چهارشنبه, 01 خرداد 1398

پردیس توسعه صنایع بالادستی نفت

طراحي نوين دوغاب‌هاي سيمان فوق‌سبك با استفاده از نانوتكنولوژي

red point نوآوري و آفرينش علمي و صنعتي، نخستين شرط زندگي شرافت‌مندانه ملتي است كه مي‌خواهد مستقل و سربلند زندگي كند. استعداد ملت ايران اين قدرت را به فرزندان اين مرز و بوم بخشيده است تا نقش شايسته‌اي در پيشرفت دانش جهاني بر عهده گيرند. کارکنان سخت‌كوش پژوهشگاه صنعت نفت با تكيه بر رسالتي كه بر دوش دارند، از اين قاعده مستثني نبوده و تمام توان علمي و پژوهشي خود را در راستاي نيل به اهداف تعيين‌شده به‌كار گرفته و خواهند گرفت. با اين مقدمه به استحضار مي‌رساند، در سال 1384 شركت ملي مناطق نفت‌خيز جنوب، پروژه‌اي تحت عنوان «طراحي و فرمولاسيون دوغاب‌هاي سيمان فوق‌سبك» را به واحد پژوهش حفاري مركز مطالعات اكتشاف و توليد پژوهشگاه صنعت نفت واگذار كرد. بعد از يك سال تحقيق و بررسي‌هاي همه‌جانبه و حمايت كارفرماي پروژه، در نهايت تهيه و فرمولاسيون دوغاب فوق‌سبك با بهره‌گيري از فناوري نانو و با تكيه بر تكنولوژي توزيع دانه‌بندي ذرات در مقياس آزمايشگاهي نتيجه داد. لازم به ذكر است كه اين مهم براي اولين بار در سطح دنيا محقق شده و كشورهاي صاحب‌نظر و شركت‌هاي بزرگ نفتي، تا كنون قادر به طراحي چنين دوغابي نشده بودند. از آن‌جا كه پروژه‌هاي تحقيقاتي وقتي تاثير واقعي خود را بر پيكره صنعت مي‌گذارند كه بتوانند در مقياس ميداني نيز قابل اجرا و اثربخش باشند، طبق درخواست كارفرما، بخش دوم پروژه كه انجام تست ميداني يافته‌هاي پروژه بود، در شهريور سال 1392 انجام شد. يادآور مي‌شود كه تا تاريخ يادشده، اجراي آزمايش ميداني براي پروژه‌هاي تحقيقاتي كه در مقياس آزمايشگاهي توفيق داشته‌اند ميسر نشده بود، لذا از اين جهت نيز مي‌توان اين موفقيت را گامي طلايي در راستاي خودكفايي علمي و صنعتي كشور برشمرد.

سيمان طراحي‌شده در چاه 341 ميدان مارون كه يكي از حساس‌ترين و سخت‌ترين مناطق عملياتي است، اجرا و نتايج به‌دست‌آمده بر اساس آزمايش‌هاي كنترل كيفي كارفرما و شركت بين‌المللي كاملا رضايت‌بخش و موفق گزارش شده است. بديهي است كه انجام سيمان‌كاري مطلوب پشت لوله‌هاي جداري يا آستري چاه‌هاي نفتي و گازي مي‌تواند باعث طول عمر چاه و افزايش بهره‌وري از آن شود. خاطرنشان مي‌شود، در عمليات مشابهي كه در سال گذشته توسط شركت‌هاي معتبر خارجي در منطقه انجام شد، توفيقي حاصل نشده بود.

در پي اين توفيق بزرگ، كارفرماي پروژه درخواست انجام عمليات سيمان‌كاري پانزده حلقه چاه ميدان مارون را با استفاده از طراحي نوين دوغاب سيمان فوق‌سبك به پژوهشگاه صنعت نفت ارائه كرد. از اهم قراردادهاي منعقده در اين خصوص مي‌توان به قرارداد سيمان‌كاري 25 حلقه چاه ميدان مارون مناطق نفت‌خيز جنوب به ارزش 30 ميليارد ريال و قرارداد سيمان‌كاري 2 حلقه چاه ميدان آغار و كنگان شركت ملي مناطق نفت مركزي به ارزش 5 ميليارد ريال اشاره كرد كه 17 حلقه از آن با موفقيت کامل به اتمام رسيده است و مابقی آن در حال انجام می باشد. از دستاوردهاي اجراي اين قرارداد، علاوه بر كسب درآمد قابل قبول براي پژوهشگاه مي‌‌توان به مواردي از قبيل افزايش عمر چاه، بالا رفتن بازدهي توليد، جلوگيري از مهاجرت گاز و كاهش هزينه ناشي از چندمرحله‌اي‌شدن سيمان اشاره كرد. 

