راهنمای جامع طراحی ولتست برای یک چاه (Well Test Design)

قبل از اعزام تجهیزات به لوکیشن چاه و شروع آزمایش، ضروری است که نحوه انجام ولتست را طراحی و مطابق برنامه پیش بروید.

در ادامه می‌خواهم مطالب مهم فصل دوازدهم کتاب Applied Well Test Interpretation را به صورت دسته‌بندی شده خدمت شما ترجمه کنم.

پیشنهاد برای مطالعه: دانلود رایگان مهمترین رفرنس‌های درس چاه‌آزمایی

گام‌های اصلی در طراحی ولتست عبارتند از:

۱) اهداف از انجام ولتست چیست؟ (نمونه‌گیری از سیال مخزن، تعیین تراوایی سازند، فاصله تا مرزها، مقدار هیدروکربن درجا، فشار متوسط مخزن و …)

۲) آیا اطلاعات لازم را می‌توان با هزینه کمتر، مدت زمان کوتاه‌تر و یا حتی با سایر ابزارها بدست آورد؟

۳) جمع‌آوری داده‌های مورد نیاز برای طراحی ولتست

۴) یک تخمین اولیه از خواص مخزن داشته باشید (شما قرار است که این خواص را از ولتست بدست بیاورید اما لازم است که در مرحله طراحی تست یک تخمین اولیه از این مقادیر داشته باشید، مثلا از اطلاعات چاه‌های مجاور کمک بگیرید). این خواص عبارتند از تراوایی سازند، اسکین، اثر ذخیره چاه، فاصله تا مرزها، نفت درجا و …

۵) تست چه مدت زمانی باید به طول بینجامد تا به اهداف تعیین شده برای ولتست دست یابیم؟ مثلا چه مدت طول می‌کشد تا به انتهای WBS برسیم؟ (در دو حالت بست چاه از سطح یا ته چاه)، چه مدت طول می‌کشد تا رژیم جریانی مد نظرمون را ببینیم؟ چه مدت طول می‌کشد تا به شعاع بررسی مورد نظرمان برسیم؟ و …

۶) تست با چه دبی و چه ترتیبی انجام شود؟ (Test rate anf flow rate sequence). دبی باید به اندازه کافی کم باشد تا به نقطه حباب یا نقطه شبنم نرسیم، به اندازه کافی زیاد باشد تا بتواند سیالات را به سطح برساند، به اندازه کافی کم باشد تا جریان بحرانی برقرار باشد و دبی در کل بازه جریانی پایدار باشد و …

۷) تخمین پاسخ فشاری مخزن

۸) تعیین تعداد، نوع و محل قرارگیری مموری گیج‌ها

۹) شبیه‌سازی تست: آیا به نتایج ولتست دست خواهیم یافت؟  

۱) تعیین اهداف ولتست

نمونه‌گیری از سیال: به خصوص اگر در برنامه توسعه میدان، مدلسازی ترکیبی (Compositional modeling) و سیلاب‌زنی امتزاجی (Miscible flooding) گنجانده شده باشد.

تخمین تراوایی سازند: برای تخمین تراوایی افقی ضروری است که به رژیم جریانی شعاعی بی‌نهایت برسیم و در حقیقت باید طول بازه زمانی این رژیم جریانی در حدود یک سوم تا یک دوم لاگ سایکل باشد تا بتوانیم تخمین مناسبی از مقدار تراوایی داشته باشیم. برای تخمین تراوایی عمودی نیاز است که رژیم جریانی کروی در داده‌ها دیده شود و یا اینکه یک تست تداخل (Interference test) انجام بدهیم. تراوایی بدست آمده از داده‌های بازه IARF بر این فرض استوار است که یک مخزن Isotropic داریم. اگر مخزن به صورت Anisotropic باشد، آنگاه تراوایی بدست آمده برابر است با میانگین هندسی تراوایی در صفحه خطوط جریان می‌باشد.

تخمین اسکین: تعیین مقدار آسیب ناحیه اطراف چاه و یا موثر بودن انگیزش چاه. اگر بتوانیم جریان IARF را ببینیم، آنگاه مقدار اسکین را می‌توانیم به صورت کیفی از روی فاصله بین نمودار فشار و مشتق فشار بدست بیاوریم. تخمین دقیق مقدار اسکین با استفاده از داده‌های جریان IARF صورت می‌پذیرد. از نظر تئوری مقدار اسکین می‌تواند از ۸ – (چاه افقی با لگ بلند) تا مقادیر بسیار زیاد (چاهی که شدت آسیب سازند به حدی است که جریان چاه متوقف شده است) باشد. اما مقادیری از اسکین که در واقعیت دیده شده در بازه ۵ – تا ۲۵۰ یا ۵۰۰ قرار می‌گیرد. اگر مقدار اسکین یک چاه کمتر از ۵ – باشد آنگاه دو حالت وجود دارد: ۱) یا با یک سازند کم تراوا مواجه هستیم که مدت زمان رسیدن به جریان شعاعی بی‌نهایت ممکن است بسیار طولانی شود ۲) فاصله چاه تا چاه‌های مجاور به نحوی است که قبل از رسیدن به جریان شعاعی بی‌نهایت، اثر چاه‌های مجاور را خواهیم دید. در چاه‌های با مقدار اسکین بسیار زیاد، افت فشار در گذر سیال از تکمیل چاه بسیار بیشتر از افت فشار در مخزن است. اگر مقدار اسکین بین ۷۰ تا ۸۰ باشد، افت فشار در مخزن ۱۰ درصد افت فشار کل می‌باشد و اگر مقدار اسکین بین ۷۰۰ تا ۸۰۰ باشد، افت فشار در مخزن تنها ۱ درصد افت فشار کل می‌باشد. با افزایش اسکین، مقدار نویز نمودار مشتق فشار افزایش می‌یابد. بنابراین هرچه مقدار اسکین بیشتر باشد، تخمین مقدار تراوایی و اسکین دشوارتر خواهد شد. همیشه در ذهن داشته باشید که اسکین ترکیبی از چند عامل است که باعث ایجاد افت فشار در اطراف چاه می‌شود.

