[FONT=tahoma,arial,helvetica,sans-serif]بکارگیری لیزرهای پرتوان در عملیات مشبک کاری چاه های نفت با توجه به شرایط مخازن ایران[/FONT]
[FONT=tahoma,arial,helvetica,sans-serif]مقدمه
مشبک کاری در صنعت نفت و گاز عبارتست از ایجاد تونلی در دیواره چاه برای جریان یافتن سیال مخزن از میان لوله جداری سیمان شده به درون چاه. مشبک کاری از مهمترین و حساسترین بخش های تکمیل چاه می باشد. مشبک کاری ناقص و نامناسب علاوه بر آسیب به سازند، هزینه های مشبک کاری مجدد و یا اسید کاری را به دنبال خواهد داشت.
در روش های معمول مشبک کاری نظیرJet Perforation وBallistic Perforation علاوه بر مشکلات ایمنی، کنترل اندازه و عمق سوراخ ایجاد شده نیز دشوار بوده و باعث آسیب سازند می شود.
تحقیقات انجام گرفته برای یافتن روش های جایگزین مشبک کاری نشان داده است که لیزر به خوبی توانایی برش و مشبک کاری سنگ ها را دارد. ضمن آنکه به دلیل انتقال حرارت فراوان برای سوراخ کردن سنگ، تراوایی و تخلخل سنگ نیز افزایش پیدا می کند.
هر دو نوع سنگ مورد آزمایش یعنی Lime Stone وSand Stone را می توان به گونه ای با لیزر مشبک کاری نمود. در مشبک کاری با لیزر اشعه لیزر با نمونه سنگ برخورد کرده و انرژی لیزر به سنگ انتقال می یابد. این انرژی باعث افزایش دما در نمونه سنگ می شود تا آنجا که خاصیت سیمان شدگی بین ذرات ذوب و یا بخار شده و می شکند. میزان تأثیر و بازدهی استفاده از لیزر به خواص فیزیکی و گرمایی سنگ بستگی دارد.[/FONT]
همانطور که اشاره شد شرایط بهینه برای مشبک کاری با لیزر عبارتست از:
1- سنگ مخزن از نوع کربناته باشد:
در این سنگ هر جند افزایش تراوایی و تخلخل به اندازه ی Sand Stone چشمگیر نیست، امّا تأثیر مفید فشار روی آن بیشتر و تأثیر منفی اشباع هیدروکربن روی آن کمتر است.
2- فشار مخزن در ناحیه مشبک کاری شده زیاد و در حالت بهینه بیش از 2000 psi باشد.
3- مشبک کاری در وضعیت Under Balance انجام شود.
با توجه به اینکه مخازن ایران اکثراً از نوع کربناته بوده و بسیاری از آن ها پر فشار)بیش از 2000 psi) می باشند، مشبک کاری با لیزر می تواند گزینه بسیار مناسبی برای تکمیل چاه در آن ها باشد. ضمن آنکه مشبک کاری Under Balance برای حصول بیشترین بازده و بهترین نتیجه توصیه می گردد.[/FONT]
[FONT=tahoma,arial,helvetica,sans-serif]مقدمه
مشبک کاری در صنعت نفت و گاز عبارتست از ایجاد تونلی در دیواره چاه برای جریان یافتن سیال مخزن از میان لوله جداری سیمان شده به درون چاه. مشبک کاری از مهمترین و حساسترین بخش های تکمیل چاه می باشد. مشبک کاری ناقص و نامناسب علاوه بر آسیب به سازند، هزینه های مشبک کاری مجدد و یا اسید کاری را به دنبال خواهد داشت.
در روش های معمول مشبک کاری نظیرJet Perforation وBallistic Perforation علاوه بر مشکلات ایمنی، کنترل اندازه و عمق سوراخ ایجاد شده نیز دشوار بوده و باعث آسیب سازند می شود.
تحقیقات انجام گرفته برای یافتن روش های جایگزین مشبک کاری نشان داده است که لیزر به خوبی توانایی برش و مشبک کاری سنگ ها را دارد. ضمن آنکه به دلیل انتقال حرارت فراوان برای سوراخ کردن سنگ، تراوایی و تخلخل سنگ نیز افزایش پیدا می کند.
