Reservoir Geomechanics (Mark D. Zoback)

مبنای کتاب ژئومکانیک مخازن بر کلاس درسی که به صورت میان رشته ای برای چند سال در دانشگاه استنفورد تدریس کرده ام و واحد درسی کوتاهی که در صنعت نفت برگزار کرده ام بنا نهاده شده است. همانطور که از عنوان کتاب نیز بر می آید، به دانشجویان در این واحد درسی مطالبی از رشته های متنوعی از جمله مهندسی مخزن و زمین شناسی، مهندسی حفاری و ژئوفیزیک ارائه می شود.

در کتاب ژئومکانیک مخازن به مانند واحدهای درسی، تلاش بر رساندن مفاهیم کلیدی از رشته های مختلف به هنگام استفاده از آن به شکلی هماهنگ شده بوده است، تا امکان توسعه یک مدل کامل ژئومکانیکی از یک مخزن و ساختار روی آن فراهم شود. سپس به نحوه استفاده از این مدل برای مصارف کاربردی پرداخته شده است. برای این منظور، این کتاب به سه بخش کلی تقسیم شده است: بخش اول آن (فصل های 1 تا 5) به قوانین پایه ای مربوط به شرایط تنش و فشار آب حفره ای در عمق، مدل های رفتاری ویسکوز رایج مورد استفاده برای توضیح تغیرمکان سنگ و گسیختگی آن در فشار، کشش و برش می پردازد.

بخش دوم کتاب ژئومکانیک مخازن (فصل های 6 تا 9) قوانین گسیختگی انباره چاه و روش های محاسبه جهت و اندازه تنش در چاه های عمیق با جهتی دلخواه را توضیح می دهد. ثابت شده است که روش های ارائه شده در این فصل ها، در محیط های زمین شناسی مختلف قابل اطمینان هستند. بخش سوم کتاب، کاربردهای قوانین ارائه شده در بخش اول و روش های ارائه شده در بخش دوم را بررسی می کند. از این جهت، فصل های 10 تا 12، به مسائل پایداری انباره چاه، جریان سیال مربوط به شکستگی ها و گسل ها و اثرات تخلیه آن در مخازن و ساختارهای مجاور می پردازد.

در سراسر کتاب، مفاهیم، روش ها و تحقیقاتی که در طول 30 سال گذشته به وسیله همکاران با استعداد توسعه یافته، ارائه شده است. Mary Lou Zoback (سابقا به عنوان نقشه بردار زمین شناسی ایالات متحده) و نویسنده کتاب ژئومکانیک مخازن روش هایی را برای ترکیب انواع مختلف داده ها توسعه داده اند که جهات تنش فعلی و مقادیر نسبی آن را در پوسته زمین نشان می دهد. همانطور که در فصل 1 به طور خلاصه بیان شده، Mary Lou و نویسنده نشان داده اند که توسعه نقشه های جامع جهات تنش و مقادیر نسبی آنها امکان پذیر است و شرایط فعلی تنش های پوسته را به لحاظ فرآیندهای زمین شناسی که در حال حاضر فعالند تفسیر کردند. سامانه درجه بندی کیفی توسعه یافته برای شرایط تنش در محدوده ایالات متحده (و پس آن شمال آمریکا) در فصل 6 ارائه شده است. این سامانه به عنوان پایه و اساس تقریبا تمام تلاش های صورت گرفته در طول 20 سال اخیر برای به دست آوردن نقشه های تنش بوده است و همچنین اساس و پایه ای را برای تکمیل تنش ها در مقیاس جهانی (پروژه جهانی نقشه تنش ها) فراهم می کند که توسط Mary Lou هدایت می شود.

