مقدمه
مشبک کاري در صنعت نفت و گاز عبارتست از ايجاد تونلي در ديواره چاه براي جريان يافتن سيال مخزن از ميان لوله جداري سيمان شده به درون چاه. مشبک کاري از مهمترين و حساسترين بخش هاي تکميل چاه مي باشد. مشبک کاري ناقص و نامناسب علاوه بر آسيب به سازند، هزينه هاي مشبک کاري مجدد و يا اسيد کاري را به دنبال خواهد داشت.
در روش هاي معمول مشبک کاري نظيرJet Perforation وBallistic Perforation علاوه بر مشکلات ايمني، کنترل اندازه و عمق سوراخ ايجاد شده نيز دشوار بوده و باعث آسيب سازند مي شود.
تحقيقات انجام گرفته براي يافتن روش هاي جايگزين مشبک کاري نشان داده است که ليزر به خوبي توانايي برش و مشبک کاري سنگ ها را دارد. ضمن آنکه به دليل انتقال حرارت فراوان براي سوراخ کردن سنگ، تراوايي و تخلخل سنگ نيز افزايش پيدا مي کند.
هر دو نوع سنگ مورد آزمايش يعني Lime Stone وSand Stone را مي توان به گونه اي با ليزر مشبک کاري نمود. در مشبک کاري با ليزر اشعه ليزر با نمونه سنگ برخورد کرده و انرژي ليزر به سنگ انتقال مي يابد. اين انرژي باعث افزايش دما در نمونه سنگ مي شود تا آنجا که خاصيت سيمان شدگي بين ذرات ذوب و يا بخار شده و مي شکند. ميزان تأثير و بازدهي استفاده از ليزر به خواص فيزيکي و گرمايي سنگ بستگي دارد.
اهداف
هدف اين مقاله بررسي کاربرد ليزر در مشبک کاري در شرايط آزمايشگاهي و همچنين در شرايط فشار و دماي ته چاه و مطالعه امکان بکارگيري آن براي مخازن نفت و گاز ايران بوده است.
براي مطالعه تأثير ليزر روي تراوايي و تخلخل سنگ در شرايط فشار استاندارد روي نمونه سنگ خشک و بررسي اثر فشار و اشباع سنگ از آب نمک و هيدروکربن روي آن، از پارامتري به نام بازدهي ليزر استفاده شده است که به صورت زير تعريف مي شود:
حجم برداشت شده/ انرژي ورودي = SE=
که در آن SE = مقدار انرژي مورد نياز به ازاي حجم برداشت شده
SE پايين تر، نشان دهنده حجم مواد برداشت شده بيشتر به ازاي انرژي کمتر مي باشد. پايين بودن SE ، شانس عملياتي بودن اين روش را بالاتر مي برد.
نوع ليزر مورد استفاده
در مجموع سه نوع ليزر براي مشبک کاري در سنگ ها مورد مطالعه قرار گرفته است. Fiber Laser،Coil laser و Yas laser. از ميان اين ليزرها، ليزرهاي فيبري کانديداي اصلي براي کاربرد در درون چاه بوده و فوايد کليدي بسياري نسبت به نمونه هاي نظامي و صنعتي از خود نشان داده اند. از جمله:
1-بازدهي بالا در تبديل انرژي
2-ابعاد قابل انتقال
3-اين ليزرها تنها نوعي از ليزرها مي باشند که مي توان آن ها را به فاصله زياد از سطح تا هدف با کمترين افت انرژي انتقال داد.
اثر متقابل سنگ و ليزر
نتايجي که از آزمايش ليزر ها بر روي انواع سنگ از جمله Sand Stone و Carbonate انجام گرفته است نشان مي دهد کاربرد ليزر پر قدرت (High-Power Laser Application) ، تخلخل و تراوايي سنگ را در تونل مشبک و نواحي اطراف افزايش مي دهد. ميزان اين افزايش تابعي است از هدايت گرمايي سنگ، به اين مفهوم که هر چه هدايت گرمايي سنگ بالاتر باشد توزيع حرارت در سنگ بهتر انجام شده و تراوايي و تخلخل افزايش بيشتر و يکنواخت تري خواهند داشت. اين افزايش تراوايي در Sand Stone مورد آزمايش با 171 درصد، بيشترين ميزان را به خود اختصاص داده است. در جدول زير، مقادير تراوايي و تخلخل قبل و بعد از انجام عمليات مشبک کاري با ليزر روي نمونه سنگ آورده شده است.
