سیالات حفاری

معماری فرهنگ قوم لر حفاری وسیالات حفاری تمدن لرستان

 
شیـل و پـایـداری چـاه
نویسنده : رضا سپهوند - ساعت ۱:٢٩ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٤/٧/٢٥
 

تنش های میکانیکی mechanical Stress

 *خرابی تنش ، شکستگی و ازدست رفتن جریان

*خراب فشردگی – خرد شدن و درهم فرو رفتن (collapse) یا جریان پلاستیکی

* سایش و فرورفتگی

* واکنشهای متقابل شیمیایی‌با سیالات حفاری chemical interaction with the drilling fluid

* آبگیری‌شیل، متورم شدن و پراکندگی

* غیر قابل حل شدن سازندهای قابل حل

* واکنشهای متقابل فیزیکی‌با سیال حفاری physical interaction with the drilling fluid

*فرسایش

* مرطوب شدن شکستگیهای از قبل بوجود آمده (شیلهای ترد و شکننده)

* هجوم سیالات – انتقال فشار

شناخت شیل و بی ثباتی حفره وهمچنین ارزیابی ماهرانه از وضعیت و اجرای طرحهای اصلاحی یکی از مهمترین موضوعات مهندسی سیالات درحفاری می‌باشد. به عبارتی مهندسی گل تنها به سیالات حفاری محدود نمی‌شود ، بلکه شامل شناخت مناسب از کار در تمام محیطهای عملیاتی‌به اضافه شناخت در زمینه میکانیک و ژئوفیزیک و همچنین شیمی آب و شیمی رس می‌باشد. یکسری از عوامل احتمالی می توانند در حل عدم ثبات چاه مورد ارزیابی قرار گیرند، که بوسیله ارزیابی این شرایط اکثر حالت های خرابی می توانند تعیین شده و بطور مناسب جواب داده و برای حل و یا دوام بی ثباتی چاه مورد استفاده قرار گیرند

این ها شامل شرایط میکانیکی مانند:

*مشکلات پاک کردن حفره

*فرسایش حفره چاه

*صدمه فیزیکی فشردگی

* وزن گل و فشار سازنده.

* فشار مکش (swab) و فشار موجی (surge)

*تنش های چاه.

* و همچنین شرایط شیمیای مانند:

* واکنش های خرابی سازند.

* سازگاری‌شیمیایی گل باشیل.

*غیر قابل حل نمودن مواد قابل حل سازند.

- اغلب راه حل‌های اقتصادی و ساده برای پیشگیری از این گونه مشکلات وجود ندارد.

در این حالت ها باید ترکیبی از مواد با فعالیت شیمیایی کم و غیر قابل واکنش با شیل استفاده گردد مانند سیالات پایه روغنی. اما استفاده از این سیالات خود دارای محدودیت هایی می‌باشد.

 

مانند:

- نیاز در بدست آوردن ارزیابی های خاصی از چاه:

*ایمنی و سلامتی محلی و محیطی .

* هزینه‌های مواد.

*مشکلات دیگری که با از بین رفتن پایداری در ارتباط می‌باشند مانند: از دست رفتن جریان سیال قبل از بحث در رابطه با علل انفرادی‌بی ثباتی حفره چاه ، شناخت شیل و سنگهای رسوبی و شیمی رس، و تنش زمین بسیار اهمیت دارد.

از وضعیت خارج شدن شیل و سنگ های رسوبیshale deposition and sedimentary Rocks

 سنگ های رسوبی موادی هستند که مرور زمان ازجای خود درمجراهای رسوبی جابجا می گردند.

سنگ های رسوبی‌به دو گروه اصلی کلاسیک و غیر کلاسیک تقسیم می‌شوند. سنگ های غیر کلاسیک رسوباتی‌شامل موادی‌با منشاء آلی مانند زغال سنگ  و مواد رسوبی‌شیمیای مانند نمک می باشند.

سنگ های رسوبی کلاسیک از ذراتی تشکیل شده اند که از مکان یا سطح زمین به صورت فرسایش به مکان دیگر جابجا شده و به صورت یک رسوب ته نشین می گردند. علل جابجایی سنگ های رسوبی کلاسیک می تواند ، آب ، یخ ، با دو یا نیروی ثقل باشد. سنگ های رسوبی‌بیشتر از روی اندازه ذراتی که آنرا ایجاد کرده طبقه بندی می‌شوند که عبارتند از :

کنگلورا ، سنگ شن ، سنگ ماسه و شل یارس. سازندهای رسوبی کلاسیک در دو فاز مهم رسوبی‌شدن تشخیص آنها بررسی می‌شود .رسوبی‌شدن فرایندی است که در سطح زمین به وقوع می پیوندد. و اجازه می دهد که ذرات یا دانه‌های ریز ، بصورت رسوب بروی هم انباشته گردند. به عنوان مثال یک گروه از ذرات جابجا شده بوسیله جریان آب پس از ساکن شدن جریان آب بصورت ذرات بزرگتر رسوب پیدا می کنند. عموماً رودخانه‌ها و جویبارها ایجاد کننده شن، ماسه و رس درمجراهای رسوبی هستند. فرایند رسوبی‌به صورت درجه بندی ذرات صورت می گیرد . آنچنان که ماسه در یک مکان ، شن در مکان دوم و رس نیز در مکان سوم، رسوب می کنند. هنگامی که یک مجرا پر گردد، در این حالت سطح آب در مجرای رسوبی و مکان دهانه رودخانه عوض شده، مکان ماسه ، شن و رس ها تغییر پیدا می کند. که این ماسه‌ها ، شن ها و رس ها به مرور زمان انباشته و زیاد می گردند. وجود بخش‌های عمودی در هر مکان انعکاس دهنده تاریخچه و رسوبات قبلی در آن مکان بوده. دیانژ دربرگیرنده تمام فرایندهائی است که تعمیر دهنده یک رسوب بعد از آن که ته نشین گردد می‌باشد. این فرایندها شامل جامد شدن ، محلول شدن و رسوب شدن دیگر مواد معدنی و یا تغییر در ترکیب مواد معدنی رسوب‌های رسی درون سنگ ماسه‌ها و سنگ های رسی و سنگ های‌شنی می باشد در دیانژ بعد از آنکه رسوبات به صورت وزنی در قالب لایه‌های رسوبی ته نشین شده ، شروع به جامد شدن و تحت فشار قرار گرفتن آب زیر سطح رسوبی می کنند. این رسوبات به صورت عمقی دفن شده و حرارت موجب ایجاد تغییر در این رسوبات شده است. آبی که در نتیجه دفن عمقی رسوبات تحت فشار قرار می گیرد، از میان رسوبات عبور کرده و باعث می‌شود بعضی از مواد معدنی حل شده و بعضی از مواد معدنی رسوب داده شوند . اغلب مواد معدنی رسوب شده در ماسه،‌ شن و شیل با هم، جمع شده و باعث ایجاد یک عامل سخت و تشکیل دهنده سنگ های رسوبی سخت در طبیعت می‌شوند.

همچنان که فرایند دیانژ ‌به مرور زمان ادامه می یابد درجه حررات و فشار نیز تغییر پیدا می کند و بیشتر و بیشتر می گردد. و باعث فرایندهای متامورفیک می گردد. این مساله باید در ذهن بماند که تمام سنگ های رسوبی که حفاری می گردند نتیجه فرایند، رسوبی‌شدن و دیانژی می‌باشند. شیل یکی از سنگ های رسوبی کلاسیک می‌باشد که ابتداً از ذراتی که در کلاس و اندازه گل رس است و میانگین آن کوچکتر از 4 میکرون می‌باشد تشکیل شده است. برای‌شناخت طبیعت رسوبات سنگ‌های‌شیلی‌شناخت عبارت رس که دارای دو مفهوم می‌باشد بسیار مهم است. یک مفهوم این است که رس اندازه ای از ذرات رسوبی است و مفهوم دیگر آن به عنوان کلاس مواد معدنی رس است به عنوان یک قاعده کلی رس به مواد معدنی که اندازه ذرات آنها در کلاس اندازه رس یعنی کمتر از 4 میکرون می باشد اطلاق می‌شود اما مواد معدنی غیر رس مانند سنگ های آذرین و فلدسپارها، به دلیل دارا بودن ذرات کوچکتر از 4 میکرون در این دسته بندی قرار می گیرند.