ارزش افزوده اجراي دستاوردهاي پروژه طراحي دوغاب‌هاي سيمان سبك و فوق‌سبك

red point يكي از پرهزينه‌ترين فعاليت‌هاي عمليات حفاري، سيمان‌كاري چاه‌هاي نفتي و گازي است و عدم توفيق در آن علاوه بر اتلاف زمان و صرف هزينه‌هاي گزاف، خسارات جبران‌ناپذيري به منابع هيدروكربوري وارد مي‌آورد، به همين جهت براي روشن شدن اهميت موضوع، در زير به‌صورت مطالعه موردي، هزينه وارده بر چاه در اثر ضعف عمليات سيمان‌كاري از سه نظر مورد بررسي قرار گرفته است. هزينه يك بشكه دوغاب سبك طراحي‌شده به روش سنتي در حدود 200 يورو است. چنانچه دوغاب فوق‌سبك توسط شركت‌هاي خارجي طراحي شوند، اين رقم به يك هزار يورو افزايش مي‌يابد. با طراحي دوغاب به روش پژوهشگاه، هزينه يك بشكه دوغاب تقريبا معادل 500 يورو است. با توجه به اين كه در طول عمليات سيمان‌كاري چاه، دست‌كم دويست بشكه دوغاب سيمان فوق‌سبك مورد نياز است، با اجراي طرح پژوهشگاه، در هر چاه 100 هزار يورو صرفه‌جويي مي‌شود. با توجه به اين كه در طول سال بيش از 50 حلقه چاه با اين روش سيمان‌كاري مي‌شود، مبلغ كلي صرفه‌جويي به ده‌ها ميليارد تومان خواهد رسيد. چنانچه عمليات سيمان‌كاري ناموفق بوده و باعث از بين رفتن چاه شود، هزينه حفاري مجدد چاه روزانه حداقل 100 ميليون تومان است. با توجه به اين كه حفر يك چاه به طور متوسط 100 روز به طول مي‌انجامد، در صورت مطلوب بودن عمليات سيمان‌كاري، 10 ميليارد تومان در هر چاه صرفه‌جويي خواهد شد. در صورت عدم موفقيت سيمان‌كاري و بروز خسارت به سازندهاي توليدي، ميزان توليد در چاه يا كاهش خواهد يافت و يا كاملا از بين خواهد رفت. ميزان خسارات ناشي از اين امر قابل محاسبه نبوده و ضرر وارده، جبران‌ناپذير است و باعث كاهش درآمد قابل توجه ملي در طول ساليان متمادي خواهد شد.

دليل برتري نسبت به روش‌های سنتی

red point استفاده از تكنولوژي توزيع دانه‌بندي ذرات براي سيمان‌كاري پشت لوله‌هاي جداري و آستري چاه‌ها به منظور بالا بردن كيفيت دوغاب و عمليات سيمان‌كاري و افزايش عمر مفيد چاه و به حداقل رساندن ريسك عمليات، از مزاياي جديدترين تكنولوژي ساخت دوغاب سيمان بوده كه داراي ارزش افزوده فراوان در صنعت حفاري است. همان‌گونه كه مي‌دانيم، بسياري از مخازن نفتي و گازي ايران به‌علت افت فشار مخزن و بالا بودن وزن دوغاب، همواره با هرزروي‌هاي شديد مواجه است. براي مقابله با اين مشكل، وزن دوغاب سيمان مي‌بايست تا 60 pcf كاهش يابد. تحقيقات گسترده‌اي بر روي مواد افزودني سبك‌وزن كه قادر به كسب استحكام تراكمي سريع و بالا باشد انجام پذيرفته است. پيشرفت‌هاي اخير در تكنولوژي اندازه ذرات، منجر به كشف يك ماده جديد سبك‌كننده ريز با نتايج استثنائي شده است. دليل برتري اين تكنولوژي نسبت به روش‌هاي سنتي، بالا بودن مقاومت، كاهش زمان انتظار، پوشش سيماني محكم، طراحي آسان، امكان بالاي پيش‌گيري از مهاجرت گاز، پائين بودن نفوذ‌پذيري و خلل و فرج موجود در سنگ سيمان است. در روش‌هاي جديد طراحي دوغاب با تكنولوژي توزيع دانه‌بندي ذرات در پژوهشگاه صنعت نفت، در واقع سيستمي مشابه سيستم توليد بتون براي ساخت دوغاب‌هاي مناسب در نظر گرفته شده است كه ضمن بالا رفتن كيفيت سيمان‌كاري چاه، مقاومت تراكمي سنگ سيمان نيز به‌طور چشم‌گيري افزايش مي‌يابد.

