از نقطه نظر مهندسي نفت و گاز و بهره برداري از مخازن هيدروکربوري، افزايش بهره دهي در چاه‌ها به‌ويژه در چاه‌هايي با نفوذ پذيري کم يا چاه‌هاي آسيب‌ديده يكي از مهمترين اهداف مي باشد. تا به امروز روش‌هاي متفاوتي براي افزايش ميزان بهره‌دهي چاه‌ها ارائه و انجام شده‌است که هر يك مي‌تواند به طريقي موجب بهبود عملكرد چاه‌ها گردد. از مهمترين روش‌هاي بهبود بهره‌دهي چاه‌ها، اثر گذاشتن بر فيزيك سنگ مخزن مي‌باشد که در آن سعي مي‌شود تا ساختار فيزيكي سنگ مخزن بهبود يابد. از جمله مهم‌ترين اين روش‌ها مي‌توان به ايجاد شكستگي‌هاي مصنوعي در سنگ مخزن اشاره کرد.

 

 

شكل1: نمائي از تجهيزات مورد استفاده در عمليات

 

همانطور كه مي دانيم، نفت و گاز در فضاي حفره‌ها و شكاف‌هاي طبيعي در سنگ‌هاي زير سطح زمين تجمع مي‌يابد. وقتي كه چاهي در درون اين سنگ‌هاي حاوي سيالات هيدروكربني، حفاري مي‌شود به علت ايجاد پروفايل فشاري، سيالات بايد از داخل سنگ‌هاي اطراف چاه به درون چاه حركت كنند و سپس از درون چاه به سطح زمين منتقل شوند. اگر خلل و فُرج‌هايي كه در سنگ مخزن وجود دارند به هم متصل باشند و سيال به راحتي به درون چاه حركت كند، سنگ مخزن را سنگي با نفوذ پذيري بالا مي‌دانيم ولي در مورد نفوذپذيري‌هاي پايين، سيال به راحتي قادر به حركت از داخل سنگ مخزن به درون چاه نيست.

در اين گونه موارد كانال‌هاي داخل سنگ، آن‌گونه كه بايد، اجازه‌ي حركت سيال را به درون چاه نمي‌دهند پس چاه بهره‌وري اقتصادي ندارد زيرا به مقدار لازم از آن چاه سيال نفتي يا گازي توليد نمي‌شود. به همين دليل نياز به ايجاد شكاف‌ها و كانال‌هاي مصنوعي در داخل سنگ مخزن احساس مي‌شود. كه در واقع اين كانال‌ها توان سنگ مخزن را براي هدايت سيال به درون چاه بالا مي‌برند، اين كانال‌ها معمولاً توسط عمليات شكاف هيدروليكي(Hydraulic Fracturing) ايجاد مي‌شوند.

 

◄   ايجاد شكستگي مصنوعي :
ايجاد شكستگي مصنوعي يكي از روش‌هاي رايج در جهت انگيزش چاه‌ها براي افزايش توليد نفت و گاز مي باشد. در شکاف هيدروليکي، شکاف‌هايي از ديواره‌ي چاه به سوي سازند توليدکننده‌ي نفت و يا گاز ايجاد مي شود. اين تكنولوژي بارها در دنيا مورد استفاده قرار گرفته و هم اكنون نيز در حال به کارگيري است. در حين حفاري هر چاه، به‌ويژه چاه‌هاي گازي، هر چه عمق بيشتر مي‌شود، همراه با عمل حفاري و تكميل چاه حتما بايد از فن‌آوري ايجاد شكاف هيدروليكي نيز در چاه استفاده كرد. فن‌آوري شكاف هيدروليكي مي تواند توليد يك چاه را حداقل تا دو برابر افزايش ‌دهد. پيشينه‌ي استفاده از اين روش به سال 1948 برمي گردد كه در يکي از مخازن گازي آمريکا انجام شد. اما اولين بار در سال 1949 از اين روش به صورت تجاري و با بهرهدهي اقتصادي استفاده شد و به خاطر موفقيتي که در افزايش توليد آن چاه نفتي داشت، سريعا گسترش يافت.