رس یک رسوب می‌باشد و شیل نیز یک سنگ می‌باشد که از ذرات با اندازه رس تشکیل شده است. در حفاری های چاه‌های نفت و گاز بیشتر سازند‌هایی‌شامل شیل یا رس که رسوبات مجراهای دریایی می‌باشند حفاری می‌شوند. ذرات شیل ابتدا از طریق تراکم زمینی فرسوده شده و بوسیله رودخانه‌ها به مجراهای دریایی انتقال می یابند.

طبیعت و ترکیب این ذرات وارد شده در مجرای رسوبی‌به ترکیب صخره و خاک فرسوده شده در زمین به عنوان منبع رسوب بستگی دارد. متغیر بودن زمین در این محیط ها یکی از دلایل اصلی در متفاوت بودن مجراهای رسوبی است . برای مثال در درجه حرارت های عمومی زمین عموماً اسمکتایت بوجود می آید تا حذف رس کائولینایت بدین صورت انباشته شدن رس  به صورت رسوباتی از شن و ماسه با سرعت جریان آب و معلق شدن رس در آب در ارتباط است. در جریان متلاطم و با سرعت آب ذرات رس به صورت معلق و در آب‌های آرام و بدون سرعت و غیر متلاطم ذرات ساکن و ته نشین شده و انباشته می گردند این محیط های آبی آرام معمولا در آبهای فلات قاره در زیر موجهای اصلی و یا در خلیج‌ها یا مرداب‌ها بوقوع می پیوندد. دیگر مکانهای رسوبی گل می تواند شامل دریاچه‌ها یا دشت های سیلابی رودخانه ای‌باشد دو ویژگی رسوبات دریای رس می تواند قابل توجه باشد که شامل (bioturbation),(flocculation) است در Floceulation یا لختگی ذراتی‌با اندازه رس پس از پخش شدن بوسیله آب شیرین رودخانه وارد محیط شور دریا می‌شوند.

Flocoulation ، به چند عامل بستگی دارد مانند طبیعت و درصد رس در آب وقتی Floceulation اتفاق افتد ذرات رس به صورت تکه‌های‌بزرگتر تجمع پیدا می کنند و آسانتر از رس های پراکنده ته نشین می‌شوند. رس های لخته شده معمولا در اندازه ماسه سنگ ها بر رسوبات کوارتز و فلرسپار ته نشین می گردند که نتیجه آن رسوبات رس ماسه ای که اغلب نفوذ پذیر هستند می‌باشند یکی از پیامدهای عملی Flocculation یا لختگی این است که بیشتر رسوبات دریایی رس و شیل‌های رسوبی حاوی مقادیر قابل توجهی از دانه‌های کوارتر با اندازه ماسه می‌باشند.

Bioturbation ، اختلالی  در رسوبات است که بوسیله اورگانیزمهایی‌که در آن زندگی می کنند انجام می گیرد. این اورگانیزمها شامل نرمتنان و کرمها که از رسوبات تغذیه می کند هستند.

این در حالی است که بیشتر شیل‌های دریایی ورقه نشده‌هستند. فرایند bioturbation باعث تخریب یا اصلاح ساختار رسوبات می گردند و در بعضی از موارد ممکن است باعث از هم پاشیدگی رسوبی گردند. رسوب‌های ورقه شده می توانند دارای نفوذپذیری‌بالایی نسبت به رسوب‌های ورقه نشده باشند این در حالی است که بیشتر شیل‌های دریایی ورقه نشده‌هستند. و bioturbation باعث تخریب ورقه‌ها با ساختمان رسوبات شیل دریایی می گردند. یکی از انواع شیل‌ها که تاکنون bioturbation نشده Carbonuceous می‌باشد که دارای محتویات مواد زنده بالایی هستند.

شیل Carbonuaeous بروی سطحی‌بدون اکسیژن رسوب می کند (در دریاچه‌ها اتفاق می افتد) که باعث جلوگیری از اکسید شدن مواد آلی می گردد انواع شیل‌های Carbonueeous به صورت ورقه و پوسته‌هایی که می توانند به آسانی در طول ورقه از هم پاشیده بشوند می گردند رسوبات رسها بوسیله فرآیند diagenesis تغییر پیدا می کنند. همچنین رسوبات رس کف اقیانوس گل نامیده می‌شود زیر آنها دارای هیچ گونه چسبندگی نمی‌باشند در مراحل اولیه جامد شدن رسوبات گل می توانند سخت تر شوند اما به سادگی درون آب دریا و مجراهای آبی از هم پاشیده می‌شوند هنگامیکه این مواد به مرحله جامد شدن برسند دارای نفوذپذیری‌کمتر بوده و توانایی گسترش فشار را دارند. جامد شدن رسوبات رس یکی از مکانیزمهای ایجاد فشار زمینی است که با بالا رفتن عمق مواد دفن شده و افزایش درجه حرارت تغییرات معدنی در شکل گیری رس آغاز می گردد. رسوبات رس می‌توانند ویژگیهای پلاستیکی و چسبندگی پیدا کنند. نیز می توانند به صورت شیلهای‌بسیار سخت تر و محکم تر و یا شیل‌های‌شکننده در آیند در اینجا دو نوع از تغییرات معدن شناسی diagentic وجود دارد که تغییر دهنده طبیعت رسوب‌های رس و شیل می‌باشند. که عبارتند‌از:

1-   تغییر شکل معدنی رسSmectite به لایه‌های مخلوط Illite- smectite

2-   رسوبات‌سخت‌معدنی

تغییر شکل Smectite به illite –smectiteclay به کاهش فعالیت شیمیایی رس یا شیل منجر می گردد. با گذشت عصر زمین شناسی (در حدود یک میلیون سال) و رسیدن به درجه حرارت 200 درجه فار‌نهایت در قسمتی از رسوب‌های رس فعالیت شیمیایی دارای‌ثبات کمتری است. این باعث تغیییر در لایه‌های illite – Smectite می گردد. با افزایش عمر زمین شناسی و افزایش دما به بالای   200 لایه‌های مخلوط معدنی‌بیشتر به illite تبدیل می‌شوند. شیل‌های مربوط به دوران زمین شناسی قدیمی( paleozoicage با قدرت بالای 250 میلیون سال ) به ندرت حاوی مقادیر رس Smectite می‌باشند.

به عنوان یک قاعده کلی هر چه شیل‌ها قدیمی تر ، گرمتر و یا عمیق تر باشند دارای فعالیت شیمیایی کمتری در مقایسه با رسوبات رسی سردتر کم عمق تر و جوانتر هستند. از دیگر فاکتورهای ‌شیل‌های رسوبی سخت، شکننده بودن آن است . بعضی از شیل‌ها بوسیله کرنباتهای مانند کربنات کلسیم یا دولومایت سخت شده‌اند. این سیمان کربنات بطور عملی‌بر مقاومت و دوام میکانیکی ‌شیل اثر می گذارد. سخت شدن کربناتی نسبت به سخت شدن سیلیکاتی عمومیت کمتری دارد.

سیلیکات و یا در محصولات واکنش انتقال smectite به illite مورد بحث قرار گرفت. سیلکاهای سخت به شیل خاصیت شکنندگی می دهند. حجم مقادیر سلیکاتها در شیل‌ها می‌توانند متغیر باشند . غلطت های کم سیلیکا، شیل را شکننده و ضعیف و قابل پخش می کند و وقتی که مقادیر سیلیکا افزایش پیدا کند شیل شکننده اما تمایل ‌به پوسته شدن دارد.

توانایی سیالات حفاری و نفوذ آنها در شیل‌های سخت یکی از عوامل مهم درثبات نسیل می‌باشد. شیل‌هایی که اجازه می دهند آب به درونشان نفوذ پیدا کند به علت فشار دچار تورم شده و از هم پاشیده می‌شوند. در اینجا چندین نوع شیل وجود دارد. که خارج از دریا شکل گرفته و شیل‌های غیر دریایی که دربالا مورد بحث قرار گرفت که یکی از آنها TUFF آتشفشانی است درحالی که TUFF  صخره رسوبی نمی‌باشد. بستری از TUFF آتشفشانی می توانند بروی مواد صخره ای رسوبی ایجاد گردند. TUFF انباشته خاکسترهای آتشفشانی فوران شده از آتشفشانها می‌باشد.

