سیالات حفاری

معماری فرهنگ قوم لر حفاری وسیالات حفاری تمدن لرستان

 
 
نویسنده : رضا سپهوند - ساعت ٤:٥٧ ‎ق.ظ روز ۱۳٩۳/۸/۱٤
 

 

مروری
بر پایداری کف حفاری
Review of Drilling Foam stability

به
طور کلی کف گازی است
پراکنده چون هوا درون یک
سیال که به وسیله یک
سورفکتانت با کاهش کشش

سطحی
محل تماس آب و هوا
ایجاد می شود

) پورتر
4991 (. حباب ها افزون
بر فشار اتمسفری دارای یک
فشار

داخلی
نیز هستند که وابستگی زیادی
به اندازه حباب، استحکام غشاء
و پوسته آن دارد
. حباب ها در یک
کف

خشک
که در آن ضخامت دیواره
مطابقت کمی با اندازه آنها
دارد کروی نیستند اما به
هم پیوسته اند و چند
وجهی

منظمی
را تشکیل می دهند که
اغلب به شکل

41 وجهی
) سطحی
( منظم دارای
غشاهای تقریباً مسطح مایع ) در

.) بین آنها ( دیده می شود )شکل 4

شکل
) 4( : ساختار کف در
نمای دو بعدی

غشاهای
نازک دارای انرژی سطحی هستند
و سورفکتانت ها باعث
کاهش این انرژی شده اند
و از این پس
وجود

انرژی
خود باعث به وجود آمدن
کف می گردد
.
برای یک
نسبت هوا به سیال ثابت،
مساحت سطحی و در نتیجه

انرژی
کل با کاهش اندازه حباب
ها افزایش پیدا می کند
. یعنی یک ترکیب حاوی
حبابهای بسیار ریز دارای انرژی

به
مراتب بیشتر از همان ترکیب
دارای حباب های درشت است
. با توجه به اینکه
هر ساختار برای رسیدن به
تعادل

نیازمند
از دست دادن انرژی

)پتانسیل(
است و
در حالت تعادل از کمترین
انرژی پتانسیل برخوردار می باشد،
کف

2

در
یک سیر تحولی از وضعیت
ناپایدار دارای انرژی پتانسیل بالا
به وضعیت مایع دارای حداقل
انرژی پتانسیل

تبدیل
می شود
. انرژی پتانسیل هر مولکول
از لامینه های کف برابر
با حاصل ضرب وزن در
ارتفاع آن از سطح مبنا

)سطح سیال( است. در این صورت انرژی
پتانسیل کل از مجموع تمام
این انرژی ها بدست می
آید. در هر
صورت

ترکیبی
دارای پایداری بیشتری است که
با جلوگیری از سقوط سقلی
سیال یا مولکول های تشکیل
دهنده کف
) از

قبیل
مولکولهای آب، انواع نمک ها،
پلیمرها، رس ها و غیره
( مدت زمان بیشتری این
انرژی را در خود حفظ

نماید.

سورفکتانت
ها
:

سورفکتانت
ها به عنوان مواد اصلی
سازنده کف از نقطه نظر
منشا دو گونه اند

: نوع اول
شوینده های مصنوعی و

نوع
دوم شوینده هایی که اساس
پروتئینی دارند
. اکثر سورفکتانت ها به
صورت مصنوعی ساخته می شوند
و مقدار

اندکی
از آنها نیز از منشاء
پروتئینی هستند
.

3 پایدار کننده – – 14 مواد ایجاد کننده کف
پروتئینی و % 44 به طور
کلی کف سازهای پروتئینی شامل % 14

5 شوینده مصنوعی کف گلایکولی هستند.
در حالی
که کفسازهای مصنوعی ) به طور
ویژه آنیونی ( شامل % 34

45 پایدار کننده کف اتر
گلایکولی می باشند. جهت ساخت کفساز هر
دو ممکن است دارای تقریباً % 5 و % 14

پلیمر
محلول نیز باشند
.
کفسازهای مصنوعی
شامل ترکیبی از هیدروکربن های آنیونی
، حلال
و پایدار کننده های

کف
می باشند
. آنها تمایل به ناپایداری به
دلیل بالا بودن سرعت زهکشی
سیال بین دیواره ای دارند. کفسازهای

پروتئینی
نیز شامل پروتئین هیدرولیز شده، حلال،
کلرید سدیم، نمک های آهن
و کلسیم، پایدار کننده
کف و

نگهدارنده
است که در یک محلول
آبی قرار دارد
.
پروتئین مذکور
ممکن است از موادی چون
دانه های سویا،

نشاسته
)چسب(
ذرت، خون
، پودر
شاخ و سم حیوانات، دور ریز
بقایای ماهی یا پودر پر
و بال پرندگان بدست

آید.
کف سازهای
پروتئینی عموماً خشک )
stiff
(، پایدار و دارای
آب از دست دهی خیلی
کمی هستند. پلیمرها

ممکن
است به مواد کفساز برای
افزایش گرانروی کف و بهبود
خواص تیکسوتراپیک آن افزوده شوند
.
تاثیر چنین

افزودنی
هایی کمک به پایداری بیشتر
کف ایجاد شده است
.

یک
کف ساز مناسب به ترتیب
اهمیت از مواد زیر تشکیل
می شود
:

3

v سورفکتانت ها یا مواد
کاهنده کشش سطحی
:

v مواد پایدار کننده حباب
های کف
: کف باید دارای
قوام و پایداری مناسبی باشد. تقویت کننده ها
یا پایدار کننده

های
کف موادی هستند که با
اضافه شدن به ترکیب سبب
افزایش کیفیت، حجم و پایداری
کف
) Foam در

صنعت
حفاری و
Lather در صنعت شامپوسازی
( و در
نتیجه افزایش چشمگیر نیمه عمر
آن می شوند. از جمله

این
مواد می توان به ترکیباتی از
قبیل گلایکول ها

) چون پلی
اتیلن گلایکول )
PEG (، مونو اتیلن گلایکول

( MEG (، هگزیلن گلایکول (، آلکانول
آمیدهای اسیدهای چرب ) مانند لوریک ایزو پرو
پانول آمید، لوریل دی

اتانول
آمید، لوریل مونو اتانول آمید،
کوکونات مونو اتانول آمید

(، سوپرآمیدها، الکل های
چرب با غلظت پایین و

در
مقادیر کمتر سارکوزین ها و
فسفات ها اشاره کرد
.
در صورت
عدم استفاده از پایدار کننده
های مناسب و کافی

نبودن
درصد آن در ترکیب، حباب
های کف به دلیل بالا
بودن سرعت آبدهی

)زهکشی(
سیال بین
دیواره ای بسیار

ناپایدار
خواهند بود
. تخلیه سریع سیال بین
دیواره ای از دیواره های
حباب سبب کاهش سریع استحکام
دیواره ای

و
متلاشی شدن حباب می گردد
. جریان سیال در اطراف
حباب به طبعیت از جاذبه
زمین از بالا به طرف
پایین

خواهد
بود و در پایینترین سطح آن
از سیال بین دیواره ای
خارج می گردد

) شاهد این
ادعا جمع شدن سیال

مذکور
در پایینترین قسمت ظرف و آغاز
فروپاشی حباب ها از بخش
بالایی است
(. این امر سبب نازک
شدن

سطوح
بالایی حباب می گردد و
هنگامی که سطوح نازک بالایی
تحمل خود را در مقابل
نیروهای وارده از دست

بدهند
حباب مذکور می شکند
.

v حلال : به طور ویژه
آب دیونیزه و فاقد هر
گونه بار میکروبی و تنها
در جهت کاهش گرانروی بکار
می رود.