در حال حاضر بيش از نيمي از چاه‌هاي گازي و نفتي آمريكا بدون فن‌آوري شكاف هيدروليكي، قادر به توليد نيستند. امروزه در منطقه آمريکاي شمالي حدود 25000 مورد ايجاد شکستگي مصنوعي در سال انجام مي گيرد. در اين منطقه ايجاد شکستگي‌هاي مصنوعي در حدود 58% مربوط به چاه‌هاي گازي و 38% مربوط به چاه‌هاي نفتي است. توليد نفت در تمام چاه‌هايي كه از تكنولوژي شكاف هيدروليكي استفاده مي‌كنند 2 تا 5 برابر شده است. تا کنون مطالعات زيادي در مورد اين روش صورت گرفته‌است که نتايج آن در کتاب‌ها و مقالات متعدد به چاپ رسيده است. استفاده مناسب از اين روش مي تواند در بهبود نفوذپذيري سنگ مخزن و در نتيجه بهبود شاخص بهره‌دهي چاه‌ها نقش موثري ايفا نمايد. به اين منظور لازم است تا ضمن بررسي عوامل مختلف تاثير گذار بر بازدهي فرايند ايجاد شکستگي‌هاي مصنوعي، تاثير اين فرايند بر افزايش بازدهي چاه‌ها در مخازن ايران مورد بررسي قرار گيرد. از جمله ‌ي مهترين عوامل تاثيرگذار بر روي شکاف هيدروليکي مي توان به موارد زير اشاره کرد:
1- انتخاب بهترين سيال به منظور ايجاد شکاف و پر کردن شکافها و روشي جهت ايجاد شکستگي در مخازن نفتي و گازي: که تاثير بسيار مهمي در بازده اين عمليات دارد و اگر اين دو عامل به درستي و متناسب با شرايط مخزن صورت نپذيرد، عمليات شکاف هيدروليکي تاثير به‌سزائي بر روند توليد از مخزن نخواهد داشت. سيالي كه براي ايجاد شكاف‌هاي هيدروليكي بكارمي‌رود يعني Hydraulic Fracturing Fluid يکي از پيچيده‌ترين سيالات است که از مواد زيادي تشکيل شده است. يکي از اين مواد پروپن است. پروپن ماده‌اي‌ است كه از ذرات مختلفي مانند سراميك، شيشه و پليمر تشكيل شده است. با ايجاد شكاف در لايه، اين مواد در داخل شكاف‌ها قرار مي‌گيرند تا از بسته شدن آن‌ها جلوگيري كنند.
2- چگونگي انتخاب يک چاه، سازند يا ميدان مناسب جهت انجام عمليات ايجاد شکستگي مصنوعي: ممکن است نيازي به ايجاد شکاف در همه‌ي چاه‌هاي يک مخزن نباشد و لذا به منظور صرفه جوئي اقتصادي انتخاب چاه و سازندي که بايد در آن شکاف مصنوعي ايجاد شود از حساسيت بالايي برخوردار است.
3- چگونگي اثر خواص مکانيکي سنگ بر عمليات ايجاد شکستگي و در ژئومتري(شكل هندسي) شکستگي‌هاي ايجاد شده با اين روش: بايد خواص سنگ مخزن به طور کامل تعيين شود تا در موقع ايجاد شکاف مساله‌ي بازدارنده‌اي ايجاد نشود و عمليات موفقيت آميز صورت بپذيرد.
4- چگونگي تاثير شکستگي‌هاي مصنوعي و طبيعي بر هم: که بايد تاثير آن‌ها به درستي مورد مطالعه قرار گيرد.

 

◄   چگونگي ايجاد شكاف از نقطه نظر مكانيك سنگ:
از لحاظ مكانيك سنگ ايجاد شكاف مصنوعي در سنگ را اين‌گونه مي‌توان بيان كرد: هر نوع سنگ سازندي به طور كلي ميزاني از قدرت ( استحكام) را كه به ساختار سنگ، فشردگي آن سنگ و سيماني بودنش وابسته است، از خود نشان مي‌دهد. نيروهايي كه تمايل به كنار هم نگه داشتن سنگ‌ها را دارند شامل ميزان استرس بر روي سنگ‌ها و استحكام هر سنگ به خودي خود مي‌باشند. وقتي كه چاه پر از سيال مي‌شود و فشاري از روي سطح بر روي سيال گذاشته مي‌شود، فشار سيال در مكان سوراخ‌هاي درون چاه ( Perforation) و حتي حفرات سنگ مخزن افزايش مي‌يابد. فشار هيدروليكي به صورت مساوي در كليه‌ي جهات اعمال مي‌شود. اگر فشار تا اندازه‌اي افزايش يابد كه نيرويي كه در اثر اين اعمال فشار ايجاد مي‌شود، برابر با نيرويي شود كه آن نيرو تمايل به نگه داشتن سنگ‌ها در كنار هم است، در اثر اعمال هر مقدار فشار اضافه‌تر باعث مي‌شود كه در سنگ مخزن شكستگي‌ها و شكاف‌هايي ايجاد شود. گستردگي اين شكاف‌ها با توجه به ميزان فشاري كه بر سيالات است كه در اثر تزريق سيال مي‌باشد، قابل كنترل است.

