أجزاء ومكونات برج الحفر

يعتبر عدم استقرار تجويف البئر احدى مشاكل الحفر الشائعة، وهو حالة غير مرغوب فيها في فترة حفر البئر المفتوح حيث لا تحافظ على حجم وشكل و/أو السلامة الهيكلية للبئر.

شكل (1) انواع مشاكل عدم استقرار تجويف البئر.

أسباب عدم استقرار تجويف البئر

يمكن تصنيف الأسباب في الفئات التالية:

• عطل ميكانيكي ناتج عن اجهادات (stresses) في الموقع.
• تآكل ناتج عن تدوير السوائل.
• مادة كيميائية ناتجة عن تفاعل سوائل تجويف البئر مع التكوين.

الأنواع والمشاكل المرتبطة بها

هناك أربعة أنواع مختلفة من عدم استقرارية تجويف البئر:

• اغلاق (closure) او تضييق التجويف
• توسيع (enlargement) التجويف أو الانجراف (washout)
• الكسر (Fracturing)
• الانهيار (collapse)

إغلاق التجويف

إغلاق التجويف (Hole closure) هو عملية تضييق تعتمد على الوقت لعدم استقرار تجويف البئر. يشار إليه أحيانًا على أنه زحف تحت ضغط التحميل الزائد، ويحدث عمومًا في مقاطع الصخر الزيتي او السجيل (shall) المتدفق البلاستيكي والملح. المشاكل المرتبطة بإغلاق التجويف هي:

• زيادة في عزم الدوران والسحب
• زيادة احتمال التصاق الأنابيب (pipe sticking)
• الزيادة في صعوبة إنزال البطانات (casing).

توسع التجويف

يُطلق على توسعات التجاويف (Hole enlargements) عمومًا بعمليات الانجراف (washouts) لأن التجويف يصبح أكبر بشكل غير مرغوب فيه مما هو مقصود. عادة ما يكون سبب توسع التجويف:

• تآكل هيدروليكي
• التآكل الميكانيكي الناجم عن خيط الحفر (drillstring)
• تقشر السجيل (shale) بطبيعته

المشاكل المرتبطة بتوسيع التجويف:

• زيادة صعوبة التسميت
• زيادة الانحراف المحتمل للتجويف
• زيادة المتطلبات الهيدروليكية لتنظيف التجاويف بشكل فعال
• زيادة المشاكل المحتملة أثناء عمليات الجس (logging operation)

 

الكسر

يحدث الكسر (Fracturing) عندما يتجاوز ضغط سائل الحفر ضغط التكوين. المشاكل المصاحبة هي فقدان تدوير الطين واحتمال حدوث الرفسة (kick).

الانهيار

يحدث انهيار تجويف البئر (Borehole collapse) عندما يكون ضغط سائل الحفر منخفضًا جدًا للحفاظ على السلامة الهيكلية للتجويف المحفور. المشاكل المصاحبة هي إلتصاق الأنابيب واحتمال فقدان البئر.

مبادئ عدم استقرار تجويف البئر

قبل الحفر تكون قوة الصخور عند بعض الاعماق في حالة توازن مع اجهادات (stresses) الصخور في الموقع (إجهاد ثقيل فعال، اجهادات حصر أفقية فعالة). بينما يتم حفر تجويف البئر، فإن التوازن بين قوة الصخور والاجهادات في الموقع يكون مضطربًا. بالإضافة إلى ذلك، يتم إدخال سوائل الحفر، وتبدأ عملية التفاعل بين التكوين وسوائل الحفر. والنتيجة هي مشكلة محتملة في عدم الاستقرار. على الرغم من أن قدرًا هائلاً من الأبحاث قد أدى إلى العديد من نماذج محاكاة استقرار البئر، إلا أن جميعها تشترك في نفس عيب عدم اليقين في بيانات الإدخال اللازمة لتشغيل التحاليل. هذه البيانات تشمل:

• الاجهادات في الموقع (In-situ stresses)
• ضغط المسام (Pore pressure)
• خصائص الصخور الميكانيكية
• كيمياء التكوين وسوائل الحفر

آليات فشل الصخور الميكانيكية

يحدث فشل تجويف البئر الميكانيكي عندما تتجاوز الاجهادات التي تعمل على الصخرة قوة الضغط أو قوة الشد للصخرة. يحدث الفشل الانضغاطي (Compressive failure) بسبب إجهادات القص نتيجة لانخفاض وزن الطين، بينما يحدث فشل الشد (tensile failure) بسبب الاجهادات العادية نتيجة وزن الطين الزائد.

معايير الفشل التي تُستخدم للتنبؤ بمشكلات عدم استقرار التجويف هي معيار الإجهاد الطبيعي الأقصى لفشل الشد وأقصى طاقة إجهاد لمعيار التشويه لفشل الضغط (compressive).

