توضیحات

 

پروژه شبیه سازی چاه های نفت چندشاخه ای در کامسول

 

دانلود مقاله مرجع

 

امروزه شرکت­ های عملیاتی در صنعت نفت توجه خود را بر روی بهینه­کردن تولید، کاهش هزینه و افزایش بازیابی نفت قرار داده­اند. بدین منظور حفر چاه های چند شاخه ای گسترش زیادی پیدا کرده است. چاه های چند شاخه ای نیاز به سرمایه گذاری اولیه بیشتری در تجهیزات دارد، اما بطور موثری با کاهش حفاری تعداد چاه های مورد نیاز، هزینه کل و همچنین هزینه توسعه را همانند هزینه های عملیاتی کم می کنند. این تکنولوژی تجهیزات سرچاهی و تجهیزات تکمیل زیر دریایی را کاهش می دهد. همچنین این چاه ها اندازه سکوهای خشکی و تاثیرات زیست محیطی ناشی از عملیات حفاری را کاهش می دهند، هرچقدر چاه های اصلی حفاری کاهش یابند، خطرات عملیات حفاری در بالای چاه نیز کاهش می یابد.

چاه های چند شاخه ای فشار اصطکاکی در هنگام تولید را با پخش جریان ورودی در میان دو یا چند شاخه جانبی کوچکتر کاهش می دهد.

اغلب چاه زاویه دار در مواقعی که امکان دسترسی از طریق چاه عمودی وجود ندارد استفاده می گردد. با این وجود حفر چاه های غیرعمودی مسائل و مشکلات جدیدتری را بوجود می آورد که این مشکلات شامل انتقال قطعات حفاری، نصب لوله ی جداری و سیمانکاری چاه می باشد. همچنین در بعضی موارد، افزایش زاویه چاه باعث افزایش ناپایداری چاه می گردد. ناپایداری چاه بوسیله سیستم تنش های برجا کنترل می گردد، که با حفر چاه، این تنش ها در اطراف چاه متمرکز می شوند. تمرکز تنش باعث شکست سنگ های دیواره چاه می گردد که این شکستگی وابسته به مقاومت سنگ های موجود می باشد.

به منظور جلوگیری از شکست چاه، مهندسین حفاری تمرکز تنش را با استفاده از اعمال فشار داخلی چاه و جهت چاه نسبت به تنش های اصلی تعدیل می کنند. بطور کلی تغییر زاویه ی چاه محدود می باشد و بنابراین باید ناپایداری با استفاده از اعمال فشار گل مناسب کنترل گردد. در عمل، حداقل فشار گل مناسب ۱۰۰ تا ۲۰۰Psi بیشتر از فشار منفذی می باشد. این مقدار ممکن است که هیچ گونه ناپایداری در سنگ های متراکم نشان ندهد اما در سنگهای ضعیف باعث ناپایداری مکانیکی می گردد.

 

شکست ناشی از تنش به سه گروه زیر تقسیم بندی می گردد:

۱) افزایش قطر چاه در سنگ های شکننده

۲) کاهش قطر چاه ناشی از شکست سنگ های شکل پذیر که بدلیل جریان پلاستیک سنگ به داخل چاه اتفاق می افتد.

۳) شکست کششی ناشی از فشار بالای چاه (شکست هیدرولیکی)

علاوه بر تأثیرات تنش های برجا، فشار منفذی و مقاومت سنگ بر ناپایداری چاه، پارامترهای دیگری نظیر مشخصات شیمیایی گل، دمای گل و تاثیرات وابسته به زمان نیز بر ناپایداری تاثیر می گذارند. در شیل های با واکنش پذیری بالا، مشخصات شیمیایی گل نسبت به مشخصات مکانیکی آن تاثیر بیشتری بر ناپایداری می­گذارد. با ورود شیل به داخل گل یا فعل و انفعالات بین تشکیلات و گل حفاری، مشخصات گل تغییر می­کند.

تغییرات دمایی گل، ناشی از چرخش گل حفاری در حین حفاری باعث تغییر مشخصات سنگ می گردد. بنابراین به دلیل تأثیرات حرارتی امکان شکست چاه افزایش می یابد. همچنین نوسانات دمایی باعث تمرکز تنش در اطراف چاه می گردد.

ناپایداری دیوارة چاه، نگرانی عمده ای را در صنعت نفت و گاز بدلیل پر هزینه بودن بوجود می آورد. هزینه های ناپایداری چاه در دنیا در طول حفاری، تکمیل و استخراج چاه بیش از ۱۰۰ میلیون دلار در سال می باشد و ممکن است به یک میلیارد دلار هم برسد. درنتیجه پایداری دیواره چاه یکی از اساسی ترین مسائل در صنعت نفت و گاز می باشد. مشکلات مربوط به ناپایداری چاه، هزینه های اضافی مربوط به عملیات حفاری را به دنبال داشته و همچنین اثر شدیدی بر جدول زمانبندی عملیات دارد. درنتیجه بسیاری از شرکت های نفتی در مرحله طراحی چاه، عملیات مربوط به تحلیل پایداری چاه را قرار داده اند.

معمولترین ملاک های شکستگی مورد استفاده در آنالیز پایداری چاه، معیارهای موهر-کلمب و دراگر – پراگر می­باشد. همچنین جدیدا از معیار موگی-کلمب نیز استفاده می گردد که نتایج قابل قبولی بدست می دهد.

کاربرد چاه های چند شاخه ای در تولید از مخزن:

چاه های چند شاخه ای(multilateral wells)، چاه هایی هستند که شامل یک چاه اصلی و چندین شاخه جانبی می باشند که از چاه اصلی منشعب شده اند. شاخه های جانبی به صورت قائم، افقی یا مایل می باشند و ممکن است در صفحات یکسان یا غیر یکسان با یکدیگر یا با چاه اصلی باشند.

چاه های چند شاخه ای عموما برای مخازن با زمین شناسی پیچیده (مخازن فرعی منفرد، گسله شده و …) و مخازن نفت سنگین به کار می رود. چاه های چند شاخه ای، سطح زهکشی شده مخزن را افزایش داده و باعث کاهش پدیدة مخروطی شدن می گردد و موجب استخراج بهتر و کامل تر نفت می گردد.

هزینه های کنونی حفاری و تکمیل چاه های چند شاخه ای از چندین میلیون دلار برای هر چاه تجاوز می کند. بنابراین طراحی کامل جهت تولید بهینه از این چاهها ضروری می باشد.

دلایل انتخاب چاه های افقی و چند شاخه ای:

1-مخروطی شدن(coning):

پایداری چاه تحت تأثیر مشخصات مخزن و شیوة استخراج می باشد. به عنوان مثال، پدیده مخروطی شدن نفت و گاز یک اتفاق ناخوشایند در میدان­های نفتی می­باشد که این پدیده باعث افزایش هزینة استخراج، کاهش کارآیی چاه ها و در کل باعث کاهش بازیافت نفت می گردد. پارامترهایی که تأثیر مستقیم بر پدیدة مخروطی­شدن دارند عبارتند از:

۱) اختلاف دانسیتة سیالات مخزن

2) سیال با ویسکوزیته بالا

3) نسبت انیزوتروپی

4) افت فشار

افت فشار در نزدیکی چاه مهمترین عامل در مخروطی شدن می­باشد. یک چاه قائم بیشترین و یک چاه افقی کمترین افت فشار را نشان می­دهد. کارشناسان چاه های افقی را راه حل مناسبی برای خذف مخروطی شدن می­دانند.

2- آنیزوتروپی نفوذپذیری

فاکتور مهم دیگر در انتخاب چاه افقی آنیزوتروپی نفوذ پذیری می باشد و این شامل هر دو آنیزوتروپی نفوذپذیری افقی و قائم می باشد. اگر مقدار نفوذپذیری قائم به افقی(K_v/K_h) به 1 برسد، حفاری افقی چاه بسیار مفید می­باشد. در کل حفر چاه چند شاخه­ای با زاویه شاخهی جانبی ۹۰ درجه نسبت به حداکثر نفوذپذیری توصیه می گردد.

3- ضخامت و نفوذپذیری لایه ها

برای سالیان زیادی از شکست هیدرولیکی برای تحریک مخازن نفت و افزایش تولید در لایه­های با نفوذپذیری کم استفاده شده است. اگر نفوذپذیری سنگ پایین و ضخامت لایه تولیدی کم باشد میزان تولید کاهش می­یابد. برای این تشکیلات چاه افقی و چند شاخه ای توصیه می گردد، هرچند که برای اجرای چاه، تشکیلات باید دارای ضخامت کافی باشد. ضخامت و نفوذپذیزی لازم برای حفر چاه افقی به ترتیب ۳ تا ۷ متر و ۵ تا 100 md می­باشد. بنابراین شرایط مناسب برای حفر چاه افقی md m 700  KH  md m 15 می باشد(منظور از KH، ضرب مقدار نفوذپذیری(K) در ضخامت(H) است).

4- پارامترهای موثر دیگر:

معیارهای زیر جهت ایجاد چاه چند شاخه ای و افقی بکار می روند.

