مسدود کردن چاه های نفت و گاز

چکیده:

مواد شیمیایی فراوانی وجود داردکه در بوسیله‌ی آنها مشکل آب اضافی و مشکلات موجود در تولید گاز، حل می گردد. شیمی بیشتر این مواد شیمیایی پیچیده است. یک مهندس نفت با معلومات شیمی متوسط برای یادگیری این مسائل در سطحی که بتواند او را قادر سازد یک گزینه‌ی مناسب برای مشکلات به دست آورد، با مشکل مواجه می شود. در این مقاله ما مرور کلی بر روی تمام مواد موجود برای مسدود نمودن آب و گازهای شیمیایی(WGSO) در حال جریان، انجام داده ایم. سیستم های حامل مواد مونومری، ژل های پلیمری، پلیمرهای اصلاح کننده‌ی نفوذپذیری نسبی، ژل های غیر آلی، پلاستیک ها و ... معمولا مواد شیمیایی هستند که از آنها استفاده می کنیم. گزینه های غیر متداول تر نیز وجود دارند که عبارتند از غرقه سازی جریانی، مسدود نمودن انتخابی با رسوبات مینرالی و سایر مواد دوغابی تزریق شونده، هستند.

مقدمه

نیاز به جلوگیری از ورود محصولات مایع ناخواسته به چاه ها در تمام دوره‌ی عمر مفید آنها، وجود دارد. مته های حفاری تلاش می کنند تا هر گونه نقطه‌ی مسدود شده را از بین ببرند و مهندسین تولید تلاش می کنند تا نقاط تولید مایعات ناخواسته را مسدود کنند. با این کار مهندسین از یک نقطه‌ی ورود این مایعات ناخواسته به نقطه‌ی دیگر حرکت می کنند. صاحبان سرمایه می خواهند درب چاه های خالی را بسته و چاه را در انتهای عمر مفید چاه رها کنند. به هر حال یک مهندس تولید نیاز دارد تا محصولات آبی و گازی تولید شده را کنترل کنند(این محصولات آبی و گازی می توانند در یک عمیات ساده‌ی درپوش گذاری گرفته تا در یک عملیات پیچیده تر کاهش انتخابی در نفوذ یک فاز ناخواسته، بوجود آیند). یک انتخاب موفق و اجرای یک چنین تکنیکی همانند هدف این کار، طاقت فرساست. بنابراین نیاز به آگاهی یافتن از گزینه های موجود، مکانیزم های کاری آنها، نظر موافقین و مخالفین، از جمله‌ی نیازهای مهم می باشد. این کار تلاشی در زمینه‌ی آشنایی مهندسین نفت با تکنولوژی مسدود کردن گاز یا آب های شیمیایی است که به طور خلاصه به آن تکنولوژی WGSO می گویند.
تکنولوژی مسدود کردن گاز یا آب های شیمیایی(WGSO)- گزینه های راه حلی
گزینه های بیشماری برای مسدود نمودن جریان آب و گاز وجود دارد و همین طور که علم در حال رشد می باشد، این تکنیک ها نیز در حال رشد هستند. چالش های بر سر راه یک مهندس نفت که در نظر دارد تا این جریان آب یا گاز را مسدود کند، این است که بداند چرا و کجا و چگونه این آب یا گاز تولید شده است. گزینه های راه حلی کدامند، مکانیزم های عمل آنها چیست. این فرد باید با توجه به همه‌ی جوانب، ظرفیت ها و محدودیت های چاه بهترین راه حل را برای یک مشکل بدست آورد. تکنولوژی های کنونی و بوجود آمده به منظور مسدود نمودن این آب و گاز می تواند به صورت زیر هستند:
1) روش های مکانیکی

• آب بندی یا ایزولاسیون مکانیکی با استفاده از آهن آلات یا سیمان
• کنترل با پره های چتری مانند از طریق پایین دادن و کشیدن
• تولید و جدایش سوراخ چاه
• تولید آب و نفت همزمان برای مهاجرت پره های چتری
• جدایش و دفع از سوراخ چاه

2) روش های شیمیایی
3) روش های میکروبیولوژیک

چرا از روش های شیمیایی استفاده می کنیم

در روش های مکانیکی از یک ماده‌ی آب بندی استفاده می شود که به طور مکانیکی از نفوذ مایعات ناخواسته جلوگیری می شود. از جمله روش های مکانیکی عبارتند از روش لوله گذاری، روش های ریختنی، مسدود کردن به روش پل زنی و ... . به هر حال مواردی وجود دارد که استفاده از روش های مکانیکی برای جلوگیری از نفوذهای اندک مناسب نمی باشد، لذا در این موارد باید از روش های دیگر مانند روش شیمیایی استفاده نمود.