في معيار الحد الأقصى للاجهاد الطبيعي، يقال إن الفشل يحدث عندما، تحت تأثير الاجهادات مجتمعة، يصل أحد الاجهادات الرئيسية المؤثرة إلى قيمة فشل مقاومة الشد الصخري.

في الحد الأقصى لمعيار طاقة التشويه، يقال إن الفشل يحدث عندما تصل طاقة التشويه، تحت تأثير الاجهادات مجتمعة، إلى نفس طاقة انهيار الصخور تحت التوتر الخالص (pure tension).

عدم استقرار الصخر الزيتي

يشكل السجيل او الصخر الزيتي (shale) غالبية التكوينات المحفورة، ويسبب معظم مشاكل عدم استقرار تجويف البئر، بدءًا من الانجراف إلى الانهيار الكامل للتجويف. الصخر الزيتي عبارة عن صخور رسوبية دقيقة الحبيبات تتكون من الطين والطمي وفي بعض الحالات من الرمل الناعم. تتراوح أنواع الصخر الزيتي من البامية(gumbo)  الغنية بالطين (ضعيفة نسبيًا) إلى الحجر الطيني (shaly siltstone) (شديد الإسمنت)، ولها خصائص مشتركة ذات نفاذية منخفضة للغاية ونسبة عالية من معادن الطين. أكثر من 75% من التكوينات المحفورة في جميع أنحاء العالم عبارة عن تكوينات من الصخر الزيتي. تشير التقارير إلى أن تكلفة الحفر المنسوبة إلى مشاكل عدم استقرار الصخر الزيتي تتجاوز نصف مليار دولار أمريكي سنويًا. إن سبب عدم استقرار الصخر الزيتي ذو شقين: 

1. ميكانيكي (تغير الإجهاد مقابل بيئة قوة الصخر الزيتي).
2. وكيميائي (التفاعل الصخري / السائل - الضغط الشعري، الضغط الاسموزي، انتشار الضغط، غزو سائل الحفر للصخر الزيتي).

عدم الاستقرار الميكانيكي

كما ذكرنا سابقًا، يمكن أن يحدث عدم استقرار ميكانيكي للصخور بسبب اضطراب حالة الإجهاد في الموقع بعد الحفر. طين الحفر المستخدم بكثافة معينة قد لا يجلب الاجهادات المتغيرة إلى الحالة الأصلية، وبالتالي، قد يصبح الصخر الزيتي غير مستقر ميكانيكيًا.

عدم الاستقرار الكيميائي

ينتج عدم استقرار الصخر الزيتي الناجم عن المواد الكيميائية عن تفاعل سائل الحفر / الصخر الزيتي، والذي يغير القوة الميكانيكية للصخر الزيتي وكذلك ضغط المسام الصخر الزيتي بالقرب من جدران البئر. تشمل الآليات التي تساهم في حدوث هذه المشكلة ما يلي:

• الضغط الشعري (Capillary pressure).
• الضغط الاسموزي (Osmotic pressure).
• انتشار الضغط بالقرب من جدران البئر.
• غزو ​​سوائل تحويف البئر في الصخر الزيتي عند زيادة توازن الحفر.

الضغط الشعري

أثناء الحفر، يتلامس الطين الموجود في البئر مع سائل المسام الأصلي في الصخر الزيتي من خلال واجهة الحلق المسامية. ينتج عن هذا تطوير الضغط الشعري (P_cap)، والذي يتم التعبير عنه كـ:

حيث:

• σ هو التوتر السطحي.
• ϴ هو زاوية التلامس بين السائلين.
• r هو نصف قطر الحلق المسامي.

لمنع دخول سوائل البئر إلى الصخر الزيتي وتثبيته، يلزم زيادة الضغط الشعري، والذي يمكن تحقيقة بإستخدام أنظمة طين الحفر ذات الاساس النفطي أو غيرها من الأنظمة العضوية منخفضة القطب.

الضغط الاسموزي

عندما يكون مستوى الطاقة أو النشاط في مائع مسام الصخر الزيتي (a_s) عن النشاط في طين الحفر (a_m)، يمكن أن تحدث حركة الماء في أي اتجاه عبر غشاء شبه نافذ نتيجة لتطور الضغط الاسموزي (p_os)، أو  الجهد الكيميائي (μ_c). لمنع أو تقليل حركة الماء عبر هذا الغشاء شبه القابل للنفاذ الذي له كفاءة معينة (E_m)، يجب معادلة الأنشطة أو على الأقل التقليل من فروقها. إذا كانت قيمة (a_m) أقل من (a_s)، يُقترح زيادة (E_m) والعكس صحيح. يمكن تقليل نشاط الطين عن طريق إضافة إلكتروليتات يمكن إحداثها من خلال استخدام أنظمة الطين مثل:

• مياه البحر
• ملح مشبع / بوليمر
• كلوريد الكالسيوم / كلوريد الصوديوم / بوليمر
• الجير / الجبس

انتشار الضغط

انتشار الضغط هو ظاهرة تغير الضغط بالقرب من جدران البئر التي تحدث بمرور الوقت. ينتج هذا التغيير في الضغط عن ضغط مائع او سائل المسام الأصلي بواسطة ضغط مائع تجويف البئر (p_wfl)، والضغط الاسموزي (p_os).