تخمین فاصله تا مرزها: هدف از تعیین فاصله تا مرزها چیست؟ ۱) تأیید اینکه هیچ مرزی در فاصله مشخصی از چاه وجود ندارد ۲) تعیین نوع مرز و فاصله آن از چاه. بسته به اینکه هدف ۱ را دنبال می‌کنیم یا هدف ۲، طراحی ولتست متفاوت خواهد بود. اگر بخواهیم عدم وجود مرز در فاصله re از چاه را تأیید کنیم، باید مدت زمان تست برابر مقدار زیر باشد:

t = (948*phi*mu*ct*re*re) / k

دبی و رزولوشن گیج باید به نحوی انتخاب شود تا نمودار مشتق فشار دقت کافی برای ارزیابی وجود احتمالی مرز در فاصله re را داشته باشد. حال اگر هدف تست تعیین نوع مرز و فاصله آن از چاه باشد، طول تست باید به اندازه کافی طولانی باشد (قانون سرانگشتی: چه مقدار زمان لازم است تا به مرز برسیم؟ حال طول تست ۲۰ برابر این مقدار باشد) تا بتوان به مقدار کافی اثرات مرزی را بر پاسخ فشاری مشاهده کرد. برای این کار باید ببینید که مرز به احتمال زیاد از چه نوعی است؟ حال با نرم‌افزار شبیه‌سازی کنید و مدت زمان واقعی تست را تخمین بزنید.

تخمین دقیق فاصله تا مرز نیازمند داشتن مقدار دقیق تراکم‌پذیری کل است. همانند تخمین تراوایی، در اینجا نیز فرض بر Isotropic بودن مخزن است و در غیر اینصورت، تخمین فاصله تا مرز دقت کافی را نخواهد داشت.

تخمین نفت درجا، ناحیه تخلیه: مهمترین و پرچالش‌ترین هدف ولتست است؛ زیرا تخمین زمان لازم برای رسیدن به رژیم جریانی شبه‌پایدار (PSS) دشوار است. در مخازن کم تراوا، مدت زمان رسیدن به جریان شبه‌پایدار ممکن است یک سال و حتی بیشتر باشد. در چنین مواردی آنالیز RTA مفیدتر از PTA می‌باشد (کلا در مخازن کم تراوا که شکاف هیدرولیکی طولانی نیز دارد روش‌های RTA مناسب‌تر هستند) مدت زمان رسیدن به جریان شبه‌پایدار وابسته به تراوایی، وسکوزیته، تراکم‌پذیری کل، شکل و سایز ناحیه تخلیه و مکان چاه در ناحیه تخلیه است.

با استفاده از نمودار مشتق فشار و در نقطه‌ای که خط راست با شیب ۱ مشاهده شود، به جریان شبه‌پایدار رسیده‌ایم. مهمترین کاربرد تخمین ناحیه تخلیه، شناسایی فرصت‌های حفاری بین‌چاهی (Infill drilling) می‌باشد. اگر ناحیه تخلیه چاه بسیار کوچک‌تر نسبت به well spacing باشد، ممکن است نیاز به حفاری بین‌چاهی باشد. اگر ناحیه تخلیه محاسبه شده بسیار بزرگ‌تر از well spacing باشد، به احتمال زیاد یکی یا هر دو مقدار تراکم‌پذیری نفت و تراکم‌پذیری سازند بسیار کوچک تخمین زده شده‌اند. اگر ناحیه تخلیه محاسبه شده تنها کمی بزرگ‌تر از well spacing باشد، باید به مقدار net pay مشکوک شوید.

فشار اولیه یا فشار متوسط ناحیه تحلیه: اگر بخواهید از روش‌های کلاسیک بر اساس نمودار سمی لاگ استفاده کنید (روش MBH یا Dietz یا Ramey-Cobb) باید طول تست به اندازه کافی طولانی باشد تا بتوان حداقل یک لاگ سایکل از روش جریانی شعاعی بی‌نهایت را مشاهده کرد. هرچقدر دیتای بیشتری در ناحیه IARF داشته باشیم، بهتر است. مقدار فشار متوسط مخزن را از برون‌یابی نمودار سمی لاگ محاسبه می‌کنیم. در روش MBH لازم است که چاه با دبی ثابت تولید کرده باشد (یا در کل بازه تولید و یا به اندازه‌ای که به جریان شبه‌پایدار رسیده باشد)، اما در دو روش دیگر باید به اندازه کافی چاه تولید کرده باشد تا قبل از بستن چاه به جریان شبه‌پایدار رسیده باشیم. اما در نرم‌افزار چگونه مقدار فشار متوسط مخزن را حساب می‌کنیم؟ از فشار اولیه به عنوان پارامتر هیستوری مچینگ استفاده کرده و سپس با استفاده از موازنه مواد، فشار متوسط مخزن در لحظه بستن چاه محاسبه می‌شود؛ دقیقاً مشابه روش MBH با این تفاوت که نیازی به ثابت بودن دبی نیست. همانند روش‌های کلاسیک گفته شده، در نرم‌افزار نیز باید شکل و سایز ناحیه تخلیه و همچنین مکان چاه را داشته باشیم.