خاکسترهای آتشفشانی‌بروی سطح اقیانوس یا بسترهای رسوبی قرار می گیرند که ابتداً از سیلیکات شیشه ای تشکیل شده اند. بعد از گذشت دوران زمین شناسی‌شیشه‌های آتشفشانی از لحاظ شیمیایی بی ثبات شده و به صورت مواد رسی کریستاله می‌شوند. بستر خاکسترهای آتشفشانی تغییر یافته چیزی است که بنتونایت نامیده می‌شود. و ایومینگ بنتونایت شکل رسوبات دریایی تغییر یافته از خاکسترهای آتشفشانی می‌باشد. اهمیت زمین شناسی رسوبات خاکسترهای آتشفشانی‌شامل TUFF در دریای ‌شمال و TUFF های مختلف در اندونزی می‌باشد. به علت تنوع وسیع شیل‌ها در محیط های مختلف جهان تکنیک‌ها و راه حل‌ها برای حفاری ‌شیل و مشکلات تثبیت آنها متفاوت می‌باشد یعنی ممکن است که روشی در محیطی‌به خوبی عمل کرده اما در محیطی دیگر جواب ندهد و نیاز به تکنولو‍ژی جدید می‌باشد. شیل‌ها راه توان به سادگی‌بوسیله ابزار تصویر نگاری اشعه گاما شناسایی کرد. این ابزارها اشعه گامای طبیعی ساطع شده از شیل بوسیله چاه را اندازه گیری می کند. اشعه گاما بوسیله از هم پاشیدگی یک ایزوتوپ پتاسیم با وزن اتمی 40 و یا از هم پاشیگی اتم‌ها در اورانیوم و عناصر سری توریم ایجاد می گردد. مقادیر جزئی از توریم درسهای معدنی موجود و همچنین پتاسیم نیز عموماً در شیل‌ها وجود دارد. بوسیله ظاهر شدن جابجایی در لاگ اشعه گاما در ستون لاگ الکتریکی می توان شیل را شناسایی کرد بدین صورت که وقتی خط اشعه گاما به سمت راست منحرف شود مشخص کننده شیل می‌باشد و اگر سمت چپ منحرف شود نشان دهنده ماسه یا لایمستون می‌باشد. لاگها منابع با ارزشی اطلاعات برای مهندس گل می‌باشد گزارشات لاگ روزانه ارائه کننده یک شکنندگی‌برای هر نمونه گرفته شده در عمق خاصی می‌باشد. این لاگ‌ها می توانند به تخمین سازنده‌های مشکل ساز و ارزیابی واکنش‌ها و ثبات نسبی آن کمک کند. در جدول یک لیست کدهای زمین شناسی استاندارد و گزارشات لاگ‌های گل به اضافه اندازه دانه‌های صخره‌های رسوبی و توضیحات لازم ارائه شده است.

 

شیل ،سنگ ماسه و سنگ آهک ایجاد کنده اکثر صخره‌های رسوبی و درصدهایی از دیگر انواع صخره‌ها می‌باشند. در بیشتر سیستم های نفت و گاز که مورد حفاری قرار می گیرند شامل 50 تا 75 درصد شیل می‌باشند.

درصد شیل ، سنگ ، ماسه و سنگ آهک در چندین محیط در جدول (2) نشان داده شده است.

انواع صخره‌های متفاوت نیز دارای ویژگی های‌شناخته شده و مشکلات حفاری مرتبط با خود می‌باشند.

 

جدول (3) لیستی از ویژگیهای متفاوت انواع صخره ها است.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شیمی رس chemistry clay

ازنقطه نظر رسوب‌شناسی، به عنوان یک عبارت با اندازه ذره تعیین می گردد و از نقطه نظر شیمیایی و معدن شناشی کانیهای رسی ذرات کوچک و ریزکانیهای اولیه نظیر ذرات کوارتز، فلدسپارو میکاها هستند.

کانیهای رسی‌شامل لایه ای از چهار وجهی های (تتراهدرال) si-o هستند. که در این لایه‌ها هر چهار وجهی‌با جهار وجهی مجاورش سه اتم : اکسیژن به اشتراک گذشته اند. واحد پایه است که AL می تواند حداکثر جانشین نصف اتم های si شود و لایه ای متشکل از AL درموقعیت هشت وجهی (اکتاهدرال ) با یونهای بطوری که در عمل یونهای بین دو لایه از یونهای (O/OH) قرار می گیرند و عناصر Fe و Mg و سایر یونها ممکن است جانشین AL شوند.

نحوه قرار گرفتن صفحات چهار وجهی و هشت وجهی‌به دو حالت T-O, T-O-T است.

گروه کائولینایت به طور نامنظم از T-O و گروه اسمکتایت و ورمیکولایت به صورت T-O-T تشکیل شده اند. پس رس کریستالی‌با ساختار لایه ای سیلیکا و آلومینا است .عموماً رس‌های معدنی که در شیل‌ها پیدا می‌شوند شامل اسمکتایت ، ایلایت ، کلرایت و کائولینایت میباشند این ذرات ریز در اندازه رس بوجود می آیند . آنالیز انواع رس موجود در شیل بوسیله تفکیک اشعه ایکس انجام می‌شود. رس‌ها توانایی جذب آب ، کایتون روی سطح شان را دارند.

همچنانکه در بالا ذکر گردید رس دارای یک اندازه ذره ای کوچک و درای ساختار ورقه ای و لایه ای است رس‌ها درای سطح مقطع (نسبت سطح مقطع به گرم از ماده) وسیعی هستند. ایلایت ، کلرایت‌، کائولینایت ، کریستالهایی ریزی هستند که آب و کایتون ها را روی سطح خارجی خود جذب می‌کنند اسمکتایت علاوه بر جذب آب ، کایتون روی سطح خارجی، آب و کایتون را بین لایه‌های ساختار کریتسالی خود جذب می کند. توانایی جذب آب در اسمکتایت بیشتر از انواع دیگر رس هست. توانایی جذب آب، توانایی تعویض کایتون و ذب آب، توانایی تعویض کایتون وس اع صخره ها است.

سطح مقطع ویژه رس با پدیده ای که به آن خواص Colligative گویند ارتباط دارد. این خواص کولینگاتیو مبنای اندازه گیری فعالیت رس می‌باشد و علت آن ظرفیت تعویض کایتون (CEC) است. که به راحتی قابل اندازه گیری می‌باشند این یک روش عملی‌برای ارزیابی فعالیت رس یا شیل می‌باشد (CEC)  یا ظرفیت تعویض کاتیون رس خشک بوسیله تیتراسیون یا متیلن آبی قابل اندازه‌گیری که واحد استاندارد برای گزارش CEC در رس خشک میلی اکی و الان (meq) در 100 گرم از رس خشک می‌باشد برای محاسبه CEC از محلول 01/0 نرمال متیلن آبی استفاده می‌شود. بنابراین میلی لیتر از محلول متیلن آبی مورد نیاز برای نقطه پایانی معادل با می‌باشد.

محدوده CEC برای رس های خالص به شرح زیر است.

 

اسمکتایت‌ها بصورت شفاف واکنش پذیری‌بیشتری در مقایسه با دیگر رس ها دارند، شیلهایی که محتوی اسمکتایت‌ها هستند بسیار به آب حساس بوده و سریعاً آبگیری می‌شوند. شیلهایی که محتوی دیگر مواد رسی هستند دارای توانایی کمتری در آب گیری هستند اما هنوز به آب حساس می‌باشند. در اکثر شیلهایی‌که محتوی چندین نوع رس در حجم های متغیر می‌باشند واکنش پذیری‌شیل بستگی‌به نوع و حجم رس موجود در شیل دارد. اغلب CEC بهترین راه محاسبه واکنش پذیری در رس نسبت به آنالیزهای معدن شناسی‌بوسیله XRD  می‌باشد. ساختار ایلایت و اسمکتایت شبیه تکرار ترکیب سه لایه ای واحد می‌باشد که در آن لایه آلومینیم به صورت ساندویچی‌بین دو صفحه سیلیکا قرار دارد. در اسمکتایت آب و یون بین سه لایه جذب شده و تشکیل کریستال می دهند در ایلایت لایه‌ای از یون پتاسیم وجود دارد اما هیچگونه آبی میان سه لایه وجود ندارد. اضافه بر آن در ایلایت اتمهای آلومینیم بجای اتمهای سیلیکا جایگزین می‌شوند در حای که در اسمکتایت اینگونه نیست. اتم های پتاسیم در ساختار ایلایت یونهای قابل تبادل نمی‌باشند اما یک بخش ثابت از کریستال‌هستند. تنها یونهای که بر روی سطح خارجی ایلایت قرار دارند قابل تعویض می‌باشند، در اسمکتایت این یونها بین لایه‌ها قابل تبادل می‌باشند. که این یونها می توانند سدیم، کلسیم، منیزیم یا پتاسیم باشند (قابل توجه است که تعویض یون پتاسیم در اسمکتایت شبیه به ایلایت نمی‌باشد).

