سیالات حفاری

معماری فرهنگ قوم لر حفاری وسیالات حفاری تمدن لرستان

 
گل حفاری( Drilling mud )
نویسنده : رضا سپهوند - ساعت ۳:٠۱ ‎ق.ظ روز ۱۳٩۳/۸/۱٦
 

گل
حفاری(
Drilling
mud
)

 

آب ،اولین سیال حفاری بود که در
عملیات حفاری مورد استفاده قرار گرفت. علاوه بر گل های حفاری که در عملیات حفاری
کاربرد دارند بعضی از اوقات از هوا و گاز نیز به عنوان سیال حفاری استفاده می شود.

وظایف گل حفاری

وظایف گل حفاری عبارتند از :

1)   
تمیز کردن
ته چاه و انتقال کنده های حفاری به سطح زمین

گل وقتی از نازل های مته بیرون می
آید بواسطه ی فوران شدیدی که دارد ،سبب تمیزی کف چاه و به این ترتیب هم طول عمر
مته را بیشتر می کند و هم سرعت حفاری را افزایش می دهد.

2)   
خنک کردن
مته و لوله های حفاری

در محل مته و جایی که با سازند تلاقی
دارد گرمای شدیدی به وجود می آید ،که این گرما بوسیله ی سیال حفاری به سطح منتقل
می شود.

3)   
روان کردن
مته و لوله های حفاری

رسی که در بیشتر گل های حفاری پایه
آبی مصرف می شود به عنوان یک روان کننده
   (lubricant)نیز
عمل می کند.

4) اندود کردن دیواره ی چاه و
جلوگیری از ریزش آن

یک گل حفاری خوب باید بتواند دیواره
ی چاه را حتی اگر بافتی سست و نا منسجم داشته باشد بوسیله یک لایه نازک و غیر قابل
نفوذ طوری اندود کند که هم جلو هرز رفتن گل و صافاب آن به داخل سازند به داخل
سازند ها را بگیرد و هم به پایداری و تحکیم سنگ های سازنده دیواره چاه کمک کند و
مانع ریزش آنها به داخل چاه شود.

5) کنترل فشار های زیر زمینی

در حین حفاری ممکن است به لایه آبده
و یا
payzone برخورد کنیم که فشار بالایی دارند.
گل به واسطه ی وزن خود ناشی از ستون سیال می تواند جلوی این فشار ها را بگیرد.

6) معلق نگه داشتن کنده ها و مواد وزن افزای گل به هنگام خاموشی
پمپ ها

7) ترخیص شن و کنده های حفاری روی
الک لرزان

یک گل حفاری خوب باید به گونه ای
باشد که وقتی از چاه بیرون می آید و روی توری الک لرزان ریخته می شود ،کنده های
حفاری و مواد وزن افزا بتوانند به راحتی از آن جدا شوند.

 

 

8)تحمل بخشی از وزن لوله های حفاری و
لوله های جداری

از آنجایی که لوله ها در چاه ناچاراً
در گل قرار خواهند گرفت پس تحت تأثیر
effect  buoyancy گل قرار گرفتند و به اندازه ی گل هم حجم شان از وزن آنها کاسته
خواهد شد.

9) به حداقل رسانیدن ضایعات وارد بر
سازنده های مجاور و ارائه حداکثر اطلاعات پیرامون آنها

10) انتقال توان هایدرولیک پمپ ها به
مته

گل حفاری ،محیط پیوسته ای است که
توان تولید شده در پمپ ها را به نوک مته متصل می کند.

توانایی یک گل برای معلق نگه داشتن
کنده در طی زمان
non_circalation  بستگی
به 
        gel_strength گل
حفاری دارد.
gel strength نشان دهنده ی خاصیتthixotropy است. همچنین این خاصیت باید برگشت
پذیر باشد ،یعنی بایستی
 gel بر اثر هم زدن به مایع تبدیل شود.

معلق نگه داشتن کنده ها در طی زمانshut down  پمپ ها باعث
می شود تا کنده ها به ته چاه سقوط نکرده و باعث چسبیدن و سفت شدن مته نشود. ته
نشین شدن کنده ها در بالای
D.C ها
باعث گیر کردن لوله حفاری(
stockpipe) می شود که در این چنین مواقعی نیاز
به عملیات
fishing  خواهیم
داشت که عملیاتی بسیار گران است.

