سیالات حفاری

معماری فرهنگ قوم لر حفاری وسیالات حفاری تمدن لرستان

 
تعاریف مهم عملیات حفاری
نویسنده : رضا سپهوند - ساعت ٦:٢٠ ‎ق.ظ روز ۱۳٩٠/۱۱/۸
 

تعاریف:

   

v     PRESSURE GRADIENT 

فشار اعمال شده بوسیله ستونی از مایع به ارتفاع یک فوت.وبا تقسیم وزن مایع مورد نظر برحسب پوند بر فوت مکعب برعدد 144 بدست می آید.

                                                                            G=  پام بر فوت

v     HYDROSTATIC PRESSURE

عبارت است از فشار مایع در حال سکون بر هر نقطه داخل چاه بعلت وزن گل بالای آن ومقدار آن بستگی به اندازه وشکل ستون گل نداشته و با ارتفاع ستون گل رابطه مستقیم دارد.

Pفشار و برحسب پام PSI وdعمق برحسب فوت ووزن گلw برحسب پوند بر فوت مکعبpcf

v     فشار لایه ها OVERBURDEN PRESSURE

فشار وارد از طرف لایه های بالا که شامل مواد رسوبی تشکیل دهنده لایه ها و مایع داخل تخلخل سنگ آن می باشد. این فشار بطور نرمال یک پوند بر فوت مکعب میباشد.

v     فشار سازندFORMATION PRESSURE

فشار وارد بر مایع داخل تخلخل سنگ های رسوبی را می نامند. اغلب چاههائیکه بمنظور دستیابی به نفت حفر می شوند از میان سنگهای رسوبی  عبور میکنند.یکی از فاکتورهائیکه خیلی از خصوصیات سنگهای رسوبی را مشخص میکند مراحل فشرده شدن COMPACTION آن از آغاز می باشد که در طی این مرحله حجم آن بخاطر وزن لایه های بالا کاهش یافته است.در طی بررسی مشکلات حفاری با دو نوع فشردگی لایه ها مواجه هستیم. فشردگی عادیNORMAL و فشردگی غیر عادی ABNORMAL.

فشردگی عادی معمولا باعث میگردد که مایع موجود هم دارای شیب فشار عادی باشد.مگر در مواقعی که بخاطر ناهمواری های طبیعی یا وجود هایدروکربن دارای شیب فشار غیر عادی باشد.فشردگی غیر عادی اکثرا منتهی به فشار غیر عادی مایع موجود میشود.

شیب فشاری عادی برابر با 465/.پام بر فوت میباشد.بنابراین اگر شیب فشاری بیشتر از 465/.پام بر فوت باشد که در وافع فشار غیر عادی سازند یا فشردگی غرعادی می باشد.حد نهائی آن معمولا یک پام بر فوت مکعب است البته در سازند گچساران مقدار آن حتی از یک پام بر فوت تجاوز میکند.وجود آب نمک با فشار زیاد در سازد گچساران ناشی از خاصیت پلاستیکی لایه های نمکی موجود در آن میباشد.

در واقع در موقعیکه آب موجود از طریق لایه های شنی مجاور(یا هر سنگ متخلخلی)ویا به وسیله هر وسیله دیگری بسطح زمین مرتبط باشد میگوئیم آب داخل سازند دارای فشار عادی یعنی شیب فشار465/.پام بر فوت میباشد.واگر آب خروجی از لایه های شیلی بدلایلی ازجمله عدم وجود لایه های شنی مجاور آن نتواند با سطح زمین در ارتباط باشد آب محبوس شده دارای فشار بیشتری خواهد بود چون مجبور است مقداری از وزن لایه های بالا را تحمل کند و SHALEهم دارای فضای تخل بیشتری خواهد بود.

در حالت فشار عادی تا قبل از رسیدن به مخزن هیدروکربوری وزن گل حفاری برای کنترل چاه میبایستی با توجه به ارتفاع سکوی  و محل ارتباط لایه(آب نمک) مورد نظر با سطح  تقریبا از گارادیان فشاری پیروی کند.

v     محاسبه وزن گل حفاری برای حفاری مخزن:

v     برای محاسبه وزن گل حفاری با توجه به موجود بودن اطلاعات مخزن مثلا فشار مخزن در عمق مبنا و گرادیان سیال مخزن براحتی میتوان با توجه به پیش بینی عمق ورود به مخزن در هر چاهی وزن گل را محاسبه نمود.

v     فشار سیستم گردش گلCirculating pressure :
 فشاری که لازم است بر اصطکاک بین گل حفاری و هر آنچه با آن مرتبط است در هر بده gpmپمپی فائق آید .که در واقع فشار پمپ مجموع افت فشارهای  موجود در سطح و داخل لوله ها و مته و فضای حلقوی می باشد..

v     فشار و فشار شکستPressure & Fracture gradients :

یکی از اطلاعات بسیار مهم برای برنامه ریزی  درست یک چاه از جمله عمق لوله های جداری و آستری  و وزن گل برای هر قسمت نوع سر لوله جداری  فورانگیر ها و تکنیک حفاری و تکمیل و آزمایش آن میباشد.

فشار سازند همانطوریکه قبلا گفته شد فشار مایع موجود در سازند است.

فشار شکست فشاری است که میشود مایع داخل سازند فرستاد. 1-شکستن سازند 2-یا شکستگی های طبیعی در خود سازند .هرزروی گل در زمان حفاری  در ارتباط با فشار شکست است.

دانستن فشار شکست برای کنترل چاه موقع فوران از عوامل محدود کننده بسیار مهم بوده ودارای اهمیت بالائی می باشد.زیرا شکست سازند هرزروی گل  را در پی خواهد داشت و با هرزروی گل کشتن چاه مشکلتر شده و بدنبال آن هزینه حفاری بالا خواهد رفت.

v     تخلخل سنگ:

عبارتست از میزان فضای خالی موجود در واحد حجم سنگ  که بصورت درصد بیان میشود.

v     تراوائی سنگ:

اندازه ای است از خصوصیات جریان سیال در یک سنگ.ضمنا سرعت حفاری در سنگ های متخلخل و تراوا نسبت به سازندهای غیر متخلخل و سخت بیشتر است.