روش های شیمیایی

روش های شیمیایی می تواند از طریق ماده مورد استفاده و یا از طریق نحوه‌ی عملکرد این مواد، تقسیم بندی شوند.

روش های مسدود کردن جریان آب یا گاز شیمیایی

1) ژل های غیر آلی
2) رزین ها/ الاستومرها
3) سیستم های مونومری
4) ژل های پلیمری

• ژل های پلیمری صلب با پیوند عرضی
• ژل های پلیمری جریان یافته با پیوند عرضی
• اصلاح کننده های نفوذپذیری نسبی
• ژل های جریان یافته (با پیوند عرضی)

5) پلیمرهای غیر ژله ای/ سیستم های ویسکوز

• اصلاح کننده های نفوذپذیری نسبی

6) بیوپلیمرها
7) غرقه سازی ویسکوز(با پلیمرها، که به صورت اختیاری به فوم تبدیل می شوند).
8) مسدود کردن انتخابی نقاط خروج آب
9) مواد تزریق شونده‌ی متفرقه
طبقه بندی روش های شیمیایی بر اساس نحوه‌ی عملکرد
1) آب بند ها(آب بندهای موقتی یا مداوم)
2) اصلاح کننده های نفوذپذیری نسبی با عملکرد آب بندی ضعیف
3) کنترل کننده های قابلیت تحرک(موبیلیته) یا سیستم های غرقه سازهای شیمیایی با عملکرد ایجاد انحراف در جریان(غرقه سازهای ویسکوز/ فومی شکل، مسدودکنندگی انتخابی).
در ادامه به طور مختصر در مورد هر یک از این روش های شیمیایی صحبت می کنیم:

ژل های غیر آلی

ژل های غیر آلی در دهه‌ی 1920 وارد عرصه شدند و از آنها در مسدود نمودن مسیر گردش جریان، ایجاد موانع محلی و محکم نمودن بخش های ضعیف استفاده می شود. این ژل ها مواد غیر آلی ساده هستند که با افزودن آب می توان آنها را آماده سازی کرد و از آنها استفاده نمود و همچنین می توان آنها را در داخل حفرات صخره ها تزریق کرد.
مهمترین محدودیت این مواد زمان ژله ای شدن سریع آنهاست. این مواد در محیط های اسیدی و بازی واکنش می دهندو ساختار ژله ای آنها تخریب می گردد.
مزیت ها: با آب آماده سازی می شوند. در عمق نفوذ می کنند و در برابر دما مقاومت دارند(برخی از انواع تا دمای 275 فارنهایت و حتی برخی دیگر تا دمای 325 فارنهایت تحمل حرارتی دارند). در مقایسه با مواد ژله ای پلیمری و پلاستیک ها، ارزان قیمت ترند.
از جمله ژل های غیر آلی مورد استفاده عبارتند:

1) سیلیکات سدیم

مزیت ها: قیمت ارزان، پایداری در دمای بالا و عدم ایجاد سوراخ های کوچک در این مواد.
محدودیت ها: احتمال وقوع واکنش با یون های موجود در محیط، زمان ژله ای شدن کوتاه، استحکام پایین.
انواع تجاری محصولات سدیم سیلیکاتی با نام های زیر تولید می شوند:
• هالیبورتون(Halliburton)
• دوول(Dowell)
• بی جی(BJ)

2) ژل های غیر آلی غیر سیلیکاتی

مزیت ها: زمان ژله ای شدن کنترل شده تا دمای 300 فارنهایت، عدم حساسیت این ماده به شوری آب، آماده سازی با استفاده از آب و عدم گرفتگی در حین عملیات پمپ کردن، فعال شوندگی داخلی و ایجاد یک سد استوار در برابر نفوذپذیری، کاهش نفوذپذیری تا 97% در زمان تشکیل ژل.
محدودیت ها: ایجاد ناپایداری در این مواد به خاطر وجود آنیون های دو ظرفیتی مانند سولفات و کربنات، کاهش پایداری در حین زمان، ایجاد سد ناقص در برابر نفوذپذیری(در حد 97%).
رزین ها/ الاستومرها
رزین های ترموست و الاستومرها در کاربردهای WGSO مورد استفاده قرار می گیرند. این مواد دارای استحکام مناسب جهت آب بندی شکستگی ها، حفرات موجود در سنگ ها و کانال ها را دارند. از بین رزین های پلیمری، رزین های زیر مورد استفاده قرار می گیرند:
1) رزین های فنولیک
2) رزین های اپوکسی
3) فورفوریل الکل