1) مخازن نازک با نفوذپذیری قائم بالا

۲) مخازن نفت سنگین

۳) چاههای با نفوذ پذیری بالا

۴) تشکیلات دارای شکستگی

۵) مخازن با تمایلات مخروطی شدن نفت و گاز

۶) مخازن با پتانسیل بالای بازیافت

۷) انگیزه های اقتصادی

انتخاب مناسب چاه های چند شاخه ای بطور قابل ملاحظه ای بازیافت نفت خام را در مقایسه با مقدار هزینهی بیشتر نسبت به چاههای معمولی، افزایش می دهد. مشخصات مخزن بر شکل انتخاب چاه های چند شاخه ای تاثیر می گذارد که این مشخصات شامل نفوذپذیری تشکیلات، ضخامت تشکیلات، سنگینی (API) نفت، درجه سفت شدگی مخزن، هتروژنی و حضور شکستگی های طبیعی می باشد.

نتایج نشان می دهد که بهره وری چاه چند شاخه ای با افزایش نسبت تعداد شاخه های جانبی به طول كل شاخه های جانبی، کاهش می یابد. بنابراین تعداد شاخه ها نباید زیاد بالا باشد.

شکل رابطه بین تعداد شاخه ها و نسبت تولید چاه چند شاخه ای به چاه معمولی.

 

همچنین بهره وری چاه های چند شاخه ای با افزایش زاویه شاخه های جانبی نسبت به حالت افقی کاهش می­یابد و بنابراین زاویة افقی چاه، بیشترین تولید را دارا می باشد.

شکل رابطه بین زاویه شاخه های جانبی و نسبت تولید.

 

تکمیل چاه های چند شاخه ای:

مراحل تکمیل چاه های چند شاخه ای از ابتدای حفاری تا مرحله تولید خلاصه شده است که در شش مرحله تکمیل چاه انجام می گیرد:

مرحله اول و دوم: در این دو مرحله، حفاری چاه اصلی و شاخه ی جانبی انجام می شود.

مرحله سوم: در این مرحله لوله جداری اصلی به داخل چاه رانده شده و سیمانکاری پشت لوله جداری انجام می شود و سپس لوله جداری در محل تقاطع چاه اصلی با شاخه های جانبی حفاری شده تا دهانه شاخه های جانبی قرار داده می شود.

مرحله چهارم و پنجم: در این دو مرحله لاینر در شاخه های جانبی نصب می شود و سپس پشت لاینر سیمانکاری می گردد.

مرحله ششم: این مرحله دو بخش را شامل می شود.

الف) پس از اتمام حفاری شاخه های جانبی و رسیدن به مخزن مورد نظر، لوله تولید درون شاخه های جانبی نصب می گردد.

ب) درون چاه اصلی دو لوله تولید نصب می شود و لوله های تولید بیرون آمده از هر شاخه جانبی را به یکی از این لوله های تولید در چاه اصلی متصل می کنند و پس از آن عملیات تحریک مخزن و سپس تولید از مخزن شروع می شود.

بررسی اقتصادی تکنولوژی چاه های چند شاخه ای:

عموما در حفر شاخه های جانبی باید فاکتور بازیابی از مخزن نسبت به روش های معمولی ۳۰ درصد افزایش داشته باشد.

برای نشان دادن بهتر این موضوع در جدول زیر مقایسه ای بین حفاری چاه معمولی، چاه افقی و چاه چند شاخه­ای (دارای یک شاخه جانبی) انجام شده است. همانطور که از جدول مشخص است، چاه های چند شاخه­ای با هزینة بیشتری نسبت به چاه های معمولی و افقی حفر می شوند ولی حجم برداشت از مخزن و فاکتور بازیابی بیشتری نسبت به دو روش دیگر دارند که در توجیه اقتصادی این روش تاثیر زیادی دارد.

جدول مقایسه بین هزینه و درصد تولید در چاه های معمولی، افقی و چند شاخه ای.

 

معایب تکنولوژی چند شاخه ای:

هر تکنولوژی جدید، خطرات و پیچیدگی های فنی مخصوص به خود را دارد، بنابراین علاوه بر کاربرد آن باید معایب آن را نیز ذکر کرد. عملیات تکمیل چاه های چند شاخه ای از لحاظ مکانیکی بسیار پیچیده تر از چاه­های معمولی می باشد که بستگی به ابزار آلات و سیستم های ته چاهی دارد. کنترل چاه در حین حفاری به روش چند شاخه ای یا عملیات تکمیل می تواند بسیار پیچیده باشد. همچنین خطرات بیشتری در ارتباط با دسترسی به حفر چاه برای تعمیر یا مدیریت مخزن وجود دارد.

امروزه روش های رایج تولید از مخازن هیدروکربوری در جهان بسیار متنوع می باشد. در بسیاری از کشورها تولید از مخازن نفت و گاز واقع در خشکی(onshore) با فشار نرمال همچنان به وسیله چاه های متداول تک شاخه(monobore) انجام می شود که البته استفاده از این روش هزینه و ریسک کمی دارد و برای مخازن عادی روشی مقرون به صرفه می­باشد. روش تولید از مخازن هیدروکربوری در نقاط مختلف دنیا بستگی به نوع مخزن، شرایط محیطی، انرژی و نوع سیال مخزن و … دارد. در بعضی مخازن هیدروکربور، سیال توسط فشار خود مخزن به سطح می رسد و تولید می شود و در بعضی مخازن که فشار مخزن برای رساندن سیال به سطح زمین کافی نمی باشد از روش­های ثانویه مثل تزریق آب یا گاز و بعضاً از روش های ثالثيه مثل فرازآوری مصنوعی، تزریق CO₂، تزریق مواد پلیمری، روش های میکروبی و یا حرارتی استفاده می شود.

در نوع دیگری از مخازن مثل کشور کانادا که حاوی نفت سنگین هستند از روش های حرارتی برای تولید استفاده می شود. اما در میادین فراساحلی(offshore) مثل خلیج مکزیک یا آب های عمیق(deep waters) دریای شمال و به­خصوص در کشور نروژ تولید با چاه های چند شاخه ای و هوشمند به عنوان یک روش انتخابی جدید در هنگام توسعه میادین نفت و گاز شناخته شده است که باعث افزایش تولید و از طرفی کاهش هزینه­های عملیاتی شده است. اغلب این نوع از چاه ها برای صرفه جویی هزینه حفاری در جاهایی که محدودیت پلت فرم است و یا حفاری جداگانه هدف های مخزنی(مکان های حاوی هیدروکربور) توسط چاه های عمودی (متداول) غير اقتصادی است، حفاری می شوند.

در کشور ما نیز تولید از مخازن همچنان به وسیله چاه های متداول تک شاخه انجام می شود که در مخازن واقع در خشکی با فشار نرمال، روشی اقتصادی است. اما در میادین فراساحلی مثل میدان پارس جنوبی که ساختار مخزن به صورت چند لایه یا multi layer (شامل زون های تولیدی K1 و K2 و K3 و K4 که توسط لایه­های انیدریت از هم جدا شده اند) می باشد، نیاز به استفاده از فناوری های جدید برای افزایش تولید از مخازن و کاهش هزینه های حفاری و بهره برداری می باشد.

استفاده از چاه های چند شاخه ای یکی از فناوری های توسعه یافته حال حاضر در صنعت نفت و گاز می باشد. مزیت اصلی چاه های چند شاخه ای نسبت به چاه های معمولی در این است که با حفر یک حلقه چاه و ایجاد شاخه های متعدد هزینه حفاری در ازای برداشت بسیار کاهش می یابد. با پیشرفت روز افزون تکنولوژی چاه­های چند شاخه ای و هوشمند در صنعت نفت و گاز، این تکنولوژی برای بهره برداری با بازدهی بیشتر از مخازن هیدروکربن در کشورهای مختلف جهان بکارگرفته شده است و استفاده آن در میادین نفت و گاز با پتانسیل تولیدی بالا امری متداول شده و از نظر اقتصادی مهم می باشد.