در صنعت حفاری از عبارت montmorillonite یا bentonite به جای عبارت smectite استفاده می‌شود که معنی آن رسی است که بین ساختار لایه‌ای آن آب وجود دارد. این تعریف را متخصصانی که در این صنعت مطالعه می‌کنند به وجود آورده‌اند. رسها را به گروههای اصلی زیر طبقه‌بندی می‌کنند:

1- گروه کائولین Kaoline group: رسهای این گروه شامل پنج کانی‌به نامهای زیر است:

1)    Kaolinite

2)    Halloysite

3)    Dickite

4)    Naclite

5)    Endellite

چهار کانی اول دارای ساختمان شیمیائی مشابهی هستند به فرمول 2H2O، 2SiO2، Al2O3 ولی کانی پنجم دو مولکول آب بیشتر دارد. ساختمان دو لایه‌ای دارند که در آن لایه تتراهدرال به وسیله یونهای O/OH به لایه اکتاهدرال متصل است و در آن جانشینی‌به جای Si , Al صورت نمی‌گیرد یا به تعریف دیگر یک ورقه سیلکا و آلومینیوم می‌باشد که اکسیژن‌های مربوط به مولکول تتراهدرال به صورت رو در رو با هیدروکسیل‌های مربوط به مولکول اکتاهدرال پیوند قوی تشکیل می‌دهند. در سطح رس کاتیونی وجود ندارد و یا بسیار کم است و لذا تمایل به آبگیری وتورم در این رس ضعیف می‌باشد.

2- گروه اسمکتایت Smectite Group: رسهای این گروه شامل کانی‌های مونت مور یلونایت می‌باشد که عبارتند از:

1) Montmorillonite

2)    Beidellite

3)    Nontronite

4)    Hectorite

5)    Saponite

گروه اسمکتایت یا گروه بنتونایت گروهی از رسهای معدنی‌با ساختار سه لایه‌ای است ‌به طوریکه یک لایه اکتاهدرال به صورت ساندویچی‌بین دو لایه تتراهدرال سلیس قرار دارد و محتوی آب میان لایه‌های آلومینوسیکاتی خود می‌باشد این پنج کانی از نظر ساختمان شیمیایی و فرمول با یکدیگر بسیار تفاوت دارند به‌همین دلیل‌هم نمیتوان در اینجا یک فرمول کلّی و جامع برای آنها بیان کرد. مثلاً کانی نخست که از بقیه مهمتر می‌باشد دارای فرمول زیر است:

  

در این آلومینوسیلکات متبلور، نسبت  مثل نسبت  است و همان طوریکه ملاحظه می‌شود در گروه Al2O3این کانی، عمل استخلاف (جانشینی) صورت گرفته است، با این ترتیب که یک اتم منیزیم با ظرفیت دو (Mg2+) به جای یک اتم آلومینیوم با ظرفیت سه (Al3+) نشسته و حاصل یک جانشینی یک بار منفی اضافی است که در مولکول کانی پدیده آمده است و این باز منفی اضافی‌باید به وسیله یک اتم مثبت (Na+) خنثی‌شود سدیم خود نیز یک base قابل تعویض می‌شود و ممکن است به وسیله کاتیونهای دیگری مثل H+,Ca2+و غیره تعویض شود این خاصیت را base exchange (یا تعویض پایه) می‌گویند.

چهار کانی دیگر گروه بنتونایت از نظر خواص base exchange ساختمانی‌شبیه ساختمان مونت موریلونایت دارند.

مونت موریلونایت montmorillonite: یک رس معدنی متعلق به گروه اسمکتایت می‌باشد. اکثر رسهای اسمکتایت در رسوبات خلیج ایالات متحده آمریکا قرار گرفته ولی می‌تواند در دیگر بسترهای رسوبی وجود نداشته باشنرااولکول تتراهدرانمکتایت انید.

بنتونایت Bentonite: از لحاظ زمین شناسی، بنتونایت یک بستری از خاکسترهای آتشفشانی تغییر یافته می‌باشد. عبارت بنتونایت برای نام تجاری سدیم مونت موریلونایت که به عنوان افزودنی گل حفاری استفاده می‌گردد، نامیده می‌شود. رس معدنی نبتونایت در وایومینگ از یک بستر زمین شناسی‌بنتونایت ایجاد می‌گردد اما رسهای معدنی‌بنتونایت در دیگر نواحی جهان از انواع دیگر رسوبات زمین شناسی تشکیل می‌شوند.

3- هیدرات گلایمر Hydrat glimmer: این دسته نیز دارای سه لایه می‌باشند و به صورت انبوه در طبیعت یافت می‌شوند ولی آنها به علت نیروهای قوی پیوندی‌بین مولکولها hydrophob هستند. این گروه شامل:

Illite

Muskovit

Biotit

ایلایت Illite: رس معدنی خاص با ساختار استخوانی آلومینوسیلیکات شبیه اسمکتایت اما بدون آب بین لایه‌ای می‌باشد. متخصصان هنوز گروه ایلایت را کاملاً تقسیم‌بندی نکرده‌اند اما روی این مسئله در حال کار می‌باشند.

ایلایت یک رس سه لایه است که  در ورقه‌های خارجی، جانشینی یون آلومینیوم به جای سیلیکات Si2+ و در ورقه داخلی جانشینی منیزیم (Mg2+) به جای آلومینیوم (Al3+) انجام می‌گیرد. کمبود بارهای مثبت توسط پتاسیم جبران می‌شود. همچنین به علت وجود یون پتاسیم (K+) آبگیری این رس بسیار آهسته انجام می‌گیرد. ابعاد یونیزه یون پتاسیم کوچک و آب بسیار کمی همراه آن است. بدین ترتیب یون پتاسیم به قاعده شبکه اکسیژن واقع در ورقه خارجی می‌چسبد و حجم کم آب پیرامون آن، موجب می‌شود که بار الکتریکی مثبت خیلی نزدیک به سطح صفحات لایه قرار گرفته و نیروهای واندروالسی را تقویت کرده و صفحات را خیلی ‌به ‌هم نزدیکتر سازد. بدینگونه فقط حجم کوچکی از آب می‌تواند با ذره رس همراه شود.

مسکووایت muscovite به فرمول باز (K2O, 3Al2O3, 6SiO2, 2H2O) در زیر میکروسکوپ ساختمان بشقابی‌شکل و نازک دارند و در خاک که‌هستند برق می‌زنند به‌همین دلیل‌هم تشخیص آنها ساده است. پتاسیمی که در این مایکاها وجود دارد در خارج شبکه کانی و با اتصالی‌بسیار محکم بر روی سطح آن چسبیده است.

4-گروه کلرایت Chlorite Group

کلرایت یک رس با صفحات سه ورقی است که توسط یک لایه بروسیت از یکدیگر جدا شده‌اند، یعنی جمعاً دارای چهار لایه می‌باشند. لایه بروسیت به طور اساسی مشابه با ورقه اکتاهدرال آلومینیوم (Al3+) به جای یون منیزیم منجر به پیدا کردن بار مثبت در ورقه می‌شود. بار الکتریکی مثبت لایه بروسیت و بار الکتریکی منفی صفحه سه ورقی (مشابه با ایلایت) سبب می‌شود که ذره رس بار تقریباً خنثی داشته باشد. به این ترتیب از آنجایی که صفحات یا لایه‌ها پیوندی قوی‌با هم دارند و یونهای کلسیم و سدیمی ‌برای جذب آب موجود نیست یا خیلی کم است، میزان آبگیری‌بسیار پایین است. به‌هر صورت در مواردی نیز لایه بروسیت از بین صفحات لغزیده و خارج شده و آب به سطح صفحات سه ورقی جذب می‌شود.

 

5-گروه آتاپولجایت Attapulgite Group

یک نوع از این رسها، هیدرومنیزیم آلومنیم سیلیکات می‌باشد. این دسته از نمکها دارای یک ساختمان کریستالی سوزنی هستند. از آنها جهت ساختن گل حفاری در زمانی که فقط آب نمک در اختیار داریم استفاده می‌کنیم که باعث ایجاد ویسکوزیته در آب می‌شود و نام دیگر این رسها salt clay می‌باشد.

رسهای معمول در فرآیند حفاری عبارتند از: اسمکتایت، ایلایت، کائولینایت و کلرایت

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



جدول زیر ارائه کننده ضخامتهای‌بین لایه‌ای‌بر حسب انگستروم برای‌بعضی از رسها می‌باشد.