 

 

Typical gradient for on shoe Iran

Formations

Pore pressure

Mud pressure

Fracture pressure

Aghajari

.433

.450

.68

Mishan

.465

.479

.70

Gachsaran7

.465

.50

.78

Gachsaran6-1

.8-1

.85-1.10

1.1

Asmari

.24-.49

.433-.56

** 0.74

Pabdeh

.5-.54

.52-.56

.81

Gurpi

.5-54

.52-.56

.83

Ilam

.54

.56

* 0.74

Sarvak

.54

.56

* 0.74

Fahliyan

.54

.56

* 0. 79

**highly fractured      *lightly fractured

v     تنش STRESS:
عبارتست از نیروئی که بر واحد سطح اعمال میشود.که به سه مولفه اساسی زیر تقسیم میشود:
تنش تراکمی Compressive stressکه یک نیروی فشار دهنده میباشد.
تنش کششیTension stress:که یک نیروی کشنده یا افزایش دهنده طول می باشد.
تنش برشیStrain stress:که یک نیروی قاچ دهنده یا شکافنده می باشد.

v     کرنش:

عبارتست از تغییر شکل یک ماده در برابر تنش اعمال شده است.این تغییر شکل بسته به نوع ماده وبزرگی تنش اعمال شده به یکی از دو صورت زیر ظاهر می شود:

v     الاستیک, اگر تنش ایجاد شده پائین تر از حد الاستیک ماده باشد به محض برداشتن تنش ماده به شکل و اندازه اولیه باز میگردد.

v     پلاستیک, اگر تنش اعمال شده از حد الاستیک ماده تجاوز کند ماده دستخوش تغییر شکل دائم خواهد شد.وتنش بیشتر باعث تغییر شکل بیشتر ودر ادامه تا به نقطه شکست ماده وقتیکه برسد باعث شکست می شود.

v     اگر کسستگی یاشکست قبل از اینکه تغییر شکل پلاستیک قابل ملاحظه ای صورت گیرد رخ دهد ماده مورد نظر ترد وشکننده طبقه بندی می شود.از طرف دیگر اگر ماده تنها پس از تحمل میزان قابل توجهی تغییر شکل پلاستیک گسسته شود آن ماده انعطاف پذیر خوانده می شود.قابل ذکر است تحت شرایط متفاوت یک ماده ممکن است از خود رفتار شکنندگی یا انعطاف پذیری نشان دهد.

API Gravity (degrees) = (141.5/sp.gr.)-131.5

v     قیمت نفت بستکی به وزن نفت دارد و هر چقدر که وزن نفت بیشتر باشد دارای درجهAPI کمتر بوده وبرعکس.بنابراین نفت های سبکتر که دارای درجه API بالاتری نسبت به نفت سنگین می باشند گرانتر از نفت با درجه APIپائین تر می باشند.

v     درجه حرارت چاه در عمق Dفوتی درجه حرارت در سطح (فارانهایت)Taبا توجه به گرادیان درجه حرارت (100فوت/درجه فارانهایت)g

TD=Ta + g*D

v     مقدار بار وارد به دکل حفاری با توجه به سرعت باد(متر برساعت)VوPفشار بادlb/ft2ونیروی وارد به دکل در اثر بادF

             F=P*Aو P=0.004*V**2

v     محاسبه نیروی لازمه در لوله بالا و پائین کردن استرینگ.

Fd=((n+2)/n)w

v     wوزن استرینگ وn  تعداد کابل روی قرقره و      

v     Fd=total compressive load on the derrick

v     سرعت کابل حفاری VL برابراست با تعدادکابل در قرقره ضربدر سرعت حرکت کابل در قرقره های Traveling blockیاVh.

VL=n*Vh

عوامل موثر بر سرعت ومیزان حفاریFactors affecting penetration rate

همانطوریکه میدانیم  هزینه حفاری رقم بسیار بزرگی بوده ومهندسین صنعت حفاری با همکاری دیگر ادارات مرتبط سعی بر آن دارند که با شناخت هرچه بیشتر عوامل بیرونی ودرونی وهمچنین خواص سنگها واستفاده از دکل های و وسایل با قدرت و توان بیشترضمن بخدمت گرفتن تکنولوژی های پیشرفته زمان حفاری را به کمترین زمان ممکن برسانند.

عوامل بسیار متنوعی بر پیشرفت زمان حفاری موثر می باشند . اما همانطوریکه میدانید همیشه حداکثر سرعت میزان حفاری به معنی کاهش هزینه نمی باشد.زیرا ممکن است عوامل دیگری مثل کاهش عمر مته یا خرابی دستگاه و غیره خود باعث افزایش هزینه شود.بنابراین با در نظر گرفتن عوامل زیر سعی  می شود بیشترین متراژحفاری از مته گرفته و در نتیجه کاهش هزینه cost/mt  شویم.

v     بعضی از عوامل که تاثیر بیشتری بر میزان حفاری و طول عمر مته دارند بقرار زیر می باشند.

1)      بازدهی افراد و کارکنانPersonal efficiency

a)      Competenceشایستگی یا لیاقت

Experienceتجربه

Special trainingآموزش درست

b)      عوامل روانی یا روانشناسی
company employee relations-1 وابستگی کارمند به شرکت
2- Pride in job میزان علاقه وتعصب به کار
3-Chance for advancementمجال یا فرصت پیشرفت یا ترقی

2)      Rig efficiency بازدهی دکل

a)      State of repair ,preventive maintenanceمکان تعمیرات و نگهداری و عوامل پیشگیری

b)      Proper sizeاندازه وخواص دکل با توجه به هدف حفاری.

c)      Ease of operation, degree of automat city, and power equipment راحتی عملیات وخودکار بودن وسایل و تجهیزات دکل ومیزان قدرت دکل با توجه به عمق حفاری.

