MICROMAX؛ تحولی درساخت دوغاب سنگین بدون SETTELING

مروری بر مطالعات تأثیر تغییر ترشوندگی بر بهبود تولید در مخازن گاز میعانی
دی ۱۰, ۱۳۹۶
بررسی تأثیر نانوذرات و سیالات توزیع کننده بر ازدیاد برداشت نفت
دی ۱۰, ۱۳۹۶

MICROMAX؛ تحولی درساخت دوغاب سنگین بدون SETTELING

 

چکیده

برای غلبه بر فشار بالا در سازندهای پرفشار به استفاده از دوغاب­های سیمان سنگین نیاز است. ته­نشینی ذرات وزن افزا درون دوغاب­های سیمان سنگین یکی از رایج­ترین مشکلات در سیمانکاری چاه­های نفت می­باشد. یکی از راه­های مناسب برای برطرف کردن این مشکل استفاده از افزایه مایکرومکس است. در این تحقیق سعی بر آن شده تا مشکلات سیمانکاری لایه­های پرفشار در میادین نفتی جنوب ایران شناسایی و مزایای استفاده از افزایه مایکرومکس نسبت به دیگر افزایه­های وزن افزا بررسی گردد.

 

مقدمه

یکی از مهمترین و بارزترین مشکلات پیش رو در حفاری سازندهای پرفشار، بسیار نزدیک بودن فشار حفره­ای و فشار شکستگی می­باشد که اگر نتوان با یک طراحی دوغاب خوب بر این مشکل فائق آمد، باعث ایجاد هزینه­های بسیاری برای درمان چاه می­شود[۱].

براساس تحقیقات انجام شده بر روی یکی از چاه­های میادین خلیج مکزیک در سال ۲۰۱۰ مشخص شدکه سیمانکاری نامناسب یکی از اصلی­ترین دلیل فوران چاه (blow out) در این میدان بوده است [۲]. طراحی دوغاب مناسب در اینگونه چاه­ها که دارای شرایط خاص می­باشند یکی از بزرگترین دغدغه­های شرکت­های نفتی می­باشد.

برای مهار اینگونه چاهها و غلبه بر فشار چاه، افزایش وزن گل تنها راه برای ادامه حفاری است. البته این افزایش وزن نباید بیشتر از حد مجاز باشد زیرا افزایش بی­رویه وزن گل باعث ایجاد پدیده شکستگی (Fracturing) در دیواره چاه می­شود.

 

وزن افزاها (Weighting Agents)

با کاهش مقدار آب و افزایش مقدار سیمان می­توان دوغابی تا وزن ۱۶٫۵ PPG  تهیه کرد اما برای وزن­های بالاتر، این کاهش آب مطلوب نبوده و باعث کاهش مقاومت تراکمی سیمان می­شود زیرا آب یکی از پارامترهای مهم در واکنش هیدراسیون سیمان و سفت شدن آن است، بنابراین برای تهیه دوغابی با وزن بالاتر از ۱۶٫۵ PPG باید از افزایه­های وزن افزا در دوغاب سیمان استفاده نمود [۳,۴].

وزن افزاهای رایج در عملیات سیمانکاری عبارتند از: باریت، گالنا، ایلمنیت، هماتیت، مایکرومکس

جدول ۱: مشخصات ظاهری افزایه­های وزن افزا مورد استفاده در سیمانکاری [۳]

باریت:

باریت لفظی یونانی است به معنی سنگین، که به وزن مخصوص بالای آن (۴٫۳۳ SG) اشاره می­کند. با استفاده از این وزن افزا می­توان وزن سیمان را تا ۱۹ PPG افزایش داد. اما به دلایل خواص ویژه، در مصرف آن محدودیت­هایی است. باریت هنگام مخلوط شدن با مواد اولیه سیمان به آب فراوان (بسیار بیشتر از دیگر مواد وزن افزا) نیاز دارد که همین استفاده از آن را محدود می­کند. باریت برای مخلوط شدن به مقداری در حدود ۲٫۴ گالن بر هر صد پوند باریت (۰٫۲۲ درصد وزنی) آب نیاز دارد. این مقدار بالای آب از یک طرف خود وزن مخصوص دوغاب حاصل را کم می­کند و از طرفی دیگر باعث کاهش مقاومت تراکمی سیمان می­شود و اثر دیگر مواد وزن­افزا را نیز در دوغاب کم می­کند[۵].

 

گالنا (Galena):

گالنا ریشه لاتین دارد و معمولا به کانسارهای سرب گفته می­شود. فرمول شیمیایی آن PbS است که حاوی ۸۶٫۶ درصد گوگرد و ۱۳٫۴ درصد سرب می­باشد[۵].