 

 


تنشهای زمین The Earth's Stresses

شناخت تنش زمین و رابطه آن با عدم ثبات چاه بسیار مهم می‌باشد، فشار اضافه وزن overburden pressure و فشار تخلخل pore pressure و نیروهای تکنونیک Tectonic Forces که در زیر توضیح داده شده‌اند همه در بی‌ثباتی چاه‌هنگام حفاری در محیط زیرسطحی مشارکت دارند.

Overburden Pressure: فشار مربوط به حجم و وزن همه سازند‌ها و سیالات درون آنها که در بالای سازند مورد نظر قرار گرفته‌اند را گویند، کل تنش تحمیل شده به وسیله overburden بر سازند زیر سطح را Geostatic یا Lithostatic یا                          Total overburden pressure گویند که از رابطه زیر محاسبه می‌گردد.

 

 

 

 

() معادل است با مجموع فشار ناشی از وزن رسوبات (PS) Sediment Pressure و فشار ناشی از وزن سیالات (PF) Fluid Pressure که درون سازندهای‌بالاتر قرار دارد که به وسیله تنش مکانیکی سازند حمایت می‌شوند را می‌توان با

 

نشان داد. در سیستم انگلیسی  را می‌توان از معادله زیر به دست آورد:

 

فشار تقسیم بر عمق رابطه‌ای است که به آن گرادیان گویند Overburden Pressure (POG) Gradient   را می‌توان از رابطه زیر محاسبه کرد:

 

چگالی حجم رسوبات در مکانها و عمقهای مختلف، متفاوت می‌باشد، اما معمولاً و همچنین Geostatic یا گرادیان                    در نظر گرفته می‌شود.

چگالی حجم رسوبات به طور دقیق از طریق نمودار‌گیری چگالی قابل به دست آوردن است، این نمودارگیری‌ها جهت به دست آوردن اطلاعات همیشه در دسترس نیستند، ولی گرادیان را می‌توان محاسبه کرد. مثلاً در عمقهای مجاور هم برای خلیج مکزیک نزدیک در نزدیکی سطح و  نزدیک 20000 فوتی در نظر گرفته می‌شود. Overburden Pressure در جاهایی که شناخته شده نیست یا از مقادیر نواحی مجاور آن استفاده می‌شود.

فشار تخلخل و فشار درون دانه‌ای Pore Pressure Intergranular Pressure:

مجموع فشار Overburden به وسیله صخره‌ها از دو راه به وجود می‌آید، اول فشار درون دانه‌ای (PI) که فشار ناشی از نیروی انتقالی‌برخورد مکانیکی میان دانه به دانه‌ای است. دوم، برخورد دانه به دانه‌ای رسوباتی که‌هنوز به طور کافی فشرده نشده‌اند. جایی که فشار Overburden به وسیله فشار تخلخل (PP) تشدید شود، موجب فشار غیرعادی Abnormal Pressure می‌گردد. فشار تخلخل ناشی از سیالاتی مانند آب، نفت و گاز می‌باشد که می‌بایست به وسیله وزن گل حفاری متعادل و کنترل گردند. بنابراین مجموع فشار Overburden معادل است با مجموع فشار درون دانه‌ای (PI) و فشار تخلخل (PP).

 

هنگامیکه گرادیان چگالی حجمی‌به علت فشردگی متغییر باشد و همچنین فشار طبیعی تخلخل به علت شوری آب سازند متغییر باشد، از جدول 4 و فرمول زیر برای‌به دست آوردن فشار طبیعی تخلخل استفاده می‌شود.

 

 

عموماً فشار طبیعی تخلخل را  در نظر می‌گیرند. هنگامیکه فشار تخلخل بیشتر از فشار هیدرواستاتیک تئوری‌برای عمق خاص باشد، سازند دارای فشار غیرعادی (Abnormal) با فشار زمینی Geo pressure می‌باشد.

 

فشار غیرعادی وضعیتی است که در آن سیالات درون تله‌های زمینی مسدود شده سازند به نواحی کم‌عمق‌تر از جایی که جرم Overburden زیادتر است نفوذ می‌کنند. این انسدادها می‌تواند به وسیله شیلهای متراکم، لایمستون، دولومایت، نمک و دیگر شکلهای غیرقابل نفوذ به وجود آید.

شناخت سه فشار تعریف شده یعنی pore , Intergranular , Overburden را می‌توان به وسیله مثال برج آب بیشتر توضیخ داد Overburden pressure را می‌توان مجموع وزن ایجاد شده روی پایه برج آب در نظر گرفت یعنی مجموع وزن آب و وزن خود برج.

 Intergranular pressure را می‌توان وزن ساختمانی‌به وجود آمده میان بدنه یا چهار چوب ساختمان در نظر گرفت.

 Pore pressure: را می‌توان فشار هیدرواستاتیک آب در نظر گرفت.

 

جهت‌گیری تنشها Orintation of Stresses

Overburden اعمال شده یک تنش عمودی می‌باشد که باعث تنش افقی در قسمت خارجی می‌شود که بستگی‌به خواص مکانیکی صخره دارد. تنشهای زیرسطحی در نتیجة جهت‌گیری سه تنش اصلی در فضای سه بعدی که‌همه بر یکدیگر عمود می‌باشند به وجود می‌آید (به شکل 2 نگاه کنید) که عبارتند از: 1- حداکثر تنش اساسی . 2- متوسط تنش اساسی . 3- حداقل تنش اساسی . گرادیان یا شیب شکست ذاتاً با حداقل تنش اساسی معادل می‌باشد. در محیط تنشهای غیرتکنونیک، حداکثر تنش در جهت عمودی  ناشی از Overburden و متوسط و حداقل تنش اساسی  در جهت افقی صفحه و معادل‌هم هستند.

 

 

وقتی یک چاه از حالت عمودی انحراف پیدا کند، این تنشها به ناپایداری چاه و نیاز به افزایش وزن گل منجر می‌شود که این امر به قدرت صخره بستگی دارد. برای ارزیابی تنشها در چاههای انحرافی، بررسی جهت‌گیریهای مختلف تنشهای اصلی می‌تواند مفید واقع شود که این جهت‌گیریها نسبت به چاه، شعاعی Radial ، مماسی Tangential  و محوری Axial  هستند که در شکل 3 نشان داده شده‌اند.

 

 

با استفاده از این جهت‌گیریها و برنامه کامپیوتری تنشهای M.I می‌توانیم پایداری مکانیکی سازند را برای یک مجموعه از شرایط حساب کنیم (شکل 4). می‌توان یک طرح از اثر فشار هیدرواستاتیک روی کل تفاضل تنشهای (مماسی منهای‌شعاعی) صخره ایجاد کرد. چندین زاویه شعاعی در اطراف چاه نشان داده شده که از یک طرف در  به انتها در  و تا طرف دیگر در . اگر تنش تفاضلی کمتر از قدرت کشش یا انبساط صخره باشد، خرابی انبساطی یا شکستگی اتفاق خواهد افتاد و اگر وزن گل کمتر از گرادیان شکست باشد. شکستگی یا خراب شدن نزدیک چاه اتفاق می‌افتد و اگر وزن گل بیشتر از گرادیان شکست باشد، هرزروی جریان پیش خواهد آمد. اگر تنش تفاضلی‌بیشتر از قدرت تراکمی صخره باشد، خرد شدن (spalling) و درهم فرو رفتن (collapse) یا حالت پلاستیکی (مانند سازند نمکی) به وجود خواهد آمد.

 

هنگامیکه این آنالیز انجام شد می‌توان یک رنج عملیاتی ایمن جهت وزن گل برای زوایای مختلف چاه و فشار تخلخل در یک حفاری چاه محاسبه کرد. در نتیجه در چاه زاویه‌دار رنج یا محدودة وزن گل جهت پایدار ماندن چاه به طور قابل توجهی کمتر از حالت عمودی می‌باشد. (شکل 5)

 

 

نیروهای تکتونیک TECTONIC FORCES

تنشهای تکتونیک، تنشهایی هستند که باعث تغییر شکل در موارد صخره‌ای در طبیعت می‌شوند. برخوردهای محلی و حرکتهای صفحات پوسته زمین و دیگر نیروهای زمین باعث ایجاد این تنشها می‌شوند. نیروهای تکتونیک باعث ایجاد دو تنش افقی‌با مقادیر متفاوت می‌شوند که چین خوردگی و جابجایی نتیجه تنشهای تکتونیک هستند. تنشهای تکتونیکی متراکم موجب مشکلاتی در اثر تراکم می‌گردند و در جایی که صخره‌ها شکننده‌هستند، ممکن است صخره‌ها خرد شده و درون چاه افتاده یا سازند را به حالت پلاستیکی‌شبیه فشار نمک درآورده و چاه را در جهت فشار به حالت بسته درآورد.