در
صورت استفاده از آب سخت
و دارای بار میکروبی، کفساز
ها که عمدتاً از نوع
سدیم لوریل یا اتر لوریل

سولفات
هستند در واکنش با کاتیون
های فلزی تشکیل رسوب می
دهند و کیفیت آنها به
میزان قابل توجهی کاهش

می
یابد
. بالا بردن بیش از
حد درصد آب نیز سبب
بالا رفتن آبدهی ترکیب حاصل
و کاهش کیفیت خصوصیاتی

چون
گرانروی و در نتیجه کاهش
پایداری کف می گردد
.
از همه
اینها گذشته افزایش آب سبب
افزایش شدید

دمای
انجماد ترکیب و نزدیک شدن
آن به دمای انجماد آب
)صفر درجه( و یخزدگی در زمستان
می گردد. همچنین

سبب
کاهش شدید گرانروی و نشتی
بشکه های مربوطه نیز می
گردد
.

4

v مواد ضد خوردگی : سیلیکات سدیم
جهت جلوگیری از کلوخه ای
شدن و خوردگی فولاد و
آلومینیوم.

v نگهدارنده ها و مواد
محافظ میکروبی
: برای جلوگیری از رشد
باکتریها و فساد حاصل از
عملکرد آنها ) موادی

چون
فرمالدئید، هیدروکسی بنزوات، متیل پارابن، فنیل
مرکوریک استات، نمک های دهیدرو
استیک اسید و غیره

(.

v نمک های فلزی : کلراید سدیم
و نیز سولفات سدیم
و غیره جهت رقیق
سازی.

v ضد یخ : در صورت احتمال
یخ زدگی در زمستان.

v عوامل ضد بازنشینی : اولین و مهمترین
ماده در این دسته
CMC ) کربوکسی متیل سلولز ( است که با D.S (

درجه
جایگزینی
( درجه آن مشخص می
گردد. وقتی به
عنوان
D.S عدد 4.5 ذکر می شود، یعنی نصف
OH های

موجود
در مولکول های سلولز به
طور متوسط عوض شده اند،
حلالیت و گرانروی حاصل از
CMC با این درجه

مرتبط
است
. ممکن است در مولکولهای مختلف
این عدد 4.1 تا 4.0 و
یا در حد اندازه های
مختلف دیگر تغییر

کند.
کیفیت یک
کف ساز به ضریب انبساط ) نسبت حجم کف
تولید شده به حجم آب )سیال( اولیه ( و نوع و

ماهیت
آن و غلظت مواد تولید
کننده و نیز پایدار کننده
کف بستگی دارد
.

یکی
از نمونه های کاربردی محلول
تولید کننده کف به شرح
زیر است
) سه
هزار و شصت روش ساخت
مواد نانو

:) و فرآورده های صنایع
شیمیایی، دکتر محمود ادریسی، صفحه
973

محلول
تولید کننده کف
:

مواد
قسمت وزنی

لوریل
الکل اتر سولفات

)
تِگزاپون
و یا ژناپون
( 144

هگزیلن
گلایکول
) و
یا پلی اتیلن گلایکول
( 444

لوریک
ایزو پرو پانول آمید

144

آب
544

5

شوینده
ها یا مواد فعال ساز
سطحی
:

ترسازها
)
Surfactants ( در حقیقت مواد
فعال ساز سطحی هستند که
سبب کاهش کشش سطحی سیال
می

شوند.
سطح می
تواند بین جامد و مایع،
گاز و مایع ) کف ( و یا دو مایع
غیر قابل امتزاج ) امولسیون ( باشد.

اولین
و مهمترین خصوصیت این
مواد این است که غلظت
این مواد در سطح بیشتر
از غلظت آنها در توده
است
.

مقدار
کمی از این مواد می
تواند کشش سطحی را به
میزان قابل توجهی کاهش دهد
. به طور مثال افزودن 4.4

درصدی
یک کف ساز خوب می
تواند کشش سطحی آب را
از
71 به 34 دین بر سانتی متر
مربع کاهش دهد.

تمام
این مواد ترکیبی مشابه دارند
. هر مولکول خواصی دوگانه
دارد. یک قسمت
از آن که اصطلاحاً دم نامیده
می

شود
غیر قطبی، آب گریز

)
hydrophobe ( یا چربی دوست ) lipophile
( است و
ماهیت هیدروکربنی دارد،

قسمت
دیگر که سر نامیده می
شود قطبی و یا به
عبارتی قابل یونیزه شدن و
یا آبدوست
) hydrophilic ( و یا آب

خواه
)
hydrophile ( است ) شکل 1 (. سر مولکول ممکن است
در یکی از دو انتهای
مولکول و یا در قسمت

های
دیگر آن باشد
.
مولکولهای این
مواد در سطح یا میان
سطح قرار می گیرند و
به طوری جهت دار می
شوند که

قسمت
سر
) بخش قطبی ( به سمت محیط آبی
و قسمت دم ) بخش آلی ( به طرف هوا ) در سطح ( و یا در
بخش

روغنی
) میان سطح ( جهت گیری کند.

شکل
) 1( : بخش های دوگانه
یک سورفکتانت ) آنیونی (

انواع
مواد فعال ساز سطحی

) طبقه بندی
سورفکتانت ها (

6

از
منظر تجاری سورفکتانت ها بر
اساس کاربردشان طبقه بندی می شوند
. اما به دلیل اینکه
بسیاری از سورفکتانت

ها
دارای کاربرد های مختلف هستند
این روش کاربرد زیادی ندارد
. علمی ترین و قابل
قبول ترین طبقه بندی

سورفکتانت
ها بر اساس تجزیه و
تفکیک آنها در آب است
. مواد فعال ساز سطحی
با توجه به بار الکتریکی قسمت

یونی
خود به چهار دسته مهم
زیر تقسیم می شوند
:

)1 سورفکتانت های آنیونی

این
مواد هنگام حل شدن در
آب یک آنیون بزرگ تولید
می کنند که یک طرف
آن آبدوست و یک طرف
دیگر

چربی
دوست است
. طرف آبدوست و قطبی
این مواد دارای بار منفی
است. آنها شامل
آلکیل بنزن سولفونات )

شوینده
(، صابون ها ) اسیدهای چرب (، لوریل
سولفات ها و لوریل اتر
سولفات ها ) کف سازهای
آب شیرین (،

دی
آلکیل سولفوسوکسینات
) ماده ترساز (، لیگنوسولفونات ها ) پراکنده سازها ( و ... هستند. طرف آبدوست

سورفکتانت
های آنیونی که ارزانترین گروه سورفکتانت ها
را تشکیل می دهند عبارتند
از
: سولفات ها ) SO ،) 1

سولفونات
ها
) SO3
(، فسفات ها و
کربوکسیلات ها که سولفات ها
و سولفونات ها معمولترند. بخش غیر آبدوست

می
تواند آلیفاتیک، سیکلوآلیفاتیک یا آروماتیک باشد
.
سورفکتانت های
آنیونی دارای خواص پاک کنندگی
خیلی

خوب،
کف کنندگی خیلی خوب، و
نیز پایدارکنندگی کف
) Foaming Boosting ( هستند.

