مشکل تولید آب در میادین نفت و گاز یکی از معضلات بزرگ بوده که هزینه های بسیاری را به همراه دارد. هزینه های ناشی از ایجاد خوردگی، پایین آمدن میزان تولید، هزینه های پایش، انجام آزمایشات و عملیات و ... همگی به واسطه مشکل تولید آب نمک در میادین می باشد که بایستی با مدیریت صحیح مخزن در راستای حل این مشکل گام برداشت. دلایل تولید آب از چاههای تولیدی ارتباط مستقیم با مشکلات مکانیکی یا مخزنی دارد که در این بخش به آنها اشاره گردیده است. بخش دوم این مقاله به راههای تشخیص محل ورود آب به چاهها از طریق آزمایشات درون چاهی و سر چاهی و بخش سوم آن به راههای عمومی کنترل و مدیریت تولید آب ناخواسته از مخزن می پردازد.

     مشکلات مرتبط با تولید آب را می توان به دو گروه مشکلات مجاور دهانه چاه و مشکلات مخزن دسته بندی نمود[1]. بعضی از مشکلات را نیز می‌توان در هر دو گروه قرار داد. از مشکلات مجاور دهانة چاه می‌توان به نفوذ آب از پشت لوله‌های جداری و شکستن سدها اشاره کرد که آنها را نیز می‌توان در هر دو گروه قرار داد. از مشکلات ناشی از مخزن نیز می‌توان به پدیدة مخروطی شدن، نفوذ آب از لایه‌های با نفوذ پذیری بالا شکافهای مرتبط پراکندة خارج از لایه تولیدی اشاره نمود.

     تکنولوژی‌های زیادی برای تشخیص محل ورود آب و همچنین جلوگیری از تولید آن توسعه یافته است ولی قبل از انجام هر عمل پیشگیرانه باید به تشخیص مشکل و محل ورود آب پرداخت. پس از تشخیص مشکل می‌توان نسبت به تعریف استراتژی‌های مخلتف و انتخاب گزینه صحیح‌تر جهت کنترل مشکل اقدام نمود.آب ورودی به دهانة چاه می‌تواند از دو طریق جریان یابد. در اولین حالت، آب معمولاً از مسیری جدا از محل ورود هیدروکربن به دهانة چاه وارد می‌شود. این نوع از تولید آب در تولید نفت و گاز مطرح است. کنترل تولید آب دراین مخازن منجر به افزایش هیدروکربن و بالا رفتن میزان بازیافت می‌شود. در این نوع از تولید آب در گام اول باید برای کنترل آب چاره‌اندیشی می شود. نوع دوم تولید آب، آبی است که معمولاً در مدت زمان کوتاهی پس از عملیات سیلابزنی با آب، همراه نفت تولید می‌شود. (شکل – 1 شماتیکی از راههای تولید آب از چاه را نشان می دهد.) کاهش تولید آب از این نوع، منجر به کاهش تولید نفت خواهد شد. به طور کلی در ورود آب به مخازن سه فاکتور مد نظر قرار می‌گیرد:

1-منبع آب

منشأ آب تولیدی می‌تواند شامل آب سازند، آب آبران یا آب تزریقی باشد. آب سازند می‌تواند از آب لایه‌های با اشباع بالا در مجاورت لایه‌های تولیدی ناشی شود. تعداد زیادی از مخازن نیز در مجاورت آبران و یا تحت تأثیر آبران لبه ای یا پایین(Bottom or Edge Water Drive) هستند. آب تزریقی به مخازن نیز که در بازیافت ثانویه جهت نگهداشتن فشار در مخازن نفتی تزریق می‌شود نیز می‌تواند از منابع تولید آب به شمار رود.

2- گرادیان فشار  

تولید نفت و گاز از مخزن با ایجاد یک افت فشار بین دهانة چاه و سازند امکان پذیر می‌باشد. تولید از یک لایة کاملاً مشبک کاری شده در یک چاه به دلیل ایجاد افت فشار افقی در سازند و جریان سیال درون چاه ناشی از افت فشار عمودی در دهانة چاه می‌باشد که در سازند این افت فشار به صورت افقی است. به دلیل گرادیان فشار بالای ایجاد شده ممکن است آب از نواحی دوردست یا حتی نواحی پایین دست از طریق شکافها به دهانه چاه تولیدی راه یابد. در این حالت چاهها ممکن است بدلیل تشکیل پوسته دچار افت فشار اضافی شده باشند و در اصطلاح چاه دچار افت فشار تحتانی شده و دبی تولیدی از چاهها به شدت تحت تأثیر این پارامتر قرار گرفته باشد.