 

3)      Formation  characteristics  عوامل سازندی یا طبقات حفاری

a)      Compressive strengthمیزان فشرده گی مقاومت تراکمی سازند

b)      Hardness and abrasiveness میزان سختی وسائیده گی یا خورنده گی سازند برای مته ووسایل حفاری.

c)       State of underground stress (overburden pressure etc) وضعیت تنش وتکتونیکی  سازند ها

d)     Elasticity brittle & plastic وضعیت خواص مکانیک سنگ (الاستیک وپلاستیک و شکننده گی)

e)      Stickiness or balling tendencyمیزان چسبندگی یا میل به باد کردن سنگ

f)       Permeability تراوائی یا نفوذ پذیری

g)      Fluid content  and interstitial pressureسیال سازند ومیزان فشار آن

h)       Porosityتخلخل

i)        Temperatureدرجه حرارت

4)      Mechanical factors عوامل مکانیکی

a)      Weight on bit

b)      Rotating speed

c)      Bit type

d)     Type of BHA

5)      Mud properties خواص گل حفاری

a)      Densityوزن گل

b)      Solid contentدرصد مواد جامد موجود درگل

c)      Flow property خواص جریانی گل

d)     Fluid lossعصاره گل

e)      Oil contentدرصد گازوئیل

f)       Surface tension-wet abilityتنش سطحی گل

6)      Hydraulic factors-essentially bottom hole cleaning عوامل هیدرولیکی وتمیز سازی حفره

 

Formation characteristicsعوامل سازند

v     سازند ها را با توجه به مقاومت تراکمی یا مقاومت ذاتی سنگ که بنوبه خود برترکیب روش ته نشینی و تراکم سنگ استوار است به سه دسته کلی تقسم میشود :

  1. طبقات نرم: مثل رس ها و شیل ها که بدون سیمان بین دانه ای ویا بسیار ضعیف ( سیمان ماسه ای) می باشند.
  2. طبقات متوسط: بمانند بعضی از شیل ها و لایمستون های متخلخل و دولومیت های با ماسه (سیمان بین دانه ها)تقویت شده اند و سنگ گچ تقسیم میتوان کرد. هر چند در حفاری سازند ها در ایران ما سازند نرم را به دو طبقه
  3. طبقات سخت :مثل لایه های لایمستون و دولومیت های سخت و ماسه سنگ های با سیمان سخت وهمچنین کواتزیت و چرت و.....لازم به توزیع میباشد که در صنعت حفاری در ایران طبقات متوسط و سخت به سه طبقه  (نرم متوسط-سخت متوسط –سخت)تقسیم میشوند که در ذیل بصورت تقریبا مفصل به آن خواهیم پرداخت.

طبقات نرمSoft formation

این لایه ها عمومآ لایه های سطحی می باشند که دارای مقاومت تراکمی خیلی کم وبسیار نرم و نامستحکم می باشند از دیگر خواص این سنگ ها چسبندگی بالای آنها می باشد واین موضوع در واقع یکی ازعوامل  بزرگ ایجاد مشکلات حفاری این لایه ها می باشد.همانطوریکه در قسمت بالا اشاره شداین لایه شامل انواع رسها clays شیل هاshaleانواع مارل هاmarlsمی باشد.

این لایه می بایستی با اعمال وزن کمlow weight on bit و سرعت دورانیRPM وبدهیGPMبالا می بایستی حفاری شوند.علل انتخاب وزن کم روی مته بعلت سست وناپایدار بودن لایه های فوق می باشد.وعلت دور میز دوار و بدهی بالای پمپ یکی برای جلوگیری از فرو رفتن در این لایه های نرم و سست وجلوگیری از انحراف زیادی چاه بوده و عامل دیگر با توجه به میزان بالای سرعت حفاری نیاز به بدهی بالای پمپ جهت تمیز سازی و جلوگیری از توپی شدن Balled upمته می باشد.از نشانه های توپی شدن مته یکی عدم کارائی مته و کاهش میزان حفاری و دیگری افزایش dragدر زمان اتصال لوله ها می باشد.(اگر مشکل وزن گل نباشد) برای جلوگیری از اول بایستی مته درست انتخاب شود و دوم میزان بدهی پمپتا ته چاه کاملا تمیز از کنده های چسبناک شود.برای رفع مشکل فوق میتوان قبل از لوله بالا مقداری آب نمک(حجم آن میبایستی آنقدر زیاد نباشد که برای چاه مشکل ساز باشد) در

 off bottom با بدهی بالای پمپ قبل و بعد از پیل بگردش در آورید.

نوع مته بایستی طوری انتخاب شود که دارای دندانه های بلند و با فاصله از همدیگر انتخاب شوند تا امکان تمیز شدن بین دندانه ها افزایش یابد وکاج ها بایستی بصورت off setباشند تا عمل بیل زنی و scraping actionرا انجام دهند.

فاکتور مهم و اساسی در حفاری این طبقات Hole cleaningاست که با اعمال حداکثر بدهی پمپ با توجه به محدودیت فشار

 Stand pipe وحداقل w.o.bوrpm بالا (باتوجه به نوع مته وپیشنهاد شرکت سازنده وDrill off testدر محل دکل).

مته مناسب برای لایه های نرم مثل سازند آغاجاری در ایران که عمومآ از مارل قرمز و قهوه ای وبصورت متناوب خاکستری و مقداری شن دیده مشود بترتیب مته های با IADC کد111 و121با توجه ضخامت وعمق لایه ها ودر صد پائین سالید ووزن گل میباشد و از انتهای آغاجاری و ابتدای میشان از مته با کد 131 وبا توجه به وزن گل(اگربیشتر از 75PCFتجاوز و سنگین تر شود می بایستی از مته هائی که کاج CONEآنها از لحاظ درزبندی SEALING قویتر باشند (کدهای 134و135)استفاده جست.

