جریانهای پرفشار کم عمق، مخاطره زمین‌شناسی در حفاری‌های خزر

اکتشاف ذخایر هیدروکربوری در آبهای عمیق همواره با مخاطرات خاص و منحصر به فرد همراه است؛ در صورتی که تیم اکتشافی، مهارت، تجربه و آمادگی لازم را در زمینه مواجهه با آنها کسب نکند، منجر به توقف حفاری اکتشافی، تحمیل هزینه‌های اضافی و در مواردی بی ‌نتیجه ماندن فرآیند اکتشاف می‌شود.

چکیده:
اکتشاف ذخایر هیدروکربوری در آبهای عمیق همواره با مخاطره ها خاص و منحصر به فرد خود همراه است؛ بطوری که اگر تیم اکتشافی، مهارت، تجربه و آمادگی لازم را در زمینه مواجهه با آنها کسب نکند، منجر به توقف در حفاری اکتشافی، تحمیل هزینه‌های اضافی و در مواردی بی ‌نتیجه ماندن فرآیند اکتشاف می‌شود. یکی از مهمترین و شایع‌ترین این مخاطره ها، جریانهای پرفشار کم عمق (Shallow Water Flow) است که وقوع آن در حین حفاری اکتشافی در نقاط متعددی از جهان گزارش شده و در مواردی سبب بروز خسارتهای مالی جبران ناپذیر شده اند.

وقوع این پدیده در حین حفاری اکتشافی بخش ‌عمیق دریای خزر (آبهای ایران) نیز به دفعات مشاهده و ثبت و حتی در چند مورد سبب توقف حفاری و متروکه شدن حفره راهنما (Pilot Hole) شده است. به عبارتی ساده ‌تر یکی از چالشهای مهم و اساسی در اکتشاف  و تولید ذخایر هیدروکربوری دریای خزر وقوع این پدیده است؛ بنابراین ضرورت دارد در ایران به عنوان کشور صاحب فناوری در عرصه اکتشاف ذخایر هیدروکربوری آبهای عمیق، مطالعه ای جامع برای شناخت کامل این معضل و بکارگیری راهکارهای لازم برای مقابله با آن انجام شود. در این مقاله که با هدف آشنایی بیشتر خوانندگان با این پدیده و معضلات پیش‌روی آن در اکتشاف ذخایر هیدروکربوری قسمت‌های عمیق دریای خزر نگاشته شده است، به نگاهی اجمالی درباره چگونگی، عوامل وقوع و ارتباط آن با سه پدیده هیدرات گازی، گلفشانهای زیر دریایی و  فشار غیر‌عادی سازندی پرداخته شده است. در این تحقیق مشخص شد ارتباط مستقیمی بین جریان دریایی پرفشار کم عمق و سه فاکتور مذکور وجود دارد.
 
واژگان کلیدی:

جریان پرفشار کم عمق- هیدرات گازی- گلفشان زیردریایی-  فشار غیر‌عادی سازندی- مخاطرات زمین شناسی آب عمیق.
 
مقدمه: 

جریان پرفشار کم عمق (SWF) به جریانهای آبی موجود در لایه ‌های تحت فشار زیر بستر دریا اطلاق می‌ شود که در طی عملیات حفاری، پس از برخورد مته به زون سیال، بصورت ناگهانی در یک بازه زمانی با تولید و جریان یافتن مقدار زیادی آب در طول مسیر حفاری، به وقوع می ‌پیوندد. معمولاً این جریانها در حفاری اکتشافی تا اعماق حدود 500 متر از کف بستر ایجاد می‌ شود؛ اما از آنجا که زون حاوی آن ارتباط نزدیکی با بستر دریا دارد، بنابراین برتی معرفی آن از واژه “Shallow” به معنای کم عمق استفاده می کنند. (شایان ذکر این که به دلیل فوران آب نمک در بخش 4 سازند گچساران در جنوب وجنوب غرب ایران، و به دلیل شبیه‌سازی، اشتباهی این پدیده را  Salt water flow می‌نامند). لازم به ذکر است در موارد حاد، وقوع این پدیده، خسارت سنگینی به تاسیسات حفاری وارد می کند و سبب توقف عملیات، تحمیل هزینه ‌های اضافه و متروکه شدن چاه می ‌شود. معمولاً وقوع این جریان با تخلیه نهشته ‌های رسوبی زون سیال همراه است و از آنجایی که بیشتر، لایه‌ های ماسه ‌ای، مستعد وجود چنین جریانی هستند، بنابراین در اکثر موارد خروج آب به همراه ذرات فراوان سندستون و سیلتستون در زمان وقوع آن گزارش شده است که اصطلاحآً به آن جریان ماسه ‌ای (Sand Flow) نیز می‌گویند.