برای اولین بار در دهه ۱۹۹۰ میلادی پیشرفت هایی در روش های حفاری به وجود آمد که اجازه حفاری و تکمیل تعداد بیشتری از چاه ها را با شاخه های جانبی می داد که از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• در سال ۱۹۹۳ اولین چاه چند شاخه ای سطح ۳ توسط شرکت شل در کانادا به انجام رسید که در این روش تکمیل چاه، حفره اصلی لوله جداری و سیمانکاری شده اما حفره جانبی فقط لوله جداری گذاری شده و سیمانکاری نمی شود.
• در سال ۱۹۹۴ اولین چاه چند شاخه ای سطح ۴ توسط شرکت شل در کانادا انجام شد که در این روش حفره اصلی و حفره جانبی لوله جداری گذاری و سیمانکاری می شود و مزیت این تکمیل نسبت به تکمیل های سطح پایین تر این است که باعث ایجاد یکپارچگی مکانیکی در اتصال حفره اصلی و حفره جانبی می شود.
• در سال ۱۹۹۵ اولین چاه چند شاخه ای سطح ۵ توسط شرکت بی پی در خلیج مکزیک انجام شد که در این روش تکمیل علاوه بر یکپارچگی مکانیکی، یکپارچگی فشار در اتصال حفره اصلی و حفره جانبی به وجود می آید و تولید سیال از شاخه ها بجای تولید مختلط می تواند به صورت جداگانه و انتخابی باشد.
• در سال ۱۹۹۶ اولین عملیات مداخله درون لوله مغزی چند شاخه ای صورت گرفت که توسط آن بدون نیاز به بیرون آوردن تکمیل از چاه، امکان دسترسی به داخل حفره اصلی و جانبی برای عملیات تعمیری پس از تکمیل چاه به وجود آمد.
• در سال ۱۹۹۶ پیشرفت اصطلاحات و قواعد فنی تخصصی چند شاخه ای (TAML) شکل گرفت.
• از سال ۱۹۹۸ با ظهور تکنولوژی چاه های هوشمند و استفاده آن در چاه های چند شاخه ای تولید از مخازن هیدروکربوری وارد مرحله جدیدی شد که تا به امروز توسعه و پیشرفت چشمگیری داشته است.

از کارهایی که در این زمینه تا به امروز انجام گرفته است، می توان به استفاده از روش های ارزیابی اقتصادی و تولیدی را برای تسریع در تجارتی کردن چاه های هوشمند و چند شاخه ای توسط راموس و اندرسون در سال ۲۰۰۵ اشاره کرد.

شکل رتبه بندی از لحاظ پیچیدگی قواعد فنی تخصصی چند شاخه ای.

حفاری چاه چندشاخه ای در ایران:

در ایران برای نخستین بار در چاه شماره ۵۰ میدان نفتی جفیر، حفاری به صورت افقی با دو شاخه و در مجموع طول دو هزار و ۱۲۸ متر تا عمق نهایی ۴۴۶۷ متر با موفقیت انجام شد. این چاه به منظور تولید از سازند ایلام میدان نفتی جفیر حفاری شد و طبق برنامه ریزی انجام شده هر دو شاخه(حفره اصلی با طول افقی ۸۲۸ متر و شاخه فرعی افقی به طول ۱۳۰۰ متر و در مجموع ۲۱۲۸ متر) با موفقیت به هدف رسید. عملیات حفاری این چاه در روز ۲۹ خرداد سال۱۳۸۸ و پس از حفاری تا عمق ۳۲۰۱ متری (درون سازند روک) و گرفتن نمودارهای مورد نیاز توسط سیمان تا عمق ۲۷۳۰ متر و درون سازند ایلام آغاز شد.

با تمهیدات مطلوب به کار گرفته شده حفر چاه کاملاً ایده آل انجام و نمودارهای ارزیابی مخزن نیز درون آن رانده شد و پس از حفاری حفره دوم، حفره اصلی با موفقیت تا انتهای چاه تمیزسازی شد و حفاری طبق برنامه­ریزی مورد نظر به پایان رسید. در این عملیات صرفه جویی در وقت و هزینه، کاهش هدر رفت مواد نفتی، جلوگیری از جابجایی دکل های حفاری و افزایش تولید، از جمله اهداف اجرای این برنامه شمرده شده است.

امروزه شرکت های عملیاتی در صنعت نفت و گاز توجه خود را بر روی بهینه سازی تولید، کاهش هزینه و افزایش بازیابی نفت قرار داده اند. بدین منظور حفر چاه های چند شاخه ای گسترش زیادی پیدا کرده است. از نظر تعداد چاه های چند شاخه ای، شرکت هاليبرتون که در سال ۱۹۹۳ تکمیل چاه های چند شاخه را شروع کرد تا سال ۲۰۰۰ بیش از ۲۵۰ اتصال را با تکنولوژی پایین(۷۵ % آنها در خشکی بود)، انجام داد و در طول دوره ۲۰۰۱ تا ۲۰۱۱ بیش از ۷۲۰ اتصال را با تکنولوژی بالا که ۳۵ % آنها در دریا بود، تکمیل کرد که یکی از آنها عمیق ترین اتصال سطح ۵ جهان با عمق بیش از ۶۹۰۰ متر در دسامبر سال ۲۰۱۰ در کشور نروژ بود.

بهینه سازی طراحی و مشخصات چاه، تاثیر اساسی بر دبی تولید هیدروکربن از مخزن دارد. طراحی چاه با توجه به قابلیت های مخزن نکته بسیار مهمی در دست یابی به تولید بهینه می باشد. از عواملی که می تواند در بهینه سازی طراحی استفاده شوند؛ نوع و هندسه چاه، قطر لوله مغزی و فشار سرچاهی و … می باشند. با وجود منافع بالقوه و اثبات شده چاه های هوشمند و چند شاخه ای، هنوز درک غالب این است که این فن آوری برای رسیدن به سطح بالاتر تولید، بیش از حد پیچیده و ریسک بالایی دارد، در حالی که این فن آوری دارای پتانسیل قابل توجهی برای کاهش هزینه ها در پایان برنامه های بالادستی نفت و گاز می باشد. واقعیت این است که منافع اقتصادی و تولیدی در برنامه های کاربردی استفاده از این فن آوری وجود دارد، اما اثبات آن یک چالش را مطرح کرده است. با استناد به شرکت های پیشتاز در این فناوری، حرکت به سمت چاه های هوشمند و چند شاخه ای و استفاده از این فناوری ارزش بالقوه ای از جمله؛ کاهش هزینه حفاری، به حداقل رساندن هزینه های مداخله، بهینه سازی تولید و افزایش برداشت را دارد. کاهش هزینه را می توان به آسانی برای توجیه نصب موفقیت آمیز این فن آوری اندازه گیری و تخمین زد. با این حال، با وجود بیشتر شدن تقاضا برای تولید، تاکنون ارزیابی این فن آوری بدون استفاده مانده است.

با وجود اینکه بیش از یک دهه از آغاز رقابت ایران و قطر برای توسعه پارس جنوبی می گذرد، تا به حال حفاری چاه چند شاخه ای در میدان گازی پارس جنوبی انجام نشده است، اما در دستور کار شرکت ملی نفت می باشد.

با بهبود و توسعه روش فوق، می توان تولید را در میدان پارس جنوبی با سایر میادین هیدروکربوری کشورمان بطور قابل ملاحظه ای افزایش داد و این امر موجب می شود تا بتوان در کوتاه ترین زمان ممکن ظرفیت تولید را افزایش داد.

تاریخچه پیدایش چاه های چند شاخه ای:

اولین چاه چند شاخه ای(چندجهتی) در سال ۱۹۵۳ در میدان باشكرا در جنوب روسیه با طراحی مهندس «الکساندر میخایلویچ گریگوریان» حفر شد. این چاه به منظور سطح تماس بیشتر با مخزن حفاری شد. در این حفاری با استفاده از یک توربو دریل ، چاه ۴۵-۶۶ برای نفوذ به مخزن ریفی کربناته حفاری شد. حفاری این چاه به صورت دستی و بدون ویپ استوک یا پل سیمانی بوده است و وقتی به ناحیه تولیدی رسید، ۹ شاخه چاه در اعماق و در جهت های مختلف با طول زیاد به شکل ریشه های یک درخت حفاری شد. هنگامی که چاه مذکور با ۹ شاخه مورد تولید قرار گرفت، در مقایسه با چاه های دیگر همان میدان نفتی، تولید آن ۱۷ برابر(۷۷۵ بشکه در روز ) بیشتر از بقیه چاه ها بود در حالی که هزینه آن فقط 1.5 برابر بیشتر از چاه های معمولی بود. البته این روش و تجهیزات تکمیل آن، تنها برای شرایط محدودی مناسب بود. در شکل زیر نمایی از این چاه مشاهده می­شود.

شکل اولین طراحی تکنولوژی چاه چند شاخه ای.

 

چاه چند شاخه چیست؟

چاه های چند شاخه(MLW) چاه هایی واحد با یک یا چندین چاه انحرافی فرعی(sidetracks) از چاه مادر(mother well) هستند. تولید از چاه های چند شاخه ای را تولید مختلط می گویند. اتصال چاه های چند شاخه با سیستم طبقه بندی سطح (TAML) یا Technical Advancement of Multilaterals (TAML)  انجام می شود. این سیستم طبقه بندی، ساختار و یکپارچگی فشار در اتصال شاخه های چاههای چند شاخه را شرح می دهد.

این اتصال ممکن است به صورت حفره باز، سیمان شده، یک قسمت از رشته لوله تکمیل یا قسمتی از لوله جداری باشد که مزایا و معایب به کارگیری این چاه ها به شرح ذیل می باشند.

مزایای چاه های چندشاخه ای:

از میان مزایای این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد:

الف – ضریب بهره دهی بیشتر

ب- زه کشی لایه های نسبتا نازک

ج- کاهش مخروطی شدن آب و گاز

د- دبی بالای تزریق چاه های افقی با طول زیاد در برداشت های ثانویه

5- امکان تخلیه بسته های نفتی و گازی بیشتر که در ساختارهای زمین شناسی در مخازن هتروژن به صورت محاصره شده است.