پیشنهاد آموزشی: ۱۱ ساعت آموزش درس چاه‌آزمایی

ارزیابی اتصال مخزن: اگر تصمیم داشته باشید که پروژه‌های ازدیاد برداشت و یا حفظ فشار مخزن را پیاده‌سازی کنید، ارزیابی پیوستگی مخزن ضروری است. برای این کار باید از تست پالس یا تست تداخل یا تست چندچاهه استفاده کنید. این ارزیابی‌ها را قبل از اینکه فشار مخزن به زیر نقطه حباب بیفتد انجام بدهید.

آزمایش گرادیان فشار جریانی و ساکن: در کنار تست PTA معمولا آزمایش‌های گرادیان فشار جریانی (FGS) و ساکن (SGS) را نیز انجام می‌دهند. به این صورت که وقتی چاه باز است مموری گیج به پایین چاه رانده می‌شود، سپس چاه را می‌بندیم تا داده‌های رشد فشار را ثبت کنیم و در نهایت در انتها در حالی که چاه بسته است مموری‌ها را بالا می‌کشیم تا گرادیان فشار ساکن نیز بدست آید.

پیشنهاد برای مطالعه: آموزش مدلسازی چاه (بخش ۹): آزمایش ثبت گرادیان دما و فشار جریانی و ساکن در ستون چاه

۲) روش‌های جایگزین ولتست معمولی

آزمایش‌های ارزیابی سازند مانند لایه‌آزمایی مکرر (Repeat Formation Test): با استفاده از این تست‌ها می‌توانیم از سیال مخزن نمونه بگیریم، فشار و تراوایی مخزن را تخمین بزنیم و در برخی حالات تراوایی عمودی را نیز بدست بیاوریم. تست مخازن چندلایه به روش مرسوم به ابزار و پراسیجر پیچیده‌ای نیاز دارد تا بتوان خواص هر لایه را تعیین کرد اما با استفاده از روش‌هایی همچون RFT می‌توانیم پروفایل فشار و تراوایی را در مخازن چندلایه بدست آوریم. اما محدودیت این روش آن است که امکان محاسبه اسکین و بررسی مرزهای مخزن وجود ندارد.

تخمین تراوای با استفاده از لاگ: مقدار تراوایی را می‌توان از لاگ‌ها تخمین زد اما باید توجه کرد که این روش دقت کافی ندارد و لاگ‌ها باید با استفاده از داده‌های مغزه و آزمایش‌های ارزیابی سازند کالیبره شوند.

پیشنهاد آموزشی: آموزش ویدئویی درس چاه‌پیمایی

آنالیز RTA: اگر مخزن کم تراوا و شکاف هیدرولیکی با طول زیاد داشته باشیم، می‌بایست از روش RTA استفاده کنیم و روش PTA غیرکاربردی خواهد بود.

فشارسنج ثابت درون‌چاهی (PDG): جدیدا در برخی چاه‌ها در زمان تکمیل چاه، فشارسنج ثابت درون‌چاهی نیز در رشته تکمیل نصب می‌کنند. از آنجایی که ما چاه‌ها را هر از گاهی به هر دلیلی می‌بندیم، وجود این فشارسنج‌ها باعث ثبت داده‌های بست چاه می‌شوند و می‌توان همانند یک تست ساخت فشار آن‌ها را تفسیر کرد. از PDGها برای ارزیابی مکرر تغییرات تراوایی به دلیل تغییرات اشباع و یا تغییر تراکم و فشردگی سنگ، تغییر اسکین، در طول زمان، افت فشار مخزن در اثر تخلیه مخزن، حرکت سطوح سیالات و مانیتورینگ و بهینه‌سازی پیوسته عملکرد فرازآوری مصنوعی استفاده می‌شود. بهتر است که این گیج‌ها در کنار فشار، مقدار دبی را نیز ثبت کنند. از آنجایی که این گیج‌ها داده‌های بسیار زیادی را ثبت می‌کنند، مدیریت داده در این موضوع اهمیت زیادی دارد.

۳) جمع‌آوری دیتا برای طراحی ولتست به یک سری داده نیاز دارید که لیست کامل آن در جدول زیر گفته شده است. این داده‌ها در زمان تفسیر ولتست نیز مورد نیاز هستند.

۴) تخمین خواص مخزن برای طراحی یک تست، باید تخمین اولیه‌ای از مقادیر پارامترهایی که تصمیم داریم در ولتست بدست بیاوریم داشته باشیم. مثلا اگر تصمیم دارید در طول ولتست مقدار تراوایی را اندازه‌گیری کنید، در مرحله طراحی تست باید یک تخمین اولیه از مقدار تراوایی داشته باشید تا بتوانید تست دیزاین انجام بدهید. بنابراین آشنایی نسبت به تخمین اولیه پارامترهای اسکین، ضریب ذخیره چاه، فاصله تا مرزها، تراوایی و فشار اولیه مخزن مورد نیاز است.