در نواحي نزديک به محل مشبک کاري- (از 1 تا 3 اينچ)- به علت تأثير حرارتي ليزر روي شبکه سنگ (matrix)، بخشي از خميره سنگ حالتي شبيه به سراميک به خود مي گيرد. در اين نواحي تراوايي تقريباً دست نخورده باقي مي ماند. با زيادتر شدن فاصله از محل مشبک کاري، افزايش تراوايي چشمگير خواهد بود و در فاصله حدوداً 6 تا 12 اينچ به حداکثر مقدار خود مي رسد.
تاثير فشار
براي روشن شدن تأثير افزايش فشار بر روي کارايي ليزر، وسيله اي به نام Unique-High Cell-Premium طراحي شده است که در آن مي توان تأثير همه جانبه فشار بر روي سنگ را مشاهده نمود.
وقتي روي سنگ ها فشار اعمال مي شود بسته به خواص مقاومتي و کشساني، سنگ ها تغيير شکل مي دهند و فشرده مي شوند، فشردگي يک عامل مفيد در ليزر کاري به حساب مي آيد چون موجب افزايش انتقال حرارت در فضاهاي متخلخل (همرفتي) و انتقال حرارت ذره به ذره (هدايت) مي شود و درصد بالاتر تماس ذرات با يکديگر Grain to Grain Contact موجب کاهش اتلاف گرما شده و اين امر منجر به کارايي بيشتر انرژي ليزر ها مي شود.
تأثير فشار روي Sand Stone و Lime Stone متفاوت است. در ذيل به بررسي اين تفاوت ها مي پردازيم:
در سنگ کربناته، فضا هاي خالي کمتر است. افزايش فشار (stress) روي اين نوع سنگ ها موجب فشردگي آن ها مي شود در حالي که در ماسه سنگ به دليل فضاهاي خالي زياد و سفت تر بودن آن، فشردگي در مقابل فشار کمتر بوده و به همين دليل تأثير فشار روي سنگ کربناته مطلوب تر است.
اثر اشباع
عامل مهم ديگر مربوط به شرايط اشباع سنگ مي باشد. با توجه به تحقيقات به عمل آمده تأثير اين عوامل اينگونه گزارش مي شود:
در اين آزمايش نمونه هاي ماسه سنگ و سنگ کربناته با آب نمک (50 ppm) و هيدروکربور (نفت تصفيه شده با وزن مخصوص 0.849/cc) مايع اشباع شده و تحت ليزر کاري با قدرت بالا قرار گرفتند. در اين شرايط SE براي نمونه اشباع شده با آب نمک کاهش يافت اما براي نمونه اشباع با هيدروکربور مايع، مقدار SE در مقايسه با نمونه خشک افزايش داشت. اين بدان معني است که هيدروکربور در مقايسه با آب نمک براي گرم شدن انرژي بيشتري مصرف مي کند. آب نمک سريع بخار مي شود و اين خود به ترک خوردن سنگ کمک مي کند، در صورتي که در مورد هيدروکربور تبخير سريع وجود نداشته و هنگام ليزر کاري ابر تيره اي از هيدروکربور به وجود مي آيد که انرژي را جذب مي کند، در جداول زير شرايط مختلف تأثير فشار و اشباع روي SE مقايسه شده است.
به خاطر فضاهاي خالي کمتر در سنگ کربناته، هيدروکربن کمتري نسبت به ماسه سنگ به درون آن نفوذ کرده و تأثير منفي اشباع در آن کمتر از ماسه سنگ است.