هر دو نوع سنگ مورد آزمایش یعنی Lime Stone وSand Stone را می توان به گونه ای با لیزر مشبک کاری نمود. در مشبک کاری با لیزر اشعه لیزر با نمونه سنگ برخورد کرده و انرژی لیزر به سنگ انتقال می یابد. این انرژی باعث افزایش دما در نمونه سنگ می شود تا آنجا که خاصیت سیمان شدگی بین ذرات ذوب و یا بخار شده و می شکند. میزان تأثیر و بازدهی استفاده از لیزر به خواص فیزیکی و گرمایی سنگ بستگی دارد.[/FONT]
[FONT=tahoma,arial,helvetica,sans-serif]اهداف
هدف این مقاله بررسی کاربرد لیزر در مشبک کاری در شرایط آزمایشگاهی و همچنین در شرایط فشار و دمای ته چاه و مطالعه امکان بکارگیری آن برای مخازن نفت و گاز ایران بوده است.
برای مطالعه تأثیر لیزر روی تراوایی و تخلخل سنگ در شرایط فشار استاندارد روی نمونه سنگ خشک و بررسی اثر فشار و اشباع سنگ از آب نمک و هیدروکربن روی آن، از پارامتری به نام بازدهی لیزر استفاده شده است که به صورت زیر تعریف می شود:
حجم برداشت شده/ انرژی ورودی = SE=
که در آن SE = مقدار انرژی مورد نیاز به ازای حجم برداشت شده
SE پایین تر، نشان دهنده حجم مواد برداشت شده بیشتر به ازای انرژی کمتر می باشد. پایین بودن SE ، شانس عملیاتی بودن این روش را بالاتر می برد.[/FONT]
هدف این مقاله بررسی کاربرد لیزر در مشبک کاری در شرایط آزمایشگاهی و همچنین در شرایط فشار و دمای ته چاه و مطالعه امکان بکارگیری آن برای مخازن نفت و گاز ایران بوده است.
برای مطالعه تأثیر لیزر روی تراوایی و تخلخل سنگ در شرایط فشار استاندارد روی نمونه سنگ خشک و بررسی اثر فشار و اشباع سنگ از آب نمک و هیدروکربن روی آن، از پارامتری به نام بازدهی لیزر استفاده شده است که به صورت زیر تعریف می شود:
حجم برداشت شده/ انرژی ورودی = SE=
که در آن SE = مقدار انرژی مورد نیاز به ازای حجم برداشت شده
SE پایین تر، نشان دهنده حجم مواد برداشت شده بیشتر به ازای انرژی کمتر می باشد. پایین بودن SE ، شانس عملیاتی بودن این روش را بالاتر می برد.[/FONT]
[FONT=tahoma,arial,helvetica,sans-serif]نوع لیزر مورد استفاده
در مجموع سه نوع لیزر برای مشبک کاری در سنگ ها مورد مطالعه قرار گرفته است. Fiber Laser،Coil laser و Yas laser. از میان این لیزرها، لیزرهای فیبری کاندیدای اصلی برای کاربرد در درون چاه بوده و فواید کلیدی بسیاری نسبت به نمونه های نظامی و صنعتی از خود نشان داده اند. از جمله:
1-بازدهی بالا در تبدیل انرژی
2-ابعاد قابل انتقال
3-این لیزرها تنها نوعی از لیزرها می باشند که می توان آن ها را به فاصله زیاد از سطح تا هدف با کمترین افت انرژی انتقال داد.[/FONT]
در مجموع سه نوع لیزر برای مشبک کاری در سنگ ها مورد مطالعه قرار گرفته است. Fiber Laser،Coil laser و Yas laser. از میان این لیزرها، لیزرهای فیبری کاندیدای اصلی برای کاربرد در درون چاه بوده و فواید کلیدی بسیاری نسبت به نمونه های نظامی و صنعتی از خود نشان داده اند. از جمله:
1-بازدهی بالا در تبدیل انرژی
2-ابعاد قابل انتقال
3-این لیزرها تنها نوعی از لیزرها می باشند که می توان آن ها را به فاصله زیاد از سطح تا هدف با کمترین افت انرژی انتقال داد.[/FONT]
[FONT=tahoma,arial,helvetica,sans-serif]اثر متقابل سنگ و لیزر