تخمین اولیه اسکین: اگر هیچ دیتایی در دسترس نباشد، مقدار اسکین را می‌توان از نوع تکمیل چاه تخمین زد:

تخمین اولیه ضریب ذخیره چاه: یکی از مهمترین پارامترها در طراحی ولتست است. اگر اهداف تست با داده‌های ناحیه ETR و MTR محقق شود، آنگاه ضریب ذخیره چاه حداقل زمان تست برای نیل به هدف را تعیین می‌کند.

اگر چاه با سیال تک فاز پر شده باشد: C = cwb * Vwb

اگر سطح تماس سیال دارای حرکت رو به بالا یه پایین باشد: C = 25.65 * (Awb/Rowb)

یکی از مواردی که در طراحی تست باید مد نظر داشته باشید این است که آیا می‌خواهید چاه را سطح ببندید یا از ته چاه؟ بنابراین مقدار ضریب ذخیره چاه را باید در هر دو حالت محاسبه کنید. بست ته‌چاهی در چاه‌های گازی باعث کاهش حجم چاه و در نتیجه کاهش ضریب ذخیره چاه می‌شود. در یک مخزن زیر اشباع، بست ته‌چاهی شرایط تک فاز را در ستون چاه حفط می‌کند و می توان از معادله سیال تک فاز برای محاسبه ضریب ذخیره چاه استفاده کرد. به طور کلی بست ته‌چاهی احتمال ضریب ذخیره چاه متغیر (Changing WBS) ناشی از پدیده جدایش فازی (Phase segregation) را کاهش می‌دهد.

تخمین اولیه فاصله چاه تا مرزها: گاهی اوقات ممکن است که اطلاعات لرزه‌نگاری، زمین‌شناسی و یا لاگ نشان‌دهنده وجود یک مرز باشد. بنابراین با استفاده از نتایج ولتست می‌توان این فرضیه را تأیید و یا رد کرد. همچنین می‌توان پی به این موضوع برد که آیا مرز به صورت کامل یا جزئی مانع جریان سیال می‌شود. گاهی اوقات نیز صرفا می‌خواهیم مطمئن شویم که هیچ مرزی در اطراف چاه وجود ندارد. گاهی اوقات نیز می‌خواهیم در یک مخزن گازی با مکانیسم رانش آب قوی، اثر این نفوذ آب بر روی پاسخ فشاری را مانیتور کنیم.

تخمین اولیه فشار مخزن: فشار مخزن را می‌توان از نمودارهای ارزیابی مخزن (مثل RFT)، چاه‌های مجاور، گرادیان‌های فشاری و یا وزن گل محاسبه کرد. زمانی که فشار حباب یا شبنم نزدیک به فشار اولیه مخزن باشد، حفظ شرایط تک فاز در طول ولتست دشوارتر شده و اهمیت محاسبه فشار مخزن در این حالت نیز دوچندان می‌شود.

تخمین اولیه تراوایی: از آنجایی که مدت زمان رسیدن به انتهای اثر ذخیره چاه، مشاهده اثرات مرزی و یا اثبات مینیمم نفت درجای مخزن وابسته به مقدار تراوایی است، اهمیت تخمین اولیه این پارامتر زیاد است.

الف) تخمین تراوایی از داده‌های جریان شبه‌پایدار: معادله جریان شبه‌پایدار را برای یک مخزن بسته دایره‌ای در نظر بگیرید. اگر یک تست جریانی تک نقطه داشته باشیم که به شرایط جریان شبه‌پایدار رسیده باشیم و مقدار اسکین کل را حدس بزنیم و re را نیز داشته باشیم، آنگاه:

ب) تخمین تراوایی با داشتن مقدار شاخص بهره‌دهی چاه:

پیشنهاد برای مطالعه: آموزش مدلسازی چاه (بخش ۶): شاخص بهره‌دهی چاه (PI)

نکته: در شرایط نرمال شعاع چاه و well spacing، ترم ln(re/rw) – 0.75 معمولاً در بازه ۶.۵ تا ۸.۵ قرار می‌گیرد. با فرض مقدار ۷.۰۸، معادله بالا ساده‌تر می‌شود:

ج) تخمین تراوایی از دیتای جریان شعاعی بی‌نهایت: اگر یک تست جریانی تک نقطه داشته باشیم که جریان هنوز به صورت شعاعی بی‌نهایت است:

که در این رابطه مقدار rd به صورت زیر است:

در این حالت باید به روش سعی و خطا جلو بریم. ابتدا یک مقدار اولیه برای تراوایی تخمین زده و در رابطه rd گذاشته و مقدار rd را بدست می‌آوریم. حال این مقدار rd را در رابطه اول گذاشته و مقدار تراوایی جدید بدست می‌آید. اگر با تخمین اولیه برابر نبود، حدس دوم را می‌زنیم و همین طور جلو می‌رویم. معمولا با سه حدس و خطا مساله حل می‌شود.