 

انواع گل های حفاری

گل های حفاری معمولاً به 5 دسته زیر
تقسیم می شوند :

1) fresh water muds

2) salt water muds

3) Emulsion muds

4) oil base muds

5) surfactant muds

جزء اصلی  fresh water mud،آب تازه می باشد. به طور کلی این نوع از گل های حفاری برای حفاری
های کم عمق مناسب می باشد. وقتی که با سازند هایی مواجه می شویم که دارای
Nacl ،gypsum ، ایندریت هستند ،گل های حفاری شامل نبتونایت ،راضی کننده نیستند
،زیرا این گونه سازنده ها دارای یک یون کلسیم هستند که باعث
Floccalation گل حفاری می شوند. این عمل باعث افزایش قابل ملاحظه یloss        water، M         gel strengthمی
شود و در نتیجه مواد شیمیایی باید به گل حفاری افزوده شود تا کاهش یابد.

کلوئید های حفاری آلی مانند  peregelatiniz starechیا CMC به گل
حفاری افزوده می شود تا
water loss کاهش یابد.

استفاده از گل های حفاری salt water muds در مناطقی می باشد که سازند های نمکی
بایستی حفاری شوند و یا در مناطقی که به قدر کافی آب نمکی موجود است مانند
offshore یا مناطق نزدیک به دریا. به طور کلی فرق اصلی بین fresh water muds و salt
water muds
در
نوع کلی استفاده شده برای ایجاد فاز
gel می باشد.

عمده ترین نوع Emulsion mud ،نوع oil-in-water می باشد ،که در آن oil فاز dispersed می باشد و به صورت قطرات ریز وجود
دارد. گل پایه می تواند
fresh water یا salt water باشد.

پایداری چنین امولسیون هایی بستگی به
وجود عواملی مثل
emulsifier دارد.

Soops ، lignin compound ، starech و یا CMC و یا
سایر
colloidal Solids عوامل اصلی ایجاد امولسیون می باشند.

Oil base muds   بطور کلی
تشکیل یافته اند از
diesel oil به عنوان فاز پیوسته ، alkali و عوامل مختلف پایدار کننده گل و 2
تا 5 درصد آب.

این نوع گل های حفاری گران می باشند
و فقط برای حفاری های ویژه از آنها استفاده می شود. آنها کاملاً غیر حساس به نا
خالصی ها (آلوده کننده ها) مانند نمک ،
gypsum ، anhydrite می باشد زیرا اینها غیر قابل حل در
نفت هستند.

Surfactant muds در واقع گل های حفاری water base تغییر یافته می باشند و آنها توسط افزودن surfactant های غیر یونی به این نوع از گل های حفاری تبدیل می شوند.    Surfactant 
ها عواملی هستند که در سطح فعال می باشند و باعث می شوند که حالت کولوئیدال
به یک حالت انباشتی کنترل شده در آیند.

مواد افزودنی به این نوع گل های
حفاری دارای نام های تجاری
DMS و DME می باشند که از DMS(Drilling mud surfactant) استفاده می شود تا حالت انباشتی
ایده آل میزال های
clay بدست آید. از DME(Drilling mud Emulsi fier) فقط در emulsion mud استفاده می شود.

خواص رئولوژیکی گل حفاری

 

پارمتد های مهم گل حفاری که تحت
عنوان خواص رئولوژیکی شناخته شده است عبارتند از :

الف) وزن حجمی (دانسیتد)

وزن واحد حجمی گل را می گویند که بر
حسب یکی از واحد های
PPG و PCF یا گزارش می شود.

ب)گراندوی (ویسکوزیتد)

عبارتست از مقاومتی که سیال در برابر
جابجایی و حرکت از خود نشان می دهند. علاوه بر خود گراندوی ،پارامتدی به نام
گوانروی پلاستیکی نیز وجود دارد که عبارتست از :

نیروی الکترو استاتیکی بین ذرات جامد
موجود در گل ،گراندوی پلاستیکی از رابطه ی زیر محاسبه می شود:

لازم به توضیح است که گراندوی ظاهری Apparent Viscosity نیز از رابطه ی زیر بدست می آید:

ج) نقطه ی واروی(Yeild point )