تنش تکتونیکی انبساطی موجب شکستگی و در نتیجه ‌هرزروی جریان می‌شود.

کمربند چین‌خوردگیهای کوهستانی نواحی هستند که به وسیله تنش تکتونیکی متراکم ساخته می‌شوند. یک کمربند چین از چینهای طاقدیسی و ناودیسی‌به وسیله تنش تکنونیک (حداکثر تنش) و در جهت عمود بر هم و بر چین‌های‌بریده به وجود می‌آید (یا برخورد تکه‌های پوسته). هر دو تنشهای حداکثر و حداقل، همیشه به صورت افقی‌با تنش متوسط که بیشتر عمودی هستند برخورد می‌کنند.

تنشهای تکنونیکی انبساطی دلیل ایجاد جابجایی در انواع محیطهای کوهستانی می‌باشند، حداقل تنش افقی‌بر مسیر جابجایی عمود می‌باشد در حالیکه متوسط تنش اساسی‌با مسیر جابجایی موازی و با حداکثر تنش اساسی، در جهت عمود می‌باشد.

نزدیک ساختارهای نمکی مانند گنبدها و پوسته‌ها این تنشها به وسیله ورود ناگهانی‌به سمت بالا و جابجایی و مهاجرت نمک در میان صخره‌ها تعدیل می‌شوند. ارزیابی چگونگی ساختاربندی و اصلاح حالتهای تنشهای صخره‌ای نمک مشکل می‌باشد. برای پایداری چاه معمولاً به وزن گل بیشتری نیاز است. هرزروی جریان و مشکلات کنترل پایداری چاه معمولاً در این محیطهای پیچیده به وجود می‌آیند و علت آن ساختارهایی است که تقریباً دارای مقاومت شکنندگی کمتری می‌باشند.

 

خرابی تنشهای مکانیکی Mechanical Stress Failure

خرابی حفره چاه به علت تنشهای مکانیکی‌به وسیله یکی از این دو وضعیت ایجاد می‌گردد. اولین وضعیت وزن گل می‌باشد که اگر بیش از حد بالا باشد باعث شکستگی و هرز روی جریان (Lost Circulation) می‌شود. ثانیاً اگر وزن گل بیش از حد پایین باشد، غار شدگی (cave) در جایی که خرد شدن (spalling) ایجاد می‌شود یا در هم فرو رفتن (collapse) به وجود می‌آید. همچنان که در شکل 6 مشاهده می‌کنیم. سائیدگی مکانیکی و برخورد رشته حفاری نیز می‌تواند باعث گشاد شدن چاه و ایجاد عدم ثبات در صخره‌های‌شکننده گردد.

 

 

شکنندگی- خرابی کششی یا انبساطی Tensile Failure – Fracturing

صخره‌ها دارای استحکام کششی ضعیفی می‌باشند. در حقیقت ماسه‌های سخت نشده یا سازندهای دارای‌شکستگی، استحکام کششی‌شان صفر می‌باشد. ماسه سنگها نسبت به شیلها استحکام کششی کمتری دارند. صخره‌های سخت می‌توانند 300psi تا 600psi استحکام کششی یا انبساطی داشته باشند، معمولاً وزن گل را برای کنترل جریان گاز و مایعات درون چاه افزایش می‌دهند. این کار به وسیله افزایش اندک فشار هیدرواستاتیک گل نسبت به فشار تخلخل صورت می‌گیرد. اگر فشار گل بیشتر از گرادیان شکست صخره باشد، شکستگی ایجاد و هرز روی گل به وجود می‌آید. جهت شکستگی‌با جهت حداکثر تنش اساسی، موازی و با جهت حداقل تنش عمود می‌باشد، که معمولاً نتیجه آن یک شکستگی عمودی‌باز به سمت آخرین تنش اساسی می‌باشد. شکستگی و هرز روی جریان می‌توانند اثر تعیین کننده‌ای روی یکپارچگی و پایداری چاه داشته باشند، به خصوص در سازندهای متوسط تا سخت.

بعضی از شیلهای نرم و شیلهای چسبنده (gumbo) که دارای آب زیادی می‌باشند، می‌توانند تغییر شکل پلاستیکی دهند که این عمل موجب افزایش سایز و حجم چاه شده که به این پدیده بالونی‌شده (ballooning) گویند. تئوری‌بالونی‌شدن، تئوری است که اگر وزن گل زیاد شود، باعث خواهد شد که چاه گشاد (بالونی) و فشار حبس گردد مانند فشار مخزن. این وضعیت در برگشت منجر به نشان دادن جریان یافتن چاه (Kick) و افزایش حجم گل برگشتی می‌شود. این مفهوم کمی جدل آمیز بوده و به سختی قابل شناخت می‌باشد. این مسئله‌هنوز کاملاً آشکار نشده که علائم بالنی‌شدن به وسیله باز و بسته شدن شکستگیها ایجاد یا به وسیله تغییر شکل پلاستیکی چاه ایجاد می‌گردد. در هر حالت جهت کنترل چاه باید از حالتهای تا حد ممکن ایمن استفاده نمود.

 


خرابی فشردگی- فرو ریختن یا جریان پلاستیکی Comprssive Failure – Collapseor Plastic Flow

صخره‌ها عموماً دارای قدرت فشردگی 4000psi تا  15000psi هستند، اگر وزن گل برای تعادل با حداکثر تنش صخره‌ها نامناسب باشد، یکی از مکانیزمهای خرابی زیر به وقوع می‌پیوندد:

1-گشاد شدن چاه به علت فرو ریختن (collapse) یا خرد شدن (spalling) در صخره‌های‌‌شکننده

2- تغییر شکل چاه و تنگ شدن چاه به علت جریان پلاستیکی در سازندهایی که دارای خواص پلاستیکی هستند مانند سازندهای نمکی و بسته شدن چاه در اثر فشار.

شیلهای تحت تنش و شیلهای فشرده دو مشکل پایداری چاه می‌باشند که در صورت نامناسب بودن وزن گل نسبت به قدرت فشردگی می‌توانند مشکل‌ساز باشند زیرا مثل افزایش فشار گاز قابل شناسایی نیستند و همچنین به‌همین دلیل نیاز به افزایش وزن گل به سختی قابل تشخیص است. هنگامیکه با این دو مشکل شیل مواجه شدیم، حجم زیادی از خرده‌ها و کنده‌ها روی الک لرزان قابل مشاهده می‌باشند. اغلب تغییر در سایز و شکل (بزرگتر و زاویه‌دارتر) همراه با افزایش حجم است. تعدادی از کلمات که در مورد خرابی‌شیل در حالت فشردگی (compression) به کار می‌روند عبارتند از پوسته پوسته شدن (sloughing) غار شدگی و ریزش (caving and spalling). لازم به ذکر است که خرده‌ها و تکه‌های‌شیل از کنده‌های حفاری (cutting) بزرگتر می‌باشند و به صورت زاویه‌دار یا شکسته و ممکن است ظاهر مقعر داشته باشند.

شیلهای تحت تنش stressed shales

معمولاً جهت کنترل جریان گاز و مایعات درون چاه وزن گل را افزایش می‌دهند. اگر سازند به علت نیروهای تکتونیکی تحت تنش باشد، برای پیشگیری از بی‌ثباتی چاه باید وزن گل را افزایش داد. این نوع شیلها را می‌توان به صورت شیلهایی که به طور محسوس آبگیری نشده‌اند اما وقتی در این شیلها نفوذ شود، درون چاه به صورت پوسته پوسته (sloughing) درمی‌آیند، توضیح داد. این شیلها در نواحی که حرکات تکتونیک اتفاق می‌افتد (فرآیندی که به وسیله آن پوسته زمین تشکیل اقیانوسها و کوهستانها و غیره می‌دهد). این شیلها ممکن است به طور قابل توجهی نسبت به افق شیب‌دار باشند. این نیروها ممکن است روی سازند عمل کرده و وقتی که آزاد شده موجب افتادن شیلها درون چاه شوند. اگر سطح بستر به وسیله آب یا نفت مربوط شوند این مشکل شدیدتر می‌شود همچنان که قبلاً مورد بحث قرار گرفت. تنشهای ایجاد شده به وسیله جابجایی دیاسترفیک (diastrophic) یا تنش تکتونیک باعث ایجاد شیلهای آسیب‌پذیر به پوسته پوسته شدن (sloughing) می‌شود اضافه بر آن مواد طبیعی سخت شده این شیلها، ممکن است نسبتاً ضعیف شوند.