نتایجی که از آزمایش لیزر ها بر روی انواع سنگ از جمله Sand Stone و Carbonate انجام گرفته است نشان می دهد کاربرد لیزر پر قدرت (High-Power Laser Application) ، تخلخل و تراوایی سنگ را در تونل مشبک و نواحی اطراف افزایش می دهد. میزان این افزایش تابعی است از هدایت گرمایی سنگ، به این مفهوم که هر چه هدایت گرمایی سنگ بالاتر باشد توزیع حرارت در سنگ بهتر انجام شده و تراوایی و تخلخل افزایش بیشتر و یکنواخت تری خواهند داشت. این افزایش تراوایی در Sand Stone مورد آزمایش با 171 درصد، بیشترین میزان را به خود اختصاص داده است. در جدول زیر، مقادیر تراوایی و تخلخل قبل و بعد از انجام عملیات مشبک کاری با لیزر روی نمونه سنگ آورده شده است.در نواحی نزدیک به محل مشبک کاری- (از 1 تا 3 اینچ)- به علت تأثیر حرارتی لیزر روی شبکه سنگ (matrix)، بخشی از خمیره سنگ حالتی شبیه به سرامیک به خود می گیرد. در این نواحی تراوایی تقریباً دست نخورده باقی می ماند. با زیادتر شدن فاصله از محل مشبک کاری، افزایش تراوایی چشمگیر خواهد بود و در فاصله حدوداً 6 تا 12 اینچ به حداکثر مقدار خود می رسد.[/FONT]
نتایجی که از آزمایش لیزر ها بر روی انواع سنگ از جمله Sand Stone و Carbonate انجام گرفته است نشان می دهد کاربرد لیزر پر قدرت (High-Power Laser Application) ، تخلخل و تراوایی سنگ را در تونل مشبک و نواحی اطراف افزایش می دهد. میزان این افزایش تابعی است از هدایت گرمایی سنگ، به این مفهوم که هر چه هدایت گرمایی سنگ بالاتر باشد توزیع حرارت در سنگ بهتر انجام شده و تراوایی و تخلخل افزایش بیشتر و یکنواخت تری خواهند داشت. این افزایش تراوایی در Sand Stone مورد آزمایش با 171 درصد، بیشترین میزان را به خود اختصاص داده است. در جدول زیر، مقادیر تراوایی و تخلخل قبل و بعد از انجام عملیات مشبک کاری با لیزر روی نمونه سنگ آورده شده است.در نواحی نزدیک به محل مشبک کاری- (از 1 تا 3 اینچ)- به علت تأثیر حرارتی لیزر روی شبکه سنگ (matrix)، بخشی از خمیره سنگ حالتی شبیه به سرامیک به خود می گیرد. در این نواحی تراوایی تقریباً دست نخورده باقی می ماند. با زیادتر شدن فاصله از محل مشبک کاری، افزایش تراوایی چشمگیر خواهد بود و در فاصله حدوداً 6 تا 12 اینچ به حداکثر مقدار خود می رسد.[/FONT]
[FONT=tahoma,arial,helvetica,sans-serif]تاثیر فشار
برای روشن شدن تأثیر افزایش فشار بر روی کارایی لیزر، وسیله ای به نام Unique-High Cell-Premium طراحی شده است که در آن می توان تأثیر همه جانبه فشار بر روی سنگ را مشاهده نمود.
وقتی روی سنگ ها فشار اعمال می شود بسته به خواص مقاومتی و کشسانی، سنگ ها تغییر شکل می دهند و فشرده می شوند، فشردگی یک عامل مفید در لیزر کاری به حساب می آید چون موجب افزایش انتقال حرارت در فضاهای متخلخل (همرفتی) و انتقال حرارت ذره به ذره (هدایت) می شود و درصد بالاتر تماس ذرات با یکدیگر Grain to Grain Contact موجب کاهش اتلاف گرما شده و این امر منجر به کارایی بیشتر انرژی لیزر ها می شود.
تأثیر فشار روی Sand Stone و Lime Stone متفاوت است. در ذیل به بررسی این تفاوت ها می پردازیم:
در سنگ کربناته، فضا های خالی کمتر است. افزایش فشار (stress) روی این نوع سنگ ها موجب فشردگی آن ها می شود در حالی که در ماسه سنگ به دلیل فضاهای خالی زیاد و سفت تر بودن آن، فشردگی در مقابل فشار کمتر بوده و به همین دلیل تأثیر فشار روی سنگ کربناته مطلوب تر است.[/FONT]
برای روشن شدن تأثیر افزایش فشار بر روی کارایی لیزر، وسیله ای به نام Unique-High Cell-Premium طراحی شده است که در آن می توان تأثیر همه جانبه فشار بر روی سنگ را مشاهده نمود.
وقتی روی سنگ ها فشار اعمال می شود بسته به خواص مقاومتی و کشسانی، سنگ ها تغییر شکل می دهند و فشرده می شوند، فشردگی یک عامل مفید در لیزر کاری به حساب می آید چون موجب افزایش انتقال حرارت در فضاهای متخلخل (همرفتی) و انتقال حرارت ذره به ذره (هدایت) می شود و درصد بالاتر تماس ذرات با یکدیگر Grain to Grain Contact موجب کاهش اتلاف گرما شده و این امر منجر به کارایی بیشتر انرژی لیزر ها می شود.