با تنظيم توزيع دانه‌بندي از نظر اندازه، رئولوژي دوغاب به طور محسوسي بهبود مي‌يابد. بر اساس اين تئوري، مخلوط و پمپ شدن دوغاب نيز به‌خوبي انجام خواهد پذيرفت. با افزايش تنوع اندازه ذرات جامد در دوغاب‌ها با سايزهاي متفاوت، تخلخل و نفوذ‌پذيري كاهش و مقاومت تراكمي افزايش مي‌يابد و به همين سبب، مهار مهاجرت گاز در اين روش به‌خوبي انجام خواهد پذيرفت.

استفاده از دوغاب‌هاي سبك با تكنولوژي پژوهشگاه نياز به تجهيزات خاصي ندارد. براي اولين بار، اين تكنولوژي به‌صورت آزمايش ميداني در چاه شماره 341 مارون با موفقيت انجام پذيرفت. متعاقب اين توفيق، شركت‌هاي معتبر نفتي در ايران از جمله شركت ملي مناطق نفت‌خيز جنوب، شركت ملي حفاري و شركت نفت مركزي ايران و هم‌چنين چند شركت پيمانكار داخلي و خارجي، خواستار به‌كارگيري دستاوردهاي حاصله از تكنولوژي مذكور شدند. لازم به توضيح است، قبل از ارائه اين تكنولوژي، شركت‌هاي معتبر خارجي طراحي دوغاب‌هاي فوق‌سبك چاه‌هاي ايران را به قيمت‌هاي بسيار گزاف بر عهده داشتند كه هيچ‌يك از عمليات مذكور، موفقيت‌آميز نبوده است.

شرح تكنولوژي

red point طراحي دوغاب با تكنولوژي نانوذرات، ضمن بهينه‌سازي سيمان‌كاري چاه، كيفيت بالاي مقاومت تراكمي سنگ سيمان را نيز باعث مي‌شود. با تنظيم اندازه ذرات جامد، رئولوژي دوغاب بهتر تنظيم مي‌شود و با افزايش سطح ويژه دانه‌ها، چگالي مخلوط نيز كم‌تر شده و براي طراحي سيمان‌هاي فوق‌سبك با نرخ فشار پايين بسيار ايده‌آل است. نانوافزودني‌ها خواص ويژه‌اي نظير پايداري، كيفيت و قابليت استفاده شدن به سيمان چاه نفت بخشيده و در حفاري چاه‌هاي عميق و بسيار عميق و در مكان‌هاي بسيار سرد، خواص مطلوبي از جمله تراكم‌پذيري اوليه و زمان بندش مناسب به سيمان مي‌دهد. با توجه به اين كه استفاده از نانوذرات باعث تسريع در زمان بندش مي‌شود، زمان انتظار براي حفاري مجدد (WOC=Wait On Cement) كم‌تر شده و حفاري با سرعت بيش‌تري ادامه مي‌يابد. علاوه بر موارد فوق، همان‌گونه كه پيش‌تر گفته شد، افزايش مقاومت تراكمي و كاهش تخلخل و تراوايي و در نهايت، كنترل و مهار مهاجرت گاز و سيال از درون ستون سيمان از مزاياي ديگر استفاده از نانوذرات در طراحي دوغاب سيمان است. در روش‌هاي جديد طراحي دوغاب با تكنولوژي نانوذرات، سيستمي مشابه سيستم توليد بتن براي ساخت دوغاب‌ها در نظر گرفته شده كه ضمن بهسازي سيمان‌كاري چاه، كيفيت بالاي مقاومت تراكمي را نيز باعث مي‌شود.

