کاربرد و وظایف گل حفاری و خصوصیات مواد سیال حفاری

گل حفاری
Drilling Mud

 

فرمول اصلی کنترل فشار طبقات

 

 

• •Pressure = MW X Depth

 

 تعریف گل حفاری :

 

     ( Drilling Mud is a Suspension )

 

 

• •1- فاز مایع گل حفاری

     2- فاز جامد گل حفاری

 

 

• •پس می توان گفت : گل حفاری آب و یا روغنی است ( فاز مایعات ) که خواص آن با اضافه کردن مواد جامد ( فاز جامد ) قابلیت تغییر پذیری را دارا بوده و بتواند مواد جامد را بصورت معلق در خود نگاه دارد.
• •فاز مایع که در عملیات گل حفاری استفاده می شود آب است ، آب بعضی مواد را بصورت محلول و بعضی مواد را بصورت معلق در خود نگه می دارد ،

 

آبی که در ساختن گل حفاری مورد استفاده قرار می گیرد ممکن است یکی از انواع زیر باشد.

 

• •1- آب شیرین : (  Fresh Water )
• •آبی است که میزان کلرورسدیم آنها کمتر از  ppm 10000 و سختی کل آنها ( یعنی نمکهای محلول کلسیم و منیزیم ) کمتر از ppm 120 باشد.
• •2- آب شور  یا  ( Salt Water )
• •که بسته به میزان شوری و نمکهای محلول در آن به سه دسته تقسیم می شوند.
• •الف آب دریا    ( Sea Water  )  : میزان کلرورسدیم آن ppm 35000  سختی کل آن ( ppm  2500-1500 ) در نظر گرفته می شود.
• •ب آب شور  ( Brackish Water  )  : شوری این آب با شوری آب دریا فرق داردمیزان کلرورسدیم آن                                ppm  20000-10000 در نظر گرفته می شود.
• •پ - شوراب سیر یا آب نمک اشباع شده   ( Saturated Salt Water )  :  میزان کلرورسدیم آن ppm  285000 می باشد.یک محلول را در یک دمای معین وقتی از یک نمک حل شدنی ، سیر شده می خوانند که محلول درآن دما با زیادی آن نمک در حالت تعادل باشد.
• •3- آب سخت یا  (  Hard Water )
• •آب سخت آبی است که محتوی مقادیر قابل ملاحظه ای نمک های محلول کلسیم و منیزیم است . آبهای سخت را به آسانی           می توان شناخت . در این گونه آبها صابون بخوبی کف نمی کند و پارچه کاملا تمیز نمی شود.
• •
• •4- آب نرم  ( Soft Water  )
• •آبهایی هستند که بر اثر جوشانیدن به روش شیمیایی بتوان یونهای ++Ca و ++ Na را رسوب داد.

 

 

• •معمولا حفاری با آب معمولی شروع می شود. آب به تنهای در بسیاری از موارد ، بویژه در حفاری سازنده های کم فشار و   بی دردسر به عنوان یک گل حفاری مطلوب بکار برده می شود . زمانیکه با آب شروع به حفاری کردیم کم ککم مواد جامدیکه توسط مته حفر و کنده می شوند به آن اضافه شده و باعث افزایش گرانروی آب می گردند . بطور کلی به مخلوط ذرات آب و خاک حفر شده اصطلاحا" گل طبیعی یا Natural Mud  می گویند . لیکن در مواردی که آب نتواند به تنهایی وظایف یک گل حفاری خوب را انجام دهد ، باید افزودنی های بخصوصی به آن اضافه شود تا توانایی آن در انجام وظایفش افزایش یابد برخی ازاین افزودنی ها را قبل از شروع حفاری و برخی دیگر را ضمن کار حفاری به آب اضافه می کنند بهترین نوع آب برای ساختن گل های حفاری آبی ، آبی است که فاقد گل و نمک و یونهای کلسیم و منیزیم بوده .و نیز عاری از زیانه های مشابهی باشد که روی جامدات فعال گل ، آثار نا مطلوب شیمیایی گذاشته و خواص فیزیکی گل را خراب کند . هر چه آلودگی شیمیایی آب کمتر باشد  با حداقل مصرف مواد ، بیشترین راندمان را می توان داشت