گالنا با رنگ نقره­ای روشن و دارای وزن مخصوص ۷٫۵ SG است. گالنا با اینکه سنگینتر از دیگر مواد وزن افزا است، گرانتر بوده و در درجه حرارت­های بالا بعنوان یک کندگر عمل می­کند و مانع بندش سریع سیمان می­شود. علاوه براین معایب مقدار آب مورد نیاز برای این ماده نیز نسبتا بالاست و همین موجب کاهش وزن مخصوص موثر آن و نیز کاهش مقاومت تراکمی سیمان می­شود[۵].

ایلمنیت (هایدنس):

این کانی جز گروه اکسیده است و نام آن از کوه­های ایلمن در روسیه گرفته شده است. فرمول شیمیایی آن FeTiO3 است که دارای ۳۶٫۸ درصد آهن و ۳۱٫۶ درصد تیتانیوم می­باشد [۵].

ایلمنیت یا هایدنس با رنگ سیاه و وزن مخصوص ۴٫۴۵ SG بصورت Blend در سیمان مخلوط شده و در عملیات سیمانکاری استفاده می­شود. یکی از متداولترین مشکلات استفاده از این افزایه می­توان به ته­نشست این ماده در دوغاب­های سیمان اشاره کرد.

هماتیت (Hematite):

نام هماتیت برگرفته از یک لغت یونانی به معنی خون است (به دلیل رنگ قرمز پودر هماتیت). فرمول شیمیایی آن Fe2O3 است که دارای ۷۰ درصد آهن و ۳۰ درصد اکسیژن می­باشد[۵].

هماتیت با رنگ قرمز متمایل به قهوه­ای و وزن مخصوص ۴٫۹۵ SG بصورت Blend در سیمان مخلوط شده و در عملیات سیمانکاری استفاده می­شود. برای مخلوط شدن هر صد پوند هماتیت به ۰٫۲۳ گالن آب نیاز داریم. این افزایه همانند افزایه ایلمنیت مشکل ته­نشست مواد در دوغاب­های سیمان دارد[۵].

 

مایکرومکس:

این افزایه از سنگ معدن هاسمانایت (Hausmannite) بدست می­آید و نام آن از کانی­شناس آلمانی هاسمان (Hausmann) اخذ شده است.

مایکرومکس یک وزن­افزا خودپایدار است که بیش از ۹۰ درصد آن را اکسید منگنز (Mn3O4) تشکیل می­دهد و برای محیط زیست ایمن است. این افزایه شامل ذرات کلوییدی با متوسط اندازه ۰٫۴ میکرون و همچنین دارای وزن مخصوص ۴٫۸۴ SG  با سطح ویژه ۴ m2/gr می­باشد[۶].

جدول ۲ : مشخصات ظاهری و آنالیز شیمیایی افزایه مایکرومکس[۶]

شکل ۵: نمایی از افزایه مایکرومکس

مزایای مایکرومکس نسبت به دیگر وزن­افزاها:

از مزایای مایکرومکس میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

  • وزن­افزای بسیار سنگین:

مایکرومکس با وزن مخصوص بالایش از دیگر وزن­افزاها از نظر ایجاد وزن دوغاب سیمان برتر است. دوغاب حاصل از این وزن­افزا براحتی قابل پمپاژ و روان است.

 

  • پایداری دوغاب:

سطح ویژه زیاد و اندازه بسیار ریز ذرات مایکرومکس عامل مهم در پایداری و جلوگیری از نشست ذرات جامد در دوغاب است. به علاوه مایکرومکس برای دیگر مواد نیز شرایطی فراهم می­آورد که آنها نیز بدون رسوب کردن در دوغاب معلق بمانند.

شکل ۶: مقایسه ته نشینی افزایه مایکرومکس و افزایه هایدنس در دوغاب سیمان

  • پیش مخلوط شدن با آب:

مایکرومکس می­تواند قبل از عملیات با آب به همراه دیگر افزودنی­ها مخلوط شود بدون اینکه خطر رسوب کردن آن در میان باشد.

 

 

  • پایین آوردن رئولوژی:

استفاده از مایکرومکس به عنوان افزودنی سنگین تفاوتی محسوس با دیگر وزن­افزاها دارد. شکل کروی ذرات مایکرومکس روان­کنندگی دوغاب سیمان را بالا می­برد، بنابراین خواص رئولوژیکی و کیفیت دوغاب بالا خواهند رفت و یک جداکننده بسیار عالی برای اندود صافی گل حفاری بدست می­آید.