۵) تخمین مدت زمان تست برای رسیدن به رژیم جریان مطلوب یکی از مهمترین دغدغه‌های ما در عملیات ولتست، مدت زمان تست است. اگر تست کوتاه باشد، به نتایج مطلوب نمی‌رسیم و اگر تست بی‌جهت طولانی باشد هزینه زیادی را متقبل خواهیم شد.

مدت زمان رسیدن به نقطه شروع ناحیه MTR: این زمان توسط سه عامل کنترل می‌شود:

الف) زمان پایان ناحیه متأثر از ذخیره چاه در چاهی که اسیدکاری نشده است:

ب) زمان پایان ناحیه کروی برای چاهی با تکمیل جزئی:

ج) زمان رسیدن به جریان شعاعی بی‌نهایت در یک چاه تحریک شده شده (اسیدکاری یا شکاف هیدرولیکی):

مدت زمان رسیدن به یک مرز یا رژیم جریانی مشخص: حالت‌های زیر وجود دارد.:

مخزن شعاعی بی‌نهایت: طول بازه بست چاه باید به اندازه کافی طولانی باشد تا اثرات فشاری در داخل مخزن حرکت کرده و تراوایی تخمین زده شده نماینده مناسبی برای خواص مخزن باشد. همچنین مدت زمان بازه جریانی شعاعی بی‌نهایت باید به اندازه کافی طولانی باشد تا بتوان مقدار دقیقی برای تراوایی تخمین زد. برای آنکه بتوان بازه جریانی IARF را از روی نمودار مشتق فشار تشخیص داد، طول تست باید حداقل ۳ تا ۵ برابر مدت زمان اثرات نزدیک چاه باشد (Near-wellbore effects)؛ اثراتی مانند ذخیره چاه، جریان کروی و تحریک سازند.

مرز بدون جریان: معادله زیر بیانگر زمانی است که جریانی شعاعی بی‌نهایت در یک چاهی که در فاصله L از مرز بدون جریان قرار گرفته، پایان می‌یابد:

برای اینکه مطمئن شویم که این نوع مرز را در داده‌ها خواهیم دید، تست باید حداقل به مدت ۳ تا ۵ برابر t ادامه پیدا کند و یا نمودار مشتق فشار نیم تا دو-سوم لاگ سایکل ادامه یابد.

مرز کانال: اگر چاه در در یک کانال (یا همان دو گسل موازی) قرار گرفته باشد، اثرات مرزی به صورت یک خط راست با شیب ۰.۵ خواهد شد. نقطه‌ای که خط افقی مربوط به جریان IARF با خط راست با شیب نیم تقاطع پیدا می‌کند را از رابطه زیر بدست می‌آوریم:

برای اینکه مطمئن شویم که این نوع مرز را در داده‌ها خواهیم دید، تست باید حداقل به مدت ۳ تا ۵ برابر t ادامه پیدا کند و یا نمودار مشتق فشار نیم تا دو-سوم لاگ سایکل ادامه یابد. مخزن بسته: نقطه‌ای که خط افقی مربوط به جریان IARF با خط راست با شیب یک جریان شبه‌پایدار تقاطع پیدا می‌کند را از رابطه زیر بدست می‌آوریم:

برای اینکه مطمئن شویم که این نوع مرز را در داده‌ها خواهیم دید، تست باید حداقل به مدت ۳ تا ۵ برابر t ادامه پیدا کند و یا نمودار مشتق فشار نیم تا دو-سوم لاگ سایکل ادامه یابد.

۶) تخمین دبی تست و ترتیب دبی‌ها (Test rate and flow rate sequence) در زمان ولتست شما باید تعیین کنید که می‌خواهید هر بازه جریانی با چه دبی‌ای انجام شود و اینکه ترتیب تغییر سایز چوک و بازه‌های بست چاه چطوری باشد؟ دبی تست باید به گونه‌ای باشد که هم بتوان پاسخ فشاری مناسب و قابل تشخیص ایجاد کند و هم امکان حفظ دبی در طول تست در یک مقدار ثابت وجود داشته باشد. همچنین دبی را نمی‌توان به حدی بالا برد که مقدار افت فشار تحتانی زیاد شود.

مینیمم دبی برای بالا آوردن مایعات: در چاه‌های گازی که مقداری آب یا میعانات همراه خود دارند، دبی بحرانی برای حمل این مایعات به سطح و داشتن یک جریان پایدار عبارت است از:

فرض می‌شود که جریان به صورت mist flow است.

محدودیت تأسیسات سطح‌الأرض: در طراحی تست باید محدودیت ظرفیت تأسیسات را نیز لحاظ کرد.

دفع سیالات تولیدی: معمولاً گاز تولیدی چاه سوزانده می‌شود (Flaring) و نفت نیز پس از ذخیره در مخازن ذخیره سرچاهی به وسیله پمپ به سمت واحد بهره‌برداری پمپاژ می‌شود. بنابراین اگر دبی چاه زیاد باشد باید مسائل سوزاندن مقدار زیاد گاز لحاظ شود و همچنین تعداد مخازن بیشتری برای ذخیره کردن نفت در محل چاه حاضر باشد.

فشار حباب یا شبنم: در مخازن زیراشباع، باید تلاش شود که فشار ته‌چاهی به هیچ عنوان به زیر نقطه حباب (چاه نفتی) و زیر نقطه شبنم (چاه گازی) نیفتد. در بسیاری از مخازن مقدار فشار ته‌چاهی به حدی به فشار اشباع نزدیک است که نگه داشتن شرایط تک فازی را بسیار دشوار می‌کند.