در ترکیب گل حفاری یک سری ذرات جامد
وجود دارد که آنها با مواد دیگر فاز مایع پیوند های الکترو شیمیایی ایجاد می کند
،به مقاومتی که این مواد در برابر برش خوردن نشان می دهند نقطه ی واروی می گویند
که واحد آن است. به عبارت دیگر نقطه ی واروی بیانگر نیروی چسبندگی و نیروهای
الکترو استاتیکی بین ذرات است که از فرمول زیر بدست می آید:

 

د) مقاومت ژلاتینی (gel strength)

بیانگر برشی است که یک گل باید در
برابر وزن ذرات جامد درونش تحمل کند. مقاومت ژلاتینی بر دو نوع است
Initial gel strength و Ten_minute gel strength می باشد.

 

 

 

 

دستگاه های تست گل حفاری

از این دستگاه برای همگن ساختن دو
فاز مایع و جامد استفاده می کنند. در حالت کلی می توان گفت که کار این دستگاه
عبارتست از ایجاد یک محیط مناسب برای ساخت گل حفاری معمولاً مدت زمان
mixing بین 10 تا 15 دقیقه است.

2)Mud Balance

در حالت کلی از این وسیله برای
اندازه گیری وزن گل استفاده می شود. این دستگاه از بخش های مختلفی تشکیل شده است
که عبارتند از:
mud cap ، cap ، rider ، balancing screw ، base support .

برای اطمینان از دقت این دستگاه
معمولاً آن را با آب کالیبره می کنند ،بدین صورت که ابتدا آن را بر روی یک سطح صاف
و تخت قرار داده و ظرفش را از آب پر می کنند. اگر در این حالت دستگاه عدد را نشان
داد ،دستگاه کالیبده است. در غیر این صورت می توان آن را با پیچ تنظیم کالیبده
کرد.

نکته مهم در کاربرد این وسیله این
است که باید همیشه خشک و تمیز باشد تا دقت کافی را داشته باشد. برای استفاده از
این وسیله ابتدا تکیه گاه را بر روی یک سطح تخت قرار می دهیم ،سپس ظرف گل را از
سیال حفاری پر کرده و در پوش آن را قرار می دهیم طوری که از در پوش ،گل بیرون
بزند. بعد از تمیز کردن گل های زائد ،آن را بر روی تکیه گاه قرار می دهیم و وزنه ی
بازو را آنقدر حرکت می دهیم تا حباب تنظیم درست در وسط قرار بگیرد در این صورت عدد
مقابل پیکان وزنه را یادداشت می کنیم.

3) Fann V_G Meter

این دستگاه وسیله ای است که برای
اندازه گیری،،
Initial gel strength ، Ten_minate ، gel stregth بکار می رود. معمولاً گدانروی سنج ها مستقیم از نوع چرخشی به
وسیله الکترو موتور و یا هندل دستی نیرو می گیرند. این دستگاه هم نوع ویژه ای از
گدانروی سنج های مستقیم است که از سرعت های همزمان در موتور نیرو می گیرد که این
سرعت بر روی دورهای قابل
3 ، 6 ،100  ، 200 ، 300 ، 600  قابل تنظیم کردن است.

در این دستگاه ،سیال حفاری در یک
فضای حلقوی بین دو وسیله سیلندر مانند می چرخد که سیلندر بیرونی ثابت و سیلندر
درونی دوار است. بر روی این دستگاه یک دستگیره قرار دارد که بر روی آن می توان
دستگاه را روی دورهای مختلفی تنظیم کرد. دستگاه مذکور یک ظرف نیز برای ریختن سیال
حفاری دارد که توسط زائده های آن بر روی دستگاه سوار می شود.

برای شروع به کار با این دستگاه
،ابتدا ظرف مخصوص گل را تا خط نشان ،از سیال حفاری پر کرده و سپس از بالا آوردن
تکیه گاه و ثابت کردن در جای خود دستگاه را روشن کرده و در دور
600 قرار می دهیم و صبری می کنیم تا
عقربه ی آن ثابت شود. سپس عدد ثابت شده را تحت عنوان یادداشت می کنیم سپس دستگاه
را بر دور
300 برده و پس از steady شدن ،عدد مذکور را تحت عنوان گزارش می کنیم.