7

مهمترین
سورفکتانت های آنیونی مورد استفاده
در صنعت کف سازی عبارتند
از
:

الف(
آلکیل سولفات
های نوع اول
Primary Alkyl Sulfates

41 اتم کربن است به
ویژه آنها که حاوی
آلکیل
سولفات های نوع اولی که
طول زنجیره کربنی آنها

41
C ، 41

C ، 41 C40 هستند کف
خیلی خوبی تولید می کنند. ترکیب یک آلکیل
سولفات مناسب می تواند به
شرح زیر باشد:

C41 :
1%, C40
: 41%,
C
41 : 11%, C41
: 01%,
C
44 : 1%

پرکاربردترین
این مواد در صنعت کفسازی
ترکیباتی از سدیم است
.
رایجترین سورفکتانت های
این دسته از املاح

لوریل
الکل
) C41H15OH (
و میرستیل
الکل )
C41H19OH (
می باشند. لوریل سولفات ها
حجم کف بیشتری تولید

می
کنند در حالی که میرستیل
سولفات ها کفی با قوام
بهتر تولید می کنند، به
گونه ای که مخلوط این
دو حالت

ایده
آلی تولید می کند
.
حلالیت این
سورفکتانت ها در آب سرد
کم است و با افزایش
دما حلالیت آنها نیز افزایش

.) پیدا می کند ) شکل 3

شکل
) 3( : سدیم لوریل سولفات
سورفکتانت مورد استفاده جهت ایجاد
کف در آب شیرین

8

آمونیم
لوریل سولفات نیز از جمله
پاک کننده هایی است که
حلالیت خوبی دارد و کف
مناسبی تولید می کند
.

این
ماده در مقایسه با سدیم
لوریل سولفات مقاومت بیشتری نسبت
به هیدرولیز در محیط اسیدی

) تا
PH کمتر

.) از 1.5 ( از خود نشان می
دهد ) شکل 1

شکل
) 1( : ساختمان آمونیم لوریل
سولفات

ب(
الکل اتر
سولفات ها
Alcohol Ether Sulfates

سولفات
های الکل های چرب اتوکسیله ارزان
قیمت و دارای اثرات محافظت
کنندگی کف
) Booster ( می

باشند.
مهمترین این
ترکیبات سدیم لوریل اتر سولفات
یا سدیم لورِت سولفات )
Sodium
Laureth Sulfate
،

ماده
اصلی پرکاربرد تولید کننده کف در
شامپوهایی چون
Head & Shoulder ،
کریستال، اِمِرون و

... (،

آمونیوم
لوریل اتر سولفات

) یا آمونیم
لورِت سولفات مورد استفاده در
شامپوهایی چون
Head & Shoulder ( و

نیز
تری اتانول آمین لوریل اتر
سولفات است
. از جمله این مواد
می توان به
ESB ،
ژناپول
) Genapol ( و تگزاپن

( Texapon ( اشاره نمود. ساختمان آنها به
صورت زیر است:

C41H15(OCH1CH1)n OSO3Na

که
n به طور معمول
1 یا
3 است.
این مواد
با
n=3
دارای اثر
کف کنندگی مناسبی هستند.

نامهایی
چون
Sodium Alkyl Ether Sulfate ،
Sodium lauryl Ether Sulfate ، Sodium laureth Sulfate معرف تگزاپون و ژناپول
در صنعت کفسازی است
.

)2 سورفکتانت های کاتیونی

9

در
این گروه بخش هیدروفیل یا آبدوست
دارای بار الکتریکی مثبت است
. این مواد با انواع
غیریونی سازگار و با

سورفکتانت
های یونی به خصوص آنیونی
ها به دلیل ایجاد رسوبِ
نامحلول ناسازگارند
. دارای خواص باکتری

کشی
هستند و در شامپوهای ضد شوره
از آنها استفاده می گردد
. کف خوبی تولید می
کنند اما نسبت به

سورفکتانت
های آنیونی قدرت تولید کف
کمتری دارند، همچنین دارای قیمتی
به مراتب بالاتر از سایر
سورفکتانت

ها
هستند
. قدرت پاک کنندگی آنها
کمتر از سورفکتانت های آنیونی
است. به همین
دلیل از عمومیت کمتری در

مقایسه
با سورفکتانت های آنیونی و غیر
یونی برخوردارند
. از جمله این مواد
می توان به
Cetyl trimethyl ammonium bromide اشاره
نمود
.

)3 سورفکتانت های آمفوتری

این
نوع سورفکتانت ها بسته به
PH محیط می توانند همانند
آنیون ها یا کاتیون ها
عمل کنند
. بخش آبدوست این

سورفکتانت
ها دارای یک ترکیب مرکب
یونی مثبت و نیز منفی
است
. به همین خاطر این
ماده دارای خواصی

دوگانه
است
. یعنی قادر است در
محیط قلیایی نقش آنیون و
در محیط اسیدی نقش کاتیون
را بازی کند. این مواد

کف
خوبی تولید نمی کنند اما
به دلیل پایین بودن قدرت
تحریک پوست در شامپوهایی چون شامپوی
بچه کاربرد

دارند.
این سورفکتانت ها
با همه گروه های قبلی
سازگارند.
تحقیقات اخیر
حاکی از این است که % 05 از کل پاک

کننده
های مصرفی جهان آنیونی،

% 19 غیر یونی، % 5 کاتیونی و تنها % 4 آمفوتر است.

)4 سورفکتانت های غیر یونی

بخش
آبدوست آنها غیر یونی است
. قدرت تولید کف بسیار
کمی دارند. سازگاری آنها
با سورفکتانت های آنیونی،

عدم
حساسیت به آبهای سخت، عدم
حساسیت به
PH ،
عدم حساسیت پوست نسبت به
آنها سبب شده است که

این
مواد پس از آنیونی ها
پر مصرف ترین سورفکتانت های مورد
استفاده در سطح جهان باشند
.

ویژگی
های کف

با
توجه به اینکه حفاری با
کف در شرایط ویژه ای
انجام می گیرد خصوصیات کف
ایجاد شده جهت بدست آمدن

بهترین
راندمان از اهمیت بالایی برخوردار است
. از جمله این ویژگی
ها می توان به ضریب
انبساط کفساز،

11

پایداری
یا ماندگاری کف، تحمل حرارتی بالا،
پایین بودن آبدهی، عدم ایجاد
رسوب هنگام برخورد با آب
های

سازندی
سخت و شور، قابلیت حمل
کنده،
PH و داشتن خاصیت روان
کنندگی جهت کاهش اصطکاک رشته

حفاری
اشاره کرد
. در ادامه پاره ای
از این ویژگی ها مورد
بحث قرار خواهد گرفت.

)1 ارتفاع کف یا ضریب
انبساط سورفکتانت مورد استفاده

خصوصیات
یک کف ساز به ضریب
انبساط
) نسبت حجم کف تولید
شده به حجم سیال اولیه (، نوع و ماهیت
آن

و
غلظت مواد کف ساز درون
سیال بستگی دارد
.
در صنعت
دو روش آزمایشگاهی برای سنجیدن
ضریب انبساط

کفساز
وجود دارد
. در روش اول با
تزریق نیتروژن یا هوا از
پایینترین بخش ظرف شیشه ای
حاوی مخلوط آب و

کفساز،
کف مذکور بدست می آید،
در صورتیکه در روش دوم
از مخلوط کننده

)
Mixer ( برای ساخت کف

استفاده
می گردد
. نتایج حاکی از این
است که یک کف حفاری
باید دارای ضریب انبساطی بالاتر
از 1 در آب
شیر

باشد
و این عدد می
تواند تا
44 نیز تغییر کند. بی شک یکی از
ویژگی های مهم یک سورفکتانت توانایی
و قدرت

کف
سازی آن در شرایط مختلف
است
. از نقطه نظر تولید
کف، سورفکتانت های آنیونی دارای بالاترین ظرفیت

تولید
کف و نیز به همین
نسبت ارزانترین و با صرفه ترین
ماده در این زمینه اند
. به طوریکه در تمام
فرآورده های

بهداشتی
از جمله شامپوها که دارای
شبیهترین ترکیب به کفسازهای حفاری هستند
از این مواد به عنوان
پاک کننده

و
نیز تولید کننده و حتی
قوام دهنده کف استفاده می
گردد
. در این میان ترکیبات
سدیم و آمونیم لوریل و
اِتِر

لوریل
سولفات از اهمیت بالایی برخوردارند
.