معایب چاه های چندشاخه ای:

از میان معایب این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد:

الف – ريسک زیاد اقتصادی مربوط به حفاری و تکمیل

ب- عملکرد دور از دسترس شیرهای ورودی جریان برای کنترل دبی های جریانی از نواحی و شاخه های چاه

ج- مشکل ایجاد خرده های حاصل از آسیا شدن لوله جداری در عملیات خروج از لوله جداری

د-حساس بودن به غیر یکنواختی ها و ناهمگونی ها (هم تنش و هم تراوایی)

ه-پیچیدگی حفاری، تکمیل و تکنولوژی تولید

و-تداخل جریان(Cross flow) در شاخه های چاه.

خطرات احتمالی چاه های چندشاخه ای:

خطرات احتمالی اینگونه چاه ها نیز شامل موارد ذیل است:

الف- ناپایداری چاه

ب- گیر کردن لوله ها (stuck pipe)

ج- آسیب سازند در حین حفاری(Drilling formation damage)

د- ماندن در ناحیه تولیدی(productive zone)

ه-جهت گیری مناسب در هنگام عمليات خروج از لوله جداری (Casing)

و-جهت گیری ویپ استوک(Whipstock) در چاه های موجود.

 

هندسه چاه های چندشاخه ای:

هندسه چاه های چند شاخه ای براساس آرایش فضایی آنها و تعداد شاخه ها نامگذاری می شود. مانند شعاعی چهاربر، سه شاخه انباشته(Stacked Tri-lateral, Radial Quadrilateral). در شکل زیر هندسه برخی از این چاه ها را نشان می دهد.

شکل هندسه چاه های چند شاخه ای.

 

در این موارد دو طبقه بندی وجود دارد:

– رتبه بندی از نظر پیچیدگی

– طبقه بندی از نظر کارکرد.

 

رتبه بندی از نظر پیچیدگی:

یک عدد بین ۱ تا ۶، همانگونه که در شکل زیر نشان داده شده است، پیچیدگی اتصال چاه های چند شاخه را مشخص می کند.

طبقه بندی از نظر کارکرد:

این طبقه بندی مشخصه های مهم چاه چند شاخه را با جزئیات تکنیکی بیشتر معرفی می کند که به دو قسمت تشریح چاه و تشریح اتصال تقسیم می شود.

شکل رتبه بندی از نظر پیچیدگی و طبقه بندی از نظر کارکرد در تکمیل چاه های چند شاخه ای.

 

کاربرد چاه های چند شاخه ای در بهره برداری از مخازن:

امروزه حفره های اصلی چاه و شاخه های جانبی آنها می تواند به طور قائم با زاویه های بالا یا به طور افقی برای برداشت از مخازن مختلف حفاری شوند، چاه های چند شاخه ای می توانند از حفره اصلی دارای یک شاخه یا چندین شاخه جانبی باشند. شاخه های جانبی، همانند حفره های باز توسط لاینر با سیمان یا بدون سیمان تکمیل می شوند لوله جداری به حفره اصلی متصل نمی شود. در دیگر طرح های تکمیل از مجموعه های مکانیکی برای ایجاد یک اتصال قوی و دسترسی انتخابی در نقاط اتصال بین لاینرهای جانبی و لوله جداری حفره اصلی استفاده می شود. تولید از شاخه های مجزا می تواند از طریق رشته های لوله های مغزی جداگانه با هم ترکیب شوند.

امروزه چاه ها می توانند از تجهیزات تکمیل پیشرفته ای برای پایش (مونیتورکردن) و کنترل جریان از هر شاخه جانبی استفاده کنند، تماس بیشتر شاخه های جانبی با مخزن نسبت به یک تک حفره ای تولید بیشتری را ایجاد می کند. در بعضی میدان ها، تکنولوژی چند شاخه ای مزیت های بیشتری نسبت به دیگر تکنولوژی های تکمیل (مانند چاه های قائم و افقی متداول یا تحریک شکستگی ها) دارد. امروزه از این چاه ها به منظور حفاری بیش از یک مخزن یا سازندهای مختلف استفاده می شود و تنها وسیله اقتصادی تولید از قسمت های مجزا در یک مخزن و مخازن حاوی ذخیره محدود است. چاه های چند شاخه ای برای برداشت از مخازنی با شکستگی­های طبیعی، سازندها و مخازن لایه ای مناسب است، چاه های زه کشی با زاویه بالا یا افقی چندگانه، شکستگی های طبیعی بیشتری را قطع می کنند و غالبا تولید بهتری را نسبت به چاههای افقی تک حفره ای با عملیات شکستن هیدرولیک ایجاد می کند.

چاه چند شاخه ای باید در جایی مد نظر قرار گیرد که حفر چاه های افقی یا جهت دار مناسب باشد. چاه های جهت دار یا افقی چند شاخه ای سطح تماس حفره چاه را با مخزن بهینه می کنند و اجازه ایجاد جریان بالاتری را در افت فشارهای پایین تری نسبت به چاه های تک حفره ای قائم یا افقی می دهند. چاه های چند شاخه ای، افت فشار اصطکاکی هنگام تولید را با پخش جریان ورودی در میان دو یا چند شاخه های جانبی کوچکتر را کاهش می دهند. برای مثال استفاده از شاخه های جانبی مخالف هم در مقایسه با یک چاه افقی تک حفره ای که نرخ تولید و سطح تماس یکسانی دارد، باعث افت فشار اصطکاکی کمتری می شود. چاه های چند شاخه ای نیاز به سرمایه گذاری اولیه بیشتری در تجهیزات دارد، اما به طور موثری با کاهش حفاری تعداد چاه های مورد نیاز، هزینه کل و همچنین هزینه های توسعه را همانند هزینه عملیاتی کم می کنند. همچنین این تکنولوژی، تجهیزات سرچاهی ، پلاتفرم – رایزر و تجهیزات تکمیل زیردریایی را کاهش میدهد که در نتیجه باعث کاهش هزینه شده و مصرف دهانه حفره را روی پلاتفرم های دریایی یا قالب های زیر سطحی بهینه می کند. همچنین این چاهها سایز پلاتفرم های خشکی و تأثیرهای زیست محیطی ناشی از عملیات حفاری را کاهش می دهند. هرچه حفره های اصلی در عملیات حفاری کاهش یابند، خطوات عملیات حفاری کاهش می یابد.

چاه هایی با شاخه های جانبی چندگانه برای بهره برداری از مخازنی چون مخازن نفت سنگین، مخازن كم تراوا یا دارای شکستگی های طبیعی، سازندها و مخازن لایه ای، هیدروکربن های موجود در ساختارهای جداگانه با ساختارهای چینه ای مختلف و مخازنی که افت فشار دارند، مناسب است. در زون ها و مخازن لایه ای یا سازندهای ناهمگن (هتروژن)، چاه های با چندین شاخه جانبی تولید را با اتصال چند زون مجزا افزایش می دهد. تولید از چند زون، نرخ تولید را ثابت نگه داشته و عمر اقتصادی چاه ها و میدان ها را افزایش می دهد. در بلوکی که در آن حفر یک چاه تک حفرهای قابل توجیه نیست، عملیات تکمیل به وسیله روش چند شاخه ای می تواند بخش های مختلف مخزن را به یکدیگر متصل کند.

با استفاده از چاه های چند شاخه ای می توان از مخازنی که تحت تاثیر محیط رسوب گذاری، دیاژنز سازند و گسل ها به چند قسمت تقسیم شده اند، بهره برداری و تولید داشت. چاه های چند شاخه ای، توسعه مخازن کوچک، همچنین میدان هایی را که تولید از آنها با چاههای قائم و افقی معمولی ناممکن است، ممکن می کند. همچنین از چاه های چند شاخه ای برای بهره برداری از مخازن با فشار کم یا مخازن با افت فشار نیز استفاده می شود. شاخه های جانبی چندگانه با طول های متغیر در لایه های مختلف، حرکت قائم هیدروکربن و بازیابی ذخیره هیدروکربن را افزایش می دهند. این شاخه ها مخصوصا در مخازن کم ضخامت نفتی، پوشش های گازی ، مخروطی شدن سطح آب یا گاز با نفت را کاهش می دهند. امروزه از چاه های چند شاخه ای برای اکتشاف و نمونه گیری در تعیین کیفیت مخازن افقی و تله های چینه شناسی نیز استفاده می شود (توصیف مخزن). با طراحی دو یا چند شاخه جانبی انشعابی از یک حفره اصلی، وسعت بیشتری از یک منطقه را می توان اکتشاف کرد. این روش انعطاف پذیری را هنگام توصیف مخزن افزایش می دهد. تکنولوژی های جدید، خطرها و پیچیدگی های فنی گوناگون دارد؛ بنابراین علاوه بر کاربردهای آن باید معایب آن را نیز برشمرد. عملیات تکمیل چاه های چند شاخه ای از نظر مکانیکی بسیار پیچیده تر از چاه های معمولی است و به ابزار آلات و سیستم­های ته چاهی بستگی دارد. کنترل چاه در حین حفاری به روش چند شاخه ای یا عملیات تکمیل می تواند بسیار پیچیده باشد. همچنین خطرهای بیشتری در ارتباط با دسترسی به حفره چاه برای تعمیر یا مدیریت مخزن وجود دارد.