از نکات قابل توجه در زمینه پدیده مذکور می ‌توان به این موضوع اشاره کرد که معمولاً در بیشتر موارد زمان وقوع آن پس از عبور مته حفاری از زون سیال است و در لحظه رسیدن مته به زون مورد نظر جریانی حادث نمی ‌شود. به همین جهت پیش‌ بینی زمان وقوع آن به راحتی میسر نیست و این عامل نیز به نوبه خود بر پیچیدگی ‌های مقابله با این مخاطره زمین ‌شناسی افزوده است. جریانهای پرفشار کم عمق در نقاط مختلفی از جهان گزارش شده ‌اند که از آن جمله می ‌توان به خلیج مکزیک (با 74 حلقه چاه دریایی که تنها 34 درصد آنها با مشکلات مرتبط با این پدیده مواجه نشده ‌اند)، غرب آفریقا، غرب اسکاتلند، آبهای جنوب شرقی آسیا، دریای نروژ، دریای شمال وحوضه خزر اشاره کرد که در خلیج مکزیک به میزان تقریبی 2 میلیون دلار هزینه اضافه در هر چاه برای مقابله با خطر حاصل از وقوع این پدیده در نظر گرفته می شود.

1- هیدرات گازی:

به بلورهای متشکل از مولکول‌های آب و گاز اطلاق می شود که در آن به ازای هر مولکول گاز، بیش از پنج مولکول آب موجود و در طبیعت به سه شکل ساختمانی مشاهده می ‌شوند:

ساختار I : بصورت مکعبی شکل با شعاع ساختمانی 12 آنگستروم که به ازای هر 46 مولکول آب موجود دو سر آزاد برای پیوند با مولکول گاز وجود دارد.
ساختار  II: بصورت مکعبی شکل با شعاع ساختمانی 17.3 آنگستروم که به ازای هر 136 ملکول آب موجود فقط یک سر آزاد برای پیوند با مولکول گاز وجود دارد.
ساختار  H: بشکل هشت وجهی (هگزاگونال) با شعاع ساختمانی10.17 آنگستروم که به ازای هر 34 ملکول آب موجود دو سر آزاد برای پیوند با مولکول گاز وجود دارد.

هیدرات گازی در شرایط فشار زیاد و درجه حرارت پایین تشکیل می ‌شود و در صورتی که هر یک از این شرایط برقرار نباشد، مولکولهای آب و گاز جدای از یکدیگر خواهند بود و بلور هیدرات گازی تشکیل نخواهد شد.

با توجه به موارد فوق در رسوبات نزدیک به بستر دریاهای ژرف که در آن میزان فشار زیاد و درجه حرارت پایین است، به شرط بالا بودن میزان تخلخل و تراوایی نهشته‌ های زون سیال، شرایط لازم برای تشکیل هیدرات گازی آماده است. این شرایط بیشتر برای رسوبات ماسه‌ای نزدیک به بستر آبهای مناطق عمیق قابل مشاهده است. بر اساس بررسی‌های انجام شده روی هیدرات گازی مشخص شد در ساختمان بلورین آنها میزان قابل توجهی آب شیرین به دام افتاده است و اگر این ساختار تجزیه شود، حجم زیادی مولکول آزاد آب نشات گرفته از آبهای شیرین تولید می‌شود. این مطلب با شرایط تشکیل رسوبات یک حوضه رسوبگذاری که آبهای هم منشاء آن دارای میزان نمک برابر یا بیشتر از آب دریاست در تناقض است. برای تفسیر این پیچیدگی دو پیش فرض مطرح است:

الف) رسوبات رودخانه‌ ای تحت تاثیر جریانهای سریع به صورت توده ‌ای حمل شده و در این میان آبهای شیرین را در داخل خود به دام انداخته و آنها را به محیط دریایی حمل کرده اند.
ب) مجموعه آبهای شیرین سفره‌ های آب زیرزمینی از بخش ساحلی و خشکی تا بخش دریایی گسترش یافته ‌اند که البته این پیش فرض مورد قبول عموم کارشناسان نفتی قرار نگرفته است.

برای تجزیه هیدرات گازی، باید ساختمان بلورین آن در معرض تغییرات محیطی از جمله افزایش حرارت، کاهش فشار یا هر دو عامل قرار گیرد. از این رو دلایل وقوع جریان‌های پرفشار کم عمق مرتبط با تجزیه هیدرات‌های گازی را می‌توان بصورت افزایش حرارت یا کاهش فشار در زون هیدراتی به دلیل حفر چاه تفسیر کرد؛ زیرا در طول زمان حفاری چرخه گرم گل حفاری، دمای سازند در زون هیدراتی را بالا برده و سبب تجزیه آن می‌ شود. در برخی موارد مدت زمان لازم جهت فرآیندهای مذکور که سبب بالا رفتن درجه حرارت سازند تا نقطه تجزیه هیدرات می‌ شود، افزایش می ‌یابد. این مطلب گویای این واقعیت است که چرا تا موقعی که مته حفاری از زون جریانی عبور نکند، وقوع "SWF" آغاز نمی شود.

2- گل‌فشان:‌
 
پدیده گلفشان به بیرون آمدن گل شل و آبکی به همراه مواد و گازهای هیدروکربن دار از مناطق کم ژرفا به سطح گفته می شود. گلفشان ها اکثرا بر اثر در آمیختن فشارهای زمین ساختی، فرونشینی سریع رسوبات و فرورانش پوسته قاره ای به زیر پوسته اقیانوسی رخ می دهد.

خاستگاه پدیده گلفشان با مناطق فرورانش حوزه‌های نفتی حاشیه و سواحل دریاها و اقیانوس‌ها و گسل‌ها ارتباط تنگاتنگ دارد و معمولا در سازندهایی به وجود می ‌آیند که به دوران مزوزوئیک و سنوزوئیک (کرتاسه - پالئوسن) تعلق دارند و مواد آنها عمدتاً دانه ‌ریز در حد رس و سیلت همراه با گازهایی نظیر متان و مشتقات هیدروکربور و انیدرید کربنیک است. کانون گلفشانها در اعماق بر اثر تحت فشار قرار گرفتن رسوبات دانه‌ ریز بوجود می ‌آید. گل بوجود آمده در اعماق به کمک گازهای فرار تشکیل شده تمایل دارند به سمت سطح زمین حرکت کنند و در حین جریان، ضمن فشار وارد کردن به سنگ‌های اطراف مسیر خود، مقداری از آنها را خرد می‌کند. در این حالت کانون گلفشان شبیه بمب عمل می‌کند. مایع و گازهای گلفشان به دلیل حرارت زیادشان احتمالاً به اعماق 500 متر و بیشتر تعلق دارند و تا به سطح زمین برسند از درجه حرارتشان کاسته شده و به حدود 10تا 25 درجه سانتی گراد می‌ رسند.