مکانيسم برداشت کنده ها
عامل انتهايي در ليزر کاري مکانيسم برداشت (Removal Mechanism) مي باشد. در نمونه ماسه سنگ انبساط سريع گرمايي جزئي (Rapid differential thermal expansion) موجب مي شود تا سنگ و سيمان شدگي آن ترک بردارد. اين امر موجب ايجاد ارتباط بين چاه و مخزن مي شود و با استفاده از Optic fluids، خرده هاي احتمالي جمع آوري مي شود تا موجب بسته شدن مشبک ها نشود.
امّا در نمونه سنگ کربناته مکانيسم برداشت کلسيته شدن (calcination) مي باشد يعني انرژي ليزر موجب تجزيه کربنات ها به دي اکسيد کربن و اکسيد کلسيم شده و هر چه تماس ذرات با هم بيشتر باشد پروسه بازدهي بالاتري وجود دارد و خرده اي توليد نخواهد شد.
بحث و تجزيه و تحليل
1- مکانيسم مشبک کاري با ليزر، با استفاده از انتقال حرارت کنترل مي شود. با افزايش فشار روي سنگ، فشردگي آن بيشتر شده و فضاهاي خالي کمتر مي شود و انتقال حرارت کارا تري صورت مي گيرد.
2- در مشبک کاري با ليزر، تخريب سازند (Damage) به وجود نخواهد آمد و خرده هاي ريز که تخلخل را کاهش مي دهند نيز حذف مي شود. همچنين کنترل قويتري روي شکل، اندازه و زاويه تونل ها بدست مي آيد. با افزايش فشار، کارايي اين روش بخصوص در مورد Lime Stone بيشتر مي شود.
3-کاربرد ليزر پر قدرت، خواص فيزيکي سنگ از جمله تخلخل و تراوايي را افزايش مي دهد.
3-شرايط زير تعادلي (Under Balance) نتايج به مراتب مطلوب تري نسبت به شرايط تعادلي (balance) بدست مي دهد.
4-مشبک کاري تحت اشباع هيدروکربور SE بيشتري نسبت به نمونه خشک دارد امّا اين اثر در Lime Stone به علت کمتر بودن فضا هاي خالي و اشباع کمتر، کمتر است.
پيشنهادات
همانطور که اشاره شد شرايط بهينه براي مشبک کاري با ليزر عبارتست از:
1- سنگ مخزن از نوع کربناته باشد:
در اين سنگ هر جند افزايش تراوايي و تخلخل به اندازه ي Sand Stone چشمگير نيست، امّا تأثير مفيد فشار روي آن بيشتر و تأثير منفي اشباع هيدروکربن روي آن کمتر است.
2- فشار مخزن در ناحيه مشبک کاري شده زياد و در حالت بهينه بيش از 2000 psi باشد.
3- مشبک کاري در وضعيت Under Balance انجام شود.
با توجه به اينکه مخازن ايران اکثراً از نوع کربناته بوده و بسياري از آن ها پر فشار)بيش از 2000 psi) مي باشند، مشبک کاري با ليزر مي تواند گزينه بسيار مناسبي براي تکميل چاه در آن ها باشد. ضمن آنکه مشبک کاري Under Balance براي حصول بيشترين بازده و بهترين نتيجه توصيه مي گردد.
REFFERENCES :
1- S.I. Batareseh, B.C. Gahan, “innovation in wellbore perforation using High-Power Laser” November 2005.
2- S.I. Batareseh, B.C. Gahan, “well perforation using High-Power Laser” October 2003.
3- S.I. Batareseh, B.C. Gahan, "effect of downhole pressure condition on high power laser perforation.
4-K.folse, M.Allin, “perforating system selection for optimum well inflow performance” Feb. 2002
5- L.A.Behrmann. “underbalance criteria for minimum perforating damage” sep. 1996
6- P.M. Halleck. “Advances in understanding perforation penetration and flow performance” aug. 1994
7- R.M. Graves, S.Batarseh. “rock parameters that effect laser rock interaction” 2001.
8- K.V.Dyke “fundamentals of petroleum” texas 1997.