3- نفوذ پذیری نسبی آب

برای تولید آب از یک لایه، اشباع آب در آن لایه باید از اشباع آب همزاد بیشتر باشد. هنگامی که درجه اشباع آب از حد اشباع آب همراه بالاتر رود ، نفوذ پذیری نسبت به آب افزایش و به تبع آن نفوذ پذیری نسبت به هیدروکربن کاهش می‌یابد. گاز، نفت و آب معمولاً تمایل دارند از لایه‌های آسانتر یعنی همان لایه‌های با نفوذپذیری بالا بدون هیچگونه مقاومتی به دهانه چاه راه یابند. اگر نفوذپذیری لایه ها در یک مخزن همگن باشد (نفوذپذیری افقی و عمودی) و مخزن دارای یک هندسه‌ای مشخص و واحد باشد، جریان سیالات در مخزن به صورت یک خط ساده می‌باشد. زیرا در شرایط تغییر نفوذپذیری در یک مخزن، جریان سیالات الزاماً به صورت یک خط ساده طی یک فاصله کوتاه نبوده و سیال راهی آسانتر یعنی همان مسیرهای با نفوذپذیری بالاتر را جهت جریان تا دهانه چاه انتخاب خواهد کرد. در مخازن دارای آبران و مخازنی که از طریق انجام عملیات سیلابزنی با آب تولید می نمایند، آب، سازند را جارو کرده و هیدروکربن را به طرف دهانة چاههای تولیدی می‌راند. در بعضی از موارد، ناهمگنی مخازن در نتیجة نفوذ آب در محلهای با نفوذپذیری بالاست. از مخازن غیر همگن که در نتیجة ناشی از کاناله شدن آب بوجود آمده‌اند می توان به شکافها، گسل ها، لایه‌های ناپیوسته و لایه‌ ای شدن اشاره کرد.

شکافهای معمولی، بسته به اندازه، باز شدگی و شدت توزیع آنها می‌‌توانند بر جریان سیال تأثیر گذار باشد. شکافهای معمولی معمولاًُ بوسیله حرکات تکتونیکی و سایر موارد تعمیم می یابد. بعضی از مخازن شامل لایه‌هایی است که در آنها لایه‌های تراوا از طریق لایه‌های غیر تراوا از هم جدا گردیده‌اند (معمولاً لایه‌های شیلی). در غیاب سدها، جریان متقاطع سیالات می‌تواند بین لایه‌ها انجام پذیرد. زمانی که آب مناطق با نفوذپذیری بالا را جارو می‌کند، نفوذپذیری نسبت به آب در لایه‌های نفوذپذیر نسبت به سایر لایه‌ها افزایش می‌یابد که در این صورت پدیده پیشرفت ناگهانی اتفاق می‌افتد. همچنین پدیدة‌ پیشروی آب می‌تواند ناشی از ویسکوزیتة پایین آب در مقایسه با نفت در زمان انجام عملیات سیلابزنی آب نیز باشد.                                       

دلایل مشکل تولید آب

مشکلات تولید آب را می‌توان به چند دسته از جمله مشکلات مکانیکی، تکمیلی چاهها و مخزنی تقسیم بندی کرد:

1-مشکلات مکانیکی

بسیاری از مشکلات مربوط به ورود آب به چاهای نفت و گاز، به ساختمان لوله‌های جداری ارتباط مستقیم دارد. حفره‌ها یا نقاط ایجاد شده بر روی لوله‌های جداری که ممکن است به واسطة خوردگی، تنش، نوع یا جنس پوشش لولة جداری یا تغییر شکل ایجاد شده باشند می‌توانند گذرگاههایی جهت ورود آب ناخواسته به درون چاهها باشند. افزایش در تولید آب ناخواسته می‌تواند به دلیل وجود نشت در لوله‌های جداری باشد. عمدة نشتی‌ها در لوله‌های جداری در بالای سیمان رخ می‌دهد. بنابراین وقتی که لوله‌ها در نزدیکی دهانة چاه دچار شکستگی ‌شوند، گل حفاری باقیمانده از عملیات سیمانکاری اولیه در فضای حلقوی بین لوله جداری و سازند به دهانة چاه وارد می‌شود و منجر به آلوده شدن سیال تولیدی میشود.