 

• •کاربرد و وظایف گل حفاری
• •Functions of Drilling Mud

 

1-   خنک کردن مته و روانکاری لوله‏های حفاری:

       در اثر چرخش مته و لوله‏های حفاری که با انرژی مکانیکی انجام می‏‏گیرد و نیز تماسی که این قطعات با سازند ایجاد می‏‏کنند، حرارت ایجاد می‏‏شود سازندهای حفاری قادر  به‏ اتتقال گرما  به‏ جای دیگری دور از مته و لوله‏های حفاری نیستند لذا سیال حفاری  به‏ صورت واسطه گرمای ایجاد شده در اثر اصطکاک را جذب فاز مایع خود کرده و با گردش خود آن را در هوا آزاد می‏‏سازد و نیز با ایجاد لایه‏های لزج کم مقاومت بین لوله‏های حفاری و دیواره چاه عمل روان­کاری را انجام می‏‏دهد

 

2-    تمیز کردن ته چاه و انتقال کنده‏های حفاری  به‏ سطح زمین:

       مکانیزم عمل توسط گل حفاری بدین گونه است که گل با عبور از نازل‏های مته حفاری و فوران شدیدی که ایجاد می‏‏کند سبب تمیزی چاه شده و با گردش و بالا آمدن در فضای حلقوی بریده‏های حفاری را  به‏ بیرون انتقال می‏‏دهد در غیر این صورت این ذرات در اثر وزن اعمال شده روی مته خرد و ریز گشته و با جمع شدن دور مته از عمر آن می‏‏کاهند میزان حمل مواد به‏ بیرون به‏ عوامل زیر بستگی دارد:

 

میزان حمل مواد به‏ بیرون به‏ عوامل زیر بستگی دارد:

 

سرعت فضای حلقوی.

گرانروی پلاستیکی.

نقطه واروی.

سرعت لغزش کننده‏های حفاری.

سرعت در فضای حلقوی.

وزن مخصوص بریده‏های حفاری

      -     خروجی پمپ  

     -  ظرفیت پمپ‏های گل

 

برای حمل کننده‏های حفاری باید سرعت در فضای حلقوی بیشتر از سرعت سقوط ذرات باشد

 

 

3 - کنترل فشارهای زیرزمینی:

 

        ایجاد فشار هایدرواستاتیک برای مقابله با فشارهای داخلی سازند که ممکن است ناشی از جریان‏های آب شور وجود مواد هیدروکربوری و... باشد وظیفه گل حفاری می‏‏باشد. مقدار این فشار گل  به‏ وزن گل و عمق چاه دارد. اختلاف فشار موجود بین فشار ستون گل و نیز فشار سازند را فشار تفاضلی گویند. اگر این اختلاف:

 

اگر این اختلاف:

• • over balance باشد، معمولاً عمل هرز روی گل و نیز شکست سازند اتفاق می‏‏افتند.
• • Under balance معمولاً عمل فوران یا Kick اتفاق می‏‏افتد.

همیشه سعی می‏‏شود این اختلاف مثبت باشد.

         

عمق چاه × وزن گل = (psi) فشار هیدرواستاتیک

 

          (ft) عمق × (PPG) وزن گل × 052/0 (psi) = فشار هیدرواستاتیک

 

 شیب فشار طبیعی برابر psi / 1000ft of  depth 465/0 است.

• •-وزن گل را با دستگاهی  به‏ نام ترازروی گل یا Mud balance اندازه‏گیری می‏‏کنند که چهار واحد پوند بر گالن (PPG)، پوند بر فوت مکعب pcf، وزن مخصوص SG و شیب فشار psi / 1000ft عمق مشاهده می‏‏شود.