)2 پایداری کف و ارتباط
آن با نوع و غلظت
افزودنی های مختلف

همه
کف ها نیمه پایدار هستند
و سرانجام فرو می
ریزند
. اما می توانند طوری
ساخته شوند که برای مدتی
طولانی

پایدار
باقی بمانند
. دانستن کل زمان پایداری
یک کف در فضای پیچشی
چاه بسیار مهم است. چرا که هنگام

متوقف
کردن پمپاژ و شروع مجدد
آن پس از یک یا
چندین ساعت
) مثلا در مراحل مختلف
لوله پایین تا رسیدن

به
ته چاه
(، در صورت
پایین بودن پایداری، فروپاشی کف
درون چاه و تبدیل آن
به سیال اولیه باعث ایجاد
فشار

هیدرواستاتیک
مضاعف می گردد
.
این امر
با توجه به محدود بودن
تحمل سیستم های سطحی، مشکلات
بسیاری را

) با بالا بردن فشار
در هنگام برقراری گردش های
ته چاهی ( به وجود
می آورد. بالا رفتن
بیش از اندازه فشار

11

علاوه
بر مشکلات سطحی، باعث می
شود کف حفاری پمپاژ شده
نیز جهت رسیدن به تعادل
طبق قانون عمومی

گازها
) ثابت
PV= ( به سیال اولیه تبدیل
گردد
. این بدان معنی است
که افزایش بیش از اندازه
فشار که در نتیجه

فروپاشی
سریع کف حفاری ناپایدار درون چاه
حاصل می شود، خود عامل
فروپاشی مجدد کف پمپاژ شده
مرحله

بعدی
و تبدیل آن به
سیال اولیه و نهایتاً هرزروی
و تزریق آن در
سازند میگردد
. لازم به ذکر است
چون کف

اساساً
از هوا تشکیل شده است
از قانون عمومی گازها پیروی
می کند
. بررسی های آزمایشگاهی بر روی
کف های

حاصل
از مخلوط آب و کفساز
حاکی از کاهش حجم

)فروپاشی(
کف هنگام
بالا رفتن فشار است

)1991([ Quebaud et al .) [ ) شکل 5

) شکل ) 5( : نتایج
آزمایش تغییرات متناسب حجم و
فشار کف
]) 1991 Quebaud
et al
]

شکل
های
0 و 7 نیز نشان دهنده بالا
رفتن فشار در اثر ایجاد
فشار هایدرواستاتیک مضاعف در مراحل مختلف

لوله
پایین هنگام برقراری مجدد گردش
) در اثر پایین بودن
پایداری کف درون چاه ( در چاه شماره 39 میدان

91 و /9/ تابناک است. در این شکل ها ) به ویژه در
شکل 7 ( بالا بودن
شیب افزایش فشار در تاریخ
های 9

91 حاکی از ایجاد فشار
هایدرواستاتیک مضاعف در /9/ 91/9/44 در مقایسه با شیب
بسیار کمتر آن در تاریخ 41

12

) شکل ) 0 ( : مقایسه فشارهای مختلف در
مراحل مختلف لوله پایین ) تابناک 39

) شکل ) 7 ( : مقایسه روند افزایش فشار
در لوله پایین های مختلف ) تابناک 39

13

91 تا /9/ 91 فشار گردشی ته چاه
تا 4154 و
در 44 /9/
اثر پایین
بودن نیمه عمر کف درون
چاه است. در تاریخ 9

91 حداکثر تا /9/ 4354 و حتی بیشتر افزایش
یافت در صورتیکه فشار در 41
psi 4444 افزایش داشت. افزودن تنها

5 پوند در بشکه بنتونایت و
استفاده از اکسی پالیمر پایدارتر که
باعث رسیدن به شرایط بهتر
در روز سوم و نیز

برقراری
گردش ته چاهی در آن
روز شد حاکی از ضعف
پایدار کننده های کف در
سیال حفاری به کار رفته

روزهای
قبلی
) اکسی پالیمر و پایدارکننده های
درون کفساز ( می باشد. کف حفاری دارای
تحمل بسیار بالایی

در
مقابل افزایش بیش از حد
فشار نیست
) گرچه می توان با
افزایش خواص مربوطه این توانایی
را تا میزان

دلخواه
افزایش داد
( به همین دلیل افزایش
بیش از حد فشار خود
یکی از عوامل اصلی فروپاشی
کف حفاری در

ته
چاه است
. در واقع در این
فرآیند چرخه ای شکل می
گیرد که مطابق آن کف
درون چاه به دلیل پایین
بودن

پایداری
با تبدیل شدن به سیال
اولیه و ایجاد فشار هایدرواستاتیک مضاعف
سبب بالا رفتن بیش از
اندازه فشار و

در
نتیجه تبدیل کف پمپاژ شده
مراحل بعدی به سیال اولیه
و هرز روی آن
در سازند می شود
.
نشانه چنین
فرآیندی

بالا
رفتن بیش از حد فشار
و عدم مشاهده برگشتی
است
.

از
طرفی نیز باید عنوان کرد
که یکی از ویژگی های
مهم و مورد نیاز کف
حفاری مقاومت آن در برابر
فشار است

و
برای این امر لازم است
این سیال دارای خواصی شبیه
به مایعات باشد تا با
پیروی از قانون مایعات

) که حاکی

14

از
عدم کاهش حجم آنها نسبت
به افزایش فشار است

( در صورت
بالا رفتن فشار پایدار باقی
بماند. برای این

منظور
غشاء هر کدام از واحدهای
کوچک یا همان حباب های
کف بایستی دارای استحکامی بالا باشد
تا بتواند

چون
یک واحد
)سلول( مایع در مقابل فشار
مقاوم بماند. در این
حالت با توجه به اینکه
سیال اولیه حجم کوچکی

از
کف را تشکیل می دهد
) غشاء الاستیک و ژلاتینی
حباب ها ( اما به
دلیل استحکام بالا حالت اسفنجی
پایداری

را
شکل می دهد که در
مقابل تجزیه اجزاء، متراکم شدن
و جدا شدن بخشی
بسیار مقاوم خواهد بود
.

پایداری
کف کاملاً وابسته به اندازه
حباب ها و استحکام دیواره
آنها است
. جهت پایداری بیشتر، اندازه
حباب ها

بایستی
تا حد امکان ریز و
یکسان باشد که در این
صورت کف مذکور ظاهری چون
خمیر ریش پیدا می کند
. در

کف
دارای حباب های با اندازه
های مختلف حباب های بزرگتر
تمایل به تسخیر و کشتن
حبابهای کوچکتر دارند
.

با
اینکه در ابتدا پایداری کاذبی
مشاهده می شود کف ساخته
شده تا رسیدن به اجزای
اصلی سازنده خود از هم

می
پاشد
. این فروپاشی از سقوط
ثقلی سیال صفحات )لامینه های( بین حبابی ناشی می
شود. این روند
منجر به

نازک
شدن تدریجی و ترکیدن لامینه
های بین حبابی، کاهش مساحت
سطحی و در انتها ایجاد
انرژی سطحی می

گردد.

پایداری
کف هنگامی که از آن
به عنوان سیال حفاری استفاده
می گردد یکی از ویژگی
های بسیار مهم است
.

