شکست هیدرولیکی در چاه های نفت و گاز طراحی شده

اولین کاربرد شکست هیدرولیکی به منظور بهره برداری از چاه های نفت و گاز در ایالات متحده به بیش از 60 سال پیش باز می گردد. شرکت سیمانکاری چاهای نفت "هالیبرتون" در سال 1949 این اختراع را به نام خود به ثبت رسانید. روش شکست هیدرولیکی شروع به آغاز افزایش نرخ تولید چاه ها کرد و این روش کار به سرعت مورد پیشرفت  قرار گرفت. در حال حاضر هزاران چاه سالانه در اقصی نقاط جهان از این روش استفاده می کنند. اگر روش شکست هیدرولیکی ابداع نمی گردید، بنزین، سوخت گرمایشی، گازطبیعی و سایر محصولات که از نفت مشتق می شوند بسیار گرانقیمت تر می بودند. امروزه شرکت راسا پتروتک در این زمینه خدمات مشاوره و عملیاتی انجام می دهد.

کاربرد موفقیت آمیز شکست هیدرولیکی

در اوایل دهه 1900 میلادی "شرکت مشاورین میچیل انرژی" (Mitchel Energy) استفاده از شکستگی هیدرولیکی برای انگیزش تولید گازطبیعی از چاه های حفرشده در شیل بارنِت در ایالت تگزاس را آغاز نمود. شیل بارنِت حاوی مقادیر عظیمی گاز طبیعی بود اما با این وجود، به دلیل تولید محدود، پیشرفت تجاری کمی به خود می دید.

" میچیل انرژی" پی برد که گاز موجود در شیل بارنِت، درون فضاهای متخلخل بسیار ریز که بهم ارتباط ندارند به دام افتاده است. با اینکه سنگ مزبور دارای فضاهای متخلخل بود اما نفوذپذیری پائینی داشت. معمولاً  چاه های حفر شده در شیل بارنِت آثار گاز (Gas Show) از خود داشتند اما میزان تولید آنان به حد تجاری نبود. این شرکت مشکل فوق را با ایجاد یک شبکه بهم متصل از فضاهای تخلخل بوسیله شکست هیدرولیکی حل نمود و بدینوسیله امکان جریان یافتن گاز به درون چاه را فراهم آورد.

متاسفانه بواسطه فرآیند شکست هیدرولیکی، بسیاری از شکستگی های ایجاد شده به محض خاموش شدن پمپ ها به سرعت بسته می شوند. شیل بارنِت به حدی در عمق قرار دارد که فشار طبقات فوقانی، سبب بسته شدن شکستگی های جدید می شود. این مشکل به واسطه اضافه نمودن ماسه به سیال بکار رفته در فرآیند شکست هیدرولیکی از بین رفت. هنگامیکه سنگ دچار شکستگی می شود، هجمه آب به درون فضاهای تخلخل تازه ایجاد شده، دانه های ماسه را به اعماق واحد سنگی حمل می نماید. وقتی فشار آب کم میشود، دانه های ماسه با حائل شدن بین شکستگی ها، آنها را باز نگه داشته به جریان گاز طبیعی اجازه ورود به درون سوراخ چاه را می دهند.

شرکت میچیل انرژی باردهی چاه های خود در شیل بارنِت را بوسیله حفاری افقی بهبود بخشید. چاه های عمودی در سطح آغاز شده و به صورتی جهت دار به طول هزاران متر درون شیل بارِنت هدایت گردیدند. این امر "منطقه تولید" چاه را چندین برابر نمود. اگر یک واحد سنگی حدوداً 30 متر ضخامت داشت، چاه عمودی حفر شده در آن "منطقه تولیدی" برابر با 30 متر می داشت. اما اگر به صورت افقی چرخانده شده  و 1500 متر درون سازند هدف پیش می رفت طول منطقه تولید آن 50 برابر بیشتر از منطقه تولید یک چاه عمودی می گردید.

این شرکت از شکست هیدرولیکی و حفاری افقی جهت چندین برابر نمودن باردهی چاهای خویش بهره جست. در حقیقت بسیاری از چاه های به شدت موفق آنها اگر چاه هایی عمودی و بدون بهره گیری از شکست هیدرولیکی بودند، چاه هایی ناکام می بودند.

به محض اینکه شرکت های دیگر پی به موفقیت شرکت میچیل انرژی در شیل بارنِت بردند شروع به استفاده از حفاری افقی و شکست هیدرولیکی در سایر شیل های غنی از مواد آلی نمودند. این شیوه به سرعت در شیل هِینزویل (Haynesville) و شیل فِیِتویل (Fayetteville) در لوئیزیانا، تگزاس و آرکانزاس سپس در شیل مارسِلوس در حوضه آپالاشین منتج به موفقیت گردید. شیوه حفاری افقی و شکست هیدرولیکی در بسیاری از شیل های دیگر مثمر ثمر بود و در حال حاضر نیز در بسیاری بخش های جهان در حال بکارگیری در شیل های غنی از مواد ارگانیک است تا آنها را قابل بهره برداری نماید. گروه حرفه ای مهندسین راسا پتروتک امروزه در ایران اقدامات مشابهی را پیاده سازی می کنند.

شکست هیدرولیکی همچنین تولید مایعات گاز طبیعی (natural gas liquids: هیدروکربن های همراه) و نفت را از بسیاری چاه ها ممکن گردانیده است. واحدهای سنگی مانند شیل باکِن در داکوتای شمالی و شیل نایوبِرارا (Niobrara) در کلرادو، کانزاس، نیبراسکا و وایومینگ امروزه قادر به تولید مقدار بسیار زیادی نفت می باشند.

تفنگ مشبک کاری جداره (perforating gun) نو و مصرف شده در حفاری نفت و گاز و شکست هیدرولیکی. در لوله پائینی سوراخ هایی دیده می شوند که بوسیله خرج های انفجاری جاسازی شده درون آن ایجاد شده اند. (تصویر از سازمان زمین شناسی ایالات متحده)

سیالات شکست هیدرولیکی

در فرآیند شکست هیدرولیکی، آب به عنوان سیال پیش برنده (driving fluid) استفاده می گردد. بسته به خصوصیات چاه و سنگی که مورد شکست قرار می گیرد، چند میلیون گالن (هر گالن برابر با 3.78 لیتر) آب جهت یک فرآیند شکست هیدرولیکی مورد نیاز می باشد.

اینگونه نیست که با پمپاژ آب به درون چاه تمامی طول چاه تحت فشار قرار گیرد بلکه با قرار دادن مجرا بندها، فشار تنها به منطقه مورد نظر اعمال خواهد گردید و این منطقه تمامی فشار پمپاژ را تحمل میکند. در این هنگام فشار آب به طور مداوم زیاد شد و در اثر این فشار، شکستگی ها ایجاد شده و به عمق سنگ نفوذ می کند.  هنگامیکه پمپاژ متوقف شود این شکستگی ها به سرعت و به شدت بسته می شوند و آب بکار رفته جهت باز نمودن آنها به درون سوراخ حفاری عقب رانده شده، به سمت بالا رفته و در سطح جمع آوری می گردد. آبی که به سطح باز می گردد، ترکیبی از آب تزریق شده و آب منفذی است که برای میلیون ها سال در واحد سنگی به دام افتاده بود. این آب منفذی معمولاً یک شورآب محتوی مقادیر قابل ملاحظه ای جامدهای محلول می باشد.

در اغلب موارد به آب بکاررفته در فرآیند شکست هیدرولیکی مواد شیمیایی افزوده می شود. این افزونه ها برای مقاصد متعددی بکار گرفته می شوند. برخی از آنها آب را به صورت ژلی غلیظ در می آورند که جهت ایجاد شکستگی و حمل مواد پروپانت (حائل شونده) به اعماق واحد سنگی بسیار بهتر عمل می نماید. برخی نیز اضافه می گردند تا: اصطکاک را کاهش دهند، آوارهای سنگی را معلق در سیال نگه دارند، از خوردگی تجهیزات ممانعت به عمل آورند، باکتری ها را نابود نمایند، PH را کنترل نمایند و ... 

اغلب شرکت های حفاری علاقه ای به افشای ترکیب سیال های مورد استفاده در شکست هیدرولیکی خود ندارند. با اینکه این شرکت ها معتقدند که این اطلاعات باید به منظور حفظ قدرت رقابت محفوظ بماند اما دستگاه های نظارتی شروع به کسب اطلاعات در خصوص این ترکیبات نموده و برخی از شرکت ها نیز به صورت داوطلبانه اقدام به درمیان نهادن این اطلاعات کرده اند. در شرکت راسا پتروتک، گروهی تحت عنوان گروه مدیریت پروژه و مشاوره وجود دارد که پروژه هایی از این دست را مورد بررسی و مشاوره قرار می دهند.

پروپانت ها یا حائل شونده ها 

در شکست هیدرولیکی، انواع مختلفی از پروپانت ها مورد استفاده قرار می گیرند. این ها ذراتی مقاوم در برابر خردشدگی هستند که به وسیله سیالات بکاررفته در شکستگی هیدرولیکی به درون شکستگی ها رسوخ میکنند. هنگامیکه پمپ ها خاموش شده و شکستگی ها فرو می ریزند این ذرات مقاوم در برابر خرد شدگی با ایجاد فضای تخلخلی که از میان آنها گاز طبیعی می تواند به درون چاه حرکت نماید، شکستگی ها را باز نگه می دارند.

،متداولترین پروپانتی که تا کنون شناخته شده است، ماسه شکسته می باشد که امروزه در صنایع بی شماری مورد استفاده قرار می گیرد. اما در این فرایند مواد دیگری از جمله دانه های آلومینومی، دانه های سرامیکی، بوکسیت تَف جوش شده و سایر مواد نیز مورد مصرف قرار می گیرند. ممکن است برای حفر یک حلقه چاه، بیش از نیم میلیون تن پروپانت مورد استفاده قرار گیرد.

تف جوشی یا سینتر به معنای چسباندن چند ماده به یکدیگر، از طریق ذوب سطحی می باشد. این فرایند به واسطه حرارت یا با فشار و یا بدون فشارصورت می گیرد و در نهایت  این مواد به صورت یک توده جامد در می آیند.

ماسه سیلیسی ریزدانه مخلوط شده با مواد شیمیایی و آب می باشد که قبل از اینکه به درون سازندهای سنگی پمپاژگردد، به وجود می آید. این مواد به منظور ممانعت از بسته شدن شکست های مصنوعی تازه ایجاد شده، مورد استفاده قرار میگیرند. پس از اینکه شکست هیدرولیکی به پایان رسید، مواد به منطقه شکست منتقل می شوند.

نگرانی های زیست محیطی 

در خصوص شکست هیدرولیکی، نگرانی های متعدد زیست محیطی وجود دارند که موارد زیر را در بر می گیرند:

1- شکستگی های ایجاد شده در چاه ممکن است مستقیماً درون واحدهای سنگی کم عمقی به وجود آیند که در تامین آب آشامیدنی نقش ارزنده ای دارد، و یا اینکه شکستگی های ایجاد شده درون چاه ممکن است با شکستگی هایی طبیعی ای امتداد داشته در درون واحدهای سنگی کم عمقی که به عنوان منابع تامین آب آشامیدنی استفاده می شود، در ارتباط قرار گیرد.

2- لوله جداری چاه نیز ممکن است دچار آسیب شده و به سیالات اجازه فرار به درون واحدهای سنگی کم عمقی را بدهد که به عنوان منبع تامین آب آشامیدنی استفاده می شوند.

3- سرریز شدن های تصادفی سیالات شکست هیدرولیکی یا سیالاتی که با فشار خارج می شوند، ممکن است به درون آب های زیرزمینی نشت پیدا کرده و آلودگی آب های سطحی را در پی داشته باشد.

 مزایای تولیدی

شکست هیدرولیکی می تواند به نحو چشمگیری منجر به افزایش باردهی یک چاه شود. این فرآیند با حفاری افقی ادغام میشود و در نتیجه آن اغلب سازندهای سنگیِ غیرقابل استفاده مبدل به میدان های گاز طبیعی پربازدهی می گردند. این روش به مقدار زیادی سبب افزایش بازدهی میادین گازی شیل بارنِت، شیل فِیِتوِیل و شیل مارسلوس گردید. این ادغام همچنین می تواند منجر به آزاد شدن نفت از واحدهای سنگی متراکم شود، همانگونه که در شیل باکِن و شیل نایوبِرارا (Niobrara) همین عمل را اجرا کرد.

فرآیند شکست هیدرولیکی و مواد شیمیایی بکارگرفته شده با آنها نگرانی های وسیعی را برای هواداران محیط زیست ایجا کرده است و برای رفع این نگرانی، ایجاد یک سری قوانین زیست محیطی ای لازم است که براساس آنها، این فنون برای حفاظت از منابع آب موجود و انسان هایی که در نزدیکی محل های حفاری زندگی می کنند بهینه سازی شده و کمترین آسیب را به بار آورد. شرکت راسا پتروتک امروزه با بهره گیری از جدیدترین علوم در این زمینه، سعی بر این کرده تا بهترین تجهیزات که همراستا با حفظ امنیت محیط زیست می باشند را فراهم کند. تیم تدارکات راسا پتروتک آماده ارائه بهترین تدارکات به مشتریان صنعت نفت می باشد.