جهت دستیابی به سرعت حفاری PENETRATION RATEدرسازند نرم پارامتر های حفاری بقرار زیررا می بایستی برای اغلب میدان های خشکی ایران بکار بست.1-مته دندانه ای با کد 111الی 131 و2- حداکثر دبی ممکن 3- وزن روی مته مناسب با توجه به پیشنهاد شرکت سازنده 3-7000پوند بر فوت مکعب(حداکثر اعمال وزن وسرعت دورانی با PACKED HOLE ASSEMBLYاعمال میگردد.)4-سرعت میز دوار 100-250دور در دقیقه5- گل حفاری عموما آب یا آبنک  بوزن 64-70پوند برفوت مکعب می باشد وجهت تمیز شدن بهتر چاه ازپیل بنتونایتی استفاده میشود6-فواره یا نازل 18-22 با توجه به وضعیت هرزروی وپمپاژ lcm(سرعت فوراه هاJet  velocity بین 400-500فوت بر ثانیه با سرعت دالیزی 120فوت بر دقیقه جهت بالا آوردن کنده ها)7-ضمنآجهت بالا بردن عمر مته از shock subبهتر است استفاده شود.

از مشکلات عمده این سازندها میتوان به بریدن لوله و افت فشار در لوله های حفاری و گلی شدن مته و متعاقب آن مشکلات لوله بالا و پائین و هرزروی گل را نام برد.

معمولا در سازند آغاجاری یا میشان(با توجه به لایه سطحی)جداری 8/5 18 یا 20اینچ(گاهآ8/3 13اینچ)در حد فاصل 50-200متری جهت جلوگیری ازشسته شدن لایه های رسی جاذب الرطوبه و نفوذپذیر ونامترکم سطحی  وهمچنین ایمن کردن پایه های دکل تحت وزن سنگین وعدم نشست آن وبرای جلوگیری از آلودگی سفره آبهای زیر زمینی با گل حفاری رانده میشود.

سازند نرم متوسط Medium soft formation

جنس طبقات نرم همانند نوع اول بوده اما معمولا با رگه های سخت (از ماسه sand ) که دربین لایه های مارلی marleوclayوشیل shaleلایمستون های نازک انیدرید دیده میشود هر چقدر از لایه های آغاجاری بطرف پائین ومیشان و گچساران میرویم رنگ سنگها از قرمزی به خاکستری تیره گرایش پیدا نموده و از تراکم بیشتری نیزبرخوردار می باشند .که این سنگ ها(مثلا بالای گچساران)را به نرم متوسط میتوان تقسیم نمود . بنابراین مته های که برای این سنگ ها در نظر میگیریم می بایستی ارتفاع دندانه ها کمتر از سازند قبلی بوده و چگالی دندانه ها(فاصله دندانه ها کمتر )بیشتر باشند.ودر جه off setنیز کمتر باشد.همانطوریکه در بالا گفته شده این لایه ها از درجه مقاومت تراکمی بیشتری نسبت به لایه های بالائی آغاجاری دارند بنابراین میتوان بعد از حفاری و لوله بالا وضعیت مته از لحاظ فرسایش Gauging مورد بررسی قرار گیرد واگر مته under gaugeشده باشد می بایستی نوع مته را تغییر داده ومته سخت تری را انتخاب نمود ویا اینکه از مته ای که بدنه آن با تنگستن کارباید قویتر شده است استفاده نمود.

معمولا با توجه به عمق و درصد و وزن گل حفاری بترتیب مته های با IADCکد  131و214و215ودر قسمت انتهائی از مته های 415نیز استفاده کرد.(همچنین میتوان از مته های PDCدر صورتیکه متراژزیادی میبایستی حفاری شود و از اعماق پائین تر از 1000متری از مته های فوق با توجه به نوع سازند مربوطه ازPDC soft-med. وبا در نظر گرفتن بقیه خواص مکانیکی سنگ سود برد.) دیگر پارامتر ها تقریبآمشابه سازند های نرم Soft formationقبلی می توان استفاده کرد.و مشکلات حفاری آن مشابه حالت قبلی می باشد.

خدوباره بایستی تاکید نمود که از مشکلات عمده حفاری این طبقات با توجه به سرعت بالای حفاری وریزش متوالی دیواره چاه در اثر ضربه های شلاقی فرم String حفاری و همچنین جذب آب همراه گل حفاری توسط لایه های رسیوباد کردن این لایه ها و بدنبال آن ریزش آنها باعث گیر لوله ها واز دست رفت زمان وهزینه بالائی خواهد شد لذا می بایستی وضعیت گل حفاری کاملآ تحت کنترل بوده و جهت تمیز سازی چاه از بدهی بالا پمپGPMوپیل  بطور مداوم استفاده نمود.

طبقات سخت متوسطMedium hard formation

 این سنگ ها شامل سنگ آهکLimestoneیا دولومیت وماسه سنگ و انیدریت و شیل های سخت می باشد.وازدرجه تراکم بالاتری برخوردار می باشند وبرای حفاری می بایستی از وزن روی مته  بیشتری جهت حفاری آن استفاده کرد تا براین مقاومت تراکمی غلبه نموده ومته بتواند تحت این نیروی اعمال شده عمل حفاری را ادامه دهد در قسمت خواص مکانیکی سنگ ها به آن بیشتر خواهیم پرداخت.

همانطوریکه انتظار میرود پیشرفت حفاری در این لایه ها با توجه سختی متوسط و عمیق ترومتراکم شدن لایه ها در اثر وزن طبقات بالائی و نیاز به گل حفاری سنگین کمتر می شود جهت گرفتن بهترین سرعت حفاری میتوان بترتیب از مته هائیکه IADCکد آنهادرمحدوده 415تا547می باشندبا در نظر گرفتن درجه فشردگی ومیزان سختی وسائیده گی و چسبندگی لایه ها سود برد.از آنجائیکه این سازند ها ساینده بوده نیاز می باشد که دارای ناحیه Gauge محافظت شده باشند تاازunder gaugeشدن مته جلوگیری نموده وزمان و هزینه کمتری برای تراش مجدد دیواره چاه نمود ودرصورت مشاهده آن از متهPDC استفاده ننمائید و در زمان لوله پائین از عمقی که با مته فوق حفاری نموده اید با سرعت کمتر لوله پائین نمائید تا از گیر لوله ها جلوگیر نمائید.