سیستم های بر پایه‌ی مونومر

سیستم های متنوعی بر پایه‌ی مونومرها، برای کاربردهای WGSO مورد استفاده قرار می گیرند. این مونومرها بعد از قرارگیری در محل های مناسب تحت فرایند پلیمریزاسیون واقع می شوند و به ژلی با استحکام برشی بالا یا پایین تبدیل می شوند. برخی از انواع این مواد تحمل دماهای 200 فارنهایت را نیز دارند. برخی از این مواد عبارتند از:

1) اکریل آمیدها:

در برخی از کاربردهای اولیه از سیستم های برپایه‌ی مونومرهای اکریل آمید استفاده می شده است. در این سیستم با استفاده از ممانعت کننده ها از ژله ای شدن زود هنگام جلوگیری می شود.
مزیت ها: عدم واکنش به سمت تشکیل جریان، حلال در آب، عدم وجود مواد فلزات سنگین به عنوان اتصال دهنده های عرضی، فعال شونده با دما و پایدار در دماهای تا 300 فارنهایت، توانایی پمپاژ این مواد و حلالیت در آب، کاهش نفوذپذیری به میزان 99.7%.
محدودیت ها: گران بودن، سیستم های با غلظت پایین تر در آب حلالیت اندکی دارند و همچنین دارای استحکام پایین تری هستند.

2) سیستم های مونومری با اتصال های عرضی ارگانیک در جا

K-Trol تولید شده بوسیله‌ی شرکت هالیبورتن یک سیستم با اتصال عرضی ارگانیک است که نسبت به پی اچ های پایین و آب های با درصد نمک بالا، مقاوم است.
مزیت ها: قابل آماده سازی در آب، دارای مقاومت بالا در برابر محیط های اسیدی، در زمان ژله ای شدن، یک ژل صلب تولید می کند.
محدودیت ها: تمایل زیاد به آلوده شدن، زمان ژله ای شدن کم، هزینه‌ی بالا واستفاده آن تنها در دماهای پایین گزارش شده است.

ژل های پلیمری

ژل های پلیمری با استفاده از مخلوط کرن دو جزء ساخته می شوند. یکی از این اجزا پلیمرهای با وزن ملکولی بسیار بالا و دیگری مواد شیمیایی است که اتصال دهنده‌ی عرضی نامیده می شود. ایجاد اتصال عرضی در پلیمرها ممکن است از طریق پیوند یونی، کوالانسی و یا بوسیله‌ی ژله ای شدن پلیمر بوجود آید. مهم ترین سیستم های پلیمری آلی مورد استفاده در صنعت نفت می توانند به صورت زیر طبقه بندی شوند:
1) پلی اکریل آمید ها(پلیمری مصنوعی)
2) کو پلیمرها(پلیمرهای مصنوعی)
3) بیوپلیمرها
عوامل اتصال دهنده‌ی عرضی نیز دو نوع هستند:
• فلزی(آلومینیوم سه ظرفیتی، کروم 6 ظرفیتی و 3 ظرفیتی، زیرکونیوم، تیتانیوم، بور و ...)
• آلی(فنولیک، فنول، هیدروکویینون، فوریل الکل و ... )

1) ژل های پلی اکریل آمیدی (PAM)

مشکلات استفاده از PAM : ناپایداری این پلیمر ها می تواند موجب سینرزیس، رسوب دهی و شکست ساختاری شود. انقباض در شبکه‌ی ژلی، افزایش نفوذپذیری در هنگام گسترش سینرزیس، شکست ساختاری به دلیل وقوع تخریب های برشی، مشکل کنترل فرایند ژله ای شدن در دمای بالا و در نهایت به دلیل صلب بودن این نوع از ژل های پلیمری، نمی توان از آنها در آب بندی کانال ها و سوراخ های بزرگ استفاده کرد.

موفقیت هایی که ژل های PAM تاکنون بدست آورده اند

این نوع سیستم ها با موفقیت در ترمیم شکستگی های بوجود آمده در دیواره‌ی چاه هایی مورد استفاده قرار گرفته است که دارای مخازن کم تا نسبتا بالا هستند. در ترمیم شکستگی ها، نتایج تئوری و میدانی فراوان نشان داد که استفاده از ترمیم کننده های ژله ای بسیار مؤثر هستند.

پلیمرهای غیر ژله ای/ سیستم های ویسکوز(RPMs)

