بهبود سرعت حفاری با تکنولوژی لیزر

چکیده:

استفاده از تکنولوژیهای جديد در صنعت حفاری چاه های نفت و گاز ضروری است. در دهه های اخير، صنعت حفاری پيشرفته ای داشته است كه از مهمترين آنها میتوان به جايگزينی حفاری دورانی با حفاری كابلی اشاره كرد. در سالهاي اخير روشهاي جديد متعددي در زمينه حفاريهاي نوين پيشنهاد شده است. يکي ازروشهاي قابل قبول كه نظر بسياري از مهندسين را به خود جلب كرده است، حفاري چاههاي نفت و گاز با استفاده از تکنولوژی لیزر مي باشد. هر چند آزمايش های متعددی در اين زمينه صورت گرفته، اما تاكنون اين نوع حفاری به صورت ميدانی و عملی انجام نشده است؛ زيرا هر تغيير و جايگزينی، نيازمند دادهها و اثباتهای قوی است.

در اين مقاله سعی شده است با استفاده از آزمايشهايی كه برای اولين بار در ايران انجام گرفته، به منظور ورود تکنولوژی ليزر به صنعت حفاری، داده های منطقی و استدلالهای محکمی ارايه گردد. اين دادهها بر اساس نوع دستگاههای موجود و امکانات محدود در دسترس بهدست آمده اند. در اين مقاله هدف اصلی به دست آوردن سرعت حفاری در برخي از نمونه های سازندهای جنوب غربي ايران و پارامترهای مؤثر بر آن میباشد. در پايان نيز در رابطه با اثر استفاده از تکنولوژي ليزر بر كاهش آلودگي هاي زيست محيطي، مطالبی آورده شده است.

کلمات کلیدی: حفاری با ليزر، نرخ حفاری، نمونه هاي اشباع و غير اشباع، محيط زيست

امروزه حفاریهای نوین و بررسی روشهای ممکن برای جایگزینی حفاری دورانی، بحث مورد علاقه بسیاری از سیاست گذاران صنعت نفت و مهندسین حفاري است. روشهای متعددي برای جایگزینی حفاری دورانی پیشنهاد شده که از جمله آنها میتوان به حفاری با بخار آب، حفاری با فشار آب و حفاری با تکنولوژی لیزر اشاره کرد.
از بین این روشها، شاید حفاری با لیزر یکی از روشهای قابل قبولی باشد که نسبت به سایر روشها تحقیقات گستردهای در رابطه با آن انجام شده است.

آزمایش های متعدد ثابت کرده که با استفاده از تکنولوژی لیزر در حفاری سنگها، میتوان علاوه بر افزایش سرعت حفاری، زمان و هزینه های حفاری و آلودگی زیست محیطی را کاهش داد. تحقیقات در زمینه استفاده از تکنولوژی لیزر در حفاری چاههای نفت و گاز،
از سال 1977آغاز شده است. اولین آزمایش توسط ارتش آمریکا با عنوان پروژه MIRACLصورت گرفت. این آزمایش نشان داد که با استفاده از لیزر، سرعت حفاری در حدود 10تا 100برابر افزایش مییابد. آزمایش بعدی توسط نیروی هوایی آمریکا با عنوان COILانجام شد.

هدف اصلی تمامی آزمایشهایي که تاکنون انجام شده است، دستیابی به بیشترین میزان حفاری سنگ با کمترین توان مورد نیاز لیزر میباشد. در آزمایش MIRACLکه توسط آقایان O’Brien و Graves انجام گرفت،از سیستم تکنولوژی لیزری امواج پیوسته ( CW) با طول موج 3/8 µm و توان لیزری 600تا 1200 KW استفاده شد. در این آزمایش در مدت 4/5ثانیه تابش لیزری، عمق حفاری حدود 2/5 اینچ برای ماسه سنگ گزارش گردید.

