متعدد به چاپ رسیده است. استفاده مناسب از این روش می تواند در بهبود نفوذپذیری سنگ مخزن و در نتیجه بهبود شاخص بهره‌دهی چاه‌ها نقش موثری ایفا نماید. به این منظور لازم است تا ضمن بررسی عوامل مختلف تاثیر گذار بر بازدهی فرایند ایجاد شکستگی‌های مصنوعی، تاثیر این فرایند بر افزایش بازدهی چاه‌ها در مخازن ایران مورد بررسی قرار گیرد. از جمله ‌ی مهترین عوامل تاثیرگذار بر روی شکاف هیدرولیکی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱) انتخاب بهترین سیال به منظور ایجاد شکاف و پر کردن شکافها و روشی جهت ایجاد شکستگی در مخازن نفتی و گازی: که تاثیر بسیار مهمی در بازده این عملیات دارد و اگر این دو عامل به درستی و متناسب با شرایط مخزن صورت نپذیرد، عملیات شکاف هیدرولیکی تاثیر به‌سزائی بر روند تولید از مخزن نخواهد داشت. سیالی که برای ایجاد شکاف‌های هیدرولیکی بکارمی‌رود یعنی Hydraulic Fracturing Fluid یکی از پیچیده‌ترین سیالات است که از مواد زیادی تشکیل شده است. یکی از این مواد پروپن است. پروپن ماده‌ای‌ است که از ذرات مختلفی مانند سرامیک، شیشه و پلیمر تشکیل شده است. با ایجاد شکاف در لایه، این مواد در داخل شکاف‌ها قرار می‌گیرند تا از بسته شدن آن‌ها جلوگیری کنند.

۲) چگونگی انتخاب یک چاه، سازند یا میدان مناسب جهت انجام عملیات ایجاد شکستگی مصنوعی: ممکن است نیازی به ایجاد شکاف در همه‌ی چاه‌های یک مخزن نباشد و لذا به منظور صرفه جوئی اقتصادی انتخاب چاه و سازندی که باید در آن شکاف مصنوعی ایجاد شود از حساسیت بالایی برخوردار است.

۳) چگونگی اثر خواص مکانیکی سنگ بر عملیات ایجاد شکستگی و در ژئومتری(شکل هندسی) شکستگی‌های ایجاد شده با این روش: باید خواص سنگ مخزن به طور کامل تعیین شود تا در موقع ایجاد شکاف مساله‌ی بازدارنده‌ای ایجاد نشود و عملیات موفقیت آمیز صورت بپذیرد.

۴) چگونگی تاثیر شکستگی‌های مصنوعی و طبیعی بر هم: که باید تاثیر آن‌ها به درستی مورد مطالعه قرار گیرد.

●چگونگی ایجاد شکاف از نقطه نظر مکانیک سنگ:

از لحاظ مکانیک سنگ ایجاد شکاف مصنوعی در سنگ را این‌گونه می‌توان بیان کرد: هر نوع سنگ سازندی به طور کلی میزانی از قدرت ( استحکام) را که به ساختار سنگ، فشردگی آن سنگ و سیمانی بودنش وابسته است، از خود نشان می‌دهد. نیروهایی که تمایل به کنار هم نگه داشتن سنگ‌ها را دارند شامل میزان استرس بر روی سنگ‌ها و استحکام هر سنگ به خودی خود می‌باشند. وقتی که چاه پر از سیال می‌شود و فشاری از روی سطح بر روی سیال گذاشته می‌شود، فشار سیال در مکان سوراخ‌های درون چاه ( Perforation) و حتی حفرات سنگ مخزن افزایش می‌یابد. فشار هیدرولیکی به صورت مساوی در کلیه‌ی جهات اعمال می‌شود. اگر فشار تا اندازه‌ای افزایش یابد که نیرویی که در اثر این اعمال فشار ایجاد می‌شود، برابر با نیرویی شود که آن نیرو تمایل به نگه داشتن سنگ‌ها در کنار هم است، در اثر اعمال هر مقدار فشار اضافه‌تر باعث می‌شود که در سنگ مخزن شکستگی‌ها و شکاف‌هایی ایجاد شود. گستردگی این شکاف‌ها با توجه به میزان فشاری که بر سیالات است که در اثر تزریق سیال می‌باشد، قابل کنترل است. وقتی که فرآیند انجام شد و جریان معکوسی به خاطر تولید سیال در چاه برقرار شد، فشار به صورت تدریجی تا فشار مخزن کاهش می‌یابد. هنگامی که این امر صورت می‌پذیرد، نیرویی که تمایل به نگه داشتن سنگ‌ها در کنار هم دارد، دوباره نیروی غالب شده و شکاف‌ها بسته خواهند شد. برای جلوگیری از این حالت، باید یک‌سری مواد جامد در داخل شکاف‌ها قرار داده بشوند که بتوانند شکاف را باز نگه دارند. این مواد، مواد پر کننده ( Propping agent) نامیده می‌شوند. به خاطر این‌که نفوذ پذیری این مواد بسیار بالاتر از نفوذ پذیری سنگ مخزن می‌باشد لذا توانایی شکاف‌های پر شده در هدایت سیال به درون چاه باعث افزایش تولید می‌شود. در حقیقت ایجاد شکاف عملیاتی است بسیار مفید جهت تولید که در بسیاری از چاه‌ها و میدان‌ها قابل اجرا می‌باشد که اگر استفاده نشود این چاه‌ها و میادین قابلیت تولید اقتصادی نخواهند داشت.