9- Tareq Ahmed. “reservoir engineering handbook”
مشبک کاري در صنعت نفت و گاز عبارتست از ايجاد تونلي در ديواره چاه براي جريان يافتن سيال مخزن از ميان لوله جداري سيمان شده به درون چاه. مشبک کاري از مهمترين و حساسترين بخش هاي تکميل چاه مي باشد. مشبک کاري ناقص و نامناسب علاوه بر آسيب به سازند، هزينه هاي مشبک کاري مجدد و يا اسيد کاري را به دنبال خواهد داشت.
در روش هاي معمول مشبک کاري نظيرJet Perforation وBallistic Perforation علاوه بر مشکلات ايمني، کنترل اندازه و عمق سوراخ ايجاد شده نيز دشوار بوده و باعث آسيب سازند مي شود.
تحقيقات انجام گرفته براي يافتن روش هاي جايگزين مشبک کاري نشان داده است که ليزر به خوبي توانايي برش و مشبک کاري سنگ ها را دارد. ضمن آنکه به دليل انتقال حرارت فراوان براي سوراخ کردن سنگ، تراوايي و تخلخل سنگ نيز افزايش پيدا مي کند.
هر دو نوع سنگ مورد آزمايش يعني Lime Stone وSand Stone را مي توان به گونه اي با ليزر مشبک کاري نمود. در مشبک کاري با ليزر اشعه ليزر با نمونه سنگ برخورد کرده و انرژي ليزر به سنگ انتقال مي يابد. اين انرژي باعث افزايش دما در نمونه سنگ مي شود تا آنجا که خاصيت سيمان شدگي بين ذرات ذوب و يا بخار شده و مي شکند. ميزان تأثير و بازدهي استفاده از ليزر به خواص فيزيکي و گرمايي سنگ بستگي دارد.
اهداف
هدف اين مقاله بررسي کاربرد ليزر در مشبک کاري در شرايط آزمايشگاهي و همچنين در شرايط فشار و دماي ته چاه و مطالعه امکان بکارگيري آن براي مخازن نفت و گاز ايران بوده است.
براي مطالعه تأثير ليزر روي تراوايي و تخلخل سنگ در شرايط فشار استاندارد روي نمونه سنگ خشک و بررسي اثر فشار و اشباع سنگ از آب نمک و هيدروکربن روي آن، از پارامتري به نام بازدهي ليزر استفاده شده است که به صورت زير تعريف مي شود:
حجم برداشت شده/ انرژي ورودي = SE=
که در آن SE = مقدار انرژي مورد نياز به ازاي حجم برداشت شده
SE پايين تر، نشان دهنده حجم مواد برداشت شده بيشتر به ازاي انرژي کمتر مي باشد. پايين بودن SE ، شانس عملياتي بودن اين روش را بالاتر مي برد.
نوع ليزر مورد استفاده
در مجموع سه نوع ليزر براي مشبک کاري در سنگ ها مورد مطالعه قرار گرفته است. Fiber Laser،Coil laser و Yas laser. از ميان اين ليزرها، ليزرهاي فيبري کانديداي اصلي براي کاربرد در درون چاه بوده و فوايد کليدي بسياري نسبت به نمونه هاي نظامي و صنعتي از خود نشان داده اند. از جمله:
1-بازدهي بالا در تبديل انرژي
2-ابعاد قابل انتقال
3-اين ليزرها تنها نوعي از ليزرها مي باشند که مي توان آن ها را به فاصله زياد از سطح تا هدف با کمترين افت انرژي انتقال داد.
اثر متقابل سنگ و ليزر
نتايجي که از آزمايش ليزر ها بر روي انواع سنگ از جمله Sand Stone و Carbonate انجام گرفته است نشان مي دهد کاربرد ليزر پر قدرت (High-Power Laser Application) ، تخلخل و تراوايي سنگ را در تونل مشبک و نواحي اطراف افزايش مي دهد. ميزان اين افزايش تابعي است از هدايت گرمايي سنگ، به اين مفهوم که هر چه هدايت گرمايي سنگ بالاتر باشد توزيع حرارت در سنگ بهتر انجام شده و تراوايي و تخلخل افزايش بيشتر و يکنواخت تري خواهند داشت. اين افزايش تراوايي در Sand Stone مورد آزمايش با 171 درصد، بيشترين ميزان را به خود اختصاص داده است. در جدول زير، مقادير تراوايي و تخلخل قبل و بعد از انجام عمليات مشبک کاري با ليزر روي نمونه سنگ آورده شده است.