رابطه بین واحدهای وزن         

 

4 - اندود کردن دیواره چاه و جلوگیری از ریزش آن: گل خوب آن است که بتواند  به‏ هنگام چرخش دیواره چاه راحتی اگر بافتی سست داشته باشد  به‏ وسیله لایه نازک و نیز غیرقابل نفوذ طوری اندود کند که از ریزش دیداره و از ورود فاز مایع  به‏ سازند جلوگیری نماید. با افزودن مواد شیمیائی و پلیمری می‏‏توان اندود صافی ایجاد کرده و از افت صافی جلوگیری نمود

 

5-   معلق نگه داشتن کنده‏ها و مواد وزن افزا  به‏ هنگام خاموشی پمپ‏ها: اگر گل خاصیت تیکسوتراپیک و ژلاتینی مساعدهی داشته باشد می‏‏تواند  به‏ وظیفه فوق عمل نماید با افزودن مواد شیمیائی و تغییر درصد ذرات کلوئیدی می‏‏توان نیروهای جاذبه در گل را کم و یا زیاد نموده و تیکسوتراپی را درمان نمود

 

6-    انتقال توان هیدرولیکی پمپ‏ها  به‏ سر مته: گل  به‏ صورت محیط پیوسته توان تولید شده پمپ‏ها را  به‏ مته انتقال می‏‏دهد. هرچند مقداری از آن اتلاف می‏‏شود

 

 7-   کمک  به‏ نگه­داری لوله‏های سنگین وزن حفاری: با افزایش عمق چاه  به‏ مقدار لوله‏های حفاری افزوده می‏‏شود. این لوله‏های سنگین با قرار گرفتن در درون گل حفاری مطابق قانون ارشمیدس از وزن آن­ها کاسته شده لذا کمک شایانی  به‏ دستگاه‏های نگهدارنده آنها می‏‏شود زیرا از طرف گل حفاری برخلاف نیروی ارشمیدس نیروئی  به‏ سمت بالا  به‏ لوله‏های حفاری اعمال می‏‏شود.

 

 

8-   کاهش صدمات و خوردگی  به‏ دستگاه‏های حفاری:

    با افزودن مواد شیمیائی  به‏ گل می‏‏توان از خوردگی ناشی از H2S و باکتری‏ها و... درون سازند جلوگیری کرد.

9­  کمک  به‏ ارزیابی و تعبیر و تفسیر نمودارها:

      وقتی Log  به‏ درون چاه رانده می‏‏شود چاه پر از گل بوده و می‏‏توان توسط آن از وجود هیدروکربون‏های موجود مطلع شد، لذا گل حفاری باید از چنان توانایی برخوردار باشد که بهترین نتیجه را در تعیین و تفسیر نمودارها ارائه نماید

 

10 -   ترخیص کننده‏های حفاری و شن‏ها روی الک لرزان: گل حفاری پس از برگشت از درون چاه روی الک لرزان ریخته شده و کنده‏های حفاری روی آنها جدا می‏‏شوند و سپس  به‏ درون چاه بر می‏‏گردد؟ یعنی  به‏ صورت سیکل بسته عمل می‏‏نماید. ترخیص شن‏ها در روی الک بسیار مهم می‏‏باشد. زیرا آن­ها فوق‏العاده فرساینده بوده و در صورت برگشت  به‏ درون چاه مجدداً وارد پمپ شده و سبب فرسودگی سریع آن­ها خواهد شد.

 می‏‏توان میزان درصد شن را در لوله خرجی چاه discharge flowline و مکش پمپ Pump Suction اندازه‏گیری کرد.

خواص فیزیکی و رئولوژیکی گل حفاری پایه آبی

• •گرانروی پلاستیکی (PV): از خاصیت مطلق جریان سیال بوده و منعکس کننده رفتار کلوئیدی و فعالیت سطحی ذرات جامد موجود در گل حفاری می‏‏باشد و اندازه گیری آن در تعیین علت غیرطبیعی بودن گرانروی بسیار مفید است. سهمی که PV در ایجاد مقاومت در برابر جریان حرکت گل دارد ناشی از اصطکاک مکانیکی (mechanical friction) است

 

 این اصطکاک ممکن است:

• •بین خود ذرات گل  به‏ وجود آید.
• •بین ذرات جامد و فاز مایعی که در اطراف آن­ها وجود دارد ایجاد شود.
• •در اثر عمل shearing خود  به‏ وجود آید.
• •می‏‏توان گفت این خاصیت گل مقدار Shear stress وارده از یک لایه  به‏ لایه دیگر را کنترل می‏‏کند با استفاده از دستگاه ویسکومتر Fa می‏‏توان میزان آن را اندازه‏گیری نمود:
• در گل‏های سنگین حفاری (ذرات جامد) بخش بزرگی از حجم سیستم را تشکیل می‏‏دهند. اصطکاک بین ذرات زیاد لذا PV افزایش می‏‏یابد. خرد شدن ذرات جامد به‏ ذرات ریز در اثر grinding مته باعث افزایش این خاصیت گل می‏‏شود.