برای بدست آوردن Initial gel strength گل نیز ابتدا دستگاه را در دور 600 قرار می دهیم و سپس بر روی دور 3 گذاشته و دستگاه را خاموش می کنیم. پس از 10 ثانیه مجددا دستگاه
را روشن کرده و ماکزیمم انحراف عقربه را تحت عنوان استحکام اولیه ژلی گزارش می
کنیم.

اما برای بدست آوردن Ten minute gel trength نیز دستگاه را بر روی دور 300 گذاشته و پس از بردن آن به دور 3 آن را خاموش کرده ،پس از 10دقیقه دستگاه را دوباره روشن کرده و
ماکزیمم انحراف عقربه را تحت عنوان استحکام نهایی ژلی یادداشت می کنیم.

پس از پایان کار ظرف گل را از آب پر
کرده و دستگاه را مدتی در دور تند قرار می دهیم تا خوب تمیز شود.

طرز ساخت گل پایه

برای ساخت x بشکه از گل
نبتونایتی پایه ،ابتدا به مقدار آب تازه را جدا کرده و داخل ظرفی ریخته و زیر
mixer قرار
می دهیم. پس از روشن کردن
mixer به مقدار نبتونایت را وزن کرده و
آهسته آهسته به روی آب اضافه می کنیم و مدت 10 تا 15 دقیقه صبر می کنیم تا خوب دو
فاز جامد و مایع در هم حل شده و به حالت همگن در آیند.

برای ساختن گل روغنی از 30% نفت و 70 درصد آب  استفاده می کنیم.

 

 

گل پلیمری سبک

در این آزمایش سعی داریم که یک گل
پایه آبی پلیمری بسازیم که دارای خواص رئولوژیکی زیر باشد:

MW= 68 pcf

PV= 5-7

PH= 10

 

مواد مورد استفاده در این
آزمایش عبارتند از:

آب ، سوداش ، کاستیک(در صورت لزوم) ،
نمک ،
CMC (نوعی پلیمر)

روش کار

ابتدا توسط بشر مقدار 350cc آب(شبکه آزمایشگاهی) را جدا می کنیم.
در مرحله ی بعد از اینکه ظرف حاوی آب را در زیر
mixer قرار دادیم به مقدار سوداش به آب
اضافه می کنیم تا سختی آب را بر طرف کند.(سختی آب ناشی از یونهای کلسیم و منیزیم
است و سوداش طبق واکنش های زیر این املاح را از آب جدا می کند:




 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 





در اینجا توسط کاغذ تورنسل مقدار PH گل را
محاسبه می کنیم که می بینیم مقدار آن تقریباً برابر 15 است.

در مرحله بعدی انجام آزمایش برای
رساندن وزن گل
68pcf به از نمک استفاده می کنیم. بدین ترتیب که مقدار 30g نمک را به 350cc آب اضافه می کنیم وسپس گل بدست آمده را توسطBalance  mud (که
قبلاً آن را توسط آب آن را کالیبره کرده ایم) وزن می کنیم که تقریباً به
68pcf رسیده ایم.

حال برای افزایش PV گل از CMC که
نوعی پلیمر است استفاده می کنیم.

برای این کار در زمانی که گل زیر mixer قرار
دارد مرحله به مرحله ،و در هر مرحله را
CMC 0.1g به گل
اضافه می کنیم و سپس هر مرحله توسط
Fann V_G meter ،مقادیر

گل را می خوانیم. داده های هر مرحله
را به صورت زیر داریم:





پس بعد از اضافه کردن 0.5g CMC توانستیم به دست پیدا کنیم.

 

گل پلیمری پایه سنگین

در این آزمایش قصد داریم که یک گل
پایه آبی پلیمری بسازیم که خواص رئولوژیکی زیر داشته باشد:

MW= 135pcf

Pv = 60- 65

PH= 9.5

مواد مورد استفاده در این
آزمایش عبارتند از :

آب + سوداش ،کاستیک ،نمک ،نشاسته ،باریت ،فروبار (در صورت نیاز).

روش کار

ابتدا توسط بشر مقدار 350ccآب را جدا
کرده و مقدار


سوداش را توسط mixer با آن
مخلوط می کنیم تا سختی آب گرفته شود. سپس حدود


 کاستیک را توسط تراز و وزن
کرده و به گل اضافه می کنیم تا بدین وسیله به
PH=10 برسیم.