هرچند با توجه به عمر مته های دندانه ای ودگمه ای وبا توجه به عمق این لایه ها در زمین که معمولآ پائین تراز1200متری  زمین می باشند از مته PDCجهت حفاری این لایه ها استفاده میشود. لذا با توجه به مته های خانواده PDC med. To hardبادرنظر گرفتن دقیق ترخواص مکانیکی سنگ های لایه هااقدام به انتخاب آن نمود.در ایران این لایه ها بیشتر در سازندهای گچساران 5-1وقسمتی از آسماری و تقریبا گروه بنگستان می توان دید.حفاری این لایه هاخصوصآسازند گچساران که با وزن گل حفاری عمومآ آب پایه اشباع از نمک بالا گاهآ تا160 پوند برفوت مکعب صورت می گیرد.علت استفاده از این وزن گل بعلت وجود لایه هائی با جریان پر فشار آب نمک و همچنین لایه های فشرده شده مارلیSqueezing marls می باشد.لذا کنترل دقیقی در خواص گل حفاری از قبیل درصد ذرات جامدSolidوعصاره گل water lossودیگر خواص گل با توجه به مواد شیمیائی ودستگاه های پالایش گل می بایستی داشته باشیم.

باتوجه به اینکه امکان جریان آب نمک در حفاری این لایه ها (گچساران) وهمچنین با توجه به تکتونیک منطقه امکان ارتباط بامخزن(آسماری)میرود می بایستی شیر های فورانگیر بطور کامل یرپا شوند.

v     ضمنآ نکات عملیاتی زیر درحفاری در سازند گچساران را در نظر داشته باشید:

  • لوله پائین در گل حفاری سنگین باسرعت کم بعلت فشار کوبشی (Surge pressure) بالا دراین گل صورت گیرد.حدودآبا سرعت 15تا20 استند در هر ساعت لوله پائین صورت پذیرد ودر صورت داشتن هرزروی گل از سرعت کمتری استفاده کرد.
  • وزن گل با شرایط چاه بایستی تنظیم شود واز چاه های مجاور جهت همخوانی کمال استفاده را برد.واز افزودن بیمورد وزن گل که باعث کاهش سرعت حفاری وافزایش مواد وزن افزای گل جلوگیری کرد.
  • خواص گل بصورت روزانه هرشش ساعت یکبار بررسی شود.
  • حجم مخازن گل مرتبا کنترل شده و مقدار افزایش وکاهش حجم دقیقآاندازه گیری شود.
  • در صورت بروز هرزروی ازپیل غلیظ همراه با مواد جلوگیری کننده هرزرویLCMاستفاده نمائید.ودر صورت هرزروی بالا و کامل ضمن لوله بالا در کفشک پس ازپمپاژپیل مناسب همراه باLCMوزن گل راتنظیم نموده وسپس ادامه عملیات نمائید.(معمولآدر وزن های بالای 135بر فوت مکعب بعد از مدت حدودآشش ساعت ناحیه گل گمشدگی پر خواهد شد اگر اینطور نشد از پیل بعدآ استفاده نمائید).همیشه بعد از هرزروی بعلت افتادن فشار هایدرواستاتیک گل امکان جریان یافتن چاه میرود که می بایستی دقت کامل به این موضوع نمود.
  • جهت پیش گیری از جریان آب نمک همیشه درصد کلسیم گل را بررسی نمائید (برای حفاری مخازن در زمانیکه ته چاه بالا می آید به میزان گاز نفت آن دقت نمائید.)در صورت افزایش آنها وزن گل رابا هماهنگی بتدریج افزایش دهید. 
  • درهنگام لوله بالا جهت جلوگیری از هرزروی گل از Mud saver box استفاده نمائید.
  • جهت جلوگیری از پلاگ شدن خطوط کشتن چاه در فرصت های مناسب آنها راتمیز نمائید.
  • هنگام لوله بالا جهت جلوگیری از مکشSwabbingچند شاخه اول را با پمپاژاز چاه خارج نمائید ودر ادامه با سرعت زیاد لوله بالا نکنید.
  • از لاستیکهای محافظ برروی لوله حفاری در قسمت داخل لوله جداری استفاده شود.
  • بعد از حداقل یکبار گردش کامل گل جهت تشخیص افت فشار در سیستم گردش گل در هر نوبت کاری یا بعد از هرگونه تغییر وزن گل بصورت جداگانه از هرکدام از پمپ هاSlow pump rate  گرفته وبر چارت نوشته شود.
  • هماهنگی کامل با زمین شناس در تعیین بخش های مختلف سازند گچساران بشود.

لازم به ذکر است که عوامل فوق را می بایستی برای حفاری کلیه سازند ها بکار بست.

 طبقات سخت Hard formation 

لایه های تشکیل دهنده این رده عمومآازسنگ های لایمستونی و دولومیت هاوشیل های سخت و ماسه سنگهای با سیمان سخت بهمراه چرت و کوارتزیت می باشند.این سنگها عمومآدانه ریز بوده ووضعیت سیمان آنهاخیلی خوب می باشند.ضمنا از مقاومت تراکمی بسیار بالائی برخوردار می باشند لذا برای غلبه برمقاومت نیاز به وزن روی مته بالا جهت غلبه بر مقاومت سنگ مورد نیاز می باشد.همچنین بعلت سختی و درجه سائیدگی بسیار بالای این نوع سنگها حتما مته انتخابی اولآدارای کدIADCبالای 537بوده وضمنآحتما قسمتGauge می بایستی با تنگستن کارباید جهت جلوگیری از سائیدگی مقاومتر شده باشند.وهمانطوریکه گفته شد جهت وزن روی مته زیاد اینگونه مته ها فاقد Off setبوده وزاویه جورنال بالا همراه با کاج مته بسیار قوی می باشند.بنابراین این نوع مته ها می بایستی عملیات خاص حرارتی در زمان تولید آنها صورت پذیرد(مثل کربن دهی و ...).