پارامترهایی که بر حفاری با لیزر تأثیر میگذارند عبارتند از: توان لیزر، طول موج، مکانیسم کاری سیستم (امواج پیوسته یا امواج ضربهای)، نوع لیزر و نیمرخ اشعه تابشی. با انتخاب سیستم لیزری مناسب، میتوان سرعت حفاری را به میزان قابل توجهي افزایش داد. تاکنون مزایای بسیاری در مورد استفاده از تکنولوژی لیزر در حفاری چاه های نفت و گاز گزارش شده است. از جمله این مزایا، ایجاد جداری سرامیکی بر دیواره چاه به دلیل ذوب شدن سنگ، کاهش روزهای کاری دکل حفاری و مدت زمان توقف حفاری، ایجاد قطر یکسان از سطح تا ته چاه، کاهش احتمال گیر لوله های حفاری، کاهش چشمگیر هزینه های حفاری، امکان استفاده از لوله های سبک و جایگزینی برخی لوله های سنگین با فیبرهای نوری، کاهش آلودگی های زیست محیطی و مدیریت مطلوب محیط زیست و افزایش 10تا 100برابری سرعت حفاری میباشد.

برخی کارشناسان مخالف جایگزینی حفاری لیزری با حفاری دورانی هستند. زیرا بعضی از مشکلاتی که هنگام حفاری با تکنولوژی لیزر پدید میآیند، هنوز به طور عمده قابل چشم پوشی نیستند.

از جمله این مشکلات می توان به موارد ذیل اشاره کرد:

1. چرخش سیا حفاری در حین عملیات حفاری و تاثیر آن بر انرژي منتقل شده به سطح سنگ
2. انتقال انرژي از منبع لیزر موجود در سطح به عدسی لیزر در ته چاه

مراحل حفاری با لیزر به سطح سنگ برخورد می کنند؛سنگ طی مراحل ذیل حفاری می شود.

الف) ایجاد ریز شکستگی
ب) ذوب شدن
ج) تبخیر شدن

با برخورد اشغه های لیزر به سطح سنگ ممکن است اشعه ها یکی از عکس العمل های ذیل را از خود نشان دهند

الف) اشعه های منعکس شوند.
ب) اشعه ها پخش شوند
ج) اشعه ها جذب شوند

ازمایش ها نشان داده اند که پرتوهای منعکس شده و پراکنده شده نسبت به پرتوهای جذب شده، اثر کمتری بر سنگ میگذارند. در حقیقت مکانیسمی که باعث خرد شدن و در نهایت حفاری سنگ می شود، مکانیسم جذب اشعه های لیزر است.

در سنگهایی که ضریب انتقال گرمایی بالایی دارند، اشعه های لیزر میتوانند آب های تجمعی کریستالی به همراه مواد معدنی محلول در سنگ را تبخیر کرده و باعث انبساط سنگ شوند و در نهایت در ساختار سنگ، ریز شکستگی هایی به وجود آورند. در انجام آزمایش ها، به همراه عملیات لیزر از گاز نیتروژن نیز استفاده ميشود.

از دلایل استفاده از گاز نیتروژن ميتوان به سوزاندن گازهاي خارج شده در حین حفاري سنگ و خارج کردن غبارهاي به وجود آمده، اشاره کرد. این گاز باعث ميشود تا در هر مرحله از لیزرکاري، خرده هاي به وجود آمده پاک شوند در حفاری دورانی از سیال حفاری برای انتقال کنده ها از انتهای چاه به سطح استفاده میشود. تحقیقات در زمینه حفاری با تکنولوژی لیزر در حضور سیال حفاری ادامه دارد یکی از پارامترهای حفاری که تاکنون کمتر مورد توجه واقع شده است، پارامتر سرعت حفاری است. سرعت حفاری 1یکی از عوامل اصلی در حفاری چاه های نفت و گاز است که بسیاری از هزینه ها به بهبود و کنترل آن بستگی دارد. با افزایش سرعت حفاری، روزهای کاری دکل حفاری نیز کاهش مییابد. این امر یکی از دلایل اصلی کاهش هزینه هاست.