 

 روش‏های کاهش PV:

• • رقیق سازی و ستفاده از آب در گل، غلظت ذرات کاهش و به‏ دنبال آن اصطکاک بین آن­ها کمتر شده و PV و AV کاهش می‏‏یابد.
• • الک لرزان: جدا سازی ذرات بزرگ گل و نیز پرهیز از استفاده از آب در روی توزیع‏ها که سبب شستن ذرات ریز و واریز آن­ها  به‏ سیستم گل می‏‏شود.
• • سانتریفیوژ: با عمل مکانیکی ذرات جامد گل را برحسب اندازه آن­ها جدا می‏‏کند.
• •شن زدا (desander - desiter) با جدا سازی شن غلظت آن­ها را  به‏ حداقل می‏‏رساند. PV تابعی از گرانروی فاز مایع (آب) می‏‏باشد که با افزایش دما میزان آن کاهش می‏‏یابد.

 

نقطه واروی یا نقطه تسلیم (YP):

 

• •میزان نیروی جاذبه بین ذرات گل براثر وجود بارهای مثبت و منفی روی سطح ذرات در اثر حرکت را yield point گویند.

 

این خاصیت مستقیماً  به‏ قدرت حمل بریده‏های حفاری تأثیر گذار است.

 

عواملی که YP را تغییر می‏‏دهند:

 

• •بارهای مثبت و منفی روی سطح ذرات جامد گل.
• • غلظت یون‏های موجود در تعلیق گل حفاری.
• • وجود الکترولیت‏های مختلف در سیستم حفاری.
• • محیط شیمیایی که در تعلیق ایجاد می‏‏شود.
• • بارهای مثبت و منفی روی سطوح ذرات خیلی ریزتر.
• • غلظت حجمی ذرات جامد گل و خصوصیات سطحی آنها.

 

عواملی که گرانروی و نقطه واروی را افزایش می‏‏دهند:

 

• •حفاری سازندهای تورم‏پذیر hydratable که سبب افزایش مقدار شارژهای الکتریکی و نیز تنگی چاه و نزدیکی ذرات  به‏ همدیگر می‏‏شود.
• •ورود زیانه‏های محلول مانند نمک، سیمان، گچ، که بارهای منفی رس را خنثی نموده و سبب کلوخه‏ای شدن آنها و نیز بالا رفتن YP می‏‏شود.
• • ورود جامدات غیرفعال  به‏ محیط گل (نیروی جاذبه ذرات در اثر نزدیکی بیشتر می‏‏شود).
• • درمان‏های ناقص با مواد شیمیایی که سبب باقی ماندن بخشی از نیروی‏های جاذبه می‏‏شود.
• •خرد شدن سطوح ذرات جامد در اثر مته حفاری

 

درمان افزایش YP:

 

• •اگر افزایش YP در اثر ورود یون‏های Ca++ و Mg++ باشد می‏‏توان با رسوب دادن این یون‏ها توسط مواد شیمیایی مانند بیکربنات سدیم و کربنات سدیم از محیط خارج و نیروی جاذبه آنها را کاهش داد.
• • استفاده از آب  به‏ شرطی که غلظت مواد جامد زیاد باشد.
• • ظرفیت‏های پیوندهای شکسته شده در اثر آسیاب مته را می‏‏توان با جذب بعضی از یون‏های منفی بر لبه ذرات ریز رس خنثی نمود با استفاده از تینرهای شیمیایی آلی و معدنی

 

اندازه‏گیری YP با استفاده از ویسکومتر Fa:

           

 

استحکام ژله‏ای (GS):

 

• •برخلاف نقطه واروی عبارت است از اندازه‏گیری نیروهای جاذبه درون سیستم گل وقتی که سیستم در حال سکون است. توانایی گل جهت آشکار کردن و باقی نگهداشتن ساختمان ژله‏ای گل را gelstrengh گویند.