     علاوه بر تولید آب حفاری به مرور آب سازند می تواند به درزهای   منتهی به شکستگی ها یا حفره های جداری ها نفوذ نماید. پس از انجام عملیات ترمیم لوله جداری، بررسی عمق سیمانکاری، بررسی عمق نهایی و همچنین تمیز سازی چاه از گل حفاری و سایر مواد بجا مانده از ضروریات امر می‌باشد. در بعضی از موارد پس از ترمیم لوله جداری نیاز به انجام عملیات بهبود چاه نیز مورد نیاز است.

دانه‌بندی ضعیف لوله‌های جداری تأثیراتی بر حفره‌های ایجاد شده بواسطة خوردگی و ساییدگی ناشی از جریان، فشار بالا یا تغییر شکل و رانش سازندها و نشت احتمالی این لوله‌ها دارد. معمولاً نشتی های لوله‌های جداری زمانی اتفاق می‌افتد که سیمان بندی پشت لوله‌های جداری وضعیت مناسبی نداشته باشند و لوله ها تحت شرایطی دچار خوردگی تدریجی شده باشند. این شکستگی‌ها در لوله‌های جداری باعث ورود آب ناخواسته و تولید آن از چاه می‌گردند. بعلاوه آب ورودی به دهانة چاه می‌تواند باعث تخریب لایه‌های تولیدی گردد.

2-مشکلات مرتبط با نوع تکمیل چاهها

موارد معمول مرتبط با تکمیل چاهها را می‌توان به کاناله شدن آب در پشت لوله‌های جداری، تکمیل چاهها در لایة آبی یا نزدیک آن و شکافهای گسترش یافته در خارج از ناحیه تولیدی اشاره کرد.

2-1) کاناله شدن آب در پشت لوله‌های جداری

نفوذ و کاناله شدن آب در پشت لوله‌های جداری می‌تواند به مرور زمان در طول عمر یک چاه ایجاد شودکه در بعضی موارد این مشکل بلافاصله پس از تکمیل چاه بروز می‌نماید. تولید آب ناخواسته با گذشت مدت زمانی از تولید، وجود مشکل فوق را تأیید می‌نماید.کاناله شدن آب در پشت لوله‌ها جداری می‌تواند ناشی از سیمان بندی ضعیف سیمان – لوله جداری یا سیمان- سازند باشد.

2-2) تکمیل چاه در لایه آبی یا در مجاورت آن

تکمیل چاهها در نزدیکی سطح تماس هیدروکربن – آب یا نزدیک آن و همچنین مشبک کاری های انجام شده در بالای سطح تماس آب – هیدروکربن می‌تواند باعث تولید ناخواسته آب به صورت مخروطی شدن گردد.

تکمیل چاهها در لایه‌هایی که درجه اشباع آب در آنها بیش از درجه اشباع آب همزاد باشد، باعث تولید آب ناخواسته می‌گردد. در بعضی از مواقع سدهای نفوذ ناپذیر (مانند انیدریدها و شیل‌ها) ، لایه‌های هیدروکربوری را از لایه‌های با اشباع آب بالا جدا می‌نمایند. بنابراین در صورت شکستن و از بین رفتن این سدها، سیال ناخواسته می‌تواند به درون چاه مهاجرت نماید. روشهای مختلف حفاری و تکمیل چاهها می‌تواند بر میزان تولید آب ناخواسته در طول عمر یک چاه تأثیر گذار باشد، بنابراین زمانی که یک چاه تکمیل یا تحت عملیات بهبود قرار می‌گیرد، اختیار عمل محدود شده و به تبع آن، باید تدابیر خاصی برای حل این معضل اندیشیده شود.

2-3) گسترش شکافها

شکافهای طبیعی یا القایی می‌توانند باعث ایجاد کانال بین چاهها و انتقال آب گردند. اشتباه در انجام عملیات شکاف القایی مانند شکاف هیدرولیکی، باعث ایجاد اتصال بین دهانه چاه و لایه آبی می‌گردد. اگر عملیات ایجاد شکاف در یک چاه تولیدی با دقت صورت نگیرد ممکن است شکافها در لایه آبی باز شوند یا انجام عملیات اسیدکاری باعث بازتر شدن این شکافها گردد. در چنین مواردی ، انتقال آب توسط شکاف‌های مذکور منجر به تولید آب می‌گردد. بنابراین بهینه نبودن انجام عملیات هایی مانند اسیدکاری و مشبک کاری جهت دار، نیز در صورتیکه به درستی انجام نگیرد می تواند باعث ایجاد شبکه و کانال در جهت سطح تماس شده و به مرور راه نفوذ آب به دهانه چاه را هموار و بعلاوه ممکن است باعث شکسته شدن سدهای موجود در اطراف چاه شده و منجر به تولید آب گردد[2].

