دانلود رایگان ترجمه مقاله اثر حرارتی بر ثبات چاه در طول عملیات حفاری به صورت افقی (ساینس دایرکت – الزویر ۲۰۱۵)

اثر حرارتی بر ثبات چاه در طول عملیات حفاری به صورت افقی و طولانی مدت

Thermal effect on wellbore stability during drilling operation with long horizontal section

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F2129

در بخش افقی حفاری ، محور چاه موازی با جهت افقی است. انتقال حرارت در هر دو حالت محوری و شعاعی باید در نظر گرفته شود. فورویی و همکاران یک مدل جریان ورودی به مخزن را برای یک چاه افقی مورد بررسی قرار داد و فشار و دما در مخزن را به صورت جریان شعاعی یک بعدی در نزدیکی چاه، و یک جریان خطی یک بعدی دورتر از دیواره چاه تقریب زدند که در شکل۲ نشان داده شده است.آنها تخمین زدند که فاصله از چاه که در آن جریان خطی به صورت شعاعی  است به صورت     /۲ H درنظر گرفته می شود و H  در شکل نشان داده شده است.

هنگامی که هیچ سیالی در بخش شکل گیری جریان ندارد (منطقه خطی ساده وجود دارد)، تنها انتقال حرارت در نظر گرفته شده است، معادله تعادل انرژی به صورت زیر می شود:

۲-۲ صحت مدل

یک چاه عمیق افقی (با عمق ۶۱۸۰ متر) در میدان نفتی تاریم، با یک بخش افقی بلند (۶۷۸ متر) برای حفاری انتخاب شد. از یک لوله مته با قطر ۸۸٫۹ میلی متر در یک سوراخ به قطر ۱۵۲٫۴ میلی متر استفاده شد،که دما در پایین بخش افقی بسیار بالا و در حدود ۱۵۰ درجه سانتیگراد می باشد.سیال بر پایه روغن برای ثبات گمانه مورد استفاده قرار گرفت.سرعت نفوذ از ۰٫۷۱ تا ۳٫۷۶ متر بر ساعت متفاوت است، که به طور میانگین نرخ نفوذ ۱٫۶ متر بر ساعت در نظر گرفته می شود. خواص فیزیکی مواد در سیستم حفاری در جدول ۱ نشان داده شده است.

 MWD (وسیله اندازه گیری در حفاری) برای تشخیص دمای بخش حلقوی در دیواره های چاه مورد استفاده قرار گرفت.درجه حرارت اندازه گیری شده در دستگاه های پایین چاه ذخیره شد. این دستگاه قادر است به طور مداوم دمای چاه در بخش حلقه را در طول گردش ضبط کند.

شکل ۳ دما را در اعماق مختلف در طول عملیات حفاری پیش بینی کرده و اندازه گیری می کند.زمان صفر در نقطه شروع  (آغاز بخش افقی) تنظیم شد. درجه حرارت استاتیکی به عنوان درجه حرارت شروع در شروع شبیه سازی مورد استفاده قرار گرفت. این شرایط مطلوب نیست، اما پس از۸  ساعت شبیه سازی، دیده شد که نتایج به میزان قابل توجهی وابسته به شرایط اولیه نیست. دمای محاسبه شده نزدیک به مقادیر اندازه گیری شده است، و درجه حرارت سوراخ پایین به تدریج با افزایش عمق اندازه گیری شده افزایش می یابد.

۲ عوامل موثر برروی دیواره های افقی دمای چاه

برای دیواره های عمودی، تغییر درجه حرارت چاه به طور عمده به انتقال حرارت سیال بین بخش شکل گیری و چاه وابسته است زیرا ،دمای شکل گیری تا حد زیادی در جهت عمودی متفاوت است. در مقایسه با تغییر حرارت ناشی از گرادیان زمین گرمایی، اثر حرارتی جزئی مانند گرمای ناشی از اتلاف گرانروی در حفاری را می توان نادیده گرفت. با این حال، برای چاه های افقی، گرادیان دما، به ندرت در بخش افقی تغییر میکند. هنگامی که حرارت کافی بین بخش افقی چاه و بخش شکل گیری وجود داشته باشد، هر اثر حرارتی می تواند تاثیر قابل توجهی بر تغییر درجه حرارت چاه داشته باشد.

شکل۴ توزیع شار حرارتی مربوط به همرفت اجباری، انرژی هیدرولیکی و انرژی مکانیکی منابع را برای واحد های مختلف در بخش های مختلف چاه در حفاری چاه افقی نشان می دهد. نسبت توزیع انتقال حرارت و منبع انرژی برای بخش عمودی و بخش منحنی و بخش افقی و بخش مته محاسبه شد. از شکل ۴ می توان دریافت که با افزایش عمق، حرارت منتقل شده ناشی از همرفت اجباری کاهش می یابد،زیرا بخش افقی در تماس کامل با بخش شکل گیری است، که منجر به تغییرات کوچکی در درجه حرارت سیال در جهت محوری می گردد.با این حال، حرارت تولید شده توسط انرژی های هیدرولیکی و انرژی های مکانیکی به تدریج با عمق افزایش می یابد و یک افزایش قابل توجهی را در نزدیکی مته نشان می دهد. انتقال حرارت بین بخش شکل گیری و بخش افقی چاه، و منابع مکانیکی و حرارتی خود از دلایل اصلی برای درجه حرارت  متفاوت در چاه های افقی نسبت به چاه های عمودی می باشد.