غزو ​​سائل تجويف البئر في الصخر الزيتي

في الحفر التقليدي، يتم الحفاظ دائمًا على الضغط التفاضلي الإيجابي (الفرق بين ضغط مائع البئر وضغط مائع المسام). ونتيجة لذلك يضطر مائع البئر إلى التدفق في التكوين (ظاهرة فقدان الموائع)، مما قد يتسبب في تفاعل كيميائي يمكن أن يؤدي إلى عدم استقرار الصخر الزيتي. للتخفيف من هذه المشكلة، يتم زيادة لزوجة الطين أو في الحالات القصوى استخدام جيلسونايت (gilsonite) لإغلاق الكسور الدقيقة.

استخدام سائل الحفر

الحفر المتوازن (Drilling overbalanced) من خلال تكوين الصخر الزيتي بسائل ذو اساس مائي (WBF) يسمح لضغط سائل الحفر بإختراق التكوين. بسبب التشبع ونفاذية التكوين المنخفضه، يؤدي تغلغل حجم صغير من راشح الطين في التكوين إلى زيادة كبيرة في ضغط سائل المسام بالقرب من جدار تجويف البئر. تؤدي الزيادة في ضغط سائل المسام إلى تقليل الدعم الفعال للطين، والذي يمكن أن يسبب عدم الاستقرار. حققت العديد من أنظمة البوليمر WBF مكاسب في تثبيط الصخر الزيتي على السوائل ذو الاساس النفطي (OBFs) والسوائل المركبة (SBFs) من خلال استخدام مثبطات ومغلفات قوية تساعد على منع ترطيب الصخر الزيتي والتشتت.

تحليلات الاستقرار لتجويف البئر

توجد عدة نماذج في المؤلفات تتناول تحليل استقرار تجويف البئر. هذه النماذج تشمل البسيطة جدًا إلى شديدة التعقيد مثل:

• مرونة خطية (Linear elastic)
• غير خطي (Nonlinear)
• المطاط الصناعي (Elastoplastic)
• ميكانيكي بحت (Purely mechanical)
• فيزيائي كيميائي (Physicochemical)

بغض النظر عن النموذج، تشمل البيانات المطلوبة ما يلي:

• خصائص الصخور (نسبة بواسون (Poisson ratio)، القوة (strength)، معامل المرونة).
• الاجهادات في الموقع (مثقلة، أفقية).
• ضغط سائل المسام والتركيب الكيميائي.
• خصائص الطين والتركيب الكيميائي.

بخلاف بيانات الطين، غالبًا ما تتراكم البيانات مع مشاكل التوافر و/أو عدم اليقين. ومع ذلك، يمكن إجراء تحليل الحساسية بافتراض بيانات للعديد من المتغيرات لإنشاء نوافذ أمان لاختيار الطين وتصميمه.

الوقاية من عدم استقرار تجويف البئر

إن الوقاية الكاملة من عدم استقرار البئر أمر غير واقعي، لأن استعادة الظروف الفيزيائية والكيميائية في الموقع للصخور أمر مستحيل. يمكن لمهندس الحفر التخفيف من مشاكل عدم استقرار البئر من خلال الالتزام بالممارسات الميدانية الجيدة. تشمل هذه الممارسات:

• الاختيار الصحيح لوزن الطين وتحسينه
• استخدام المكونات الهيدروليكية المناسبة للتحكم في كثافة الدوران المكافئة (ECD)
• الاختيار الصحيح لمسار تجويف البئر
• استخدام سائل البئر المتوافق مع التكوين الجاري حفره

الممارسات الميدانية الإضافية التي يجب اتباعها هي:

• تقليل الوقت الذي يقضيه في التجويف المفتوح
• استخدام بيانات الإزاحة الجيدة (استخدام منحنى التعلم (learning curve))
• مراقبة تغيرات الاتجاه (عزم الدوران، ضغط الدوران، السحب، الملئ أثناء التعثر)
• التعاون وتبادل المعلومات

المصادر

1. "Borehole instability". (د.ت). petrowiki.spe.org. تم الاسترجاع 2023-1-1.

إقرأ ايضاً

• انهيار تجويف البئر
• فشل انابيب الحفر
• مكونات برج الحفر

تعديل المقال