فصل 2: فشار آب حفره ای در عمق حوضه های رسوبی

در این فصل از کتاب ژئومکانیک مخازن تعدادی از قوانین اساسی در مورد فشار آب حفره ای مرور شده است. ابتدا، فشار آب حفره ای و تغییرات آن با عمق بررسی شده و سپس در مورد روشی که در آن یک مخزن از نظر هیدرولوژیکی به فشار مجزا و واحدهای جریان تقسیم می شود توضیح داده شده است. پس از آن، مختصرا در مورد برخی از سازوکارهای ایجاد فشارِ بیش از حد بحث، شده است. در نهایت، به رابطه میان فشار آب حفره ای، تنش موثر و تخلخل پرداخته شده است. روش هایی که در آن تخلخل نسبت به عمق کاهش می یابد را می توان برای تخمین فشار آب حفره ای از داده های لرزه ای (پیش از حفاری) و یا در ساختارهای نسبتا نفوذ ناپذیر در چاه هایی که از قبل با استفاده از لوگ چاه ژئوفیزیکی حفاری شده اند استفاده کرد.

فصل 3: قوانین رفتاری اساسی

در این فصل از کتاب ژئومکانیک مخازن به طور مختصر تعدادی از مدل های رفتاری حاکم بر تغییرشکل های سنگ مرور می شود. در اصل، مدل رفتاری تغییرشکل سنگ را در اثر تنش اعمال شده توضیح می دهد (و یا برعکس آن). به دلیل وسعت این موضوع، مطالب ارائه شده در این فصل به قوانین کلیدی محدود می شود که در ادامه به آنها ارجاع داده خواهد شد.

یک موضوع نامتعارف که تا حدودی در انتهای این فصل در مورد آن بحث شده تراکم ویسکوز ماسه سیمانی نشده است. وجود آب یا نفت در حفرات سنگ منجر به تغییرشکل های وابسته به زمان هر جسم جامد الاستیک متخلخل (poroelastic) می شود. موضوعی که در ادامه بحث شده، تغییرشکل ویسکوز ماسه خشک سیمانی نشده است. به زبانی دیگر، علاوه بر تغییرشکل پوروالاستیک، تغییرشکل وابسته به زمان ماتریس ماسه خشک نیز وجود دارد. دو دلیل اصلی برای این مسئله می توان بیان کرد. اول، بسیاری از مخازن نفت و گاز در جهان در این ساختار ایجاد شده اند. دوم، در حالی که چند کتاب عالی در مورد قوانین رفتاری قابل اعمال به سنگ ها وجود دارد، موضوع تغییرشکل ویسکوز در ساختارهای بسیار ضعیف، که به طور گسترده در مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک به آن پرداخته می شود، در بخش مخازن هیدروکربنی چندان به آن پرداخته نشده است.

فصل 4: گسیختگی سنگ در فشار، کشش و برش

در این فصل، تعدادی از قوانین بنیادین گسیختگی سنگ در فشار، کشش و برش مرور می شود که پایه ای را برای بسیاری از موضوعات عنوان شده در فصل های پیش رو فراهم می کند. اولین عنوانی که در مورد آن بحث می شود، موضوع مقاومت سنگ در فشار است. با اینکه در این مورد بسیار نوشته شده است، مرور انواع آزمایش های پایه ای مقاومت، استفاده از پوش های گسیختگی موهر برای ارائه معیاری برای گسیختگی سنگ بر حسب تابعی از تنش همه جانبه و محدوده ای از مقادیر مقاومتِ یافته شده برای انواع سنگ ها اهمیت دارد. همچنین، در مورد رابطه میان مقاومت سنگ و تنش موثر و همین طور تعداد معیارهای مقاومتی که در طول سالیان برای توضیح مقاومت سنگ در شرایط بارگذاری متفاوت ارائه شده، بحث شده است. ناهمسانی مقاومت سنگ ناشی از وجود صفحات ضعیف در سنگ مختصرا بررسی شده است که می تواند عامل مهمی به هنگام بحث در مورد ناپایداری انباره چاه باشد.

فصل 5: گسل ها و شکستگی ها در عمق

در این فصل از کتاب ژئومکانیک مخازن به موضوعات مربوط به شکستگی ها و شکاف ها در سنگ پرداخته می شود. این شکاف ها تقریبا در تمام سنگ ها وجود دارند و می توانند تاثیر زیادی بر انتقال سیال، ویژگی های مکانیکی و پایداری انباره چاه به همراه داشته باشند. همانطور که در فصل 4 بحث شده است (و پس از آن به وسیله چند نمونه تاریخی نشان داده شده است)، لغزش اصطکاکی در طول شکاف ها و همچنین شکاف های موجود، مقادیر تنش های محلی را به طور قابل پیش بینی و مناسب محدود می کند.