خواص فیزیکی مواد و هندسه چاه به عنوان پایه ای برای آنالیزهای حساس می باشد. تفاوت عمده بین دمای چاه های افقی و چاه های عمودی در این است که بخش افقی چاه حرارت مورد نیاز را به بخش شکل گیری منتقل می کند. طول بخش افقی نشان دهنده ی اندازه ی سطح تماس بین سیال و بخش شکل گیری می باشد که در شکل ۵ نشان داده شده است.دمای سوراخ پایینی با افزایش طول بخش افقی افزایش می یابد. هنگامی که این طول به ۷۰۰ متر یا بیشتر برسد، درجه حرارت سوراخ پایینی به بیش از دمای استاتیک میرسد.

شکل۶ اثر توزیع افت فشار در درجه حرارت چاه را نشان می دهد.دمای بخش افقی چاه عمدتا تحت تاثیر افت فشار می باشد، که باعث یک افزایش ۸ درجه سانتیگرادی، بدون در نظر گرفتن افت فشار اصطکاکی، می شود. شکل ۷ اثر گرمای تولید شده توسط گشتاور در بخش حلقوی را نشان می دهد.بدون توجه به منبع گرمایی گشتاور،کاهش ۳ درجه سانتیگرادی در دمای سوراخ پایینی وجود دارد.

سیالات با گرمای ویژه متفاوت به طور کلی رفتار حرارتی متفاوتی را نشان میدهند. شکل ۸ نشان می دهد که اثر سیستم های گل مختلف بر روی دمای گمانه نشان می دهد. ظرفیت گرمایی ویژه گل های برپایه آب حدود دو برابر گل های بر پایه روغنی است. در مقایسه با گل های پایه روغنی، دمای بخش حلقوی گل های پایه آبی حدود  ۲۰ درجه کاهش می یابد و دمای خروجی حدود ۷ درجه سانتیگراد افزایش می یابد.

از یک سو کاهش نرخ پمپ گل ، ضریب انتقال حرارت را بین سیال حفاری شده و بخش شکل گیری کاهش می دهد. از سوی دیگر، افت فشار منبع حرارتی ،درجه حرارت سوراخ پایینی را کاهش می دهد.در نتیجه، رابطه مشخصی میان نرخ پمپ و درجه حرارت سوراخ پایین وجود ندارد و رابطه باید با توجه به شرایط خاص تعیین گردد.

-تنش های حرارتی برروی پاه های افقی

۱-۳ تنش ناشی از تغییرات دمایی در بخش شکل گیری در دیواره افقی

هنگامی که درجه حرارت در نزدیکی چاه تغییر می کند، تنش حرارتی در بخش شکل گیری رخ می دهد.تنش حرارتی تنها زمان گرمایش یا سرمایش رخ می دهد.

وزن بحرانی گل با استفاده از معادلات بالا و پارامترهای ورودی که در جدول ۲ آورده شده است محاسبه میگردد.در این مقاله در مورد این داده های ورودی و  هندسه و خواص فیزیکی مواد در بخش۲٫۲ به تفضیل اورده شده است.

حداقل و حداکثر وزن مورد  نیاز گل برای شکست و فروپاشی به عنوان تابعی از  گمانه در شکل ۱۰ آورده شده است.با افزایش زاویه ی چرخش ،وزن گل برای شکست کاهش می یابد، و وزن گل برای فروپاشی افزایش یافته است و چاه افقی برای شکستگی یا تخریب مناسبتر میگردد.

۳٫۳ اثر حرارتی در چاه افقی

شکل ۱۱ اثر حرارتی بر روی وزن بحرانی برای چاه عمودی و افقی نشان می دهد.ارتباط خطی اثر حرارتی در وزن بحرانی گل برای چاه های افقی به دست آمد.با این حال اثر حرارتی بر روی چاه های افقی حساس تر از چاه های عمودی است. هنگامی که درجه حرارت شکل گیری کاهش می یابد،چاه شکننده تر می گردد. افزایش درجه حرارت شکل گیری سبب افزایش وزن گل شکست شده و فروپاشی شده میگردد.

با شرایط حفاری درست، وزن بحرانی گل از چاه افقی در امتداد بخش افقی با گل های مختلف در شکل۱۲ نشان داده شده است.برای گل برپایه نفت، درجه حرارت در انتهای بخش افقی افزایش می بابد، و باعث می شود وزن بحرانی گل افزایش یابد.