بعضی
از محققان آزمایش تعیین نیمه
عمر که در آن زمان
جدا شدن نصف مایع اولیه
) مثلاً آب ( اندازه گیری می

شود
را ملاک تعیین کیفیت کف
) و در نتیجه کفساز ( قرار می دهند ) Decon4990,Quebaud
et al
.) 4991

نتایج
بیانگر آن است که با
تولید کف های مناسب، نیمه
عمرهای چندین ساعته نیز دست
یافتنی است
.

مطالعات
حاکی از افزایش کشش سطحی
آب توسط الکترولیت ها است
و در این میان
برای بوجود آوردن کف،

غلظت
بالای سورفکتانت مورد نیاز است
.
ضمناً کاتیونهای یک
ظرفیتی در مقایسه با کاتیون
های دو ظرفیتی دارای

توانایی
بالاتری در ایجاد حجم بالای
کف دارای حباب های بزرگتر
هستند
. توجه به این مسئله
بسیار مهم است که

سورفکتانت

ها با کاهش کشش سطحی
سبب ایجاد، توسعه و پایداری
کف می شوند اما مهمترین
مسئله در

پایداری
کف، آبدهی
)زهکشی( غشاء است که به
طور ضمنی توسط گرانروی و
خاصیت چسبندگی سیال اولیه

کنترل
می شود
. در این میان دو
فاکتور مقاومت در برابر آشفتگی
مکانیکی و خنثی سازی ریزش
غشاء، تابع

15

خاصیت
کشسانی
)الاستیکی( آن است. محلول های آبی دارای
کشش سطحی پایین، حجم بزرگی
از کف دارای

حباب
های با اندازه مساوی را
ایجاد می کنند
.
غشاء نازک
احاطه کننده فاز گازی باید
دارای خاصیت کشسانی و

چسبندگی
مناسب باشد تا دوام و
یکپارچگی مکانیکی مورد نیاز را
ایجاد نماید
. تحقیقات گسترده حاکی از
رابطه

مستقیم
خصوصیات جریانی
) گرانروی، نقطه واروی و
خاصیت ژلاتینی ( گل حفاری
با پایداری کف حاصل از

آن
است
. این خصوصیات علاوه بر
ایجاد غشاء الاستیک مقاوم در
برابر هر گونه گسستگی، سبب
کاهش سقوط

ثقلی
)آبدهی(
و جلوگیری
از نازک شدگی و در
نتیجه استحکام مکانیکی بالای آن
می گردد. شایان ذکر
است

بسیاری
از شرکت های معتبر گرانروی
لازم گل حفاری را جهت
افزودن کفساز و رسیدن به
شرایط مطلوب

( محدوده 14 الی 54 sec/quart
( می دانند. یکی دیگر از
نتایج این امر پایین آمدن
آبدهی ترکیب و جلوگیری از

آبگیری
رس های فعال سازند و
پیشگیری از هر گونه گیر
لوله ها و مانده گذاری
است
. استحکام مکانیکی بالای

غشاء
حباب ها نیز نقش موثری
در بالا بردن قابلیت حمل
کنده های حفاری دارد به
نحوی که هر چه گرانروی،

نقطه
واروی و خاصیت ژلاتینی گل
حفاری بالاتر باشد کف مذکور
قابلیت حمل کنده های درشتری
را آن هم به

نحو
موثرتر پیدا می کند
.
یکی دیگر
از مزایای بالا بردن استحکام
مکانیکی غشاء، به صفر رساندن
اختلاف زمان

رسیدن
کنده های ته چاه به
سطح نسبت به زمان محاسبه
شده
) Log Time ( است.
در واقع
می توان گفت بهترین

و
پایدارترین کف دارای حداقل زمان
تاخیر در هنگام حفاری است
. و این امر با
توجه به بالا بودن نرخ
حفاری از

اهمیت
بالایی برخوردار است
.

از
طرفی با توجه به اصطکاک
شدید مته و بالا بودن
دمای ته چاه در شرایط
حفاری و نیز در موارد
خاص، پایداری

حرارتی
اجزاء کف حفاری نیز از
اهمیت بالایی برخوردار است
.
در کل
می توان گفت مجموعه سازنده
کف

حفاری
بایستی دارای قابلیت های زیر
باشد
:

  • · ایجاد خصوصیات جریانی از
    قبیل گرانروی، نقطه واروی، استحکام ژلاتینی
    مناسب
    .
  • · کاهش مناسب آبدهی سیستم
    به منظور جلوگیری از فروپاشی
    حباب ها و آبگیری سازندهای شیلی
    و مارنی

حساس.

16

  • · بالا بردن استحکام مکانیکی
    غشاء جهت جلوگیری از فروپاشی
    ناشی از افزایش فشارهای درونی
    چاه
    .
  • · پایداری حرارتی کلیه اجزاء
    اصلی ترکیب
    .

در
این زمینه نقش عوامل اصلی
ترکیب کف حفاری هر کدام
مورد بحث قرار می گیرد
.

)1 سورفکتانت ها

با
بکارگیری یک سورفکتانت مناسب که
قادر به ایجاد لامینه های
پایدار بین حبابی باشد ساختار
و شبکه کف به

نحو
مطلوبی حفظ می گردد
.
تحقیقات گوناگون
حاکی از آن است که
سورفکتانت های دارای بار الکتریکی ) یونی

( قادر به ایجاد خاصیت
الاستیکی بهتری هستند. این به آن دلیل
است که مکانیسم پایدار سازی
سورفکتانت های

آنیونی
و کاتیونی نتیجه تاثیر
نیروهای متقابل مولکولی است و
در این میان مولکول های
حاوی بار الکتریکی با

ایجاد
پیوند های قوی با سایر
اجزاء محلول، شبکه پایدارتری را به
وجود می آورند
.
در غلظت
های بالای

سورفکتانت
گرانروی سطح و توده به
مقدار قابل توجهی نیز افزایش
می یابد که این خود
سبب افزایش مجدد

پایداری
کف می گردد
.
به همین
دلیل درصد آب کفساز حفاری
باید طوری طراحی شود که
افزودن کفساز به گل

حفاری
سبب کاهش گرانروی آن نگردد
. تقریباً تمامی شرکت های
خارجی و داخلی از سورفکتانت های
آنیونی

جهت
ساخت کفساز حفاری استفاده می
کنند و در این میان
لوریل سولفات ها و لوریل
اتر سولفات ها نقش اصلی

را
بر عهده دارند
.
آزمایش های
تعیین کیفیت کف حفاری در
شرایط یکسان آزمایشگاهی نیز حاکی
از کیفیت بالاتر

سورفکتانت
های آنیونی نسبت به سایر
سورفکتانت های مصنوعی است
.
به طور
مثال مقایسه 1 سورفکتانت سدیم

دو
دِسیل سولفات
) SDS (
یا همان
سدیم لوریل سولفات )
SLS
( ) سورفکتانت آنیونی،
کفساز آب شیرین (، سِتیل

تری
متیل آمونیم بروماید

) سورفکتانت کاتیونی (،
444 ) سورفکتانت غیر یونی ( و N-alkyl betaines (

.) سورفکتان آمفوتری ( حاکی از کیفیت بالای
سورفکتانت های آنیونی نسبت به
دیگر نمونه هاست ) شکل 1

مبنای
آزمایش چنین مقایسه ای بررسی
کیفیت کف حاصل از تزریق
گاز نیتروژن به محلول دارای
% 4 درصد

سورفکتانت
مخلوط در آب شیر و
اندازه گیری زمان نیمه عمر
آن بوده است
.
سورفکتانت های
آنیونی به دلیل

تولید
کف فراوان و پایداری بیشتر
آن و نیز به دلیل
ارزان قیمت بودن امروزه در
حدود
% 05 درصد مصرف جهان

را
به خود اختصاص داده اند
.