فشار ورودی تفکیک‌گر: فشار ولهد باید حداقل دو برابر فشار بعد از چوک باشد تا شرایط جریان بحرانی برقرار گردد (برای مثال فشار جریان ولهد حداقل ۲.۲ برابر فشار خط بهره‌برداری باشد). اگر چه این قانون به شدت فقط برای چاه‌های گازی قابل اجرا است، اما استفاده از آن به شکل قانون سرانگشتی برای چاه‌های نفتی نیز مناسب می‌باشد.

ملاحظات ژئومکانیکی: کنترل مقدار افت فشار تحتانی (Drawdown) در طول عملیات ولتست اهمیت زیادی دارد: تولید ماسه، از دست رفتن تکمیل چاه و …

ماکزیمم دبی پایدار (Maximum Sustainable Rate): پس از تعیین مدت زمان تست و حداکثر افت فشار تحتانی مجاز، حداکثر دبی را که می‌توان در طول تست حفظ کرد، باید تخمین زد:

ترتیب دبی‌ها (Flow rate sequence): طراحی تست باید دارای یک بازه جریان اصلی و به دنبال آن یک بازه shut-in باشد، مگر اینکه دلیل موجهی برای داشتن چند بازه جریانی و بست وجود داشته باشد (مثلاً برای تعیین جریان غیردارسی).

الف) چاهی با جریان غیردارسی: برای تعیین مقدار اسکین غیردارسی باید از Modified Isochronal Test استفاده کرد. جریان غیردارسی عموما در چاه‌های گازی و چاه‌های نفتی با دبی بالا وجود دارد.

ب) چاه‌های تولیدی: چاه برای مدت طولانی با دبی ثابت تولید کرده است. حال مموری را به درون چاه میرانیم و داده‌ها را ثبت می‌کنیم. اگر به هر دلیلی در ابتدای تست مجبور شدیم چاه را به صورت موقت ببندیم (بازه شماره ۲؛ به دلیل راندن مموری گیج)، آنگاه جریان تثبیت شده در طول بازه جریانی ۳ باید به اندازه کافی ادامه یابد تا بست موقت چاه در بازه ۲ تأثیر ناچیزی بر پاسخ فشار در طول buildup بعدی داشته باشد؛ برای مثال بازه جریانی ۳ حدود ۲ تا ۳ برابر طول بست اول (بازه ۲) باشد.

۷) تخمین مقدار پاسخ فشاری در حالی که دبی طراحی باید کمتر از ماکزیمم دبی پایدار باشد، باید به اندازه کافی بالا باشد تا پاسخ فشاری دقیقی را ارائه دهد. پاسخ فشاری از روش‌های زیر بدست می آید:

الف) با داشتن شیب نمودار نیمه لگاریتمی در طول بازه جریان شعاعی بی‌نهایت (m):

L : Smoothing paramater (e.g. L=0.1)

Sigma p : Noise in the pressure response

رزولوشن مورد نیاز گیج فشار برای داشتن یک منحنی مشتق فشار smooth از رابطه بالا بدست می‌آید.

بنابراین باید مموری گیج‌هایی انتخاب کرد که قادر به اندازه‌گیری تغییرات فشار به کوچکی مقدار بالا باشند (مقدار پیشنهادی برای L معمولاً ۰.۱ است).

ب) شیب نمودار کارتزین در طول بازه جریانی شبه‌پایدار: 

۸) انتخاب گیج فشار

تعدادی اصطلاح مختلف در مورد گیج‌های فشاری وجود دارد که برای مشخص کردن ویژگی‌های فشارسنج‌های مورد استفاده برای آزمایش چاه استفاده می‌شود.

درک درست مفهوم درستی، دقت، وضوح و دریفت فشارسنج اهمیت زیادی دارد. بنابراین می‌خواهم به توضیح این اصطلاحات بسیار مهم و کاربردی در رابطه با سنسور فشار که به تکرار در گزارشات چاه‌آزمایی مشاهده می‌شود بپردازم. 

درستی (Accuracy) یعنی اینکه مقدار اندازه‌گیری شده و گزارش شده توسط سنسور فشار چقدر به فشار واقعی نزدیک است. درستی بر حسب اختلاف این دو مقدار نسبت به درصدی از مقیاس کامل سنسور (Full Scale) بیان می‌شود. فرض کنید یک گیج فشار ۱۰ باری داریم. یعنی این گیج مقادیر بین ۰ تا ۱۰ بار را می‌تواند قرائت کند:

به عنوان مثال، اگر گیج فشار با مقیاس کامل ۱۰ بار، فشار ۸.۲ بار را گزارش کند و فشار واقعی ۸.۰ بار باشد، آنگاه تفاوت ۰.۲ بار است. ۰.۲ بار را بر ۱۰ بار تقسیم کنید و به صورت درصد بیان کنید: درستی (یا خطا) ۲٪ است. بنابراین این گیج دارای درستی ۲FS %± است.