در این مقاله سعی شده است تا با مقایسه نرخ حفاری دورانی با حفاری لیزری و با استفاده از داده ها و اطلاعات آزمایشگاهی، یک رابطه پایدار و قوی بین تکنولوژی لیزر با فرآیند حفاری چاههای نفت و گاز ارایه شود. با استفاده از دستگاه های موجود و انجام آزمایش های متعددد نرخ حفاری برای هر نمونه سنگ( ماسه؛سنگ؛سنگ اهک؛ و شیل) در حالت های اشباع و غیر اشباع به دست آمد
نرخ حفاری به پارامتر های مختلفی بستگی دارد و از رابطه زیر به دست می آید.

که SP توان منتقل شده به سیستم لیزری برای خارج کردن حجم واحد سنگ (w/cm³) و SE مقدار انرژی لازم برای خارج کردن حجم واحد سنگ (w.sec/cm³) می باشد.برای به دست آوردن SP از رابطه ذیل استفاده می شود.

که P_AVG میانگین توان لیزر (w) . A_R سطح حفاری شده (cm²) است.همچنین برای به دست اوردن SE از رابطه زیر استفاده می ود.

در رابطه E ،3 انرژي منتقل شده به واحد سطح (w.sec). V_p حجم کنده شده توسط اشعه لیزر (cm3) و t مدت زمان تابش اشعه لیزر (sec) است.

۲- بحث و روش ازمایش

در آزمایشهای انجام شده از سه گروه ماسه سنگ، سنگ آهک و شیل استفاده شده است. هر کدام از این سه گروه نیز شامل سه نوع سنگ با عمق میزان تخلخل و اشباع متفاوت بوده است. از هر کدام از این سه گروه، یک نمونه سنگ با آب اشباع شد تا بتوان مقایسه های دقیقی انجام داد. برای اولین بار در کشور از دستگاه سی تی اسکن به منظور مشاهده تغییرات قبل و بعد از عملیات لیزر استفاده شد. دستگاه سی تی اسکن Picker1200 با ولتاژ 130 KW و مقدار جریان 80 MA در مدت زمان 2ثانیه مورد استفاده قرارگرفت. از تمامی 9نمونه، تصویربرداری سی تی اسکن انجام شد و نمونه ها در آزمایشگاه تکنولوژی لیزر مورد حفاری قرار گرفتند. سیستم لیزری مورد استفاده در این آزمایش، دستگاه DC-G-2512با توان 70 Wو مکانیسم کاری امواج پیوسته بود.

سیستم لیزر از %100توان خود استفاده کرده و سرعت پرتوزایی اشعه آن حدود 10 mm/sبود. در این آزمایش برای حفاری از مکانیسم مارپیچی استفاده شد. در این مکانیزم، سنگ در مدت 66ثانیه به قطر 1 cmحفاری گردید. پس از آن، از نمونه ها مجددا تصویربرداری سی تی اسکن صورت گرفت. شکل 3تصاویر سی تی اسکن را قبل و بعد از لیزرکاری نشان میدهد.

پس از انجام آزمایش موارد ذیل مورد بررسی قرار گرفت:

1. مقدار انرژی مخصوص ()SE
2. نرخ حفاری(ROP)
3. مقایسه نرخ حفاری و انرژی مخصوص برای نمونههای اشباع و غیر اشباع
4. تأثیر حفاری با لیزر بر هزینههای حفاری
5. تأثیر حفاری با لیزر بر مدیریت محیط زیست

نمونه سنگهایی که در این آزمایش استفاده گردید، از سازندهایی انتخاب شد که در هنگام حفاری آنها بیشترین مواجهه با این نوع سنگها است.

جدول 1مشخصات فیزیکی مانند حجم، وزن و عمق نمونه گیري هر نمونه سنگ را نشان میدهد. پس از اشباع سنگها، مشخصات آنها از جمله تخلخل و وزن اشباع اندازه گیری شد. نتایج این اندازهگیریها در جدول2 آمده است.