17

شکل
) 1 ( : مقایسه پایداری کف
سورفکتانت های مصنوعی مختلف

)2 پایدار کننده های کف

ترکیب
بندی سیال کف حفاری بنابر
کارکرد های مورد نیاز صنعت
حفاری نیازمند دو نوع پایدار
کننده کف به نام

پایدار
کننده های درون ساختاری و
برون ساختاری است
.
پایدار کننده
های درون ساختاری به موادی
اطلاق می

گردد
که جهت پایدار نمودن کف
مذکور به ترکیب کف ساز
افزوده می گردد
.
از جمله
این مواد می توان به

ترکیباتی
از قبیل گلایکول ها

)پلی اتیلن
گلایکول )
PEG
مونو اتیلن گلایکول )
MEG
(، هگزیلن گلایکول (،

آلکانول
آمیدهای اسیدهای چرب

) مانند لوریک
ایزو پرو پانول آمید، لوریل
دی اتانول آمید، لوریل مونو
اتانول

آمید،
کوکونات مونو اتانول آمید

(، سوپرآمیدها، الکل های
چرب با غلظت پایین و
در مقادیر کمتر سارکوزین ها

و
فسفات ها اشاره کرد
.
وقتی سورفکتانت ها
در محلول مورد نظر با
سایر اجزاء ترکیب می شوند
ویژگی های

غشاء
و شبکه کف آن
در مقایسه با زمانی که
تنها فقط از سورفکتانت استفاده می
گردد کاملاً تغییر پیدا می
کند
.

پایدار
کننده های برون ساختاری نیز
شامل بنتونایت و پلیمرهایی است که
جهت ایجاد خاصیت چسبندگی و

کشسانی
لازم و کاهش آبدهی به
کار می روند
.

پایدار
کننده های گل حفاری

الف
( بنتونایت

18

بنتونایت
به سبب افزایش مطلوب گرانروی
) vis (، نقطه واروی) YP
( و
دارا بودن خاصیت ژلاتینی بالا)
Gel ( و نیز

کاهش
آبدهی
) FL (
یکی از
اساسی ترین پایدار کننده های
کف حفاری است. ترکیب صفحات سدیم مونت

موریلونیت
با مولکول های بلند سورفکتانت سبب
ایجاد شبکه ای چسبناک و
الاستیک می گردد
.
استحکام مکانیکی

و
پایداری الاستیکی چنین شبکه ای به
نحوی است که قادر به
حمل کنده های بسیار درشت
و تحمل فشارهای بالا

است.
یادمان نرود
که ما در فرایند ساخت
کف پایدار، بایستی از حباب
کفی که یک کودک برای
سرگرمی خود

ایجاد
می کند و توسط نیروی
ناچیز باد می ترکد، حباب
هایی بسازیم که تحمل نیرویی
بسیار بزرگتر را دارا باشند

و
این تنها با افزودن خاصیت
الاستیکی و چسبندگی آن که
منجر به کاهش آبدهی نیز
می گردد صورت می پذیرد
.

در
مقایسه با همه پایدار کننده
های پلیمری گل حفاری، بنتونایت به
سبب ایجاد خاصیت چسبندگی

) ژلاتینی
(

بسیار
بالا دارای قابلیت بالاتری در
حمل کنده های حفاری و
ایجاد کفی به مراتب پایدارتر است
. از طرفی با توجه

به
اینکه پایداری حرارتی بنتونایت بالا است
ساختار کف در هنگام بالارفتن شدید
دمای ته چاه پایدار باقی
خواهد

ماند.
نتایج آزمایشگاهی و
تجربی میدانی حاکی از افزایش
کیفیت کف حفاری همراه با
افزایش گرانروی و دیگر

( خصوصیات جریانی است. این به نحوی است
که اساساً گرانروی زیر 37
sec/quart
( پیشنهاد نمی
گردد و

پایین
آوردن آن ضریب خطر حفاری
را افزایش می دهد
.
بررسی بسیاری
از مانده گذاری ها حاکی
از نقش تعیین

کننده
خصوصیات گل حفاری در موفقیت
یا عدم موفقیت سیال کف
حفاری است
. یکی دیگر از مزایای
حفاری با

گرانروی
مناسب این است که کف
حفاری نسبت به رقیق شدن
بیش از حد حاصل از
برخورد با آب های سازندی

پیش
درمان میگردد
. در این هنگام با
به تاخیر افتادن فروپاشی حباب
ها ،کف مذکور
فرصت خروج از چاه را
پیدا

می
کند
. اما هنگامی که از
گل حفاری دارای گرانروی پایین
استفاده گردد برخورد هر گونه
آب سازندی سبب

رقیق
سازی بیش از حد و
فروپاشی حباب ها می گردد
. لازم به ذکر است
که کف دارای گرانروی بالا
به سبب

داشتن
خاصیت چسبندگی مناسب دارای ضریب
نفوذی
) نفوذ پذیری ( به مراتب کمتر از
کف دارای گرنروی

پایین
است و در چنین حالتی
آب سازندی به راحتی قادر
به نفوذ به درون ساختار
کف و مخلوط شدن با
اجزاء و

متلاشی
کردن حباب ها نیست
.
از میان
همه این خصوصیات نقطه واروی )
YP ( که عامل اصلی
ایجاد خاصیت

چسبندگی
)الاستیکی(
سیال در
حال حرکت است، باعث جلوگیری
از انتشار گاز و شکستن
حباب ها در حالت

متحرک
می شود
. همانطور که گفته شد
شکستن حباب ها سبب ایجاد
حباب های بزرگتر می گردد
و این حباب ها

19

نیز
به نوبه خود با جذب
حباب های کوچکتر و کشتن
آنها کف مذکور را متلاشی
می کنند
. خاصیت ژلاتینی

( GEL (
نیز در
حالت ایستا )ساکن( چنین وظیفه
ای را بر عهده دارد،
در واقع این دو خصوصیت
عوامل حفظ

پایداری
کف در حالت های گوناگون
سکون و متحرک هستند
.
همانطور که
می دانیم بالا بردن هر
یک از

خصوصیات
بالا منجر به کاهش آبدهی
و سقوط سقلی سیال
بین دیواره ای و در
نتیجه پایداری بیشتر نیز می
گردد
.

در
مشاهده چشمی
)در مخزن مکش( هنگامی که گرانروی و
به طبع نقطه واروی و
خاصیت ژلاتینی گل حفاری

اولیه
کم باشد حباب های کف
در سطح سیال و تا
ارتفاع زیادی بالا می آیند
ولی در حالتی که گرانروی
تا

محدوده
مناسب افزایش پیدا کند همه
حباب ها در بدنه سیال
حفاری اولیه محبوس می شوند
.

با
توجه به اینکه بنتونایت و کفساز
آب شیرین
) SLS یا SDS (
جهت ساخت
ترکیب مربوطه در آب شیرین
بکار

می
روند و به جهت تاثیر
منفی نمک هایی چون
NaCL و KCL بر هر دو ماده
یاد شده، در هنگام استفاده
از آنها

نبایستی
از هیچ یک از این
نمک ها در ترکیب سیال
حفاری اولیه استفاده گردد
.
تنها بکار
بردن مقادیر کمی از نمک

های
یاد شده کافی است تا
بنتونایت و سدیم لوریل سولفات
را غیر فعال نماید
.
به طور
مثال با استفاده از 44 الی

41 پوند در بشکه KCL می
توان سدیم لوریل سولفات را
کاملا غیر فعال نمود
.
در مورد
NaCL نیز بررسی های

.) آزمایشگاهی نتایج مشابهی را
در بر داشته است ) شکل 9

شکل
9 : تاثیر غلظت
کلرید سدیم بر پایداری کف
حاصل از سدیم لوریل سولفات

21

لازم
به ذکر است در فرایند
بازیافت آب حاصل از پسماند
حفاری کفساز آب شیرین، می
توان با استفاده از همین

نمک
های
NaCL و KCL و نیز آهک
) به جای
بکارگیری ضد کف ( کفساز مربوطه را غیر
فعال نمود. از چنین

آبی
می توان در ساخت گل
های پلیمری نمکی و غیره
استفاده نمود
.