تأثیر فشار روی Sand Stone و Lime Stone متفاوت است. در ذیل به بررسی این تفاوت ها می پردازیم:
در سنگ کربناته، فضا های خالی کمتر است. افزایش فشار (stress) روی این نوع سنگ ها موجب فشردگی آن ها می شود در حالی که در ماسه سنگ به دلیل فضاهای خالی زیاد و سفت تر بودن آن، فشردگی در مقابل فشار کمتر بوده و به همین دلیل تأثیر فشار روی سنگ کربناته مطلوب تر است.[/FONT]
[FONT=tahoma,arial,helvetica,sans-serif]اثر اشباع
عامل مهم دیگر مربوط به شرایط اشباع سنگ می باشد. با توجه به تحقیقات به عمل آمده تأثیر این عوامل اینگونه گزارش می شود:
در این آزمایش نمونه های ماسه سنگ و سنگ کربناته با آب نمک (50 ppm) و هیدروکربور (نفت تصفیه شده با وزن مخصوص 0.849/cc) مایع اشباع شده و تحت لیزر کاری با قدرت بالا قرار گرفتند. در این شرایط SE برای نمونه اشباع شده با آب نمک کاهش یافت اما برای نمونه اشباع با هیدروکربور مایع، مقدار SE در مقایسه با نمونه خشک افزایش داشت. این بدان معنی است که هیدروکربور در مقایسه با آب نمک برای گرم شدن انرژی بیشتری مصرف می کند. آب نمک سریع بخار می شود و این خود به ترک خوردن سنگ کمک می کند، در صورتی که در مورد هیدروکربور تبخیر سریع وجود نداشته و هنگام لیزر کاری ابر تیره ای از هیدروکربور به وجود می آید که انرژی را جذب می کند، در جداول زیر شرایط مختلف تأثیر فشار و اشباع روی SE مقایسه شده است.به خاطر فضاهای خالی کمتر در سنگ کربناته، هیدروکربن کمتری نسبت به ماسه سنگ به درون آن نفوذ کرده و تأثیر منفی اشباع در آن کمتر از ماسه سنگ است.
مکانیسم برداشت کنده ها
عامل انتهایی در لیزر کاری مکانیسم برداشت (Removal Mechanism) می باشد. در نمونه ماسه سنگ انبساط سریع گرمایی جزئی (Rapid differential thermal expansion) موجب می شود تا سنگ و سیمان شدگی آن ترک بردارد. این امر موجب ایجاد ارتباط بین چاه و مخزن می شود و با استفاده از Optic fluids، خرده های احتمالی جمع آوری می شود تا موجب بسته شدن مشبک ها نشود.
امّا در نمونه سنگ کربناته مکانیسم برداشت کلسیته شدن (calcination) می باشد یعنی انرژی لیزر موجب تجزیه کربنات ها به دی اکسید کربن و اکسید کلسیم شده و هر چه تماس ذرات با هم بیشتر باشد پروسه بازدهی بالاتری وجود دارد و خرده ای تولید نخواهد شد.[/FONT]
عامل مهم دیگر مربوط به شرایط اشباع سنگ می باشد. با توجه به تحقیقات به عمل آمده تأثیر این عوامل اینگونه گزارش می شود:
در این آزمایش نمونه های ماسه سنگ و سنگ کربناته با آب نمک (50 ppm) و هیدروکربور (نفت تصفیه شده با وزن مخصوص 0.849/cc) مایع اشباع شده و تحت لیزر کاری با قدرت بالا قرار گرفتند. در این شرایط SE برای نمونه اشباع شده با آب نمک کاهش یافت اما برای نمونه اشباع با هیدروکربور مایع، مقدار SE در مقایسه با نمونه خشک افزایش داشت. این بدان معنی است که هیدروکربور در مقایسه با آب نمک برای گرم شدن انرژی بیشتری مصرف می کند. آب نمک سریع بخار می شود و این خود به ترک خوردن سنگ کمک می کند، در صورتی که در مورد هیدروکربور تبخیر سریع وجود نداشته و هنگام لیزر کاری ابر تیره ای از هیدروکربور به وجود می آید که انرژی را جذب می کند، در جداول زیر شرایط مختلف تأثیر فشار و اشباع روی SE مقایسه شده است.به خاطر فضاهای خالی کمتر در سنگ کربناته، هیدروکربن کمتری نسبت به ماسه سنگ به درون آن نفوذ کرده و تأثیر منفی اشباع در آن کمتر از ماسه سنگ است.