بیش از 50 درصد از گلفشانهای جهان در حوضه خزر واطراف شهر باکو در کشور آذربایجان واقع شده است؛ ایران نیز دارای تعداد زیادی گلفشان بوده که اکثر آنها در استان گلستان قرار دارد (گلفشانهای نفتلیچه وگارنی آریخ تپه) و برخی از آنها نیز درمنطقه عمیق  دریای خزر وجود دارند.

گلفشان‌های مذکور با منطقه سوبسیدانس و حوزه نفتی دریای خزر ارتباط دارد. این گلفشان‌ها حالت دیاپیری داشته و مرتبط با گسلهاست و ضمن بالا آمدن از بین درزه‌ ها و شکاف‌ها، به دیواره آنها فشار فوق‌ العاده وارد می ‌کنند و به این ترتیب مایع اشباع شده از گاز بصورت قطراتی روی سطوح ظاهر می ‌شوند. با پایین افتادن فشار، مایع تحت فشار روی سطوح رسوبات به طرف تاج دیاپیر هدایت می ‌شوند. این فرآیند بطور پیوسته در طول فعالیت در درزه‌ ها و شکاف‌ها ادامه دارد و مقدار گاز تزریق شده در یک فوران به صدها میلیون مترمکعب می ‌رسد. هرچند که وجود گلفشان می‌ تواند نشانه‌ای از وجود مواد هیدروکربوری باشد، ولی نقطه منفی جهت حفاری‌های اکتشافی محسوب می ‌شود زیرا سبب جریان یافتن ذرات دانه ‌ریز به سمت سطوح فوقانی شده و سبب افزایش ریسک حفاری به همراه افزایش هزینه‌ های ناشی از خسارات احتمالی می شود.

3- فشار غیر‌عادی سازندی:

فشار سازندی ارتباط مستقیمی با سرعت فرونشینی کف بستر حوضه رسوبی و همچنین نرخ سریع رسوبگذاری ذرات در آن دارد. در صورتی که کف حوضه رسوبی بر اثر عوامل تکتونیکی فرونشینی مداومی داشته باشد و نرخ رسوبگذاری در چنین حوضه‌ ای سریع باشد، سبب می‌ شود در برهه زمانی کوتاهی ضخامت زیادی از رسوبات تشکیل شود. در این حالت افزایش وزن طبقات فوقانی به طبقات زیرین سبب افزایش فشار سازندی می‌ شود که این خود عامل خطرناکی در حفاری‌ اکتشافی محسوب می‌ شود. در دریای خزر نیز نرخ فرونشینی کف حوضه رسوبی زیاد و میزان نهشته شدن ذرات رسوبی بالاست؛ به همین جهت این حوضه دارای شرایط منحصر به فرد خود است.

4- بررسی علل وقوع جریان پرفشار کم عمق در موقعیت چاه اکتشافی سردار جنگل 1

وجود جریان همراه با ماسه (Sand Flow) از عمق 850 متر به پایین، در محل چاه اکتشافی مذکور گزارش شده است. لازم به توضیح است که شدت جریان، ارتباط مستقیم با عمق حفاری داشته و با افزایش عمق، بر میزان شدت نیز افزوده می‌ شود.

 
 5- نتیجه گیری: 

با توجه به اینکه وقوع پدیده جریان پر فشار کم عمق سبب تحمیل هزینه‌ های فراوان در حین عملیات حفاری می ‌شود و همچنین در نظر گرفتن این نکته که وقوع آن در چندین مورد حفاری‌های اکتشافی خزر سبب متروکه شدن حفرات راهنما (Pilot Hole) شده است، شناخت عوامل موثر بر آن جهت بررسی راهکار مناسب برای مقابله با این پدیده ضروری به نظر می‌رسد. 