ب
( پایدار کننده
های پلیمری

فرایند
پایدار سازی کف حفاری نیازمند
انتخاب یک گرانروی زای مناسب
جهت کاهش میزان فروپاشی ساختمان

آن
است که هدف کارهای تحقیقاتی بسیاری
بوده است
. همانطور که گفته شد
متلاشی شدن کف حفاری تحت

تاثیر
3 فرآیند پیوسته
زیر صورت می گیرد:

v آب دهی یا زهکشی
غشاء

v نازک شدن غشاء و
ترکیدن آن

v پیوستن حباب های مجاور
به یکدیگر و ایجاد حباب
های بزرگتر ناپایدار

پلیمرها
ممکن است به مواد کفساز
یا گل حفاری اولیه برای
کاهش سرعت زهکشی

) آبدهی
( دیواره، افزایش

گرانروی
و بهبود خواص تیکسوتراپیک آن
افزوده شوند
. تاثیر چنین افزودنی هایی
کمک به پایداری بیشتر با

افزایش
گرانروی توده غشائی و در
نتیجه افزایش خاصیت کشسانی یا
چسبندگی و همچنین کاهش میزان
آب دهی

آن
است
. آنها اغلب در غلظتی
کمتر از افزودنی های آلی )ارگانیک( و معدنی چون
بنتونایت موثر واقع می شوند،

همچنین
بعضی از آنها سازگاری بهتری
با انواع ترکیب های مختلف
چون آبهای سازندی دارند
.
از طرفی
افزودن

مواد
پلیمری به سورفکتانت های آنیونی
چون سدیم لوریل اتر سولفات
) SLES (
سبب ایجاد
کفی به مراتب پایدار

می
شود
. در حقیقت این عمل
باعث تغییر شکل بندی زنجیره
پلیمری در محلول آبدار می
گردد، چرا که وقتی

سورفکتانت
دارای بار الکتریکی باشد به
پلیمر خاصیت پلی الکترولیتی می بخشد
. این به تنهایی تغییرات
شگرفی

در
خواص رئولوژیکی ایجاد می کند
.
عموماً با
افزایش مقدار پلیمر پایداری کف
نیز افزایش می یابد. از طرف

دیگر
افزودن پلیمر سبب اصلاح قابلیت
انحلال و انتشار گاز در
فاز مایع می شود
.
این دو
ویژگی سیال غشایی

هنگامی
که گرانروی سیال افزایش پیدا
می کند به دلیل ایجاد
پلیمر
) یا خاصیت پلیمری ( کاهش می یابد. این

21

کاهش
به نوبه خود سبب کاهش
تراوایی غشاء می گردد
.
در نتیجه
مقدار انتشار گازهای بین حبابی
کاهش می یابد.

به
عنوان یک نتیجه عملی، این
فرایند سبب کاهش ناپدید شدن
حباب های کوچکتر و پایداری
بیشتر می گردد
.

مکانیسم
دیگری که می تواند وابسته
به نوع پلیمر و غلظت
آن به ویژه اکسی پالیمر
مخلوط در محلول اولیه باشد

افزایش
کشش مکانیکی غشاء است
.
نتایج آزمایشگاهی حاکی
از آن است که با
بکار بردن اکسی پالیمر ) زانتان

گام
( در کنار
سورفکتانت آنیونی می توان پایدارترین کف
حفاری را در مقایسه با
سایر پلیمرها به دست آورد

)شکل 44 (. غشاءهای کف حاصل از
محلول سورفکتانت فاقد اکسی پالیمر دارای
پایداری ناچیزی هستند و به

دلیل
دفع متقابل سرهای قطبی جهت
دار، دارای مولکول هایی است
که فضای وسیعی را اشغال
می کنند
. این

غشاء
ها فاقد چسبندگی مناسب و
از لحاظ مکانیکی ضعیف هستند
. در چنین شرایطی در
غشاء بین دو سطح، سیال

موجود
به سمت پایین و خارج
سیستم جریان پیدا می کند
و سقوط سقلی آن
سبب نازک شدگی و متلاشی
شدن

حباب
می گردد
) شاهد این ادعا جمع
شدن فاز آبی اطراف حباب
های ساخته شده کودکانه در
زیر حباب قبل از

ترکیدن
آن است
(. افزودن اکسی پالیمر به
این غشاء می تواند آنرا
به یک توده متراکم تر
دارای چسبندگی و

گرانروی
بالاتر که آب از دست
دهی پایینی دارد تبدیل و
سرانجام کف پایداری را ایجاد
نماید
.

شکل
) 44 ( : نقش اکسی پالیمر
بر پایداری کف حفاری در
مقایسه با دیگر پلیمرها

22

پایداری
کف و ارتباط آن با
غلظت اکسی پالیمر

همان
طور که در مورد بنتونایت گفته
شد اکسی پالیمر نیز به
عنوان یک ماده گرانروی زای
کنترل کننده آبدهی و

ایجاد
کننده خاصیت چسبندگی نقشی اساسی
در پایداری کف دارد
.
از طرفی
با توجه به اینکه کیفیت
خواص

نامبرده
ارتباط مستقیمی با غلظت اکسی
پالیمر
)و نیز کیفیت آن( دارد توجه به
غلظت )و
کیفیت( آن از
اهمیت

بالایی
برخوردار است
. در واقع تعیین کننده
این غلظت محدوده مناسب پارامترهایی چون
گرانروی)
vis (، نقطه

واروی)
YP
خاصیت ژلاتینی)
Gel (
و آبدهی )
FL ( است. نتایج آزمایشگاهی نیز حاکی
از بالا رفتن خطی پایداری

کف
همراه با افزایش غلظت اکسی
پالیمر در ترکیب اولیه است
)شکل 44 (. شکل مربوطه گویای این
واقعیت نیز

است
که افزایش خطی پایداری کف
تنها در صورت بکارگیری کف ساز
های آنیونی دیده می شود
.

شکل
) 44 ( : نقش غلظت اکسی
پالیمر بر پایداری کف حاصل
از سورفکتانت های مصنوعی مختلف

ارتباط
پایداری کف با پایداری حرارتی
اکسی پالیمر

پرکاربردترین
پلیمر زیستی یعنی زانتان گام
یک پلی ساکارید دارای وزن
مولکولی بالاست
. توانایی ایجاد گرانروی

بالا
و سیالی با خواص
الاستیکی مناسب جهت بالا بردن
پایداری کف از ویژگی های
آن است
. وقتی که مولکول

زانتان
گام در شرایط دمایی بالا
قرار می گیرد، ساختار آن
دستخوش تغییری منظم به غیر
منظم می گردد
.
دمایی که

23

این
تغییر شکل صورت می گیرد
دمای تحول یا دمای ذوب
نامیده می شود

)شکل های 41 و 43 (. این تغییر

آرایش
با کاهش چشمگیر گرانروی و
افزایش مضاعف تجزیه هیدرولیتی همراه است
. وقتی دما به زیر
دمای تحول

کاهش
می یابد در حالتی که
مدت زمان تماس کوتاه باشد
پلیمر دوباره مقداری از گرانروی
خود را باز می یابد
.