تکمیل چاه چند شاخه ای:

در تکمیل چاه های چند شاخه ای انتخاب های مختلفی وجود دارد. طراحی هر تکمیل، بستگی به نوع مخزن، مکانیسم رانش، خواص سیالات، شکل چاه و پیچیدگی های دیگر؛ مانند تولید ماسه و مخروطی شدن آب و گاز که ممکن است وجود داشته باشد، دارد. شاخه ها بصورت حفره باز یا بدون به دو سیمان یا با لاینرهای سیمان شده تکمیل می شوند. طراحی های دیگر مجموعه های مکانیکی را برای ایجاد یکپارچگی فشار در اتصال و دسترسی انتخابی به اتصال ها بکار می گیرند. در چاه های چند شاخه ای، بعضی اجزاء، به عنوان مکمل تکمیل، طراحی شده اند. از آنجایی که اجزاء تکمیل به اینصورت مشخص می شوند که چه چیز بعد از تکمیل اتصال در چاه قرار می گیرد بیشتر این اجزاء احتیاج به بررسی های ویژه و درخور چاه دارند. اجزائی که اجازه کنترل از راه دور هر شاخه جانبی مثل شیرهای کنترل جریان ورودی (یا وسایل کاهنده مربوط به تکمیل هوشمند را می دهند باید بطور شایسته ای با اجزای اتصال چند شاخه ای برای اطمینان از سازگاری کامل تطبيق یافته باشد.

به گفته شرکت شولمبرژر : ما در واقع اتصال را نصب نمی کنیم تا زمانی که بدانیم خود چاه مناسب است و ما آماده برای تکمیل آن هستیم. چیزی که برای ما بیشترین اهمیت را دارد این است که بفهمیم بعد از اینکه اتصال نصب شود در چاه چه اتفاقی می افتد؟ آیا به صورت حفره باز با گراول پک است؟ دسترسی درون لوله تولیدی وجود دارد یا نیاز به تکمیل به روش هوشمند است؟

این نوع سوالات راه حل تکمیل چند شاخه را بوجود می آورد.

خروج از لوله جداری

قبل از پیشرفت تکنولوژی مداخله درون چاه، برای بررسی ایجاد یک مانع ناخواسته در چاه حاوی لوله جداری یا مسیر نامناسب چاه در مخزن، لازم بود که برای رسیدن به ناحیه تولیدی مورد نظر یک چاه دیگر حفاری شود. در موارد خیلی سخت، اگر حفاری چاه دیگر در مخزن مورد نظر قابل دستیابی نبود، سرانجام مخزن قابل دسترس نمی بود. در شکل زیر ابزار آسیا کردن ته چاهی با ویپ استوک و مراحل ایجاد خروج از لوله جداری در چاه های چند شاخه ای قبل از مرحله نصب اتصال بصورت شماتیک نشان داده شده است.

شکل ابزار آسیا کردن ته چاهی با ویپ استوک و مراحل ایجاد خروج از لوله جداري.

 

همانطور که در شکل مشخص است، در مرحله اول پکر نگهدارنده لاینر به داخل چاه رانده می شود و در عمق مورد نظر قرار می گیرد، در مرحله دوم جهت گیری آن توسط ابزار جایرو یا ابزار اندازه گیری در حین حفاری انجام می شود. سپس در مرحله سوم ویپ استوک قابل بازیابی رانده میشود و پنجره خروج از لوله جداری آسیا می شود. و در مرحله چهارم شاخه جانبی حفاری و ویپ استوک بازیابی می شود. پیشرفت در عمليات خروج از لوله جداری، از ضرورت برای رسیدن به یک ناحیه مخزن بدون حفاری یک حفره اصلی و چاه اضافی به وجود آمد. انجام خروج از لوله جداری برای تکمیل اتصال چند شاخه ای می تواند تعداد حفره ها روی سکوی حفاری و هزینه حفاری و تکمیل را کاهش دهد و اثر محیطی حفاری، تکمیل و تولید را کم کند. بطور خلاصه، تکنولوژی خروج از لوله جداری، تولید از نواحی چندگانه را با یک چاه و یک حفره اصلی تامین کرده است.

نصب اتصال:

نگرانی در مورد قرارگیری و جهت گیری محوری و چرخشی انحراف دهنده درزبندی حفره، انگیزه ای در پشت تلاش برای ایجاد یک سیستم ویژه ترکیبی ویپ استوک و انحراف دهنده درزبندی حفره بود که به موجب آن در آغاز عملیات خروج از لوله جداری می بایست به درستی در مقابل پنجره خروج از لوله جداری قرار گیرد. یک مدل ترکیبی ویپ استوک و انحراف دهنده درزبندی حفره در شکل زیر نشان داده شده است. با توجه به شکل مراحل خروج از لوله جداری و نصب اتصال لوله جداری چند شاخه را می توان در گام های زیر خلاصه کرد

الف – نصب ترکیب ویپ استوک و انحراف دهنده درزبندی در حفره چاه اصلی با استفاده از یک انکر آپکر با پروفایل معین با یک عمق و جهت گیری مبنا.

ب- با استفاده از ابزار آسیا کردن ته چاهی یک پنجره خروج از لوله جداری و یک ساخته میشود.

ج- قسمت حفره باز جانبی تا عمق مطلوب حفاری می شود.

د- بیرون آوردن قسمت بالایی ویپ استوک استفاده شده و انحراف دهنده درزبندی حفره در قسمت مهار شده پایین حفره بجای گذاشته می شود.

ه-راندن ابزار تمیز نمودن چاه برای آماده کردن ویپ استوک و انحراف دهنده درزبندی حفره برای نصب اتصال لوله جداری.

و- قرار دادن اتصال لوله جداری در پایین چاه و نصب آن در ویپ استوک و انحراف دهنده درزبندی حفره.

شکل پروسه خروج از لوله جداری و نصب اتصال لوله جداری چند شاخه.

چاه های چند شاخه ای دارای انواع مختلفی هستند که با توجه به معیارهای سنگ و سیال انتخاب می شوند. از جمله مواردی که در تصمیم گیری انتخاب نوع حفاری و شکل چاهها موثر است عبارت اند از: تراوایی سازند و میزان ضخامت آن، درجه API سیال، میزان استحکام سنگ، وجود شکاف های طبیعی و نزدیکی به مرزهای سیال.

هر کدام از پارامترهای ذکر شده می توانند به عنوان معیارهای غربالگری برای انتخاب نوع تکمیل و شکل چاه ها در جداول غربالگری مورد استفاده قرار گیرند. اطلاعات لازم از معیارهای غربالگری عموما براساس تجربیات میدانی و شبیه سازی عملکرد این چاه ها بدست می آیند.

خصوصیات سازند در محل اتصال:

به طور کلی محل جدا شدن شاخه جانبی از حفره اصلی باید در قسمت محکمی از سازند قرار گیرد و در صورتی که سازند از استحکام کافی برخوردار نباشد، تکمیل با درجه بالاتر باید انجام شود تا استحکام محل اتصال تامین شود.

مدیریت تزریق و تولید:

در تولید از مخازن مختلف و قسمت های مختلف یک مخزن، جداسازی قسمت های مختلف و کنترل تولید به منظور رعایت مسائل زیست محیطی و همچنین بهینه سازی تولید امری ضروری است. همچنین جداسازی سیال تولیدی شاخه ها از یکدیگر مزایای دیگری از جمله: بستن یک شاخه به دلیل تولید آب زیاد، تبدیل یک شاخه تولیدی به تزریقی و غیره دارند. علاوه بر این استفاده از تکمیل در درجه های بالاتر امکان استفاده از ابزار اندازه گیری و کنترل درون چاهی را نیز فراهم می کند. با استفاده از این ابزارها شاخه هایی که تولید نامطلوب دارند ( مثلا تولید آب زیاد ) یا تولید آنها باهم تداخل پیدا کرده است و یا سایر مشکلات تولید به سرعت و سهولت شناسایی می شوند و از ادامه آنها جلوگیری می شود، و به این ترتیب، تولیدی بهینه از کل شاخه ها حاصل خواهد شد.

ورود مجدد به داخل چاه:

معمولا برای عملیات تعمیر، تست و تحریک چاه، نیاز به ورود مجدد به داخل چاه می باشد.