فصل 6: گسیختگی های فشاری و کششی در چاه های قائم

موضوعات اصلی که در این فصل کتاب ژئومکانیک زمین به آنها پرداخته می شود در مورد بزرگی تنش های محلی، مقاومت سنگ و طبیعت گسیختگی های فشاری و کششی که می تواند در اثر تمرکز تنش در اطراف انباره چاه ایجاد شود، صحبت می کند. برای ارائه قوانین حاکم بر گسیختگی انباره چاه با ریاضیات نسبتا ساده، در این فصل صرفا چاه های قائم حفاری شده به موازات تنش های اصلی قائم S_v در نظر گرفته شده اند. در فصل 8، به بحث در مورد چاه های انحراف یافته با جهتی دلخواه در فضای تنشی با جهت دلخواه بحث خواهد شد.

فصل 7: تعیین S₃ از آزمایش های شکست کوچک و نشت و محدود کردن بزرگی S_Hmax از گسیختگی انباره چاه در چاه های قائم

همانطور که در ابتدای کتاب ژئومکانیک مخازن هم عنوان شد، رسیدن به راه حل های عملی برای بسیاری از مسائل در مباحث مربوط به ژئومکانیک نیازمند دانشی از بزرگی و جهت تمام تنش های اصلی است. این موضوع در محدوده مباحث ژئومکانیکی و موردهای مطالعاتی به خوبی توضیح داده شده است که در فصل های 10-12 ارائه شده است. اولین موضوعی که در این فصل به آن پرداخته شده، بزرگی کوچکترین تنش اصلی، S₃، است که از طریق شکست هیدرولیکی و به خصوص آزمایش های شکست کوچک به ویژه به قصد محاسبه تنش ها، به دست می آید. همانطور که در ادامه این فصل توضیح داده می شود، از آنجا که شکست هیدرولیکی مکررا در حین آزمایش های نشت و به خصوص در آزمایش های نشت تمدید شده مشاهده می شود، از این آزمون ها نیز می توان برای تعیین S₃ استفاده کرد. در محیط گسل های نرمال و امتداد لغز، S₃ همان S_hmin است و در گسل های معکوس، همان S_v خواهد بود. روش های تعیین S_hmin از نسبت پواسون (به دست آمده از امواج صوتی P و S) بر اساس فرضیات سوال برانگیز مربوط به مباحث فیزیکی و زمین شناسی است. در مورد این روش ها به طور مختصر در فصل 9 بحث شده است. گفتن این نکته کافی است که محاسبه مستقیم کوچکترین تنش اصلی از طریق شکلی از آزمایش شکست هیدرولیکی تنها روش قابل اطمینانی است که از آن به صورت عملی در چاه ها و گمانه ها در هر عمق دلخواهی می توان استفاده نمود.

فصل 8: گسیختگی انباره چاه و تعیین تنش در چاه های انحراف یافته

بسیاری از چاه ها که برای تهیه نفت و گاز حفاری می شوند یا افقی اند که انحراف زیادی از حالت قائم دارند و یا خط مسیر پیچیده ای دارند. به این دلیل، درک عواملی که کنترل کننده وقوع گسیختگی های فشاری و کششی در چاه هایی با جهتی دلخواه هستند، ضروری است. در این بخش، مباحث ارائه شده در فصل های 6 و 7 برای چاه ها با جهت های دلخواه تعمیم داده می شوند. این فصل با در نظر گرفتن راه هایی که در آن گسیختگی های فشاری و شکستگی های کششی ناشی از حفاری در چاه های با جهت دلخواه در گسل های نرمال، امتداد لغز و معکوس اتفاق می افتد، آغاز می شود. قوانین اصلی گسیختگی چاه ها با جهتی دلخواه در زمانی که برای پایداری انباره چاه به کار می رود (فصل 10) به طور گسترده استفاده خواهد شد.