با تنظيم توزيع اندازه ذرات جامد، رئولوژي دوغاب با استفاده از تنوع اندازه ذرات بهتر تنظيم مي‌شود كه اين امر براي ساخت دوغاب‌هاي فوق‌سبك (45 پوند بر فوت مكعب) در چاه‌هايي با نرخ فشار پايين حايز اهميت است. از آن‌جا كه بعضي از دوغاب‌هاي سيمان از نظر اندازه ذرات جامد، تك‌سايز هستند، ساختار آن‌ها به صورت جعبه‌اي پر از فضاهاي خالي بين ذرات جامد است. در يك دوغاب واقعي، فضاي خالي ميان ذرات جامد توسط آب يا هوا پر مي‌شود (شكل 1). در سيستم توزيع ذرات دوغاب، محدوده‌اي از سايزهاي ذرات به دقت انتخاب مي‌شوند. با افزايش ذرات جامد در دوغاب با سايزهاي متفاوت، تخلخل و نفوذپذيري كاهش و مقاومت تراكمي افزايش مي‌يابد؛ هم‌چنين احتمال كنترل و مهار مهاجرت گاز در اين روش به دليل كاهش تخلخل و نفوذپذيري سيمان بسيار افزايش خواهد يافت. با تنظيم توزيع اندازه ذرات جامد در مخلوط خشك، مقدار ذرات جامد در واحد حجم دوغاب افزايش مي‌يابد كه خود منجر به افزايش مقاومت تراكمي و كاهش تخلخل و تراوايي مي‌شود.

شكل(1)اندازه ذرات در دوغاب هاي قديمي و تخلخل ناشي از يكسان بودن اندازه ذرات 

سيمان‌هاي سبك‌وزن، نقش انكار‌ناپذيري در سيمان‌كاري اوليه ايفا مي‌كنند. دليل اصلي استفاده از اين‌گونه سيمان‌ها، كاهش فشار هيدرواستاتيك سيمان در برابر سازندهاي ضعيف و افت فشار مخزن است. سيمان‌كاري آستري‌هاي بعضي از مخازن ايران براي سال‌هاي زيادي به عنوان يك معضل مطرح بوده است. در اين مخازن، به علت افت فشار مخزن و بالا بودن وزن دوغاب، هرزروي همواره شديد بوده و براي مهار اين پديده، ضروري است كه وزن دوغاب سيمان تا حدود 45 پوند بر فوت مكعب تنزل يابد. به همين دليل، تحقيقات گسترده‌اي بر مواد افزودني سبك‌وزن كه تاثير منفي بر روي استحكام تراكمي نداشته باشد، انجام شده است. پيشرفت‌هاي اخير در تكنولوژي اندازه ذرات منجر به دست‌يابي به يك ماده سبك‌كننده ريز (نانوذره به اندازه20 نانومتر، سطح وي‍ژه 250g/m2و با نام تجاري HSL) با نتايج استثنايي شده است. در سيستم جديد طراحي، به منظور حصول نتايج مطلوب و ويژه، علاوه بر نوع اندازه ذرات، عوامل ديگري نيز به شرح ذيل حايز اهميت است:

  حجم

  نوع و طبيعت جامدات در تركيب خشک

  افزودني‌هاي شيميايي مورد استفاده در طراحي

چگالي دوغاب عمدتا به نسبت آب به جامد وابسته است؛ با افزايش اين نسبت، ضعف در ايزولاسيون ناحيه‌اي بسيار محتمل است. به‌عنوان مثال، در سيمان‌كاري آستري مخزن ميدان مارون، زماني كه مقاومت تراكمي بالا مورد نياز است، تخلخل كم‌تر از 38 درصد مد نظر خواهد بود. دوغاب‌هاي با تخلخل بسيار كم را مي‌توان با بهينه‌سازي تركيب به‌دست آورد. دست‌يابي به اين گونه دوغاب‌ها بدون استفاده از توزيع دانه‌بندي ذرات غيرممكن است. بر مبناي فرضيه ابداعي با تنظيم اندازه ذرات متفاوت در تركيب خشك، دوغاب‌هاي سبك‌وزن با كارآيي بالا را مي‌توان در محدوده چگالي‌هاي 6 تا PPG 12/03 طراحي كرد، در حالي كه دوغاب‌هاي سبك‌وزن با روش‌هاي متداول، نتايج بسيار نااميد‌كننده‌اي در پي خواهد داشت. ابداع چنين تكنولوژي نوين، توسعه دوغاب‌هاي سيمان با وزن 6 پوند بر گالن را كه از لحاظ جداسازي لايه‌اي، عملكردي شبيه‌دوغاب‌هاي سنتي با وزن 15/8 پوند بر گالن دارند، تأمين كرده است. 

<بازگشت به طرح های شاخص

خبرنامه

خبرهای هفتگی ما را تنها با وارد كردن ايميل خود دريافت كنيد