در صورتی که عامل اصلی این پدیده هیدرات گازی در نظر گرفته شود، جهت مهار جریان باید دو عامل فشار و حرارت را کنترل کرد. از آنجا که ساختار هیدرات گازی بر اثر افزایش حرارت و کاهش فشار شکسته و تجزیه می‌شود، تناوب چرخه گرم گل حفاری پس از برخورد به زون هیدراتی باعث گرمای آن و در نتیجه تجزیه می‌ شود که با وقوع جریان همراه است. در این حالت تاخیر در حین حفاری به همراه کاهش سرعت حفاری و همچنین افزایش وزن گل کمک شایانی به مهار پدیده مذکور می کند. زیرا در مورد اول می‌توان دما را کنترل و در مورد دوم با مهار فشار از این زون عبور کرد. در صورتی که عامل اصلی این پدیده گلفشان در نظر گرفته شود، حفاری در مناطق با نبود این ساختار و گسله کمتر، می‌تواند حفاری اکتشافی موفقی را تضمین کند و در صورتی که عامل اصلی فشار سازندی باشد با تجدید نظر در زمان گذاشتن پوشش جداری در لایه ‌های پرخطر، می‌توان تا حدودی تاثیر این جریان را کمتر کرد و ریسک حفاری را کاهش داد.

لذا جهت دست‌یابی به این مهم باید مطالعات جامعی در خصوص جریان‌های ماسه ‌ای انجام داد که اهم بررسی‌ها شامل مطالعه ترکیب آب همراه این جریانها، مشخصات بافتی و کانی‌ شناسی رسوبات موجود در آنها، عناصر اصلی، فرعی و ردیاب موجود در این جریانها و مشخصات بافتی و کانی شناختی کانی‌های رسی موجود در آنها و نیز بازسازی شرایط محیطی (با تکیه بر توپوگرافی) بستر خواهد بود.

منابع:
[1]‍‌‌‌‌‍‌‍ موسوی روح بخش، م.،(1380)، چینه شناسی و زمین شناسی نفت دریای خزر، سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
[2] خاموشی، ع.،(1390)، زمین شناسی نفت حوضه خزر جنوبی، انتشارات سارگل

[3] Simon,A.,Stewart,J.,Richard,J.,2006,Structure and Emplacement of Mud Volcano System in The South Caspian Basin.AAPG Bulletin,V.90,No.5,P 711-786
[4] Amini,A.Moussavi Harami,R.,Lahijani,H.,Mahboubi,A.,2012,Holocene Sedimentation Rate in Gorgan Bay and Adjacent Coasts in Sotheast of Caspian Sea.Journal of Basic and Applied Scientific Research,V.2,P 289-297
[5] Diaconescu,C.,Knapp,J.,2002,Gas Hydrates of the South Caspian Sea,Azerbaijan:Drilling Hazards and Sea Floor Destabilizers.Offshore Technology Conference Held in Houston,Texas U.S.A.,6-9 May 2002
[6] Bob,A.,Harry,H.,2006,Gas Hydrate-A Source of Shallow Water Flow?.The Leading Edge,P 634-635
[7] Eaton,L.E.,1999,Drilling Through Deep Water Shallow Water-Flow Zones at URSA.IADC Drilling Conference,Amesterdam,Paper SPE 52780
[8] Bollavaram,P.,Sloan,J.R.,2001,Pipeline Hydrate Dissociation:Effects of Crystal Structure,Colorado School of Mines,Golden Co. 80401
[9] Sloan, E.D, Max, D.,1998, What are Gas Hydrates?. Geological Society of London Special, Publication 137
[10] Feyzullayev,A.,Chingiz,S.,2010, Gas Hydrates in the Southern Caspian Sea,Petroleum Geology and Geochemistry.Geology Institute of Academy of Sciences,V.1,P 20-30
[11] Khokhar,A.A.,Sloan,E.D.,Gudmundsson,J.S.,Natural Gas Storage Properties of Structure H Hydrate,1Now with C-FER Technologies Inc.,Edmonton

حسین مهاجر سلطانی/ سید رمضان بحرینی        
 کارشناسان شرکت نفت خزر

 

کد خبر 223031

برچسب‌ها

نظر شما

شما در حال پاسخ به نظر «» هستید.
0 + 0 =