 

خواص مکانیکی سنگRock characteristics

v     خواص سنگ موثربر میزان حفاری بطور کامل شناخته شده نیست.وبرای پی بردن به مقاومت تراکمی Strengthو الاستیکیElasticدر آزمایشگاه ودر شرایط اتمسفر هوا آزمایشاتی انجام داده اند و در یافتند که میزان مقاومت تراکمی سنگ   Compressive strength رابطه معکوس برمیزان حفاری داردودیدند که شروع شکست در سنگ در هوا برابر بااعمال وزن مقاومت تراکمی سنگ شروع می شود.که عملآباسر وصدای زیادی همراه می باشد و تکه های سنگ بهوا پریده و مقدار نفوذ دندانه مته بیشتر می شود.دو سنگ مشابه یکی دارای تخلخل بیشتر از دیگر باشد حفاری سنگ متخلخل راحت تر میباشد.در این راستا جهت انتخاب مته مناسب می توان از نمودار های Sonic/GR و دیگر نمودار های مشخص کننده مقاومت تراکمی سنگ و گرافیک لاگ و Bit record های مربوط به چاه های مجاور می توان سود برد.

v     رابطه میزان سختی سازند و خورندگی Hardness & Abrasivenessسنگ ها رابطه معکوس بر عمرمته وسرعت حفاری دارد.لذا بایستی در انتخاب مته به عوامل فوق بسیار تاکید نمود.واز مته های با دندانه های ریز و نزدیک بهم و فاقد OFF SETودارای زاویه ژورنال زیاد وکاج های قوی وبسیار مقاوم خصوصآدر قسمت Gaugeآن با تنگستن کارباید بسیار مقاوم شده باشد.وبرای حفاری اینگونه سنگ ها از وزن بسیار زیاد و سرعت میز دوار کم می بایستی جهت گرفتن میزان حفاری بیشتر سود برد.

v     زیرا همانطوریکه میدانیم حفاری سازندهای چرتی و سری کوارتزیتی که یکی از سخت ترین سازند های رسوبی هستند بسیار دشوار وسخت می باشد.

v     خواص الا ستیک بسیاری از سنگ ها وابستگی و تاثیر پذیری زیادی به میزان تنش های stress موجود  در محل سنگ دارد.رفتار بیشتر شیل ها از این نوع الاستیک از خود نشان میدهند.

v     باتوجه  به این موضوع هرچقدر که هایدرواستاتیک گل ما بالا می رود وبا این افزایش مقاومت تراکمی سنگ در اثر این فشار بالاتر می رود.این موضوع در خصوص سنگ های نرم که از فشردگی کمتر برخوردارند بیشتر موثر می باشد و میزان حفاری را به نسبت سازند های سخت تر بیشتر می کاهد.نمونه های آزمایشگاهی نیز این موضوع را ثابت کرده است.بطوریکه با یک W.O.Bوزن روی مته ثابت وبا افزایش فشار هایدرواستاتیک میزان حفاری کاهش یافته و این کاهش در سنگ های نرم زیادتر می باشد.

این موضوع را عملا میتوان در چاه های حفاری با سیستم هوا ویا کف صابونStiff foam و همچنین حفاری های غیر تعادلی UBDمی توان دید.

الاستیسیته سنگ درواقع برروش شکست سنگ تاثیر می گذارد وسنگی که در حالت پلاستیک تخریب شود بجای شکستن تغییر شکل پیدا می کند. واین حالت اغلب تحت فشار همه جانبه بالا اتفاق می افتد در چنین شرایطی مته ای که از عمل Gauging/Scrapingبهره می برد نسبت به مته ای که سنگ را خرد مکند ارجحیت دارد.

سنگ های که خاصیت پلاستیکی دارند در فشار (وزن روی مته) زیاد شکننده اند وسنگ های نرم دیگر مثل ماسه سنگSand stoneدر فشار (وزن روی مته) کم شکننده می باشند.هرچند که همه سنگها دارای رفتار مشابهی ندارند. سنگ های سختی مثل دولومیت و کوارتزیت وگرافیت تجربه ثابت کرده است که در فشار بالاتری (وزن روی مته) می شکنندو میزان این بار به نسبت هوا گاهآبین 50%تا100%بزرگتر از مقاومت تراکمی  سنگ افزایش می یابد.

v     رس های هیدراته پس از ترکیب شدن باآب بعلت داشتن رس بمانند بنتونایت فرم چسبنده پیدا کرده و مشکل توپی شدن مته Bulled upرا بوجود می آوردو از میزان حفاری کاسته وگاهآباعث مکش و جریان چاه وگیر لوله ها می شود.

بنابراین بایستی دقت نمود تا حد امکان (شرایط ایمن چاه)وزن گل و فشار هایدرواستاتیک را از روی سنگ بایستی برداشته شود تا از سرعت حفاری بیشتری سود برد.در این راستا می توان از وزن گل چاه های مجاور سود برد(برای حفاری در مخزن میبایستی با توجه به فشار مخزن و 200پام اضافه فشار بعنوان ضریب ایمنی وزن گل را محاسبه نمود.)

v     درجه حرارت درواقع باعث افزایش خواص پلاستیکی سنگ می شود واین موضوع در چاهای عمیقتر مشهود تر می باشدو نیاز به بررسی بیشتری در آینده دارد.

v      

عوامل مکانیکیMechanical factors


عوامل مکانیکی عبارتند از وزن روی مته BHA وW.O.Bسرعت میز دواروRPM وعوامل محدود کننده آنها مثل وسایل وتجهیزات جلوگیری از کج شدن چاه ویا محدودیت های هایدرولیکی را نام برد که در زیر به آنها خواهیم پرداخت

v     وزن روی متهW.O.B :

حالت عمومی تاثیر وزن بر مته روی میزان سرعت حفاری متغیر می باشد ودر دو حالت مجزا قابل بررسی می باشد.

1- حفاری در حالت وزن روی مته زیر Compressive strengthسنگ .(صفحه120و121و8/8و9/8کتاب)

2-حفاری در حالت وزن روی مته بالای Compressive strengthسنگ.