 

خاصیت تیکسوتراپی گل در حالت سکون آن را گویند. هر عاملی که YP را بالا ببرد می‏‏تواند روی استحکام ژله‏ای نیز تأثیرگذار باشد

 

اندازه‏گیری gel strength:

 

• •معمولاً در 2 نوبت می‏‏توان با استفاده از ویسکومتر اندازه‏گیری نمود. در 10 ثانیه اول و در 10 دقیقه بعد

 

      با قراردادن لیوان گل زیر ویسکومتر و خواندن انحراف عقربه در دور 3 بعد از گذشت 10 ثانیه یا 10 دقیقه

    واحد آن نیز همانند نقطه واردی 1b / 100ft2 می‏‏باشد.

 

• •طبقه بندی استحکام ژله‏ای:

 

 

GS ضعیف یا شکننده: مقدارش ابتدا کمی زیاد بوده و با گذشت زمان چندان افزایش در آن مشاهده نمی‏شود.

 

GS قوی یا تصاعدی: مقدارش ابتدا کم ولی با گذشت زمان  به‏ صورت پیوسته و تصاعدی افزایش می‏‏یابد و بسیار محکم و سخت می‏‏شود. برای شکستن آن نیاز  به‏ فشار زیاد پمپ می‏‏باشد. علت ایجاد چنین استحکام ژله‏ای معمولاً غلظت زیاد ذرات گل می‏‏باشد.

 

مشکلاتی که در اثر بالا رفتن گرانروی و GS بروز می‏‏کنند عبارتند:

• •به‏ جریان در آوردن گل از حالت سکون و حفظ گردش آن نیاز  به‏ فشار پمپ بسیار زیاد دارد.
• •در اثر Pressure surge گل گم می‏‏شود.
• •در اثر Swabbing گاز آب شور و...  به‏ داخل چاه راه می‏‏یابند.
• •در اثر ورود هوا و... فشار هیدرواستاتیک کاهش و حادثه فوران روی می‏‏دهد.
• •حمل بیش از حد شن و ماسه باعث فرسایش قطعات دستگاه می‏‏گردد.
• • فرستادن ابزارهای logging  به‏ ته چاه با اشکال صورت می‏‏گیرد.

 

مواد افزودنی  به‏ سیالات حفاری پایه آبی:

 

• •از آنجائیکه قبلاً متذکر شدیم گل حفاری پایه آبی از فاز مایع (آب) و فاز جامد (سازند و بنتونیت و خاک رس نمکی بسته  به‏ میزان نمک سیستم) تشکیل می‏‏یابد که افزایش عمق چاه و تغییر شرایط با استفاده از ترکیبات فوق نمی‏توان انتظار داشت که گل حفاری تمامی وظایفی که قبلاً  به‏ آنها اشاره شد انجام دهد لذا وجود افزودنی‏های فراوان  به‏ سیستم ضروری می‏‏باشد:

 

 گرانروی سازها (Viscosifirs):

 این مواد برای ایجاد گرانروی بهبود خواص رئولوژیکی  به‏ سیستم اضافه می‏‏شوند

بنتونیت:

از معروف‏ترین و مهم­ترین ماده معدنی در ایجاد گرانروی و نیز کنترل افت صافی  به‏ سیستم اضافه می‏‏شود و از طریق آماس ذرات و نیز جذب آب در درون لایه‏ها خواص گل را بهبود می‏‏بخشد و بیشتر در آب‏هایی که میزان نمک آنها کمتر از 4 درصد باشد مورد استفاده قرار می‏‏گیرد.

 

 

• •خاک رس نمکی:

       دارای ساختمان سوزنی شکل بوده و این ذرات دور هم جمع شده و در آب‏های شور ایجاد گرانروی کرده ولی  به‏ خوبی بنتونیت قادر  به‏ کنترل افت صافی نیست.

• • آزبست:

       ماده‏ای است معدنی که هم در آب‏های شور و هم در آب‏های شیرین ایجاد گرانروی می‏‏کند. از آنجائی که در استفاده از آن دقت کافی لازم است و عارضه ریوی در کارگران ایجاد می‏‏کند استفاده از آن در حداقل ممکن قرار دارد.