همانطور که پیش از این نیز اشاره شد، نرخ حفاری به دو عامل SP و SEبستگی دارد. در آزمایشهای انجام شده، مقدار SP با ثابت بودن
سطح مقطع حفاری برای تمامی نمونه ها (1cm) مقداری ثابت ودر حدود 89/172 w/cm² بوده است. با ثابت بودن SP و تغییرات در
میزان ،SEنرخ حفاری برای هر نمونه سنگ متفاوت میباشد. میزان SE وابسته به نوع سنگ و مشخصات فیزیکی سنگ مانند ضریب انتقال گرما، تخلخل، دانسیته و … میباشد. جدول 3مقدار انرژی مخصوص و سرعت حفاری را برای هر نمونه سنگ نشان میدهد.

3- مشاهدات
-1-3 مقدار انرژی مخصوص se

همانگونه که در جدول 3مشاهده می شود، مقدار انرژی لازم برای حفاری یک واحد حجم در ماسه سنگ در حالت غیر اشباع در مقایسه با دیگر نمونه ها کمتر است (شکل .)4انرژی مخصوص برای ماسه سنگ در حدود36j تا13می باشد. این مقدار برای سنگ آهک در حدود 39تا 42 j/cm3و برای شیل در حدود 42تا 45 j/cm3است. با توجه به اینکه انرژی مخصوص به اشعه هایی که منعکس، پخش یا جذب میشوند وابسته است. این مطلب استنباط میشود که میزان اشعه های جذب شده در ماسه سنگ بیشتر از سنگهای دیگر است. البته با توجه به نتایج آزمایش هاي انجام شده، این مطلب براي نمونه هاي اشباع معکوس ميباشد. این تفاوت در مقدار انرژي مخصوص و در نتیجه سرعت حفاري بر اساس چندین. عامل قابل توجیه است که در ادامه به آنها پرداخته می شود.

2-3- سرعت حفاری (ROP)

پس از اندازهگیری سرعت حفاری برای هر نمونه سنگ، مشخص شد که بیشترین نرخ حفاری مربوط به ماسه سنگ است. (جدول .3) همچنین آزمایشها نشان میدهند که بیشترین ضریب گرمایی جابه جایی مربوط به این نوع سنگ بوده و همانطور که اشاره شد، با افزایش ضریب انتقال گرمایی، ریز شکستگی هایی که در اثر تابش لیزری بر روی سنگ ایجاد میشوند، افزایش مییابد. با افزایش این ریز شکستگی ها، سرعت حفاری بالا رفته و سنگ در مدت زمان کمتری حفاری میشود.

همچنین افزایش ریز شکستگی ها که در داخل ماتریس سنگ و سطح آن اتفاق میافتد، باعث افزایش تراوایی سنگ میگردد. در این بررسی ها از لیزر کم توان (در حدود ) 70 Wاستفاده شده است. در حالیکه امروزه آزمایشهای لیزری با لیزرهای پر توان (در حدود 60 KW) انجام می شوند. با بهبود و افزایش توان سیستم، میتوان سرعت حفاری را بالا برد. (همچنین با تغییر پارامترهایی از جمله طول موج، نوع لیزر، نوع فیبرهای انتقال دهنده توان لیزر و….)

شکل 5مقایسه سرعت حفاری برای نمونه سنگهای مختلف را در حالت اشباع نشان میدهد

3-3- مقدار سرعت حفاری و انرژي مخصوص

همانطور که در جدول 3نشان داده شده است، نرخ حفاری و میزان SE. برای نمونه های غیر اشباع، کاملا با نمونههای اشباع متفاوت است. محدوده انرژی مخصوص برای نمونه های اشباع شیل در حدود ،31 j/cm3سنگ آهک. در حدود 59 j/cm3و برای ماسه سنگ در حدود 84 j/cm3میباشد.