با توجه به آزمایشات انجام شده بر روی 6نمونه سنگ در کمپانی هیوزHughes Tool Company در شرایط اتمسفر با افزایش وزن روی مته تا نقطه مقاومت تراکمی سنگ Compressive strength

منحنی رشد میزان حفاری با شیب مثبت کم ادامه داشته و زمانیکه میزان وزن روی مته از مقاومت تراکمی سنگ بیشتر می شود منحنی رشد آن خیلی بیشتر می شود. باید دقت نمود که زیادی وزن خود باعث مشکلات عدیده ای برای حفاری می شود مثل کج شدن چاه خصوصآدر امتداد لایه های نرم و یا گیر کردن و بریدن لوله و خرابی زودرس مته وتجهیزات حفاری.

لازم به یادآوری است که  برای هر سنگی یک بار بحرانی تعریف شده است که رابطه آن بقرار زیر می باشد.

رابطه میزان حفاری با وزن روی مته بحرانی

 
   

 

 

 

 

Rpمیزان سرعت حفاری

 a, bبستگی به خواص مکانیکی سنگ وسایز ونوع مته و نوع گل وهایدرواستاتیک گل دارد

Wوزن روی مته

بعنوان مثال با افزایش وزن روی مته نیاز به افزایش بدهی پمپGPM جهت تمیز سازی چاه با توجه به افزایش میزان کنده ها (یعنی میزان حفاری)خود زیاد می شود.از طرفی هم هر مته از لحظ نوع وتایپ خاص و نحوه عمل حفاری و اندازه کنده ها و همچنین شرکت سازنده محدوده کاری برای وزن روی متهW.O.Bودور میز دوارRPMوبدهی پمپ پیشنهاد میدهد. که می بایستی با رعایت همه آنها ومحدودیت فشاری وسایل و پمپ هاوشرایط ایمن برای لوله های حفاری اقدام به اعمال وزن روی مته نمود.

v     سرعت دور میز دوا رRotary speed(Rotating Per Minute)
در حالت معمولی با افزایش سرعت میز دوار میزان حفاری نیز افزایش خواهد یافت وبرای میزان تآثیر سرعت میز دوارRPMبر میزان حفاری  رابطه تجربی زیر پس از آزمایشات مختلف از طرفAPIارائه شده است.شکل 8.11 صفحه121

 
   

 

 

f= some function, N=rotary speed, n<1

رابطه بالا مختص مته های کاج دار Roller Cone Bitمی باشد.

ولی برای سرعت چرخش میز دوار RPMنیز یک سرعت بحرانی تعریف شده است که رابطه آن بقرار زیر می باشد:

 
   

 

 

Lطول استرینگ

Ncسرعت بحرانی که در آن حداکثرارتعاش

Vibratoryرا لوله ها دارد

بیشترین Harmonic Vibrationدر ضرایب 9Nc 4Nc,وغیره رخ خواهد کرد.

ولی همانطوریکه عملآ دیده ایم با افزایش وزن روی مته سرعت میز دوار کم وبرعکس با افزایش سرعت میز دوار از میزان وزن روی مته در عملیات حفاری برای جلوگیری از افزایش گشتاور پیچشی و بریدن و گیر لوله هاو همچنین جلوگیری از انحراف چاه و افزایش طول عمرمته وتجهیزات حفاری و... کاسته می شود.

ولی بایستی برای افزایش و کاهش یک حدی بدست آورد یعنی؟ W.N=

هرچند میزان W.Nرا نمی توان برای هر سازندی یک فاکتور استاندارد معرفی کرد ولی می توان برای هرکدام یک محدوده ای تعریف نمود.که اندازه آن می تواند متآثر از اندازه ونوع مته و همچنین نوع لوله ها Stringو عمق و ...باشد.

اگر W.N=Kدر نظر بگیریم با توجه به آزمایشات انجام شده توسط کمپانی هیوز برمته های مختلف R.BIT نتایج بطور کلی K=5*10^5 LB/RPM وبرای اندازه های مختلف چنین برآورد گردی است:

Bit Size

W.N

7 5/8”-7 7/8”

3.6*10^6

8 ½”-9”

4*10^6

9 5/8”-9 7/8”

4.8*10^6

10 5/8”-12 ¼”

6.4*10^6

این ضریب را میتواند حفار با انجام آزمایشDrill off testیک عددتقریبآ دقیقی بصورت عملی برای W.N بدست آورد که درواقع برای آن سازند با آن شرایط بهترین سرعت حفاری را داشته باشد.لازم به تآکید است عدد فوق می بایستی با توجه به نوع مته وپیشنهاد شرکت سازنده برای اعمال پارامترهای حفاری باتوجه به BHA بدست آمده باشد.

معمولآ محدوده  بکار گیری RPMدر بین 300>N>50در حفاری با میزدوار می باشد.و آنرا همانطوریکه در قسمت قبل گفته شد با توجه به نوع سازند ومته ورشته حفاری وخواص گل حفاری قابل تنظیم می باشد.

v     گل حفاری:

گل حفاری وظایف مهمی در حفر چاه دارد و نقش اساسی بازی میکند ازجهت سرعت حفاری و کارائی مته نیز نقش دارد هرچقدر وزن گل سبکتر باشد سرعت حفاری زیادتر است بهمین  ترتیب خواص گل از نظر عصاره و سالید وغلظت گل در سرعت حفاری موثر هستند اما در عملیات یک سری کنترل هائی باید انجام گیردکه روی سرعت حفاری تاثیر می گذارند مانند افزایش وزن گل جهت جلوگیری از جریان آبنمک و... بنابراین برای گرفتن یک سرعت حفاری مناسب می بایستی کمترین وزن مناسب (200پام بیشتر از فشار سازند) می بایستی استفاده شود.

 

Hydraulic factors-essentially bottom hole cleaningعوامل هیدرولیکی وتمیز سازی حفره

 

v     شرایط هیدرولیکی در مته دارای اهمیت بسزائی در عملکرد کلی حفاری می باشد.هدف از یک برنامه طراحی هایدرولیک حفاری افزایش عمر مته و سرعت حفاری با تمیز سازی چاه از کنده های حفاری ضمن خنک وروانکاری کردن مته و رشته حفاری می باشند.