نمودار ۱: نمودار رئولوژی افزایه مایکرومکس در مقابل افزایه های باریت و هماتیت[۷]

  • دارای سایش کم:

به دلیل طبیعت و خواص فیزیکی ذرات مایکرومکس، این ماده کمترین اثر سایشی را بر پمپ، وسایل ارتباطی، خطوط لوله و تجهیزات سطحی دارند.

 

  • اثر ردیابی مایکرومکس:

علاوه بر خواص فیزیکی ویژه مایکرومکس، این ماده رنگ تیره قرمز قهوه­ای دارد که این خاصیت مزیت استفاده از مایکرومکس را به عنوان یک ردیاب رنگی نیز ایجاد می­کند که بویژه در ردیابی اشکالات موجود در پلاگ سیمانکاری میتواند مفید باشد.

 

  • خواص غیر مغناطیسی مایکرومکس:

بسیاری از وزن­افزاهای مصرفی معمول مقادیری زیاد آهن دارند که می­توانند به مغناطیسی کردن رشته حفاری منجر شوند بنابراین وسایل شیب­سنج، انحراف­سنج و نقشه­برداری چاه ممکن است در این مواقع ناهنجاری نشان دهند. درصد پایین آهن موجود در مایکرومکس باعث شده است که این ماده غیرمغناطیسی باشد و آثار سوء فوق را نداشته باشد.

  • افزایش مقاومت تراکمی:

استفاده از این افزایه باعث افزایش مقاومت تراکمی سیمان می­شود.

 

سابقه استفاده از افزایه مایکرومکس در ایران:

در یران در بسیاری از چاه­هایی که در مناطق پرفشار حفر می­شوند از افزایه هایدنس استفاده می­کنند، همانطور که ذکر شد استفاده از این افزایه دارای معایبی از قبیل ته­نشست فراوان در دوغاب سیمان، مشکل اختلاط با سیمان (Dry Blend) و عدم امکان تغییر درصد این افزایه قبل از عملیات سیمانکاری می­باشد.

افزایه وزن­افزای هایدنس می­بایستی بصورت خشک با سیمان در سیلوهای نگهداری مواد در درصدهای موردنظر مخلوط گردد، درصورت اختلاط نامیزان، درصد موردنظر هایدنس حاصل نمی­شود که این خطری جدی در ناموفق بودن عملیات سیمانکاری است زیرا دراینحالت برای رسیدن به وزن موردنظر دوغاب، باید از سیمان بیشتری استفاده نمود که در اینصورت، قدرت ژلگی دوغاب بسیار زیاد و در مواردی که این اختلاف (درصد هایدنس) زیاد باشد دوغابی غیرقابل پمپاژ حاصل خواهد شد.

در صورتیکه اختلاط هایدنس با سیمان بطور کاملا دقیق انجام شود همچنان مشکل بالقوه دیگری وجود خواهد داشت و آن ته­نشست هایدنس در سیمان خشک در حین حمل و نقل به دکل­های حفاری است. علیرغم مشکل مذکور، مشکل ته­نشینی ذرات سنگین هایدنس در دوغاب سیمان به عنوان بزرگترین معضل در عملیات سیمانکاری با وزن بالا وجود خواهد داشت.

براساس گزارشات ارسالی از شرکت فلات قاره ایران، عملیات سیمانکاری در برخی از چاه­های فیلد هندیجان بدلیل مشکلات ذکر شده، موفق نبوده و در فضای حلقوی فشار سازندی مشاهده شده است.

برای اولین بار در ایران توسط شرکت دانا اویل سرویسز در فیلد بهرگانسر دوغابی با وزن ۱۳۵ PCF  و پس از آن در فیلد هندیجان دوغابی با وزن ۱۴۰ PCF با افزایه مایکرومکس طراحی گردید که نتایج بسیار رضایت­بخشی حاصل شد.

پس از مشاهده نتایج بسیار مطلوب دراین فیلدها، باری دیگر شرکت فلات قاره ایران بر آن شد تا در فیلد هندیجان از افزایه مایکرومکس اما این بار در وزن ۱۴۵PCF استفاده نماید که دوغاب مذکور  در آزمایشگاه شرکت دانا اویل سرویسز طراحی گردید اما با تغییر وضعیت چاه در لحظه آخر حفاری، شرکت فلات قاره ایران به ناچار تصمیم به تغییر وزن دوغاب سیمان از ۱۴۵ PCF به ۱۴۲ PCF نمود که این عملیات سیمانکاری نیز با موفقیت به پایان رسید.

یکی از مهمترین خواص افزایه مایکرومکس، امکان تغییر درصد وزنی آن در لحظاتی قبل از عملیات سیمانکاری می­باشد.