بعضی‌شیلهای تحت تنش را هرگز نمی‌توان با وزن گل به طور کامل کنترل کرد که علت آن هرزروی جریان می‌باشد. در این وضعیت شیلها تمایل دارند که درون چاه پوسته پوسته شوند. گاهی اوقات بهترین روش برای درمان مشکل، بهبود پاک‌سازی چاه و سعی در تحمل مشکل بدون اجازه دادن به مشکلات حفاری قابل توجه، می‌باشد. باید از یک سیستم گل خوب با نیروی‌برشی (shear) کم و دبی کم و قدرت ژل بالا استفاده شود که باعث خوب نگهداری فیلتر کیک (filter-cake) و کم کردن هرز روی عصاره گل (fluid loss) می‌شود. دبی کم به دلیل حفظ خط و پروفایل جریان به جلوگیری از پوسته پوسته شدن تحت تنش و تمیز کردن چاه کمک خواهد کرد. قدرت ژل بالا باعث معلق نگهداشتن خرده‌های‌شیل در زمان توقف گردش گل می‌گردد. این کار از ریختن شیل درون چاه و ایجاد پل (bridge) جلوگیری می‌کند. در این وضعیت اغلب بهتر است که در جاهای مشکل‌دار از شستن و گشاد کردن (Wash & Ream) برحذر کنیم مگر اینکه مطلقاً به این کار نیاز باشد.

با مشکلات غیرمعمول ناپایداری چاه، به عنوان محیطهای فعال تکنونیک باید برخورد کرد. اگر مکانیزم فیزیکی خرابی چاه به خوبی‌شناخته نشود، پاسخ عملیاتی ممکن است به کلی نامناسب باشد. در حین حفاری در نواحی که وضعیت تکنونیک غیرمعمول مشاهده می‌شود، روشهای عملی‌برای‌به دست آوردن وزن گل و گرادیان شکست باید تغییر کند به معیارهای مکانیکی و به نشانه‌های فشار تخلخل مانند گلی که در اثر گاز وزن آن کمتر شده است (Gas-Cut) نباید اعتماد کرد. مدیریت صحیح در کنترل ناپایداری مهمتر است تا سعی در معالجه کامل شرایط به وجود آمده. تجربیات در این محیطها منجر به مشاهدات زیر شده است.

* ناپایداری تکنونیکی کاملاً مکانیکی هستند و به وسیله روشهای‌شیمیایی قابل اصلاح نیستند.

* ناپایداری مکانیکی مرتبط است با خرابی ایجاد شده در اثر تنش و ضعیف بودن شیل که اغلب باعث ایجاد شکستگی (fractured) یا جابجا شدگی (faulted) در سازند می‌شود.

* وقتی فشار گل نزدیک، حداقل تنش شود، شکستگی ایجاد شده و باعث هرزروی جریان و ناپایداری چاه می‌شود.

* برآمدگی (breakout) و در هم فرو ریختن (collapse) زمانی اتفاق می‌افتد که فشار گل کمتر از قدرت فشردگی صخره باشد.

* جهت‌گیری مسیر چاه با توجه به نیروهای تکنونیک می‌تواند به حل مشکل کمک کند.

* حفاری ضعیف می‌تواند با ناپایداری چاه مرتبط باشد و روش مناسب حفاری می‌تواند به تحمل بیشتر بعضی از ناپایداریها کمک کند.

* مقرون به صرفه بودن، هزینه و زمان برای تیم‌های کاری حساس می‌باشد.

بعضی از پیشنهادات عبارتند از:

* مشاهده وضعیت چاه و الک لرزان برای مشخص شدن ناپایداری و نیاز به بهبود تمیز شدن چاه و از بین بردن علائم ناپایداری (پر شدن و ایجاد پل)

* استفاده از تکنیک سریع و صاف حفاری‌برای کاهش زمان در معرض قرار گرفتن و به حداقل رساندن اختلالات

* استفاده از لوله جداری (casing) عمیق برای جدا کردن فواصل مشکل‌دار

* به حداقل رساندن و کاهش اختلالات مکانیکی مگر آنکه به طور مطلق مورد نیاز باشد.

تفاوتهای حرارتی میان جریان گل سردتر و سازند گرمتر می‌تواند موجب تنش و ناپایداری چاه شود. این یک مشکل عمومی نیست ولی هنگام ارزیابی چاه در درجه حرارتهای‌بالای چاه می‌تواند مدنظر قرار گیرد.

 

شیلهای فشرده pressured shales

معمولاً برای کنترل جریان یافتن گاز و مایعات درون چاه، وزن گل را افزایش می‌دهند. اگر سازند ناتراوا باشد و با سازند تراوا مجاور نباشد مانند شیلهای توپر (massive shale) یا بدنه نمکی، ممکن است به سختی فشار ناشی از گاز یا شار مایع تخلخل نشان داده شود که علت آن نبود یک زمینه و مجرا است. شیلهای مشکل‌دار مرتبط با فشار زمینی از لحاظ جغرافیایی‌به محیط‌هایی‌با زمین شناسی اولیه که معمولاً از نوع Postcretaceous می‌باشد محدود می‌شوند. شیلهایی از این نوع معمولاً متراکم اما غیرهمگون هستند. یک فرد به طور منطقی می‌تواند وجود فشار در بستر شیل را اینگونه بیان کند که طی زمان زمین شناسی تغییرات سطح دریا مانند تغییرات به وقوع پیوسته در دوره یخبندانها باعث جابجایی رسوبات محلی‌با رسوبات خارجی در مجراهای رسوبی وسیع شده و این چنین تغییرات آب و هوایی می‌تواند جهت ایجاد سنگ ماسه‌ها در نزدیکی ساحل که در عصر زمین شناسی دیرین قرار گرفته‌اند، کافی‌باشد و بدین صورت عدسیهای ماسه‌ای نفوذپذیر درون شیلهای متراکم قرار می‌گیرند و به وسیله این شیلها احاطه شده و از محیط جدا می‌گردند.

پس از طی دوران زمین شناسی‌به علت افزایش وزن overburden، ماسه‌ها و شیلها روی هم انباشت و فشرده می‌شوند که طی فرآیند فشرده شدن، مایعات درون شیلها در اثر نیرو، خارج شده و وارد خلل و فرج عدسیهای ماسه‌ای نفوذپذیر می‌شوند. عدسیهای ماسه‌ای متخلخل و نفوذپذیر هستند و به‌هیچ عنوان فشرده نمی‌شوند. بدین صورت سیالات درون عدسیها به دام افتاده و به وسیله شیلهای متراکم کاملاً جدا و احاطه شده‌اند. (مانند شکل 7)

 

با گذشت دوران زمین شناسی، فضای خلل و فرج کاملاً پر شده و در نتیجه سیال به دام افتاده به فشار مساوی‌با لایه‌های فوقانی (overburden) دست پیدا می‌کند. اگر سازند ناتروا (permeable) باشد، افزایش فشار یا جریان گاز یا مایع درون چاه قابل شناسایی نمی‌باشد، در نتیجه فشار هیدرواستاتیک گل کمتر از فشار شیل خواهد شد، لذا اختلاف فشار سعی خواهد کرد که در بخش کم مقاومت خود را آزاد نماید. باور بر این است که این عکس‌العمل در بستر زمین بین ماسه و شیل اتفاق خواهد افتاد و باعث خواهد شد که شیل خرد شده و به درون چاه سقوط نماید. شیل‌های ضعیف شده آنقدر به ریزش ادامه خواهند داد تا فشار آن کاملاً آزاد شده و با فشار ستون گل معادل گردد.

بعضی از شیلها فشرده ممکن است واقعاً دارای گاز باشند که به آن شیلهای حاوی گاز یا سازندهای گازی‌با فشار بالا و حجم پایین گویند. در این حالت ثبات چاه به مقاومت صخره و علل به وجود آمدن گاززدگی در گل، بستگی دارد. ممکن است لازم نباشد که وزن گل را تا فشار شیل حاوی گاز بالا برد، زیرا این امر باعث هرز روی جریان (Lost circulation) خواهد شد، اما تا نقطه‌ای که سازند شکسته نشود، می‌توان وزن گل را بالا برد. حل این چنین مشکلات شیل به وسیله فشار، نسبتاً ساده است. علاوه بر سنگین‌تر کردن وزن گل روشهای دیگری نیز می‌تواند به حل مشکل کمک کند که عبارتند از:

1- چاه را در حین بیرون کشیدن لوله‌ها همواره پر نگاه دارید، زیرا این عمل فشار هیدرواستاتیک را در بالاترین حد ممکن نگه خواهد داشت.