در نواحي نزديک به محل مشبک کاري- (از 1 تا 3 اينچ)- به علت تأثير حرارتي ليزر روي شبکه سنگ (matrix)، بخشي از خميره سنگ حالتي شبيه به سراميک به خود مي گيرد. در اين نواحي تراوايي تقريباً دست نخورده باقي مي ماند. با زيادتر شدن فاصله از محل مشبک کاري، افزايش تراوايي چشمگير خواهد بود و در فاصله حدوداً 6 تا 12 اينچ به حداکثر مقدار خود مي رسد.
تاثير فشار
براي روشن شدن تأثير افزايش فشار بر روي کارايي ليزر، وسيله اي به نام Unique-High Cell-Premium طراحي شده است که در آن مي توان تأثير همه جانبه فشار بر روي سنگ را مشاهده نمود.
وقتي روي سنگ ها فشار اعمال مي شود بسته به خواص مقاومتي و کشساني، سنگ ها تغيير شکل مي دهند و فشرده مي شوند، فشردگي يک عامل مفيد در ليزر کاري به حساب مي آيد چون موجب افزايش انتقال حرارت در فضاهاي متخلخل (همرفتي) و انتقال حرارت ذره به ذره (هدايت) مي شود و درصد بالاتر تماس ذرات با يکديگر Grain to Grain Contact موجب کاهش اتلاف گرما شده و اين امر منجر به کارايي بيشتر انرژي ليزر ها مي شود.
تأثير فشار روي Sand Stone و Lime Stone متفاوت است. در ذيل به بررسي اين تفاوت ها مي پردازيم:
در سنگ کربناته، فضا هاي خالي کمتر است. افزايش فشار (stress) روي اين نوع سنگ ها موجب فشردگي آن ها مي شود در حالي که در ماسه سنگ به دليل فضاهاي خالي زياد و سفت تر بودن آن، فشردگي در مقابل فشار کمتر بوده و به همين دليل تأثير فشار روي سنگ کربناته مطلوب تر است.
اثر اشباع
عامل مهم ديگر مربوط به شرايط اشباع سنگ مي باشد. با توجه به تحقيقات به عمل آمده تأثير اين عوامل اينگونه گزارش مي شود:
در اين آزمايش نمونه هاي ماسه سنگ و سنگ کربناته با آب نمک (50 ppm) و هيدروکربور (نفت تصفيه شده با وزن مخصوص 0.849/cc) مايع اشباع شده و تحت ليزر کاري با قدرت بالا قرار گرفتند. در اين شرايط SE براي نمونه اشباع شده با آب نمک کاهش يافت اما براي نمونه اشباع با هيدروکربور مايع، مقدار SE در مقايسه با نمونه خشک افزايش داشت. اين بدان معني است که هيدروکربور در مقايسه با آب نمک براي گرم شدن انرژي بيشتري مصرف مي کند. آب نمک سريع بخار مي شود و اين خود به ترک خوردن سنگ کمک مي کند، در صورتي که در مورد هيدروکربور تبخير سريع وجود نداشته و هنگام ليزر کاري ابر تيره اي از هيدروکربور به وجود مي آيد که انرژي را جذب مي کند، در جداول زير شرايط مختلف تأثير فشار و اشباع روي SE مقايسه شده است.
به خاطر فضاهاي خالي کمتر در سنگ کربناته، هيدروکربن کمتري نسبت به ماسه سنگ به درون آن نفوذ کرده و تأثير منفي اشباع در آن کمتر از ماسه سنگ است.