• •­ مواد پلیمری:

      این مواد از به هم پیوستن مولکول‏های طولانی و نیز با وزن مولکولی متفاونی در گل حفاری استفاده می‏‏شوند و اخیراً پلیمرهای مختلفی در صنعت حفاری  به‏ کار گرفته می‏‏شود با استفاده از این مواد ذرات جامد گل افزایش جزئی یافته و سیستم انعطاف‏پذیری ایجاد کرده  به‏ طوری که  به‏ راحتی از منافذ و جت‏های مته عبور می‏‏نمایند

 

• •CMC-HV: که همان کربوکسی متیل سلولز یا گرانروی بالا بوده و تا  ایجاد گرانروی کرده و نوع کم گرانروی آن افت صافی را کنترل می‏‏کند. بیشتر در گل‏های لیگوسولفونایتی استفاده می‏‏شود/
• • Xc-Polymer: این ماده پلی ساکاروید با وزن مولکولی بالا به‏ عنوان افزاینده گرانروی در سیستم آب‏های شور و شیرینی به­کار می‏‏رود. به‏ منظور جلوگیری از تخمیر شدن آن استفاده از جلوگیری ساز ضروری بوده و تا  کارآیی لازم را حفظ می‏‏کند.
• • PHPA: نوع پلی‎‏مر جدیدی است که در صنعت حفاری ما وارد شده است. علاوه بر ایجاد گرانروی به‏ عنوان کنترل کننده شیل کاربرد دارد.
• •PAC: یا پلی آنیویک سلولز با ایجاد گرانروی افت صافی را نیز کنترل می‏‏نماید و محدودیت استفاده از آن تا 300 می‏‏باشد. معمولاً به‏ دو صورت به‏ صنعت عرضه می‏‏شود.

 

• •HEC : همان هیدراکسی اتیل سلولز بوده و وظیفه اصلی آن کنترل افت صافی و نهایتاً در ایجاد گرانروی نیز بی‏تأثیر نمی‏باشد تا 250 کارآیی خود را حفظ می‏‏نماید. در سیالات تکمیلی  به‏ کار می‏‏رود لذا در گل‏های سنگین وزن استفاده از آن توصیه نمی‏شود آن را می‏‏توان  به‏ همراه سایر پلیمرها در ایجاد گرانروی آب‏های شور  به‏ کار برد.
• • BEN-Ex: یا همان Vinyl Acctate Maleic Anhydrate می‏‏باشد و برای افزایش گرانروی بنتونیت و نهایتاً Yield آن  به‏ کار می‏‏رود.

 

 کاهنده‏های افت صافی Fluid Loss Reducers:

• •کنترل افت صافی (صافاب) سیالات حفاری و  به‏ حداقل رساندن آن به‏ منظور جلوگیری از مشکلات متابعه از وظایف اصلی گل‏شناس می‏‏باشد مواد زیادی به‏ همین منظور در داخل و خارج از کشور ساخته و به‏ بازار صنعت حفاری ارائه شده‏اند.
• •بنتونیت
• • نشاسته: از دانه ذرت، سیب‏زمینی، یا گندم تهیه و یا افزودن اسید هیدرکلریک در مجاورت حرارت به‏ آن خاصیت ژلاتینی می‏‏دهند. جرم مولکولی آن تا 100000 بوده و  به‏ منظور کنترل افت صافی به‏ سیستم گل حفاری پایه آبی افزوده مـی‏‏شود. تنها معایب ایـن مـاده تخمیر شدن آن در حرارت‏های بالاتر از 180 می‏‏باشد که کاربرد آن را محدود ساخته است. از آن گل‏های آب نمک اشباع و PH بالا استفاده می‏‏کند.
• •Cmc-LV: نوعی از کربوکسی متیل سلولز با گرانروی پائین می‏‏باشد. به‏ صورت وسیع در آب کلوئیدی بوده و پخش می‏‏شود. محدودیت آن این است که سریعاً در حضور یون‏های کلسیم راسب شده و حداکثر در محدوده ppm50000 یون کلراید بکار گرفته شود.
• • Dris pac که قبلاً  به‏ آن پرداخته شد.

سیالات حفاری...