تداخل جریان درون چاه های چند شاخه ای:

هیدرودینامیک سیالات داخل چاه، به دو صورت بر روی عملکرد چاه چند شاخه ای موثر است. افت فشار در شاخه های افقی می تواند توزیع نرخ جریان در داخل شاخه را تغییر دهد و همچنین فشار محل اتصال می تواند به عنوان فشار برگشت بر روی توزیع جریان در بین شاخه ها عمل کند. گاهی اوقات فشار چاه می تواند برای قابلیت بهره دهی چاه های چند شاخه ای بسیار بحرانی باشد. تداخل جریان در چاه های چند شاخه ای به شرایطی گفته می شود که جریان تولیدی از یک شاخه به داخل شاخه دیگر جریان پیدا کند. از آنجایی که شرایط ایجاد تداخل جریان پیچیده است، اجازه تولید بدون تجهیزات اندازه گیری و کنترل داده نمی شود.

این تداخل جریان هم می تواند از شاخه های پایینی به بالایی باشد و هم برعکس. راه های مختلفی برای غلبه بر این مشکل وجود دارد؛ به عنوان مثال در صورتی که جریان از شاخه پایینی به بالایی باشد، می توان فشار ته چاهی برای پایین ترین شاخه را به قدری کاهش داد که شاخه های بالایی نیز قادر به تولید باشند، و یا می توان شاخه بالایی را موقتا بست تا ساخت فشار اطراف آن به حدی برسد که قادر به تولید باشد. لذا شبیه ساز باید شرایطی که تولید همزمان از شاخه ها امکان پذیر نیست را شناسایی کند.

ترکیب چاه های هوشمند با تکنولوژی چند شاخه ای:

گام بعدی ایجاد موقعیت های بیشتر با ترکیب چاه های هوشمند(intelligent wells) با تکنولوژی چند شاخه­ای است. تکمیل چاه نقش بحرانی در طراحی، عملکرد و کارایی چاه دارد. در سال ۱۹۹۸ چاه های چند شاخه ای در کشورهای مختلف به شرح زیر شروع به تحول به سمت چاه های هوشمند کردند:

• در سال ۱۹۹۸ اولین چاه های آب عمیق چند شاخه ای سطح ۵ از یک سکوی شناور توسط شرکت پترو براس در برزیل ایجاد شد.
• در سال ۱۹۹۹ اولین چاه چند شاخه ای سطح ۶ توسط شرکت ایرا انرژی، کالیفرنیا
• در سال ۱۹۹۹ اولین چاه چند شاخه ای هوشمند سطح ۲ توسط شرکت بی پی انگلستان
• در سال ۲۰۰۲ اولین سیستم چاه چند شاخه ای شناور سطح ۳ توسط شرکت چورون، چین
• در سال ۲۰۰۲ اولین چاه چند شاخه ای هوشمند سطح ۶ توسط شرکت CNOOC ، اندونزی ایجاد شد.

امروزه استفاده بیشتر از چاههای هوشمند و تکنولوژی چند شاخه ای و همچنین سیستم های انگیزش تکمیل چاه در مخازن حاوی شکستگی زیاد رایج شده است. با یکپارچه کردن چاههای هوشمند با تکنولوژی چند شاخه (از نقطه نظر پایش و هم کنترل جریان) کنترل ناحيه آبده یا بهینه سازی جریان تولیدی از نواحی مختلف بدون مداخله دستی میسر شده است.

این نوع نحوه تکمیل به بهره بردار این امکان را میدهد تا بتواند کنترل هر شاخه را به صورت جداگانه بدست گیرد، و در صورت بروز مشکلات تولید، نظیر تداخل جریان در شاخه ها، اپراتور بهره بردار می تواند تولید از هر شاخه مورد نظر را قطع کند یا به تعویق در آورد.

 

چاه های چند شاخه ای:

از ابتدای پیدایش صنعت نفت تا حدود یک قرن پس از آن، هدف از حفاری چاه ها صرفا دسترسی به منابع هیدروکربنی زیر زمینی بوده است. امروزه پیشرفت دانش حفاری چاه های دسترسی به مخازن نفت و گاز در اعماق زیاد و در شرایط پیچیده عملیاتی را امکان پذیر می نماید. اما هدف دیگری که در طول دهه های اخیر از حفاری چاه های نفت و گاز متصور بوده است، افزایش سطح تماس چاه با مخزن می باشد. این هدف به منظور دستیابی به حداکثر تولید و برداشت سریع تر از مخازن هیدروکربنی مطرح بوده که ناشی از افزایش تقاضا و بالا رفتن قیمت انرژی در چند دهه اخیر است.

در زمان های گذشته پیشرفت مهمی که رسیدن به اهداف مذکور را امکان پذیر می ساخت، به وجود آمدن تکنیک حفاری انحرافی بود که منجر به حفر چاه های افقی و جهت دار گردید. امروزه نیز در ادامه این تحول بزرگی، چاه های چند شاخه ای مطرح می باشند که علاوه بر تسهيل در دسترسی به مخازن، حداکثر تماس با مخزن را نیز ممکن می سازند.

تاریخچه:

تکنیک حفاری انحرافی برای اولین بار در سال ۱۹۲۰ میلادی در آمریکا و در سواحل اقیانوس آرام بکار گرفته شد. پیش از آن چاه های نفت این منطقه از روی سکوهایی حفاری می شد که در اقیانوس ساخته شده بودند. پس از مدتی از ساختن سکوهای نفت در آبهای بنادر، به علت بروز اختلال در رفت و آمد کشتی ها جلوگیری به عمل آمد. در این میان یک شرکت حفاری کالیفرنیایی با سابقه ادعا کرد که می تواند دستگاه حفاری خود را روی ساحل مستقر و حفاری را از خشکی شروع کند؛ سپس چاه را منحرف ساخته و به سمت مخازن زیر آب هدایت نماید. این شرکت بدون کسب اجازه از مقامات، خود راسا اقدام به این کار نمود. او ایده خود را به خوبی پیاده نمود اما به دلیل اینکه تکلیف پروژه خود را از لحاظ مقررات قانونی مشخص نکرده بود، عملیات حفاری چاه های انحرافی با بدگمانی و خشم اکثر شرکت های نفتی مواجه گردید.

این موضوع همچنان ادامه داشت تا آن که فوران چاهی در شهرک کانرو واقع در تگزاس رخ داد. گاز و نفت تحت فشار زیاد در درون لایه های زمین رسوخ کرده و به حرکت در آمد و نفت از اطراف چاه های مجاور فوران نمود. وضعیت بسیار بد بود و همه متخصصین حفاری احساس می کردند که کاری از دستشان ساخته نیست و فقط امیدوار بودند که فوران چاه به طور خود به خود متوقف گردد. در این بین یک مهندس جوان پیشنهاد کرد که در مجاورت این چاه، چاه دیگری حفر و طوری انحراف داده شود که در اعماق، به نزدیکی چاه در حال سوختن برسد. سپس گل سنگین وزن را با فشار زیاد، از طریق این چاه به سازند پمپ کرده تا به این وسیله چاه فوران کرده را کنترل و مهار نماید. این پیشنهاد تصویب شد و پروژه با موفقیت به انجام رسید. در نتیجه حفاری انحرافی به عنوان روشی برای مهار چاه های فوران کرده عنوان شد و این نوع روش حفاری مورد استقبال شرکت­های نفتی قرار گرفت.

ایده حفاری چاه های افقی نخستین بار به منظور بهره برداری از مخازن نفت سنگین مطرح گردید. تا اواخر دهه ۷۰ میلادی با وجود حفر چاه های افقی متعدد، هنوز مشکلات زیادی در این عرصه وجود داشت؛ به عنوان نمونه می توان به تعیین محل دقیق حفر چاه و همچنین نحوه تکمیل قسمت افقی در مخزن اشاره نمود. در سال ۱۹۷۸ شرکت الف به همراه IFP پروژه ای را به طور مشترک آغاز نمودند که هدف از آن به کارگیری حداکثر دانش و تجربه جهت بهینه سازی حفر چاه های افقی بود. یکی از عوامل موثر در پیشرفت این پروژه به وجود آمدن مشکلاتی در توسعه میدان نفت سنگین راسپو در دریای آدریاتیک بود. به علت توزیع بسیار پراکنده شکاف­ها در سنگ مخزن که از نوع کربناته شکاف دار می باشد، احتمال برخورد چاه عمودی با شکاف ها بسیار ناچیز بود و در نتیجه تولید از چاه های عمودی به خوبی صورت نمی گرفت. بنابراین شرکت الف در غالب این پروژه تصمیم به حفر تعدادی چاه افقی آزمایشی در این میدان گرفت که نتایج آن بسیار موفقیت آمیز بود و تولید میدان مذکور به مقادیری بیشتر از حد انتظار نیز رسید.

از اوایل دهه ۸۰ میلادی چاه های افقی سهم به سزایی در تولید نفت و گاز به دست آوردند و ظهور موتورهای درون چاهی در این دهه، راه را برای حفاری اقتصادی این چاه ها باز نمود. طبق برآوردهای انجام شده، میزان استخراج نفت با استفاده از چاه افقی نسبت به چاه عمودی حدودا دو تا پنج برابر بیشتر است که همین امر موجب جلب توجه بسیاری از کشورهای نفت خیز برای استفاده هرچه بیشتر از چاه های افقی شده است. به عنوان نمونه از سال ۱۹۹۰ تا کنون بیشتر از ده هزار چاه افقی فقط در دو کشور آمریکا و کانادا حفاری شده است. همچنین آمارها نشان می دهند طی ۱۵ سال اخیر نسبت تعداد چاه های افقی و جهت دار به کل چاه های حفر شده در دنیا، از سطح بسیار ناچیز به حدود 50% رسیده است.