مکانیسم برداشت کنده ها
عامل انتهایی در لیزر کاری مکانیسم برداشت (Removal Mechanism) می باشد. در نمونه ماسه سنگ انبساط سریع گرمایی جزئی (Rapid differential thermal expansion) موجب می شود تا سنگ و سیمان شدگی آن ترک بردارد. این امر موجب ایجاد ارتباط بین چاه و مخزن می شود و با استفاده از Optic fluids، خرده های احتمالی جمع آوری می شود تا موجب بسته شدن مشبک ها نشود.
امّا در نمونه سنگ کربناته مکانیسم برداشت کلسیته شدن (calcination) می باشد یعنی انرژی لیزر موجب تجزیه کربنات ها به دی اکسید کربن و اکسید کلسیم شده و هر چه تماس ذرات با هم بیشتر باشد پروسه بازدهی بالاتری وجود دارد و خرده ای تولید نخواهد شد.[/FONT]
[FONT=tahoma,arial,helvetica,sans-serif]بحث و تجزیه و تحلیل
1- مکانیسم مشبک کاری با لیزر، با استفاده از انتقال حرارت کنترل می شود. با افزایش فشار روی سنگ، فشردگی آن بیشتر شده و فضاهای خالی کمتر می شود و انتقال حرارت کارا تری صورت می گیرد.
2- در مشبک کاری با لیزر، تخریب سازند (Damage) به وجود نخواهد آمد و خرده های ریز که تخلخل را کاهش می دهند نیز حذف می شود. همچنین کنترل قویتری روی شکل، اندازه و زاویه تونل ها بدست می آید. با افزایش فشار، کارایی این روش بخصوص در مورد Lime Stone بیشتر می شود.
3-کاربرد لیزر پر قدرت، خواص فیزیکی سنگ از جمله تخلخل و تراوایی را افزایش می دهد.
3-شرایط زیر تعادلی (Under Balance) نتایج به مراتب مطلوب تری نسبت به شرایط تعادلی (balance) بدست می دهد.
4-مشبک کاری تحت اشباع هیدروکربور SE بیشتری نسبت به نمونه خشک دارد امّا این اثر در Lime Stone به علت کمتر بودن فضا های خالی و اشباع کمتر، کمتر است.[/FONT]
[FONT=tahoma,arial,helvetica,sans-serif]پیشنهادات1- مکانیسم مشبک کاری با لیزر، با استفاده از انتقال حرارت کنترل می شود. با افزایش فشار روی سنگ، فشردگی آن بیشتر شده و فضاهای خالی کمتر می شود و انتقال حرارت کارا تری صورت می گیرد.
2- در مشبک کاری با لیزر، تخریب سازند (Damage) به وجود نخواهد آمد و خرده های ریز که تخلخل را کاهش می دهند نیز حذف می شود. همچنین کنترل قویتری روی شکل، اندازه و زاویه تونل ها بدست می آید. با افزایش فشار، کارایی این روش بخصوص در مورد Lime Stone بیشتر می شود.
3-کاربرد لیزر پر قدرت، خواص فیزیکی سنگ از جمله تخلخل و تراوایی را افزایش می دهد.
3-شرایط زیر تعادلی (Under Balance) نتایج به مراتب مطلوب تری نسبت به شرایط تعادلی (balance) بدست می دهد.
4-مشبک کاری تحت اشباع هیدروکربور SE بیشتری نسبت به نمونه خشک دارد امّا این اثر در Lime Stone به علت کمتر بودن فضا های خالی و اشباع کمتر، کمتر است.[/FONT]
همانطور که اشاره شد شرایط بهینه برای مشبک کاری با لیزر عبارتست از:
1- سنگ مخزن از نوع کربناته باشد:
در این سنگ هر جند افزایش تراوایی و تخلخل به اندازه ی Sand Stone چشمگیر نیست، امّا تأثیر مفید فشار روی آن بیشتر و تأثیر منفی اشباع هیدروکربن روی آن کمتر است.
2- فشار مخزن در ناحیه مشبک کاری شده زیاد و در حالت بهینه بیش از 2000 psi باشد.
3- مشبک کاری در وضعیت Under Balance انجام شود.
با توجه به اینکه مخازن ایران اکثراً از نوع کربناته بوده و بسیاری از آن ها پر فشار)بیش از 2000 psi) می باشند، مشبک کاری با لیزر می تواند گزینه بسیار مناسبی برای تکمیل چاه در آن ها باشد. ضمن آنکه مشبک کاری Under Balance برای حصول بیشترین بازده و بهترین نتیجه توصیه می گردد.[/FONT]