دقت (Precision) به این معناست که همه قرائت‌های یک سنسور فشار تا چه حد به هم نزدیک هستند. به عبارت دیگر یک سنسور فشار دقیق، اندازه‌گیری‌های قابل تکرار ایجاد می‌کند. در شکل زیر بهتر می‌توانیم تفاوت بین Accuracy و Precision را درک کنیم:

دایره صورتی رنگ: مقدار واقعی فشار دایره‌های مشکی رنگ: اندازه‌گیری‌های مختلف فشار  

رزولوشن (Resolution) یا همان وضوح، کوچکترین درجه تغییر فشار است که توسط سنسور فشار قابل تشخیص و ثبت است. به عنوان مثال یک گیچ فشاری دارای وضوح ۰.۰۰۰۶٪ FS است. این بدان معناست که با مقیاس کامل ۱۰۰ بار، سنسور قادر خواهد بود یک تغییر فشار ۰.۰۰۰۶ بار را تشخیص دهد. سوال: مقدار رزولوشن گیج فشاری زیر چقدر است؟

دربفت (Drift): همه سنسورهای فشار – صرف نظر از اینکه از چه چیزی ساخته شده‌اند، چقدر گران هستند یا چقدر دقیق هستند – در طول زمان در معرض دریفت سنسور هستند. دریفت سنسور فشار، تخریب تدریجی سنسور و سایر اجزاء است که می‌تواند باعث انحراف (offset) قرائت ها از حالت کالیبره شده اولیه شود.

انواع گیج‌ها: اگرچه امروزه اکثر گیج‌های مورد استفاده بر اصول فیزیکی یکسانی تکیه دارند، پیشرفت در طراحی و ساخت منجر به بهبودهای چشمگیری در محدوده عملیاتی، زمان تثبیت، مصرف برق و قابلیت اطمینان شده است.

گیج مکانیکی (Mechanical Gauge): امروزه این مدل از گیج‌ها منسوخ شده‌اند و گیج‌های الکترونیکی جایگزین آن‌ها شده‌اند.

گیج خازنی (Capacitance Gauge): تغییر فشار باعث تغییر کمی در فاصله بین دو سطح رسانای خازن می‌شود و در نتیجه باعث تغییر در ظرفیت خازن می‌شود. تغییر در ظرفیت اندازه‌گیری شده و به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌شود. اگرچه ظاهراً دیگر به طور گسترده برای گیج‌های حافظه‌دار استفاده نمی‌شود، اما هنوز برای نظارت بر عملکرد پمپ‌های ESP و PCP در فرازآوری مصنوعی استفاده می‌شوند.

استرین گیج معمولی (Conventional Strain Gauge): سنسوری است که مقاومت آن با نیروی اعمالی تغییر می‌کند. این سنسور نیرو، فشار، کشش، وزن و غیره (هر گونه تغییر شکل) را به صورت تغییر در مقاومت الکتریکی حس می‌کند که می‌توان از آن در اندازه‌گیری پارامترهای مذکور استفاده کرد. تغییر مقاومت اندازه‌گیری می‌شود و سپس به یک فشار دیجیتال تبدیل می‌شود.

استرین گیج یاقوتی (Sapphire Strain Gauge): همانند گیج قبلی است با این تفاوت که المنت‌های مقاومتی از جنس کریستال‌های یاقوت هستند که برخی خواص مکانیکی آن‌ها برتری دارد: کاهش دریفت، کاهش hysteresis و بهبود تکرارپذیری نتایج

گیج سیلیکونی پیزومقاومتی (Piezoresistive Silicon Gauge): شبیه به استرین گیج معمولی است که تغییر فشار باعث تغییر در مقاومت می‌شود و از المنت‌های مقاومتی سیلیکونی استفاده شده است. این گیج نسبت به گیج معمولی وضوح بهتری را به همراه دارد. مبدل سیلیکونی ممکن است بسیار کوچک باشد. این امر اینرسی حرارتی بسیار پایینی را ایجاد می‌کند و به تثبیت سریع پس از تغییر فشار یا دما اجازه می‌دهد. گیج سیلیکونی پیزومقاومتی با sampling rate تا ۳۲۰۰۰ نقطه در ثانیه موجود است. گیج‌های حافظه‌دار پیزومقاومتی دارای Accuracy برابر ۰.۰۳% و رزولوشن ۰.۰۰۰۳% FS موجود هستند. دریفت بلند مدت نیز ۳ psi/year می‌باشد.

کوارتز گیج (Quartz Gauge): با تشخیص تغییر فرکانس یک رزوناتور کریستال کوارتز (quartz crystal resonator) ناشی از تغییر فشار اعمال شده، فشار را اندازه‌گیری می‌کند. کوارتز گیج دارای Accuracy برابر ۰.۰۲% و رزولوشن ۰.۰۰۰۶% FS موجود هستند. دریفت بلند مدت نیز ۳ psi/year می‌باشد. 

محل قرارگیری گیج در چاه: گیج باید تا حد امکان نزدیک به بازه تکمیل شده قرار گیرد تا احتمال حرکت سطح تماس سیال بین سازند و گیج در طول آزمایش را کاهش دهد. استفاده از دو گیج به صورت سری (Tandem gauges) در اعماق مختلف چاه، امکان بررسی حضور سطح تماس متحرک (rising or falling liquid level) را میسر می‌کند. معمولا گیج حدود ۱۵ متر بالاتر از بالاترین مشبک قرار می‌گیرد.