پیشرفت دانش حفر چاه های انحرافی و افقی، به حفاری چاه های چند شاخه ای انجامید. نخستین چاه چند شاخه ای در سال ۱۹۵۳ میلادی در ریف های کربناته کربونیفر میدان نفتی باشكريا در شوروی سابق حفاری شد. این چاه توسط ۹ شاخه منشعب از شاخه اصلی، سطح تماسی معادل با 5/5 برابر یک چاه معمولی با مخزن فراهم نمود. نرخ  تولید این چاه ۱۷ برابر یک چاه عادی با طول مشابه برآورد شد و این در حالی بود که حفاری آن تنها 5/1 برابر افزایش هزینه در بر داشت. شكل زیر نمایی از این چاه را نشان می دهد.

شکل نخستین چاه چند شاخه ای.

 

تا سال ۱۹۸۴ میلادی شوروی سابق در استفاده از چاه های چند شاخه ای در دنیا یکه تاز بود؛ در این سال یک چاه چند شاخه ای در میدان نفتی شاو در فرانسه حفاری گردید. لازم به ذکر است در اواسط دهه ۸۰ میلادی به علت افت قیمت نفت همچنین فروپاشی شوروی سابق، استفاده از چاه های چند شاخه ای محدود و پیشرفت در این زمینه با افت شدیدی مواجه گردید.

در سال های ۱۹۹۷ تا ۱۹۹۸ یکی از مهم ترین اتفاقات تاريخ حفر چاه های چند شاخه ای به وقوع پیوست. در این سال ها کمیته ای موسوم به TAML تشکیل گردید و استانداردهایی را برای حفاری و تکمیل چاه های چند شاخه ای معرفی نمود. در این کمیته حالت های مختلفی برای تکمیل محل تلاقی شاخه های جانبی با شاخه اصلی در نظر گرفته شد و بر اساس آن چاه های چند شاخه ای در شش سطح طبقه بندی شدند. این روش هم اکنون نیز برای طبقه بندی چاه های چند شاخه ای استفاده می شود.

امروزه پیشرفت فن آوری هایی که منجر به شناسایی لایه های زمین شناسی و تعریف دقیق ساختار مخزن می­شوند، مانند علم لرزه نگاری و تفسیر داده های بدست آمده از چاه پیمایی، استفاده از چاه های چند شاخه­ای را توسعه بخشیده است. شناسایی مخازن حاشیه ای و لایه های نازک هیدروکربنی و همچنین نواحی تخلیه نشده در مخازن بزرگ، متخصصان را به استفاده از چاه های چند شاخه ای و برخورداری از مزایای بی شمار آن ترغیب می نماید.

اهداف، کاربرد و مزایا:

چاه های چند شاخه ای اکنون در قسمت های مختلف جهان به کار گرفته می شوند. اهداف عمده ای که از بکارگیری این چاه ها مدنظر است، یکی افزایش سطح زهکشی که باعث بهبود برداشت هیدروکربن می گردد و دیگری به حداقل رساندن هزینه حفاری از طریق به اشتراک گذاشتن شاخه مادر می باشد. حفر چاه چند شاخه­ای از طریق افزایش سطح تماس مخزن و چاه منجر به تسریع بازیافت نفت از طریق برداشت اولیه می­گردد. همچنین استفاده از این نوع چاه ها خطر مخروطی شدن آب و گاز و عواقب ناشی از آن را تاحد زیادی کاهش می دهد. از نظر هزینه های حفاری چاه نیز طبق برآورد های صورت گرفته، حفر یک چاه چند شاخه ای به جای چند چاه افقی در یک مخزن می تواند تا ۴۰ درصد هزینه حفاری را کاهش دهد. استفاده از چاه های چند شاخه­ای در برخی شرایط خاص بسیار مفید و گاهی نیز ضروری می باشد. به عنوان نمونه برای توسعه برخی از میدان های دریایی که دارای سکوهایی با تعداد محدودی اسلات برای حفر چاه هستند، نیاز به حفر چاه های چند شاخه ای می باشد. همچنین در مواردی که حفر چاه مستلزم ایجاد مسیر و زیرساخت هایی برای دستیابی به محل حفاری است، مانند مناطق باتلاقی و غیر قابل دسترس، استفاده از چاه های چند شاخه ای کمک بسزایی در کاهش هزینه ها خواهد نمود. در این گونه موارد استفاده از چاه چند شاخه ای باعث کاهش تجهیزات سطحی مورد نیاز و در نتیجه کوچک شدن سایز سکوها و ساختارهای مورد نیاز برای حفاری در منطقه می­گردد؛ که کاهش قابل توجه هزینه ها را در بر خواهد داشت.

انتخاب مخزن مناسب:

هریک از انواع چاه ها از نظر میزان تولید، شکل و اندازه ناحیه تخلیه، هزینه حفاری و نگهداری و غیره با یکدیگر تفاوت اساسی دارند و لازم است هریک از آن ها در مخازن خاصی بکار گرفته شوند. ویژگی های بارز مخزن مانند ابعاد و شکل همچنین خواص سنگ و سیال، پارامترهای مهمی در انتخاب نوع چاه های توسعه ای برای مخزن مورد نظر می باشند. علاوه بر ساختار و ابعاد مخزن، ناهمسانگردی و ناهمگنی سنگ مخزن نیز در شناسایی مخزن مناسب برای کاربرد انواع چاه ها از اهمیت خاصی برخوردار است.

مخازن همگن ضخیم:

برای این نوع از مخازن اگر شرایط خاص دیگری وجود نداشته باشد، استفاده از چاه های عمودی مناسب ترین گزینه است. در صورتی که تراوایی مخزن کم بوده و یا گرانروی سیال مخزن زیاد باشد، بهتر است با اتخاذ یک روش مناسب، تحرک پذیری سیال در مخزن بهبود یابد. یکی از این روش ها استفاده از شکاف هیدرولیکی، برای افزایش تراوایی در اطراف چاه عمودی می باشد که البته ممکن است به علت هزینه و ریسک زیاد، مورد استفاده قرار نگیرد (بستگی به میزان نفت در جای مخزن، عمق چاه و غیره دارد). روش دیگر استفاده از چاه شیبدار است که هزینه کمتری دارد ولی باید زمانی مورد استفاده قرار گیرد که نسبت تراوایی عمودی به افقى خیلی کم نباشد. چنانچه این نسبت عدد بسیار کوچکی باشد، استفاده از چاه چندشاخه ای با ساختار ردیفی بهترین گزینه می باشد. در این نوع چاه، شاخه های افقی به صورت پشت سر هم در اعماق مختلف حفاری می شوند که می تواند تمام ضخامت مخزن را پوشش دهد.

مخازن شکافدار طبیعی:

در این نوع مخازن در صورت شناسایی دقیق مکان شکاف ها و نحوه توزیع آن ها، می توان بهترین ساختار چاه را مشخص نمود. چنانچه شکاف ها نزدیک به حالت عمودی باشند(که در اکثر مخازن این طور است)، استفاده از چاه افقی به نحوی که بر سطح شکاف ها عمود شود، بهترین گزینه می باشد. اگر طول ناحیه شکافدار زیاد باشد، بهتر است به جای یک چاه افقی طولانی، از چاه دو شاخه ای با دو شاخه در جهت مخالف استفاده شود. استفاده از این ساختار در مقاسیه با چاه افقی با طول مشابه، ۳۰ تا ۶۰ درصد تولید را افزایش می دهد. در برخی از مخازن کم عمق و همچنین مخازنی که فشار غیر نرمال دارند، شکاف ها به حالت افقی نزدیک ترند. استفاده از چاه عمودی و شیبدار در این مخازن نتیجه بهتری می دهد. در مخازنی که فشار فوق نرمال دارند، تزریق پروپانت” داخل شکاف های طبیعی به منظور حفظ شکاف ها پس از کاهش فشار مخزن، بسیار مفید است. اگر این کار انجام نشود، فشار لایه های فوقانی پس از مدتی موجب بسته شدن شکاف ها می شود.

مخازن لایه ای:

در مخازن لایه ای در صورتی که تولید به هم آمیخته  مطلوب نباشد، از چاه عمودی استفاده نمی شود. استفاده از چاه های افقی نیز مناسب نیست؛ زیرا هر چاه فقط می تواند از یک لایه تولید کند. در این گونه موارد بهترین گزینه استفاده از چاه های چند شاخه ای است؛ به طوری که هریک از شاخه ها به یکی از لایه های تولیدی اختصاص یابد. استفاده از این ساختار مزایای زیادی دارد. به عنوان نمونه می توان به قابلیت جدا کردن جریان های تولیدی، امکان توقف تولید در لایه دلخواه و طراحی طول شاخه ها متناسب با ظرفیت تولید هر لایه اشاره کرد. استفاده از چاه شیبدار نیز ممکن است به افزایش تولید کمک کند و هزینه کمتری نیز داشته باشد، اما مزایای ذکر شده را نخواهد داشت.