در مرحله بعد برای افزایش وزن گل از
نمک اضافه می کنیم. ابتدا
30g نمک را به گلی که در زیر mixer قرار دارد اضافه می کنیم و سپس مخلوط
شدن کامل توسط
MB وزن گل را بدست می آوریم که این
مقدار تقریباً برابر
9ppg است. دوباره به مقدار 60g نمک به گل جدید اضافه می کنیم و سپس از mixing گل را وزن می کنیم.

وزن گل به 9.7 یوند بر گالن رسیده است.(توجه داشته باشید که توسط نمک می توان
فقط وزن گل را تا
75pcf یا 10ppg ) افزایش داد.

حال اگر 30g دیگر نمک را به گل 9.7ppg اضافه کنیم و گل را پس از mixing وزن کنیم می بینیم که به وزن 10ppg یا 75pcf رسیده ایم. در این مرحله از آزمایش 15g نشاسته را توسط تراز و وزن کرده و گل اضافه می کنیم و مقادیر را
محاسبه می کنیم.


برای رساندن وزن گل به مقدار مورد
نیاز
(135pcf) از باریت استفاده می کنیم که نوعی
ماده وزن افزا است.

حال برای بالا بردن وزن گل ،در زمانی
که گل زیر
mixer قرار دارد باید 750g باریت را به آن اضافه کنیم در اینجا لازم به ذکر است که باریت
علاوه بر افزایش وزن گل توانایی ایجاد
pv را بواسطه ذرات خود دارد. پس در
ابتدا مقدار
150g باریت را به گل اضافه می کنیم و پس از mixing کامل ،مقادیر

را محاسبه می کنیم. داریم:



در ادامه ی کار 650g باریت را وزن کرده و به گل اضافه می
کنیم. پس از اینکه عمل مخلوط شدن را به خوبی انجام دادیم گل جدید را وزن می کنیم و
خواص رئولوژیکی آن را محاسبه می کنیم.

داده های بدست آمده به قرار زیراند :



پس مشاهده کردیم که دیگر برای افزایش
بیشتر وزن نیازی به استفاده از فروبار نیست.

 

 

گل پایه روغنی

هدف از انجام این آزمایش ساخت گل
پایه روغنی است. برای ساخت گل پایه روغنی بایستی آب و نفت را به نسبت ،
70% نفت و 30% آب با یکدیگر مخلوط می کنیم. برای ساخت گل پایه روغنی می بایست
ابتدا گل پایه آبی را با
70% بشکه آزمایشگاهی بسازیم و سپس گازوئیل و امولسینایر (Emulsifier) را به آن اضافه می کینیم.

در آخر نیز می توان از مواد افزون
کننده ی ویسکوزیتد مثل
drill jell و مواد وزن افزا مثل پودر آهک نیز در ترکیب گل استفاده کرد.

مواد مورد استفاده در این آزمایش
عبارتند از :

آب ،نمک ، Ca OH یا Na OH (برای افزایش PH) ، (پودر آهک) و امولسینایر.

در این آزمایش خواص رئولوژیکی گل
برای ما مشخص نیست و ما می خواهیم ببینیم که با استفاده از
70g پودر آهک به چه وزنی می رسیم.

 

 

روش کار

ابتدا مقدار 30% از 350cc بشکه آزمایشگاهی را به عنوان فاز آب جدا می کنیم.

 حال مقدار 30g نمک را به فاز آب اضافه می کنیم تا وزن گل به pcf 75 برسد. حال در زمانی که ظرف گل در زیر mixer قرار
دارد
70g از پودر آهک را به همراه0.5g Na OH
 به آن اضافه می کنیم و صبر می
کنیم که عمل
mixing بطور کامل انجام شود.

در مرحله آخر گازوئیل را به مقدار 245cc

 با گل بدست آمده ،مخلوط می
کنیم و در زیر
mixer  قرار می دهیم. برای اینکه گازوئیل روی نفت معلق
نماند (بخاطر چگالی کمتر) بایستی از امولسیفایر استفاده کنیم. پس هنگامی که
mixer روشن است از حدود 1g مایع ظرفشویی به عنوان امولسیفایر استفاده می کنیم.

در آخر کار پس از آماده شدن گل آن را
وزن کرده و توسط دستگاه 
Fann V_G Meter مقادیر را می خوانیم.
داده های زیر را داریم :