عوامل زیادی برطراحی هایدرولیک مته موثرند:1-خواص گل حفاری 2-سیستم گردش

خواص گل که در مبحث گلشناسی به آن پرداخته شده است.ولی سیتم گردش گل که از د یسشارژ آغاز وپس از طی مسیر ...وخارج شدن از مته و عبور از دالیزها از flow lineخارج می شود.هر یک از مسیر ها و معابر یک افت فشاری دارد که میتوان بصورت جزء بجزء آنها را محاسبه نمود.

 
   

 

 

 

 

 

جهت شروع لازم است که معادلات بنیادی و اساسی سیالات نیوتنی بسیار مهم است.

جریان درون لوله ها میتواند لامینار یا توربولنت باشد.در جریان لامینار حرکت سیال بصورت لایه های موازی هم می باشد.ولی در جریان توربولنت سیال بصورت چرخشی و بی قاعده و متلاطم در حرکت می باشد جهت مشخص کردن نوع جریان  یک ععدی بنام عدد رینولد بصورت زیر تعریف می شود.

 

 

 

 

Reعدد رینولدز ... و ft/sec سرعت متوسط=جریان یا دبی بر روی (45/2 ضربدر قطر داخلی بتوان 2)

Ρ وزن سیال lb/gal   ..d=pipe inside diameter (inch),  وq=circulating volume (gal/min)

If      Re<2000, flow is laminar

If      Re>4000, flow is turbulent

If      2000<Re<6000, flow is in transition and is neither laminar nor turbulent

از عوامل موثر بر حرکت و رفتار سیال درون لوله هاوضعیت خواص سیال از لحاظ پلاستیکی و ویسکوزیتی و YPمی باشند.

 
   

 

 

 

 

 

Vcسرعت بحرانی (فوت در ثانیه)
Pvگرانروی پلاستیکی(سانتی پواز)
dhقطر چاه اینچ وdp قطر خارجی لوله اینچ وYp ییلدپونت پوند برصد فوت مربع وwوزن گل پوندبرفوت مکعب
اگر سرعت بحرانی بزرگتر از سرعت متوسط باشد جریان آرام است.
اگر سرعت بحرانی کمتر از سرعت متوسط باشدجریان متلاطم یا توربولنت است.
در حفاری بایستی طراحی هایدرولیک در دالیز ها آرام باشد.ودر موقع سیمانکاری برعکس توربولنت باشد.

v     محاسبه افت فشار با توجه به نوع جریان:

برای جریان آرام افت فشار از رابطه زیر استفاده میشود.

 
   

 

 

 

 

 

 

واگر جریان توربولنت باشد از رابطه زیر افت فشار محاسبه میشود:

 

 

 

 

 

افت فشار پام ,  Lطول چاه یا لوله ها فوت , Vسرعت گل فوت برثانیه, Dقطرچاه منهای قطر لوله اینچ,   

 فاکتور اصطکاک وی جی متر

سرعت جداره ای(فوت برثانیه) از تقسیم بدهی پمپ(بشکه در دقیقه) بر روی حجم جداره(بشکه در فوت) بدست میآید.

 

توان متهHydraulic horsepower

افت فشار مته برحسب پام , qمیزان جریان گل برحسب Gallons/minute, , W  وزن گل حفاری برحسب پوند بر فوت مکعب , A=Total flow area across the bit ,square inches

 

افت فشار در سطح مته با رابطه زیر بدست میآید:

 

 

در جائیکه میزان جریان وخواص گل ثابت باشند.Aتنها عاملی است که باعث تغییر درHHPسرعت سیال و افت فشار در مته می گردد.بنابراین می توانیم با تغییر دادن flow areaدر سطح مته (اندازه فواره ها) این کمیت را کنترل کنیم.

افت فشار در مته وافت فشار روی پمپ و افت فشار سیستم گردشی بصورت زیر بیان می شود.

افت فشار در مته=افت فشارمنفی افت فشار های سیستم گردشی▲Pbit=Psurf. - Psyst.

روابط ریاضی ثابت نموده اند که اگر افت فشار در مته معادل 65%فشارخروجی گل از پمپ باشد, HHP مته به حداکثر خود می رسد.

افت فشار در مته=0.65*Psurface         یا▲Pbit=0.65 Psurface

واگر افت فشار در مته تقریبآ معادل 48%فشار خروجی گل از پمپ باشد,   impact forceمته به حداکثر خود می رسد.

  • برای یک میزان جریان مفروض از میان رشته حفاری معین و با ویژگی های ثابت گل Psys.یک مقدار ثابت خواهد بود.عامل محدود کننده ▲Pbitدر چنین حالتی فشاری است که پمپ های گل می توانند تآمین کنند.باین ترتیب که قرار است با افزایش عمق چاه افت فشار سیستم نیز افزایش پیدا کند پمپ هم به حداکثر فشار خود کار کند.افت فشار در سطح مته کاهش می یابد.برای تعیین سطح مقطع بهینه فواره ها جائیکه سرعت گردش با ظرفیت پمپ های گل وسرعت دالیزی یا ملاحظات دیگر محدود می شود می توان دستورالعمل زیر استفاده نمود:
  1. حداکثر فشار مجاز یا در دسترس پمپ را تعیین کنید.
  2. افت فشار سیستم را برای سرعت گردش معیین محاسبه کنید.
  3. حداکثر افت فشارمجاز را با استفاده ازفرمول زیر تعیین کنید:▲Pbit=Psurf.- Pcirc
  4. با استفاده از معادله زیر اندازه فواره های مته را تعیین می کنیم.

 

 

 

 

هر مته ای معمولآاز 3یا چند فواره استفاده می شود وبایستی Aflowرا برتعداد فواره ها تقسیم نموده تا Anozzleبدست آید.که عبارتست از مساحت هریک از فواره ها.

در واحد انگلیسیDرا با32/1اینچبیان می کنند.قطر فواره ها بگونه ای انتخاب می شوند که مجموع مساحت های آنها هر چه بیشتر به Anozzleمحاسبه شده نزدیک باشد

Anozzle=0.35/3=0.117 in2