3-مسایل مرتبط با مخزن

3-1) پیشروی آب در لایه های با نفوذ پذیری بالاتر و شکافها

در لایه هایی با نفوذ پذیری بالا، آب در این لایه‌ها نفوذ کرده و سریعتر از هیدروکربن سایر لایه‌ها خود را به دهانة چاه می‌رساند. این موارد بیشتر در حالتی که مکانیسم تولید از مخزن رانش آب یا سیلابزنی با آب است انجام می‌گیرد.کاناله شدن آب در این حالت عمدتاً به واسطه ناهمگن بودن مخزن ایجاد می‌شود که خود بدلیل ناهمگن بودن نفوذ پذیری لایه‌ها می‌باشد. همچنین در چاههای افقی یا انحرافی که گسل‌ها را قطع می‌کنند اگر این گسل‌ها یا شکافها به لایه آبی راه داشته باشند ، باعث پیشروی آب در این چاهها خواهند شد.

3-2) مخروطی شدن و Cresting

پدیده مخروطی شدن در چاههای عمودی و پدیدة cresting در چاههای افقی هر دو به دلیل افت فشار دراطراف دهانه چاه می‌باشند. این افت فشار باعث کشیدن آب از اعماق یا فواصل دور مخزن به دهانة چاه می‌شود. در این حالت آب از طریق مشبک‌ها یا فواصل حفره باز می‌تواند پیشروی کرده و جای تمام یا بخشی ازلایه هیدروکربن را اشغال نماید. زمانی که پیشروی اتفاق می‌افتد، تولید سریع و بیش از اندازه سیال نفوذ نموده آغاز خواهد شد.

مخروطی شدن آب بوسیله افت فشار عمودی ایجاد شده در نزدیکی دهانة چاه به خصوص در زمانی که فاصله لایه تولیدی تا سطح تماس کم باشد صورت پذیرفته که در این حالت تولید از چاه با چنان سرعتی انجام می گیرد که نیروهای ویسکوزیته بر نیروی گراویته غلبه کرده و آب را از لایه‌های پایین متصل به مخزن به سمت دهانة چاه کشانده که این آب از طریق حفره باز یا مشبک‌ها پیشروی کرده و تولید می شود.

3-3 )شکسته شدن سدها

سدها یا لایه‌های طبیعی مانند لایه‌های نفوذ ناپذیر شیلی که سیال لایه‌های مختلف را از هم جدا کرده و نقش یک سیمانکاری خوب را ایفا می‌نماید، می‌توانند در نزدیکی دهانه چاه مانند شکافها عمل نمایند. در نتیجه تولیدیا سایر عوامل، اختلاف فشار در طول این لایه‌ها، باعث شکسته شدن لایه ها و سپس حرکت سیال به درون چاه می‌گردد. در اغلب موارد ، این نوع از شکستگی‌ها در هنگام انجام عملیات های بهبود چاه اتفاق می‌افتد. به عنوان مثال در عملیات ایجاد شکاف هیدرولیکی یا مشبک کاری، شکافها در سدها و لایه‌های غیر قابل نفوذ گسترش یافته و انجام عملیاتی مانند اسید کاری چاهها نیز ممکن است باعث بازتر شدن کانالها در این سدها و ارتباط با لایه های آبدار لایه آبی شود.

منابع و مأخذ

1-       K.Aminian:Water production problems and solutions- Part I , Petroleum & Natural Gas Engineering Department, West Virginia University.

2-       Rodney R. Reynolds with a contribution from Robert D. Kiker, "Produced Water and Associated Issues", A manual for the independent operator, OKLAHOMA GEOLOGICAL SURVEY, OPEN-FILE REPORT, 2003..

3-       Alberta energy and utilities board, "Determination of Water Production at Gas Wells", September, 2004

4-       James K. Otton, Tracey Mercier, "Produced water brine and stream salinity", USGS: Science for changing wo