مکانيسم برداشت کنده ها
عامل انتهايي در ليزر کاري مکانيسم برداشت (Removal Mechanism) مي باشد. در نمونه ماسه سنگ انبساط سريع گرمايي جزئي (Rapid differential thermal expansion) موجب مي شود تا سنگ و سيمان شدگي آن ترک بردارد. اين امر موجب ايجاد ارتباط بين چاه و مخزن مي شود و با استفاده از Optic fluids، خرده هاي احتمالي جمع آوري مي شود تا موجب بسته شدن مشبک ها نشود.
امّا در نمونه سنگ کربناته مکانيسم برداشت کلسيته شدن (calcination) مي باشد يعني انرژي ليزر موجب تجزيه کربنات ها به دي اکسيد کربن و اکسيد کلسيم شده و هر چه تماس ذرات با هم بيشتر باشد پروسه بازدهي بالاتري وجود دارد و خرده اي توليد نخواهد شد.
بحث و تجزيه و تحليل
1- مکانيسم مشبک کاري با ليزر، با استفاده از انتقال حرارت کنترل مي شود. با افزايش فشار روي سنگ، فشردگي آن بيشتر شده و فضاهاي خالي کمتر مي شود و انتقال حرارت کارا تري صورت مي گيرد.
2- در مشبک کاري با ليزر، تخريب سازند (Damage) به وجود نخواهد آمد و خرده هاي ريز که تخلخل را کاهش مي دهند نيز حذف مي شود. همچنين کنترل قويتري روي شکل، اندازه و زاويه تونل ها بدست مي آيد. با افزايش فشار، کارايي اين روش بخصوص در مورد Lime Stone بيشتر مي شود.
3-کاربرد ليزر پر قدرت، خواص فيزيکي سنگ از جمله تخلخل و تراوايي را افزايش مي دهد.
3-شرايط زير تعادلي (Under Balance) نتايج به مراتب مطلوب تري نسبت به شرايط تعادلي (balance) بدست مي دهد.
4-مشبک کاري تحت اشباع هيدروکربور SE بيشتري نسبت به نمونه خشک دارد امّا اين اثر در Lime Stone به علت کمتر بودن فضا هاي خالي و اشباع کمتر، کمتر است.
پيشنهادات
همانطور که اشاره شد شرايط بهينه براي مشبک کاري با ليزر عبارتست از:
1- سنگ مخزن از نوع کربناته باشد:
در اين سنگ هر جند افزايش تراوايي و تخلخل به اندازه ي Sand Stone چشمگير نيست، امّا تأثير مفيد فشار روي آن بيشتر و تأثير منفي اشباع هيدروکربن روي آن کمتر است.
2- فشار مخزن در ناحيه مشبک کاري شده زياد و در حالت بهينه بيش از 2000 psi باشد.
3- مشبک کاري در وضعيت Under Balance انجام شود.
با توجه به اينکه مخازن ايران اکثراً از نوع کربناته بوده و بسياري از آن ها پر فشار)بيش از 2000 psi) مي باشند، مشبک کاري با ليزر مي تواند گزينه بسيار مناسبي براي تکميل چاه در آن ها باشد. ضمن آنکه مشبک کاري Under Balance براي حصول بيشترين بازده و بهترين نتيجه توصيه مي گردد.
REFFERENCES :
1- S.I. Batareseh, B.C. Gahan, “innovation in wellbore perforation using High-Power Laser” November 2005.
2- S.I. Batareseh, B.C. Gahan, “well perforation using High-Power Laser” October 2003.
3- S.I. Batareseh, B.C. Gahan, "effect of downhole pressure condition on high power laser perforation.
4-K.folse, M.Allin, “perforating system selection for optimum well inflow performance” Feb. 2002
5- L.A.Behrmann. “underbalance criteria for minimum perforating damage” sep. 1996
6- P.M. Halleck. “Advances in understanding perforation penetration and flow performance” aug. 1994
7- R.M. Graves, S.Batarseh. “rock parameters that effect laser rock interaction” 2001.
8- K.V.Dyke “fundamentals of petroleum” texas 1997.
9- Tareq Ahmed. “reservoir engineering handbook”