حفاری و تکمیل چاه:

حفاری یک چاه چند شاخه ای نسبت به حفاری چاه های متداول، تفاوت هایی دارد. این عملیات را می توان ترکیبی از حفاری عمودی، جهت دار و افقی به همراه تکنیک های خاصی برای جدایش شاخه های جانبی از شاخه اصلی به شمار آورد. به طور کلی فرآیند حفاری یک چاه چند شاخه ای سه مرحله اصلی دارد که عبارتند از:

١- حفاری شاخه اصلی: مشابه حفاری چاه های عمودی می باشد البته در برخی شرایط به علت نیاز به نصب تجهیزات خاصی در چاه چند شاخه ای، شاخه اصلی با قطر بیشتری حفاری می شود.

۲- منحرف کردن چاه از شاخه اصلی: مهم ترین قسمت عملیات حفاری بوده و می توان آن را وجه تمایز چاه چند شاخه ای با سایر چاه ها به شمار آورد. این فرآیند ممکن است در قسمت حفره باز چاه و یا از داخل لوله جداری آغاز گردد که هر کدام تکنیک خاصی دارد.

۳- حفاری شاخه های جانبی: مشابه حفاری چاه های افقی معمولی می باشد. کنترل دقیق مسیر شاخه های جانبی یکی از موارد مهم در حفر چاه چند شاخه ای است که تاثیر زیادی بر عملکرد تولیدی چاه خواهد داشت.

حفاری شاخه های جانبی:

منحرف نمودن مته حفاری از شاخه اصلی به منظور شروع حفاری شاخه جانبی، ممکن است در حفره باز و یا از داخل لوله جداری آغاز گردد. در حالت حفره باز، منحرف کردن مته معمولا به یکی از سه روش زیر انجام می­شود:

۱- استفاده از موتور درون چاهی و طوقه خمیده در رشته حفاری و یا استفاده از جت نازل های مته برای ایجاد یک زبانه کوچک در شاخه اصلی که این روش بیشتر در سازندهای نرم مورد استفاده قرار می گیرد.

۲- قرار دادن پلاگ سیمانی در ته چاه و اعمال وزن کافی بر روی مته که موجب انحراف مته به سمت سازند اطراف چاه می شود. در این روش به منظور کنترل جهت انحراف مته، می توان از موتور درون چاهی و طوقه خمیده استفاده نمود و آن را در جهت مناسب قرار داد.

٣- نصب مجرا بند و ویپ استان در ته چاه و قرار دادن آن در جهت مورد نظر که دقیق ترین روش انحراف چاه بوده و مسیر انحراف مته به آسانی قابل کنترل است. در این روش به منظور کاهش زمان حفاری، ویپ استاک به ابزار حفاری ضميمه می گردد تا بلافاصله پس از نصب آن، عملیات حفاری و انحراف چاه آغاز گردد. در حالتی که انحراف چاه از داخل لوله جداری انجام می شود، ابتدا باید قسمتی از لوله جداری که محل شروع انحراف چاه است، با مته های مخصوص این کار تراشیده شود. سپس با قرار دادن پلاگ سیمانی و یا ویپ استاک قابل بازیافت در داخل چاه، با استفاده از رشته حفاری مجهز به موتور درون چاهی و طوقه خمیده عملیات انحراف چاه آغاز گردد. استفاده از روش فوق برای اضافه کردن شاخه جانبی به چاه هایی که از قبل حفاری شده اند، غير قابل اجتناب است. اما روش دیگری نیز وجود دارد که در مورد چاه هایی که به تازگی حفاری می گردند کاربرد دارد. در این روش لوله جداری پیش از قرار گرفتن در داخل چاه، در قسمت مورد نظر سوراخ می گردد. پس از آن سوراخ ایجاد شده با مواد نرم که به راحتی قابلیت حفاری دارند پرشده و لوله جداری در چاه رانده می شود. با استفاده از این روش دیگر نیازی به صرف زمان زیاد و استفاده از مته های گران قیمت برای تراشیدن لوله جداری در داخل چاه نخواهد بود؛ هر چند ممکن است به دلیل مقاومت کم مواد استفاده شده در برابر فشار، مشکلاتی در حین عملیات سیمان کاری چاه بروز نماید.

 

شرح پروژه:

در این پروژه چاه نفت چندشاخه ای در کامسول شبیه سازی شده است.

در اغلب مواقع مهندسان حفاری بایستی چاه های چندشاخه ای را با لاینر یا لوله جداری پایدار کنند که هزینه چند میلیون دلاری به همراه دارد. از طرفی جداره دار نکردن دیواره چاه هزینه های ساخت را کاهش می دهد اما از سوی دیگر خطر بالای ایجاد شکاف در حین نصب و بعد از شروع پمپاژ را به همراه دارد.

هندسه چاه چندشاخه ای:

 

هندسه چاه چندشاخه ای حفره باز افقی.

 

روابط حاکم:

معادلات جریان سیال:

برای توصیف جریان سیال، سرعت دارسی در معادله پیوستگی قرار داده می شود.

در این رابطه k نفوذپذیری یا تراوایی است،  ویسکوزیته دینامیکی است و p معادل فشار نفت در حفره ها و منافذ است.

برای مرزهای جریان، از قبل تغییرات در فشار سیال از چاه به لبه های مخزن را می دانیم. سطح مسطح مجاور چاه (بین بلوک های بالا و پایین) به صورت یک مرز متقارن می باشد.

در روابط فوق n بردار نرمال با مرز است.

 

معادلاتی که تغییرشکل شبه استاتیکی را توصیف می کنند به صورت زیر بیان می شود:

در رابطه فوق  تانسور تنش است و F نیروهای جسم خارجی است. تانسور تنش توسط بار فشار به دلیل تغییرات در فشار منفذی، تقویت می شود. در این مدل ضریب بیوت-ویلیس برابر یک می باشد.

رابطه تنش-کرنش برای مواد خطی، تانسور تنش و تانسور کرنش  را از طریق ماتریس الاستیسیتی C ارتباط می­دهند که برای مواد ایزوتروپیک تابعی از مدول یانگ E و نسبت پواسون v است. برای این مسئله هندسی خطی، مولفه های تانسور کرنش به بردار جابجایی u بستگی دارند که دارای مولفه های جهتی u، v و w است:

تانسورهای  و  به صورت خطی توسط قانون هوک ارتباط دارند .

برای شرط های مرزی، قیود مسئله در تمامی مرزهای خارجی جابجا می شوند. حفره چاه در برابر تغییرشکل آزاد است. در حالت تقارن داریم:

 

پارامترهای مدل:

پارامترهای مدل شبیه سازی چاه چندشاخه ای در جدول زیر نشان داده شده است.

 

شکل آنالیز پوروالاستیک یک چاه چندشاخه ای:

شکل زیر نتایج شامل فشار سیال(سطوح همتراز یا ایزو)، گرادیان فشار (خطوط جریان)، و سرعت­های سیال را نشان می دهد.

شکل آنالیز پوروالاستیک یک چاه چندشاخه ای.

 

نتایج تغییرشکل الاستیک:

در شکل زیر نتایج تغییرشکل الاستیک نشان داده شده است.

شکل تخمین جابجایی.

 

معیار شکستگی:

معیار گسیختگی کولمب، گسیختگی سنگ، تنش های اصلی و فشارهای سیال را توسط رابطه زیر نشان می دهد.

در روابط فوق So چسبندگی کولمب و  زاویه اصطکاک کولمب است.

در رابطه فوق fail=0 نشان دهنده شروع گسیختگی و شکست سنگ می باشد، fail<0 بیانگر گسیختگی گسترده می باشد؛ و fail>0 بیانگر پایداری سنگ می باشد.

این مدل تغییرفشار ایجادشده توسط پمپاژ و همچنین تنش ها و کرنش ها و جابجایی­ها بوجود آمده در اثر تغییر فشار را حل می کند.

نتایج معیار گسیختگی:

در شکل زیر مقادیر تابع گسیختگی با نتایج بدست آمده از مدل پوروالاستیک در یک چاه چندشاخه ای حفره باز نشان داده شده است. مقادیر منفی برای تابع گسیختگی بیانگر پتانسیل بالاتر گسیختگی و شکست سنگ می باشد. همانطور که ملاحظه می شود تخمین تابع گسیختگی، بیشترین پتانسیل برای گسیختگی را در بالای انشعاب شدگی در چاه نشان می دهد.

با ترکیب نتایج شبیه سازی با عبارت گسیختگی کولمب سه بعدی، نقشه های مستعدبودن به گسیختگی مکانیکی در اثر پمپاژ بدست می آیند. داده ها و هندسه مدل در مقاله مرجع توصیف شده است.