شکل
) 41 ( : الگوی تغییر ساختاری
و رفتاری اکسی پالیمر
در برخورد با دمای تحول

شکل
) 43 ( : تغییرات گرانروی هنگام
بالا رفتن دما از دمای
تحول اکسی پالیمر

24

اما
در صورتیکه اکسی پالیمر مدتی
طولانی در معرض دمای بالاتر
از دمای تحول خود قرار
گیرد خاصیت پلیمری

خود
را از دست می دهد
و کاهش پایداری در
گرانروی آن صورت می گیرد
. دمای تحول زانتان گام
وابسته به

طبیعت
و غلظت دیگر مواد
حل شده در محیط است
. تحقیقات Shell (
Clarke-Sturman & Sturla, ) 4910

نشان
داد که ترکیبات فلزی آلکالی
) نمک های محلولی چون
KCL
دارای قابلیت افزایش دمای تحول
زانتان گام

و
در نتیجه بالا بردن پایداری
حرارتی آن در دماهای بالا
هستند
) شکل 41 (. در چنین شرایطی می
توان با افزودن

چنین
افزودنی هایی به ترکیب سیال
و کف حفاری، پلیمر
مربوطه را در برابر ناپایداری حرارتی
مقاوم نمود
.

شکل
) 41 ( : مقایسه دمای تحول
اکسی پالیمر در آب و
محلول دارای کاتیون پتاسیم

طول
مدت پایداری اکسی پالیمر

مقدار
زمان مورد نیاز پلیمر زانتان
دارای کیفیت مناسب جهت پایدار
ماندن در یک دمای مشخص
به نوع و غلظت

نمک
محلول بستگی دارد
.
برای ترکیبات
مختلف سیال حفاری، میزان پایداری
افزون بر یک دوره 40 ساعته مطرح

است.
حد پایداری 40 ساعته زانتان گام
در بعضی شوراب های استاندارد بوسیله
Shell اندازه گیری شده است.

حد
پایداری دمایی در این آزمایشات مقدار
دمایی که در آن سیال
مورد آزمایش
54 % گرانروی
پایدار خود را پس

از
گذشت
40 ساعت از دست می
دهد در نظر گرفته شده
است. شکل 45 چگونگی مقایسه
حد پایداری دمایی 40

25

ساعته
زانتان گام با دمای تحول
آن را در شوراب های
استاندارد نشان می دهد
.
این شکل
حاکی از آن است در

صورت
بکارگیری نمک هایی چون
KCL می توان در هنگام
بالا بودن دمای ته چاه
بر پایداری زانتان گام و
در

نتیجه
کف حفاری افزود
.
در غیر
این صورت ناپایداری حرارتی پلیمر
مربوطه سبب ناپایداری کف و
از دست دادن

شرایط
مطلوب حفاری می شود
.
به همین
دلیل پیشنهاد می گردد در
صورت احتمال ناپایداری حرارتی از
پتاسیم

کلراید
استفاده گردد
.

شکل
) 45 ( : نقش نوع و
غلظت نمک های مختلف در
طول مدت پایداری اکسی پالیمر

پایدار
کننده های درون ترکیبی کفساز
حفاری

پایدار
کننده های گلایکولی

45 پایدار کننده همانطور که قبلاً گفته
شد در ترکیب کفسازهای مصنوعی

) به طور
ویژه آنیونی ( بایستی % 14

کف
اتر گلایکولی استفاده گردد
.
یکی از
بهترین ترکیبات این دسته پلی
اتیلن گلایکول )
PEG (
است که
تجربه

حاکی
از نقش اساسی آن در
پایداری حباب های کف با
کنترل آبدهی فاز سیال و
حفظ پایداری حرارتی پلیمرهای

زیستی
آن چون اکسی پالیمر است
. از طرفی وجود این
ماده به طور مستقیم و
غیر مستقیم سبب کاهش ضریب
نفوذ

و
پایداری بیشتر شبکه کف در
مقابل رقیق سازی حاصل از
برخورد با آبهای سازندی است
.

26

پلی
اتیلن گلایکول
) پلی آلکیلن گلایکول (

مزایای
بکار گیری این ماده در
صنعت سیال و کف حفاری
عبارتند از
:

  • · حفظ آبدهی سیال در
    دماهای بالا
    ) ته چاه (.
  • · افزایش پایداری حرارتی پلیمرهای زیستی
    چون اکسی پالیمر
    .
  • · پایداری چاه و جلوگیری
    از فعالیت شیل ها با
    کاهش فعالیت فاز سیال و
    بستن منافذ شیلی توسط خاصیت

ابری.

  • · افزایش روانکاری مته و
    رشته حفاری
    .
  • · جلوگیری از توپی شدن
    مته
    .
  • · کاهش سرعت رقیق شدن ) ناشی از آب های
    سازندی و سطحی (.

)3 ضریب اصطکاک در کف
حفاری پایدار پلیمری

بررسی
____________های آزمایشگاهی ارزیابی
روان کنندگی با استفاده از
دستگاه روان سنج سیال حفاری
Fann مدل 141EP

حاکی
از کاهش چشمگیر ضریب اصطکاک
رشته حفاری
)عامل ایجاد تورک( در هنگام بکارگیری پایدار کننده
ای

چون
اکسی پالیمر در کنار سورفکتانت آنیونی
است
. این ویژگی در سرعت
گردشی 04 دور در
دقیقه و فشار 444

پوندی
اندازه گیری شده است
.
در این
حالت ضریب اصطکاک برابر با
مقدار ) تورک ( خوانده شده
تقسیم بر 444

خواهد
بود
. 444 / مقدار تورک خوانده شده = ضریب اصطکاک

27

شکل
40 مقدار ضریب
اصطکاک را برای انواع گل
های مختلف نشان می دهد. هر کدام از
اندازه ها پس از قرار

گرفتن
گل مورد نظر به مدت
3 دقیقه تحت شرایط آزمایشگاهی بدست
آمد. نتایج نشان
می دهد که گل پایه
آبی

بالاترین
مقدار
4.175 و در مقابل سیال حفاری
کف رقم 4.101 را نشان
می دهد. این در
حالی است که افزودن

9.1 کمتر از سیال حفاری
کف ( را %( 4.1% حجمی اکسی
پالیمر کاهش بیشتر ضریب اصطکاک
تا مقدار 4.139

سبب
می شود
.

شکل
) 40 ( : مقایسه ضریب اصطکاک ) عامل ایجاد تورک ( در گل های
مختلف

این
نتیجه حاکی از آن است
که افزودن
% 4.1 حجمی اکسی پالیمر به سیال
حفاری کف قادر به کاهش
چشمگیر

ضریب
اصطکاک و در نتیجه میزان
تورک وارد بر رشته حفاری
است
. در کل اکسی پالیمر
به دلیل اینکه عامل

افزایش
گرانروی در سرعت برشی و
دمای پایین است بهبود ظرفیت
حمل گل حفاری و تمییز
سازی بهینه چاه را

سبب
می شود
. این در حالی است
که در سرعت برشی و
دمای بالایی که در مته
رخ می دهد سیال حفاری
ساخته

شده
با اکسی پالیمر دارای گرانروی
پایینی است که این مسئله
باعث بالا رفتن سرعت حفاری
می گردد
. لازم به

یادآوری
است که کاهش گرانروی و
به طبع کاهش ظرفیت حمل
کنده در اطراف مته و
لوله های وزنه به دلیل
بالا

28

بودن
دما می تواند سبب بوجود
آوردن تورک و کاهش نرخ
حفاری نیز گردد
.
در این
هنگام جهت رفع مشکل

کافی
است که با بکار بردن
نمک هایی چون
KCL
پایداری
حرارتی پلیمر را افزایش داد
.