عملکرد اصلی این پلیمرها کاهش نفوذپذیری آب یا گاز نسبت به نفوذپذیری نفت خام است. بنابراین این مواد را اصلاح کننده های نفوذپذیری نسبی(RPM) می نامند. این مسئله به طور عملی ثابت شده است که پلیمرهای خطی مانند پلی اکریل آمید و پلی ساکارید(یک نوع بیوپلیمر غیر یونی) می توانند بر روی سطح سنگ ها جذب شده و باعث اصلاح غیر متناجس نفوذپذیری شوند. بسیاری از پلیمرها دارای این خاصیت هستند.
مزیت ها: ، ما آرزومندیم که بعد از توسعه های دیگر در زمینه‌ی پلیمرهای غیر ژله ای، بتوان اصلاح کننده های نفوذپذیری نسبی تولید کرد که از آنها در چاه های سالم استفاده نمود. در حال حاضر از این مواد در چاه های شکسته بدون ایزولاسیون نقطه ای استفاده می شود. این مواد تحت تأثیر کاتیون های چند ظرفیتی، اکسیژن و اسیدها قرار نمی گیرند. این مواد را می توان در مخازنی استفاده کرد که دمای آن تا 300 فارنهایت است.
محدودیت ها: این مواد علاوه بر کاهش نفوذپذیری مواد اضافی، نفوذپذیری نفت را نیز کاهش می دهند. PAM را نمی توان در دماهایی بالاتر از 165 فازنهایت، در مخازنی با میزان شوری کم استفاده نمود.

بیوپلیمرها

بیوپلیمرها نیز در کاربردهای WGSO مورد استفاده قرار می گیرند. این مواد نیز مانند PAM ها اتصالات عرضی ایجاد می کنند. این مواد نسبت به یون های دو ظرفیتی حساس نیستند. و همچنین مقاومت دمایی بیشتری نسبت به PAM ها دارند. علاوه بر این، این مواد نسبت به حمله های بیولوژیک مستعدترند.
بیوپلیمرهای مورد استفاده در کنترل های تابعی عمدتا عبارتند از:

• گزانتان(xanthan)
• پلی ساکاریدها
• لیگنوسولفات های دارای اتصالات عرضی
• سدیم- کربوکسیل متیل سلولز
• مشتقات گوار(Guar)
• HEC
• DRISPAC

غرقه سازی ویسکوز

تولید آب اضافی در برخی اوقات باعث می شود شکافت پیش از موعد آب در طی غرقه سازی با آب، شود. غیر هموژنی ذخیره و سرعت موبیلیته‌ی غیر مناسب دلایل اصلی میزان تأثیر ناکافی سیستم است. اگر نفوذپذیری بالا میان تولید کننده و تزریق کننده ایجاد شود، مشکل به بهترین نحو و با استفاده از ترمیم پلیمری در دیواره‌ی تزریق کننده، آدرس دهی می شود. پلیمرهای با پیوند عرضی را می توان با موفقیت در بسیاری از این موارد استفاده نمود. برخی اوقات به جای این پلیمرها می توان از ژل های فومی نیز استفاده نمود.

مسدود کردن انتخابی نقاط خروج آب

Zhu و Taib روشی را برای مسدود کردن نقاط خروجی آب ابداع کردند. آنها این روش را بوسیله‌ی رسوب دهی القایی توسعه دادند. در واقع این روش بر اساس اثر شوره زنی(salting out effect) ابداع کردند. در این روش الکل و دوغاب آب شور غلیظ تزریق می گردد. در این زمان کاهشی در میزان حلالیت نمک رخ می دهد که باعث رسوب دهی مواد جامد می شود. این کار موجب مسدود شدن جزئی و یا کامل راه ها می شود.

مواد تزریق شونده‌ی متفرقه

یک تعداد از مواد تزریق شونده متفرقه وجود دارند. این مواد مخلوطی از مواد شیمیایی مختلف، سیمان، خاک رس، نفت و غیره هستند. این مواد جزء مواد منحرف کننده‌ی مسیر جریان(LCM ) هستند. در ادامه در مورد برخی از آنها صحبت می کنیم:

مخلوط های سیمان- نفت

این مخلوط ها از گازوئیل یا نفت چراغ و سیمان خشک تشکیل شده اند که از آنها در کاربردهای WSO استفاده می شود. این مخلوط در سطح به صورت دوغاب تهیه شده و سپس به داخل کانال های تزریق می شود.

مخلوط های بنتونیت-نفت (و سیمان)

نام شیمیایی بنتونیت سدیم مونت موری لونیت است. این ماده یک مینرال رسی است. این ماده باعث تولید دوغاب ویسکوز و با ویژگی تیکسوتروپی می شود. مقدار بادکردگی(انبساط) این رس تقریبا 10 درصد بیشتر از حجم اولیه است. این ماده یکی از اولین افزودنی های مورد استفاده برای کاهش وزن دوغاب سیمان است.
مخلوط بنتونیت-نفت در هنگام تماس با آب متورم شده و باعث انسداد مؤثر بخش های مورد نظر می شود. مخلوط بنتونیت –نفت باید از طریق یک لوله‌ی حفاری شده به داخل چاه پمپاژ گردد و در زمانی که این مخلوط با آب تماس پیدا کند، این اطمینان حاصل می شود که هیچ آلودگی آبکی در محیط وجود ندارد.