همچنین باید خاطرنشان کرد که در حضور نمایندگان شرکت فلات قاره، این شرکت (دانا اویل سرویسز) موفق به ساخت دوغابهایی با وزن­های ۱۵۰ PCF و ۱۶۰PCF شده ­است.

شکل ۷: اجرای موفیقت آمیز عملیات سیمانکاری دوغاب ۱۴۲ PCF مایکرومکسی در فیلد هندیجان

مشخصات دوغاب ۱۴۵ PCF با استفاده از افزایه مایکرومکس:

مراحل و نتایج آزمایشگاهی دوغاب ۱۴۵ PCF، در تصاویر زیر نشان داده شده است:

شکل ۸: فرآیند میکسینگ دوغاب ۱۴۵ PCF مایکرومکسی در آزمایشگاه دانا اویل سرویسز

شکل ۹: نمایی از دوغاب ۱۴۵ PCF مایکرومکسی در آزمایشگاه دانا اویل سرویسز

شکل ۱۰: تعیین رئولوژی دوغاب ۱۴۵ PCF مایکرومکسی در آزمایشگاه دانا اویل سرویسز

شکل ۱۱: نمایی از دوغاب ۱۴۵ PCF مایکرومکسی در استوانه مدرج برای تعیین مقدار آب آزاد و بررسی ته­نشست دوغاب

شکل ۱۲: انجام تست مقاومت تراکمی برای دوغاب ۱۴۵ PCF مایکرومکسی در آزمایشگاه دانا اویل سرویسز

 

 

شکل ۱۳: انجام تست مقاومت تراکمی برای دوغاب ۱۴۵ PCF مایکرومکسی در آزمایشگاه دانا اویل سرویسز

نمودار ۲: نمودار UCA برای دوغاب ۱۴۵ PCF مایکرومکسی

نمودار ۳: نمودار تست مقاومت تراکمی برای دوغاب ۱۴۵ PCF مایکرومکسی

نمودار ۴: نمودار زمان نیم­بندش برای دوغاب ۱۴۵ PCF مایکرومکسی

نتیجه­ گیری:

  1. برخلاف افزایه­های هماتیت و گالنا، افزایه مایکرومکس باعث کاهش رئولوژی دوغاب سیمان می­شود.
  2. افزایه مایکرومکس قیمت پایین­تری نسب به افزایه گالنا دارد.
  3. دوغاب مایکرومکسی نسبت به دیگر وزن­افزاها، کمترین اثر سایشی را بر تجهیزات مورد استفاده در حفاری دارد.
  4. برخلاف افزایه­های باریت، هایدنس و گالنا این افزایه (مایکرومکس) دارای خاصیت ردیابی می­باشد.
  5. برخلاف تمامی وزن افزاها، ته­نشینی ذرات جامد در دوغاب­های مایکرومکسی صورت نمی­گیرد.
  6. قابلیت پیش مخلوط شدن با آب، یکی دیگر از مزایای مایکرومکس است که امکان تغییر درصد آن را در Solution فراهم می­آورد (درصورت تغییرات ناگهانی در وضعیت چاه­، لحظاتی قبل از عملیات سیمانکاری).
  7. مایکرومکس در قیاس با دیگر وزن­افزاهای موجود، باعث افزایش مقاومت تراکمی سیمان می­شود.

 

 

 

مراجع

۱- Johnston N.C. and Senese M.: “New Approach to High-Density Cement Slurries for Cementing High-Pressure, High- Temperature Wells”. SPE 24976 was prepared for presentation at the European Petroleum Conference held in Cannes, France, 16-18 November 1992.

 

۲- Prisca Salim & Mahmood Amani: “SPECIAL CONSIDERATIONS IN CEMENTING HIGH PRESSURE HIGH TEMPERATURE WELLS”. International Journal of Engineering and Applied Sciences, January 2013.

 

۳- Nelson E.B. and Guillot D.: “Well Cementing” ۲nd edition, 2006”

 

۴- Frittela F., Babbo M.and Muffo A.I.: “Best Practices and Lesson Learned From 15 Years of Experience of Cementing HPHT Wells in Italy”. SPE/IADC 125175 was prepared for presentation at the SPE/IADC Middle East Drilling Technology Conference & Exhibition held in Manama, Bahrain, 26-28 October 2009.

 

۵- H. Soltanian , A. R. Mortazavi & M. J. Mojtahedi : “Fundamentals of Cementing Engineering in Oil and Gas Wells” ۱st edition, 2011.

 

 

۶- MicroMax, Technical Data Sheet, Dana Oil Services.

 

 

۷- MicroMax, Technical Data Sheet, Elkem.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *