سیمان‌کاری (Cementing) چاه های نفت و گاز

تهیه و پمپاژ سیمان در چاه نفت را سیمان‌کاری چاه نفت (cementing) گویند و عملیات سیمان‌کاری عبارت است از پرکردن فضای حلقوی بین دیواره چاه و جداره لوله جداری با دوغاب مناسب سیمان. عملیات سیمان‌کاری چاه نفت به منظورهای مختلف انجام می­شود:

-برای نشت­ بندی فضای بین لوله جداری یا آستری رانده شده در چاه (casing or liner) و سازند حفاری شده، که به این فضا اصطلاحاً annulus می­گویند.

-برای مسدود نمودن ناحیه­ ای از سازند که در حین حفاری در آن ناحیه، هرزروی گل حفاری اتفاق می­ افتد که به این ناحیه اصطلاحاً lost circulation zone می­گویند.

-برای قرار دادن یک منطقه سخت و محکم که همان پلاگ سیمانی (cement plug) است، جهت منحرف نمودن چاه. بدین معنی که با گذاشتن چند متر دوغاب سیمان در چاه و پس از بستن و سخت شدن آن، با ابزار حفاری انحرافی (directional tools)، چاه در نقطه­ ای مشخص منحرف می­شود. لازم به ذکر است که نقطه‌­ای که قرار است چاه از آنجا منحرف یا کج شود (KOP)، بایستی به اندازه کافی سخت و محکم باشد که انجام این کار با گذاشتن یک پلاگ سیمانی یا گذاشتن یک قطعه فلزی (whip stock) میسر می­گردد.

-برای مسدود نمایی ناحیه ای از مخزن نفت (reservoir) که نیازی به آن نیست و در فرآیند تولید نفت اختلال ایجاد خواهد کرد. هنگامی که حفاری در مخزن نفت بیش از حد ادامه یابد یا تولید از مخزن نفت بیش از حد ادامه پیدا کند، به ناحیه آبی (water zone) خواهیم رسید که چنانچه این ناحیه آبی با سیمان مسدود نشود، نفت تولید شده از چاه حاوی مقدار زیادی آب بوده و مقرون به صرفه نخواهد بود. لذا ساده‌­ترین روش حل این مشکل، مسدود نمایی ناحیه آبی مخزن با سیمان است.

-برای مسدودنمایی و متروکه کردن یک چاه.

در حالت کلی دو نوع سیمان‌کاری وجود دارد که هر کدام اهداف خاصی را برآورده می­سازند:

۱) سیمان‌کاری رشته جداری:

در این نوع سیمان‌کاری، جدا کردن سازند مولد از لایه­‌ها و بستر مجاور، محافظت رشته جداری از خوردگی و پوسیدگی به سبب وجود سیالهای خورنده در بسترهای مجاور، ایجاد آب­ بندی و جلوگیری از نشتی برای کنترل و ایمنی تجهیزات سر چاهی مورد نظر می­باشد.

۲) سیمان‌کاری تحت فشار یا سیمان‌کاری فشاری (Squeeze Cementing) در چاه‌های مشبک (Perforated borehole):

در این نوع سیمانکاری، تزریق سیمان اضافی از بین شبکه­‌های چاه مشبک برای تعمیر سیمان‌کاری اولیه یا استحکام ­دهی آن، پرکردن و یا آب­ بندی لایه تهی شده از نفت و جداسازی بستر از لایه­‌های مجاور برای کاستن از درصد آب یا گاز نفوذی در نفت تولیدی مورد نظر می­باشد.

سیمان:

ترکیب اصلی سیمان‌هایی که در سیمانکاری چاه‌های نفت بکار برده می­شوند، همان سیمان‌های صنعتی است با این تفاوت که از لحاظ ترکیب ساختاری، موادی به آن اضافه می­شود که خاصیت پمپ­‌پذیری دوغاب سیمان افزایش یابد. نوع مواد و میزان مواد تشکیل دهنده سیمانهای صنعت حفاری باید به گونه­‌ای باشد که خواص ذیل را در آنها ایجاد نماید:

ویسکوزیته سیمان و زمان سفت شدن آن به صورتی باشد که بتوان آن را با پمپ در عمق معینی از چاه قرار داد. به محض قرارگیری در چاه باید سریعاً و در کوتاه مدت مقاومت کافی در آن ایجاد شود تا از شکست مکانیکی جلوگیری به عمل آید. از نظر ترکیب شیمیایی، سیالات طبقات مختلف زمین بر روی آن تاثیری نگذارد. چنان قوامی داشته باشد که به مرور زمان تجزیه و فاسد نگردد و کیفیت خود را از دست ندهد. سیمان باید فاقد نفوذپذیری باشد تا سیال طبقات در آن نفوذ نکند.

روش سیمان‌کاری:

 روش سیمانکاری به این ترتیب است که دوغاب سیمان با فشار درون لوله جداری وارد می­شود. دوغاب پس از عبور از درون لوله وارد فضای حلقوی می­شود و تا ارتفاع از پیش تعیین شده بالا می ­آید. مسیری که دوغاب سیمان طی می­کند شبیه مسیر گل حفاری است. یعنی از درون لوله جداری خارج شده و وارد فضای حلقوی می­شود. وقتی فضای حلقوی پر شد، ساکن می­شود و پس از مدتی خشک شده و سخت می­گردد.

قبل از آن که عملیات سیمانکاری آغاز شود، مهندسین سیمان چاه نفت حجم دوغاب سیمانی را که قرار است در چاه پمپ شود، دقیقاً محاسبه کرده و بسته به عمق چاه و هدف سیمان‌کاری، نوع سیمان و ترکیب دوغاب سیمان را مشخص می­نمایند. پس از انجام آزمایشات مشخص با توجه به شرایط چاه (به ویژه دما و فشار) بر روی ترکیب مشخص شده، برنامه سیمان تهیه می­گردد. جهت تهیه و پمپاژ دوغاب سیمان در چاه و انجام عملیات سیمان‌کاری، از مخلوط کن (mixer) و پمپهایی خاص که بر روی ماشین ویژه­ای سوار است، استفاده می­شود. این ماشین pump truck نام دارد.

آزمایش‌های سیمان چاه نفت

سیمانکاری لوله­‌های درون چاهی یکی از اصلی­ترین عملیاتهای انجام شده در طول حفاری یک چاه می­باشد. سیمان عملکرد اساسی در نگهداری لوله­ های جداری و مغزی و تجهیزات سر چاهی دارد. همچنین سیمان یک سد غیر قابل نفوذ در برابر عبور گازها و سیالات سازند ایجاد می­نماید و بدین ترتیب سازندها ایزوله می­شوند. به منظور اطمینان از موفقیت در کلیه عملیاتهای سیمان‌کاری چاههای نفت و گاز، دوغابهای سیمان بر اساس شرایط چاه طراحی و آزمایش می­گردند. آزمایشات زیر بصورت یک روال عادی در آزمایشگاه سیمان صورت می پذیرد.

۱)آزمایش زمان­بندش:

 در این آزمایش افزایش گرانروی دوغاب سیمان با گذشت زمان در شرایط دمای گردشی و فشار ته چاه نمایش داده می­شود. هنگامی که گرانروی به۱۰۰۰۰ سانتی پواز رسید، مدت زمان سپری شده همان زمان بندش دوغاب در نظر گرفته می­شود. از یک دستگاه کانسیستومتر دما بالا- فشار بالا جهت انجام آزمایشات به روش API استفاده می­گردد. هنگامی که سیمان‌کاری در چاهی با دمای پایین انجام می­شود، ممکن است بکارگیری یک افزایه تند کننده به منظور کاهش زمان بندش لازم باشد تا انتظار جهت بندش سیمان به حداقل برسد؛ از طرف دیگر هنگام سیمان‌کاری چاههای دما بالا احتمال استفاده از افزایه کند کننده زیاد است.

۲) آزمایش استحکام تراکمی:

آزمایش استحکام تراکمی، اندازه­‌گیری فشار مورد نیاز جهت خرد کردن یک قالب سیمان با هندسه مشخص تحت تراکم نامحدود و یک محور می­باشد. دوغابهای سیمان در قالبهای برنجی به اندازه دو اینچ مکعب بر اساس روش API و در شرایط دمای ساکن و فشار ته چاه در دستگاه curing chamber سخت می­گردند. مکعب‌های سخت شده سیمانی پس از گذراندن زمان معین، جهت تعیین استحکام با پرس خرد می­گردند. پس از اینکه پمپاژ دوغاب متوقف گردید، لازم است مشخص گردد استحکام تراکمی سیمان به چه میزان و با چه سرعتی شکل می­گیرد. سیمان سخت شده بایستی به اندازه­ای استحکام داشته باشد تا لوله­ های جداری و مغزی را نگه دارد. معمولا استحکام تراکمی به میزان۱۰۰ پام برای نگهداشتن لوله ­های جداری کافی بوده و جهت ادامه حفاری معیار استحکام تراکمی۵۰۰ پام در نظر گرفته می­شود.

دستگاه U.C.A. اولتراسونیک سمنت آنالایزر دستگاهی است که از چهار جزء ساخته شده است که با هم جهت تشکیل سیستم آنالایزر کار می­کنند. این تجهیز می­تواند استحکام تراکمی سیمان را بر اساس زمان و بصورت پیوسته اندازه­ گیری نماید و همچنین مدت زمان انتظار جهت بندش سیمان (WOC) دوغابهای مختلف را بر اساس زمان عبور امواج اولتراسونیک از ستون سیمان می­ سنجد. UCA می­تواند در حداکثر فشار کاری ۲۰۰۰۰پام و حداکثر دمای کاری۴۰۰ درجه فارنهایت عمل کند.

دستگاه پرس در آزمایش استحکام تراکمی، اندازه‌­گیری فشار مورد نیاز جهت خرد کردن یک قالب سیمان با هندسه مشخص تحت تراکم نامحدود و یک محوری می­باشد که توسط دستگاه پرس صورت می­گیرد .

۳)  آزمایش اندازه­‌گیری میزان هرزروی عصاره دوغاب سیمان:

 در آزمایش هرزروی سیال، هرزروی آب یک دوغاب سیمان از خلال یک صافی نفوذپذیر (مش ۳۲۵) در دمای گردشی ته چاه (۴۵۰ درجه فارنهایت) و با حداکثر فشار نسبی۲۰۰۰ پام اندازه­ گیری می­گردد. این آزمایش با استفاده از یک فیلتر پرس فشار بالا- دما بالا بر اساس روش API میزان هرزروی عصاره دوغاب سیمان اندازه­‌گیری و شبیه‌­سازی می­گردد و مایع فیلتر شده در مدت زمان۳۰ دقیقه جمع­ آوری می­شود. سیال می­تواند از دوغاب سیمان بدرون سازند هرز رود. هرزروی آب بطور قابل ملاحظه­‌ای نسبت سیمان به آب دوغاب و در نتیجه گرانروی را تغییر می­ دهد. در شرایط حاد این مساله می­تواند باعث بندش سریع سیمان و غیر قابل پمپاژ کردن آن گردد. در دوغاب‌های سیمان، هرزروی کم سیال سیمان به منظور اطمینان از بندش سیمان و ممانعت از ایجاد آسیب به سازند و نفوذ گاز لازم و ضروری بنظر می­رسد. معمولا هرزروی سیال دوغاب سیمان بایستی در محدوده ۵۰ تا ۱۰۰ میلی لیتر در ۳۰ دقیقه باشد.

۴)  اندازه­‌گیری خواص رئولوژیکی: 

رابطه بین تنش برشی و شدت برش با استفاده از گرانروی سنج FANN 35 که یک گرانروی­‌سنج دورانی است، تعیین می­گردد. با ترسیم رایانه‌­ای تنشهای برشی در شدت‌های برشی متناظر، مدل رئولوژیکی (نیوتونی، بینگهام پلاستیک و یا پاورلا) که کاربرد بیشتری دارند، مشخص می­گردد. هنگامی‌که مدل مشخص گردید پارامترهای مربوطه مثل PV و YP در مدل بینگهام پلاستیک و یا اندیس رفتار جریان و اندیس گرانروی در مدل پاورلا می­توانند محاسبه گردند. به منظور محاسبه رژیم جریان و فشار اصطکاکی از خواص سیال و هندسه لوله استفاده می­شود.

۵) آزمایش آب آزاد:

 زمانیکه دوغاب سیمان در شرایط ایستا باشد، ممکن است بر اثر رسوب ذرات سیمان آب آزاد ایجاد شود. این مساله در چاه‌های کج و افقی بحرانی و مشکل آفرین خواهد بود. آزمایش آب آزاد در یک استوانه مدرج ۲۵۰ میلی­لیتری انجام می­شود. دوغاب سیمان تهیه شده بر اساس استاندارد API در یک گرانروی­سنج تحت دمای استاتیک ته چاه به مدت ۲۰ دقیقه بهم زده و درون یک استوانه ریخته می­شود.

۶)  اندازه­‌گیری چگالی دوغاب:

چگالی دوغاب سیمان توسط یک ترازوی گل تحت فشار تعیین می­گردد. نمونه دوغاب در یک فنجان با حجم ثابت تحت فشار ریخته شده و وزن آن اندازه ­گیری می­شود. با فشرده کردن فنجان نمونه، هوای موجود به حجم ناچیزی فشرده شده و اندازه­گیری چگالی دوغاب با دقت بیشتری صورت می­گیرد. چگالی دوغاب سیمان باید به اندازه‌­ای باشد که فشار یک سازند نفوذپذیر کنترل گردد ولی در عین حال فشار هیدرواستاتیکی ایجاد شده نباید سازندهای ضعیف را بشکافد.

۷) سازگاری گل، جداکننده و دوغاب سیمان: 

سازگاری جداکننده با سیال حفاری و دوغاب سیمان با مقایسه خواص رئولوژیکی گل، جداکننده و دوغاب سیمان با خواص رئولوژیکی مخلوط‌های جداکننده با گل و جداکننده با دوغاب سیمان در نسبتهای مختلف چک می­شود. اثر جدا کننده بر زمان بندش دوغاب سیمان و تراکم استحکامی سیمان سخت شده در نسبت های مختلف جداکننده/دوغاب مشخص می­گردد.

۸) کنترل کیفی سیمان و افزایه:

کلاس های API سیمانهای چاه‌های نفتی به ۹ نوع تقسیم‌­بندی می­گردند. متداول‌ترین کلاس سیمان مصرفی در ایران، سیمان کلاس G می­باشد. آزمایشات کنترل کیفی بصورت متداول بر روی سیمانهای مصرفی انجام می­گردد تا از کسب نیازهای شیمیایی و فیزیکی داده شده در استاندارد API spec 10 اطمینان حاصل گردد. به منظور تضمین کیفیت مناسب افزایه­ های مصرفی در عملیاتهای سیمان‌کاری، آزمایشات کنترل کیفی در یک روال جاری صورت می­گیرد.

۹)  اندازه ­گیری قدرت ژله شدن دوغاب سیمان:

با استفاده از تجهیز آزمایشگاهی SGS می­توان قدرت ژله شدن دوغاب سیمان و همچنین مدت زمان بندش آنرا تعیین کرد. نمونه دوغاب در یک فنجان استاندارد ریخته شده و پس از قرار گرفتن در دستگاه آزمایش می­گردد. محدوده اندازه‌­گیری تجهیز SGS با فرض جریان پلاگ نمونه دوغاب در شدت برشهای بسیار پایین مشخص می­گردد.

۱۰) اندازه­‌گیری خواص رئولوژیکی در دما و فشار بالا

۱۱)  اندازه‌­گیری میزان مهاجرت گاز در دوغاب سیمان:

مهاجرت سیال و گاز از درون دوغاب سیمان یکی از دلایل عمده شکست عملیات سیمان‌کاری بوده و عملیاتهای درمان کننده بسیار پرخرج خواهد بود. آنالایزر مهاجرت گاز (FMA) دوغاب سیمان را از نظر هجوم سیالات سازند (گاز و آب نمک) پس از عملیات سیمان‌کاری شبیه­‌سازی می ­نماید. این آنالایزر کلیه موارد مورد نیاز به منظور شبیه‌­سازی واقعی پارامترهایی مثل دما، فشار هیدرولیکی، فشار سیال سازند و گرادیانهای فشار محرک جریان از خلال ستون سیمان را برآورده می­نماید.