با توجه به مقادیر یاد شده، بیشترین نرخ حفاری برای نمونه های. اشباع متعلق به شیل و سپس سنگ آهک و ماسه سنگ است. این موضوع از آنجا اهمیت پیدا میکند که در حفاری چاه های. نفت و گاز، بیشترین مقدار حفاری متعلق به سازندهای شیلی است. شیل دارای تخلخل زیاد ولی تراوایی کم بوده و با توجه به عمق آن، چگالي آن نیز فرق میکند. با توجه به جدول 3میتوان دلیل این موضوع را به نسبت اشباع سنگ نیز مربوط ساخت. همانطور که در این جدول مشاهده میشود، اشباع ماسه سنگ بیشتر از. شیل بوده و مقدار آب بیشتری را در ساختمان خود حفظ میکند.

بنابراین در هنگام تابش لیزر بر سطح ماسه سنگ، بیشترین میزان توان. لیزر صرف تبخیر آب موجود در ساختمان سنگ شده و انرژی منتقل شده به سنگ کاهش مییابد. این امر باعث کم شدن نرخ حفاری در نمونه های اشباع نسبت به نمونه های غیر اشباع میگردد. البته این مطلب برای شیل استثنا است؛ زیرا با اشباع شیل، سرعت حفاری. آن نیز افزایش مییابد، به طوریکه نرخ حفاری تکنولوژی لیزری شیل اشباع بیشتر. از نرخ حفاری ماسه سنگ غیر اشباع است. شکل 6این موضوع را به روشنی نشان میدهد.

4-3- تاثیر حفاری با تکنولوژی لیزر برای هزینه های حفاری

هزینه هر فوت حفاری چاههای نفت و گاز از فرمول زیر بهدست میآید

در این رابطه، C_t هزینه هر فوت حفاري بر حسب دلار هزینه هر مته حفاري بر حسب دلار (ft/$)، Cr هزینه ساعت هاي کاري دکل حفاري بر حسب دلار ، tعمر هر مته حفاري بر حسب ساعت (، *)h مدت زمانهاي توقف حفاري و زمانهاي لوله بالا، لوله پایین بر حسب ساعت ( )hو Fعمق حفاري شده به ازاي هر مته حفاري است.

همانطور که از رابطه 4استنباط میشود، هزینه های حفاری با طول حفاری شده به ازاي هر مته رابطه عکس دارد. هنگام استفاده از سیستم لیزری به جای مته حفاری، طول حفاری شده توسط سیستم لیزری افزایش مییابد.

بنابراین قسمت عمدهای از هزینه های حفاری کم میشود. به نظر ميرسد که به دلیل استفاده از انرژي الکتریکي به جاي انرژي مکانیکي. در سیستم لیزری، از میزان آسیب های وارده به رشته حفاري در حین حفاری کاسته می شود. این موضوع نیازمند تحقیق و بررسي بیشتر است. همچنین با استفاده از سیستم لیزری، طول روزهای کاری دکل حفاری کاهش یافته و. عمر مته حفاری که از لیزر استفاده میکند، افزایش مییابد.

5-3- تاثیر حفاری با تکنولوژی لیزربر الودگی های زیست محیطی

در عملیات حفاری یک حلقه چاه، بسیاری از پسابهای تولید شده در حین حفاری وارد چرخه طبیعت میشوند. بسیاری از این پسابها در اثر استفاده از تجهیزات قدیمی و تکنولوژیهای نادرست تولید میشوند.

در حین حفاری و زمانی که از گل پایه روغنی برای حفر چاه استفاده میشود، آسیب زیادی به محیط زیست وارد می شود. زیرا در این نوع گل که بیشتر برای حفاری سازندهای شیلی از آن استفاده می شود، از مواد شیمیایی که برای محیط زیست مضر است استفاده می شود. این مواد شیمیایی در اثر چرخش های متناوب سیال حفاری وارد چرخه محیط زیست می شوند. با ورود سیستم لیزری به صنعت حفاری چاه های نفت و گاز، بسیاری از این آلودگی ها کاهش می یابد. در این سیستم میتوان حفاری غباری را که در آن به جای
استفاده از گلهای پایه روغنی از سیال هوا استفاده می شود، به کار برد.