فصل 9: محل های تنش – از صفحات تکتونیکی تا مخازن در سراسر جهان

در این فصل، در مورد محیط های تنش محلی در مقیاس های بسیار متنوع – از الگوهای جهانی تنش های تکتونیکی گرفته (با توضیحی مختصر از منبع تنش های تکتونیکی بزرگ مقیاس) تا نمونه تنش های ایجاد شده در گسل های نرمال، امتداد لغز و معکوس در بسترهای رسوبی مختلف در سراسر جهان بحث شده است. هدف از انجام مرور مطالب پیشین موارد زیر است:

1) نشان دادن قوت روش های محاسبه تنش توضیح داده شده در فصل های 6-10

2) تاکید بر این حقیقت که بستر های رسوبی در واقع، در گسل های نرمال، امتداد لغز و معکوس یافت می شوند (همانطور که در فصل 1 توضیح داده شد)

3) نشان دادن این که گسل های با تنش های بحرانی، در بسترهای رسوبی یافت می شوند و این که بزرگی تنش ها معمولا با تنش های پیش بینی شده بر اساس نظریه گسل های اصطکاکی مطابقت دارند (همانطور که در انتهای فصل 4 توضیح داد شده است).

فصل 10: پایداری انباره چاه

در این فصل کتاب ژئومکانیک مخازن مسائل مربوط به پایداری انباره چاه با توضیح دادن موردهای مطالعاتی به دست آمده از بسترهای رسوبی متنوع در سراسر جهان بررسی می شود. در این فصل، بر مسائل پایداری انباره چاه در ارتباط با گسیختگی مکانیکی ساختار اطراف آن تمرکز می شود. شرایط گسیختگی که با واکنش های شیمیایی میان گِل حفاری و ساختار اطراف انباره تشدید می شود، مختصرا توضیح داده شده است. هیچ تلاشی برای توضیح تعدادی از مسائل بسیار پر اهمیت مربوط به حفاری موفق مثل تمیز کردن حفره، هیدرولیک انباره چاه، ارتعاشات مکانیکی ابزارآلات حفاری و مواردی از این دست ارائه نشده است و مخاطبان به کتاب های دیگر ارجاع داده شده اند.

فصل 11: گسل های با تنش بحرانی و جریان سیال

در این فصل از کتاب ژئومکانیک مخازن به بررسی سه موضوع در ارتباط با جریان سیال در مخازن نفت، گاز و زمین گرمایی در معرض شکستگی و گسل پرداخته می شود:

1) تاثیر شکستگی و گسل بر نفوذپذیری مخازن و پیامدهای مربوط به آن در اثر نفوذپذیری غیر همسان در این نوع مخازن در نظر گرفته می شود.

2) کنترل های ژئومکانیکی در مورد نشت گسل ها در مخازن محدود شده به گسل در نظر گرفته می شود.

3) محدودیت های دینامیکی در مورد ارتفاع ستون های هیدروکربنی و فشار مخازن، مجددا در مخازن محدود شده به گسل در نظر گرفته می شود.

فصل 12: اثرات تخلیه مخازن

توضیح مسائل مربوط به تغییرشکل و تغییرات تنش در میان و اطراف مخازن در حال تخلیه، به دلایل بسیاری پر اهمیت است. رایج ترین آنها مربوط به گسیختگی قالب گذاری و نشست سطح است که دشواری های بسیاری را در برخی از مخازن نفت و گاز به دلیل تراکم در ساختار ضعیف آن به وجود می آورد. تغییرات قابل توجه تنش که در مخازنی که بسیاری از منابع آن تخلیه شده، می تواند منجر به حفر چاهی جدید به اهدافی عمیق تر شود که به دلیل نیاز به وزن های کمتر گِل در ساختارهای تخلیه شده برای پرهیز از از بین رفتن جریان، مشکل ساز خواهد بود. همچنین تخلیه، احتمال ایجاد گسل هم در میان مخازن و هم در خارج آن در برخی از محیط های زمین شناسی را به میان می آورد. از آن جا که این مسائل برای برخی از مخازن می تواند سهمگین باشد، تخلیه همچنین می تواند اثرات سودمندی بر عملکرد مخازن داشته باشد. به عنوان مثال، شکستگی هیدرولیکی در مخازن تخلیه شده می تواند اثرگذارتر از همان مخزن پیش از تخلیه باشد.