وقتي كه فرآيند انجام شد و جريان معكوسي به خاطر توليد سيال در چاه برقرار شد، فشار به صورت تدريجي تا فشار مخزن كاهش مي‌يابد. هنگامي كه اين امر صورت مي‌پذيرد، نيرويي كه تمايل به نگه داشتن سنگ‌ها در كنار هم دارد، دوباره نيروي غالب شده و شكاف‌ها بسته خواهند شد. براي جلوگيري از اين حالت، بايد يك‌سري مواد جامد در داخل شكاف‌ها قرار داده بشوند كه بتوانند شكاف را باز نگه دارند. اين مواد، مواد پر كننده ( Propping agent) ناميده مي‌شوند. به خاطر اين‌كه نفوذ پذيري اين مواد بسيار بالاتر از نفوذ پذيري سنگ مخزن مي‌باشد لذا توانايي شكاف‌هاي پر شده در هدايت سيال به درون چاه باعث افزايش توليد مي‌شود. در حقيقت ايجاد شكاف عملياتي است بسيار مفيد جهت توليد كه در بسياري از چاه‌ها و ميدان‌ها قابل اجرا مي‌باشد كه اگر استفاده نشود اين چاه‌ها و ميادين قابليت توليد اقتصادي نخواهند داشت.

 

◄   سازند‌هاي سازگار با شكاف هيدروليكي:
سازندهايي كه عمليات شكاف مصنوعي در آنها قابل اجرا مي‌باشند تقريبا همه‌ي سازندها هستند به غير از آن‌هايي كه سازندهاي بسيار نرم مي‌باشند. مثلا عمليات شكاف به طور موفقيت‌آميزي تاكنون در سازندهاي ماسه‌اي، limestone ، دولوميتي، كنگومراها و حتي شيل‌هاي سخت و شكننده و... انجام پذيرفته است ولي در سازندهاي با طبيعت پلاستيكي شيل‌هاي نرم و رس‌ها انجام نپذيرفته است و ايجاد شكاف در آن‌ها بسيار سخت مي‌باشد.

 

◄   انواع سيالات شكاف:
سيالات شكاف (Hydraulic Fracturing Fluids)به طور كلي به 3 دسته‌ي وسيع تقسيم مي‌شوند:
1) پايه آبي
2) پايه روغني
3) پايه مخلوط (mixed based)

 

اين طبقه‌بندي بر اساس تركيب اصلي سيال شكاف انجام شده است. البته ( پايه آبي aqueous based) فاز اصلي آن يا آب است و يا اسيد و پايه‌ي مخلوط فاز اصلي‌اش امولسيون (مخلوط معلق) است.

 

◄   مواد پر كننده شكاف:
مواد پر كننده نيز ( پروپن ) همانگونه كه گفته شد نقش به سزايي در شكاف هيدورليكي دارند. ميزان پروپن مورد نياز، حالتي كه اين مواد در داخل شكاف‌ها قرار مي‌گيرند و مشخصات اين مواد، 3 عامل بسيار مهم هستند كه در شاخص توليد از چاه نقش حياتي را ايفا مي‌كنند. 6مشخصه‌ي مهم اين مواد پركننده كه بر نتيجه‌ي عمليات تاثير به سزايي دارند به قرار زيرند:
1) استحكام ذرات
2) سايز ذرات
3) توزيع سايز ذرات
4) فاكتور گردي ذرات
5) كيفيت ماده پر كننده ( ميزان ذرات سالم و ناخالصي‌ها)
6) دانسيته‌ي پروپن

 

◄   فن آوري ايجاد شكاف:
ايجاد شكاف مصنوعي بسيار سريع در اكثر نقاط گسترش يافت؛ علت اين امر به خاطر ميزان موفقيت نسبي اين پروژه و توليد بيشتر نفت و گاز بود و سپس در طي چندين سال، هزاران چاه در سال با اين فن‌آوري به توليد پرداختند. امروزه استفاده از اين فناوري به گونه‌اي است كه چندين هزار گالن از سيال و بيشتر از يك ميليون پوند از پروپن ( Propping agent) تزريق مي‌گردد. البته سرعت تزريق در بعضي مواقع حتي تا 300 بشكه در دقيقه هم رسيده است. به طور متوسط سرعت تزريق بين 20 تا 60 بشكه در دقيقه مي‌باشد. مواد استفاده شده، وسايل مورد نياز جهت ايجاد شكاف و تكنيك استفاده از اين روش بسيار پيچيده مي‌باشد كه در (شكل 1) نشان داده شده است.