● سازند‌های سازگار با شکاف هیدرولیکی:

سازندهایی که عملیات شکاف مصنوعی در آنها قابل اجرا می‌باشند تقریبا همه‌ی سازندها هستند به غیر از آن‌هایی که سازندهای بسیار نرم می‌باشند. مثلا عملیات شکاف به طور موفقیت‌آمیزی تاکنون در سازندهای ماسه‌ای، limestone ، دولومیتی، کنگومراها و حتی شیل‌های سخت و شکننده و ... انجام پذیرفته است ولی در سازندهای با طبیعت پلاستیکی شیل‌های نرم و رس‌ها انجام نپذیرفته است و ایجاد شکاف در آن‌ها بسیار سخت می‌باشد.

● انواع سیالات شکاف:

سیالات شکاف (Hydraulic Fracturing Fluids)به طور کلی به ۳ دسته‌ی وسیع تقسیم می‌شوند:

۱) پایه آبی

۲) پایه روغنی

۳) پایه مخلوط (mixed based)

این طبقه‌بندی بر اساس ترکیب اصلی سیال شکاف انجام شده است.

البته ( پایه آبی aqueous – based) فاز اصلی آن یا آب است و یا اسید و پایه‌ی مخلوط فاز اصلی‌اش امولسیون (مخلوط معلق) است.

▪ مواد پر کننده شکاف:

مواد پر کننده نیز ( پروپن ) همانگونه که گفته شد نقش به سزایی در شکاف هیدورلیکی دارند. میزان پروپن مورد نیاز، حالتی که این مواد در داخل شکاف‌ها قرار می‌گیرند و مشخصات این مواد، ۳ عامل بسیار مهم هستند که در شاخص تولید از چاه نقش حیاتی را ایفا می‌کنند. ۶مشخصه‌ی مهم این مواد پرکننده که بر نتیجه‌ی عملیات تاثیر به سزایی دارند به قرار زیرند:

۱) استحکام ذرات

۲) سایز ذرات

۳) توزیع سایز ذرات

۴) فاکتور گردی ذرات

۵) کیفیت ماده پر کننده ( میزان ذرات سالم و ناخالصی‌ها)

۶) دانسیته‌ی پروپن

● فن آوری ایجاد شکاف:

ایجاد شکاف مصنوعی بسیار سریع در اکثر نقاط گسترش یافت؛ علت این امر به خاطر میزان موفقیت نسبی این پروژه و تولید بیشتر نفت و گاز بود و سپس در طی چندین سال، هزاران چاه در سال با این فن‌آوری به تولید پرداختند. امروزه استفاده از این فناوری به گونه‌ای است که چندین هزار گالن از سیال و بیشتر از یک میلیون پوند از پروپن ( Propping agent) تزریق می‌گردد. البته سرعت تزریق در بعضی مواقع حتی تا ۳۰۰ بشکه در دقیقه هم رسیده است. به طور متوسط سرعت تزریق بین ۲۰ تا ۶۰ بشکه در دقیقه می‌باشد. مواد استفاده شده، وسایل مورد نیاز جهت ایجاد شکاف و تکنیک استفاده از این روش بسیار پیچیده می‌باشد که در (شکل ۱) نشان داده شده است.

تدوین:

مهندس شبیر نبوی ـ دانشجوی کارشناسی ارشد مخازن هیدروکربوری- دانشکده فنی - دانشگاه تهران ـ خبرنگار مهندسی نفت سرویس مسایل راهبردی دفتر مطالعات خبرگزاری دانشجویان ایران(ISNA)