همچنین بسیاری از ضایعاتی که در حین حفاری به وجود میآیند، کاهش مییابد. چراکه به دلیل جایگزینی سیستم الکترونیکی با سیستم مکانیکی، به جای استفاده از تجهیزات سنگین مانند لوله های حفاری سنگین، از اجزای سبک تری استفاده می شود و از آلودگی
های زیست محیطی به طور چشمگیری کاسته می شود.

نتیجه گیری

استفاده از سیستم تکنولوژی لیزری در صنعت حفاری به جای حفاری دورانی دارای مزایای زیادی است. این مزایا به بسیاری از پارامترهای لیزری و نوع لیزر مورد استفاده بستگی دارد. با ورود سیستم حفاری با لیزر به صنعت حفاری چاههای نفت و گاز، پیشرفت چشمگیر و بسیار سریعی در این صنعت مشاهده می شود. ورود این سیستم به صنعت حفاری نیازمند انجام آزمایشهاي متعدد میداني است. برای شروع میتوان از حفاری لایه های مشخص، به ویژه لایه هایی که در حفاری مشکل زا هستند آغاز کرد و با گذشت زمان و تثبیت سیستم، آنرا گسترش داد. با توجه به نتایج به دست آمده، افزایش سرعت حفاری در سنگ، به کاهش میزان انرژی مورد نیاز برای حفاری سنگ وابسته است.

در نمونههای غیر اشباع، ماسه سنگ دارای بیشترین سرعت حفاری بوده و در نمونه های اشباع، شیل بیشترین سرعت حفاری را داراست. با توجه به اینکه بیشتر سازندهای حفاری شده در ایران از نوع شیل یا ماسه سنگ است، میتوان نتیجه گرفت که ورود این سیستم به صنعت حفاری، انقلاب بزرگی را در این صنعت بهوجود خواهد آورد. در این مقاله به دلیل وجود برخي محدودیتها، نمونه هایي که مورد آزمایش قرار گرفت از سه گروه اصلي سنگها تشکیل شده بود. از اینرو براي نتیجه گیري هاي بهتر باید از نمونه هاي مختلف مانند سنگهاي کربناته، دولومیتي یا گرانیت استفاده کرد.

به نظر ميرسد که استفاده از حفاري با لیزر در مقاطع ابتدایي که خاک سست است و احتمال ریزش خرده ها وجود دارد، مقرون به صرفه نیست.

زیرا سرعت حفاري دوراني در این مقاطع به دلیل سست بودن خاک بیشتر از حفاري لیزری است. همچنین با توجه به شعاع بیشتر چاه در مقاطع ابتدایي، میزان انرژي لازم براي حفاري سنگ افزایش ميیابد، در نتیجه سرعت حفاري کاهش خواهد یافت. به نظر ميرسد که با استفاده از لیزر، در لایه هاي پایین که حجم خرده هاي حفاري کمتر است، ميتوان با کمک سیال هوا، خرده هاي حفاري (غبارهاي به وجود آمده در اثر حفاري با لیزر) را به بیرون چاه هدایت کرد. به دلیل اینکه این غبارها با استفاده از هوا به بیرون هدایت شده اند و براي انتقال این غبارها از سیال پایه روغني استفاده نشده است، آلودگي هاي زیست محیطي کمتري مشاهده می شود. البته اثبات
این نتیجه گیريها نیازمند بحثهاي فراوان همراه با آزمایشهاي گسترده و میداني است.

در ابعادی دیگر از این بحث به نظر ميرسد میتوان عملیات مانده یابی درون چاه های نفت و گاز را با استفاده از لیزر بهبود بخشید. البته این تکنولوژي زماني مفید خواهد بودکه ماندهها ریز و بي ارزش بوده و به بیرون آوردن آنها نیازی نباشد. در این صورت ميتوان این مانده ها را به جاي بیرون آوردن در همانجا ذوب کرده و عملیات حفاري را ادامه داد. همچنین امروزه بهبود مشبک کاري چاه هاي نفت و گاز با استفاده از لیزر در دست بررسي و تحقیق است.