Gauge Sampling: اکثر گیج‌ها دارای گزینه‌ای هستند که می‌توان فواصل ثبت دیتا را تعیین کرد (از ۱ ثانیه تا ۱۸ ساعت)؛ یعنی مثلا هر ۱ ثانیه یک دیتا ثبت کند. بسیاری از گیج‌ها دارای Sampling قابل برنامه‌ریزی هستند تا امکان تغییر Sampling در ابتدای هر بازه و انتهای هر باز که تغییرات فشار کمتر است فراهم باشد به دلیل حافظه بالای فشارسنج‌های امروزی، معمولاً می‌توان کل آزمایش را با فاصله Sampling ثابت انجام داد. به عنوان مثال، برای حافظه ۱,۰۰۰,۰۰۰ نقطه داده، یک آزمایش با Sampling ثابت ۵ ثانیه می‌تواند بیش از ۸ هفته قبل از اتمام حافظه طول بکشد.

۹) شبیه‌سازی تست

یکی از اهداف اولیه طراحی آزمایش چاه اطمینان از برآورده شدن اهداف آزمایش است. شبیه‌سازی پاسخ فشاری مورد انتظار برای طیف وسیعی از شرایط احتمالی مخزن، امکان ارزیابی طراحی را برای تعیین اینکه آیا اهداف آزمایش را برآورده می‌کند یا خیر، می‌دهد. به همین ترتیب، شبیه‌سازی دینامیک چاه و خط جریان به بهینه‌سازی انتخاب تجهیزات و به حداقل رساندن فرسایش، تشکیل هیدرات و تجمع مایعات کمک می‌کند.

شبیه سازی آزمایش ممکن است شامل سه جنبه متمایز باشد: شبیه‌سازی پاسخ فشاری مخزن، شبیه‌سازی سیستم چاه/خط جریان، شبیه‌سازی رفتار گیج.

الف) با استفاده از شبیه‌ساز تحلیلی یا عددی، پاسخ فشاری مصنوعی ایجاد کنید: در برخی شرایط، شبیه‌سازی تست ممکن است به سادگی استفاده از یک مدل تحلیلی برای تولید پاسخ فشاری باشد. در شرایط دیگر، هزینه بالای آزمایش یک چاه اکتشافی فراساحلی ممکن است استفاده از یک مدل عددی سه بعدی و سه فازی را توجیه کند. ساخت و کالیبراسیون یک مدل عددی سه بعدی و سه فازی به داده‌های دقیق‌تری نیاز دارد.

پیشنهاد آموزشی: آموزش جامع نرم‌افزار اکلیپس ۱۰۰ و ۳۰۰ (Eclipse 100 & 300)

ب) شبیه‌سازی هیدرولیک Wellbore و Flowline: برای طراحی تست ساخت فشار چاهی که مدتی است تولید می‌شود، احتمالاً نیاز کمی به مدل‌سازی هیدرولیک چاه و خط جریان وجود دارد. از سوی دیگر، هزینه آزمایش یک چاه اکتشافی فراساحلی احتمالاً نیازمند مدل‌سازی دقیق هیدرولیک چاه است. مدل‌سازی چاه ممکن است به آنالیز گره‌ای حالت پایدار محدود شود (مانند پراسپر و پایپ سیم)، یا یک شبیه‌ساز دینامیک (مانند الگا) ممکن است برای مدل‌سازی رفتار گذرا یا پویای چاه استفاده شود. مسائل مورد توجه در طول مدل‌سازی چاه شامل تخلیه چاه (wellbore unloading)، پاکسازی تکمیل چاه (completion cleanup)، محدودیت‌های سرعت فرسایش (erosional velocity limits)، تشکیل هیدرات (hydrate formation) و تجمع مایعات (liquid loading) است.

پیشنهاد آموزشی: آموزش نرم‌افزار پراسپر (Prosper)

از آنالیز گره‌ای برای ارزیابی اینکه آیا چاه می‌تواند به طور طبیعی با استفاده از ترکیبات مختلف سایز لوله مغزی و فواصل مشبک کاری تمیز شود یا نه؟ یا اینکه نیاز به لوله مغزی سیار (دستگاه کویل تیوبینگ) یا نیترولیفت برای تخلیه و تمیزسازی چاه ضروری است؟

پیشنهاد آموزشی: آموزش آنالیز گره‌ای چاه (مفاهیم + پیاده‌سازی گام‌به‌گام در پراسپر)

ج) شبیه‌سازی نویز و آنالیز مجموعه داده‌های مصنوعی (Simulate Noise and Analyze Synthetic Data Set): در مخازن ضخیم با نفوذپذیری بالا، پاسخ فشاری پیش‌بینی‌شده کم خواهد بود. در این شرایط، ممکن است طراحی یک ولتستِ قابل تفسیر دشوار باشد. افزودن مقداری نویز تصادفی و واقع‌بینانه به پاسخ فشاری پیش‌بینی‌شده و سپس تلاش برای آنالیز مجموعه داده‌های Synthetic، راه خوبی برای ارزیابی اینکه آیا یک طراحی به اهداف مورد نظر دست می‌یابد یا خیر است.

در آموزش جامع چاه‌آزمایی (طراحی، عملیات و تفسیر با نرم‌افزار Saphir)، مبحث طراحی ولتست به صورت کامل تدریس شده است

بر روی تصویر زیر کلیک کنید