2- گرانروی و نیروی استحکام ژلاتینی کم در گل به جلوگیری از پدیده مکش کمک خواهد کرد. همچنین اندودهای (Wall kakes) کم ضخامت‌تر به علت فیلتراسیون کمتر به جلوگیری از پدیده مکش کمک خواهد کرد.

3- لوله‌ها را در مقطع مشکل‌ساز، آهسته بالا بکشید.

 

جریان پلاستیکی Plastic Flow

صخره‌ها با بازده پلاستیکی مانند نمک می‌توانند باعث تغییر شکل و تنگ شدن چاه شوند. نمک ماده‌ای است که تحت فشار، جریان پیدا می‌کند و فشرده می‌شود که این امر موجب تنگی چاه یا احتمال بسته شدن چاه (tight Hole) یا چسبیدن لوله‌های حفاری (sticking the pipes) می‌شود. نمک مجرا و انتقال دهنده فشار سازندهای‌بالاتر (overburden) در جهت افقی می‌باشد. بنابراین سه تنش معادل‌هم می‌شوند. نمک در درجه حرارت بالا بیشتر پلاستیکی می‌شود (بالای   ) خزش نمک یکی از مشکلات اساسی سازندهای عمیق نمکی‌با عمق بیشتر از 10000ft می‌باشد. در شکل 8 نشان داده شده است که برای کنترل جریان پلاستیکی نمک در عمق و دمای مورد نظر به چه وزن گلی نیاز است.

 

در بسیاری از بخشهای دنیا جهت پیشگیری از خزش نمک، سازند را با وزن گل پایین‌تر از حد نیاز حفاری می‌کنند. این کار را با گل نمکی زیر اشباع انجام می‌دهند، زیرا به حل شدن نمک اجازه می‌دهد و از تنگ شدن حفرة چاه جلوگیری می‌کند. این روش در سازندهای نمکی کم عمق و متوسط با دمای کمتر از  عملی‌تر است.

شیلهای نرم و چسبنده که محتوی آب زیادی هستند، اغلب به طور پلاستیکی تغییر شکل می‌دهند که علت آن نامناسب بودن وزن گل بوده که در نتیجه باعث تنگی چاه و مکش در هنگام لوله بالا می‌شود- ترکیبی از فاکتورها هستند که بر روی تنگی چاه مؤثر می‌باشند مانند: متورم شدن (swelling) و ضخامت فیلترکیک (filter-kake). افزایش وزن گل معمولاً جهت رفع تنگی چاه و ایجاد مکش در شیلهای نرم و چسبنده به کار می‌رود.

 

تأثیرات متقابل شیمیایی CHEMICAL INTERACTION

شیل حساس به آب water-sensitive shale

ناپایداری و بزرگ شدن چاه می‌تواند به دلیل تأثیرات شیمیایی سیالات پایه آبی و اثر آن بر روی‌شیل به وجود آید. طرحهای زیادی در طبقه‌بندی‌شیلها مطابق با واکنشهای مربوطه وجود دارد. معمولاً این طرحها تعیین کننده طبقه‌بندی‌شیل مطابق با واکنشهای آن می‌باشد. اکثر آنها که حساس به آب و قابل‌هیدرات شدن هستند حاوی غلظتهای‌بالای رس مونت موریلونایت هستند. بنابراین جهت طبقه‌بندی سیستم معمولاً از مقدار وجود رس مونت موریلونایت به عنوان اندازه‌گیری اولیه واکنش‌پذیری‌شیل با گل پایه آبی استفاده می‌شود. روشهای مفید دیگر برای اندازه‌گیری‌شامل CEC، کل محتویات رس، محتویات آب، سطح مقطع و سختی می‌باشد. حتی‌شیلهایی که حاوی رسهایی‌با قابلیت آبگیری کمتری هستند مانند ایلایت کلرایت یا کائولینایت نیز تحت تأثیر واکنش شیمیایی‌با گل پایه آبی قرار می‌گیرند، نمی‌توان از هیچ یک از طبقه‌بندیهای‌شیل استفاده کرد زیرا هیچ سیستمی یکپارچگی آن و کاربردی‌بودن آن در تمام محیطها اثبات نشده است.

آبگیری یا هیدراته شدن یکی از مهمترین علل در ناپایداری چاه می‌باشد. شیلهای حساس به آب از دو روش هیدراته می‌شوند: 1- جذب سطحی. 2- جذب اسمزی.

هیدراته شدن سطحی زمانی رخ می‌دهد که حجم کوچکی از آب شدیداً در داخل صفحات مسطح رسها جذب شود که باعث کمی نرم شدگی یا تورم خواهد شد. اما اگر تورم محصور شود می‌توان تنش اضافی را هدایت کرد. تورم اسمزی وقتی اتفاق می‌افتد که حجم زیادی از آب به طور ضعیف به رس چسبیده که به وسیله نیروی الکترواستاتیک جذب سطح رس می‌شود. تورم اسمزی موجب نرم شدن و تورم قابل ملاحظه و انبساط در لایه‌های رس که در مجاورت آب قرار گرفته و هیدراته شده‌اند می‌شود. تورم اسمزی، تنشهای اضافی تولید نمی‌کند، حتی وقتی که محصور می‌شوند. اگر از یک گل نمکی‌با فعالیت شیمیایی کم استفاده شود می‌توان از آبگیری رسها و ایجاد مشکل جلوگیری کرد.

شیلیهایی که محتوی مونت موریلونایت هستند ممکن است آب را از سیال حفاری جذب کنند و هیدراته (hydrate) یا بخش (disperse) گردند. روش خرابی حفره چاه، یا در اثر فشردگی (constriction) چاه در یک منطقه متورم (swollen zone) نرم شده (softened) صورت می‌گیرد یا در اثر خرد شدن (spalling) تکه‌های نسبتاً سخت انجام می‌پذیرد. جذب اسمزی و هیدراته شدن چاه را نرم و متورم کرده و در ناحیه نرم، شیلهای پراکنده شده، که این امر سبب تنگی حفره چاه شده و پتانسیل پراکندگی‌شیل را زیاد می‌کند.

خرابی ترد یا شکننده (Brittle Failure) در اثر تماس مایع اشباع از نمک با قسمتهای نرم شیلهای پراکنده شو (dispersible shales) و در اثر تماس گل پایه آبی غیراشباع با شیلهای تردد و شکننده (Brittle shales) سخت‌تر و قدیمی‌تر به وجود می‌آید. در شیلهای سخت‌تر و قدیمی‌تر آبگیری سطحی‌به دلیل تنش داخلی ناشی از تورم محصور شده باعث افزایش تنش در نزدیکی چاه می‌شود که خود نیز عامل شکنندگی (brittle)، زاویه‌دار شدن (angalar)، غارشدگی ناشی از ریزش (cavings) و پوسته پوسته شدن (sloughings) می‌باشد که این امر معلوم می‌کند که آب از میان خطوط شکستگی که از قبل موجود بوده و به طور جزئی سخت شده، به درون شیل نفوذ می‌کند که خود نیز به دلیل سطح تورم باعث افزایش تنش داخلی‌شده و در نتیجه به خرابی صخره در مسیر شکستگی منجر می‌شود.

تستهای نفوذپذیری نشان می‌دهد که این شیلها نسبتاً غیرقابل نفوذ می‌باشند. یونهای وارد شده به وسیله عمل مویین (capillary action)، اسمزی، یا هجوم به سطح لایه‌بندی‌باعث هیدراسیون یا دی‌هیدراسیون شیل می‌شوند. بنابراین تغییرات به صورت انتقال آب از گل به شیل و یا انتقال آب از شیل به گل به وجود می‌آید که‌هر کدام از این تغییرات یعنی هیدراسیون و دی‌هیدراسیون ایجاد شود باعث ناپایداری‌شیل خواهد شد. ممانعت از انتقال آب بین سیال حفاری و شیل که باعث تغییر در شیل می‌شود، مهم می‌باشد که این کار را می‌توان به وسیله متعادل کردن فعالیت (غلظت یون) گل با شیلها انجام داد. گلهای روغنی و ترکیبی (synthetic) به طور خیلی زیادی در پایداری و ثبات چاه‌های حفره شده در شیلهای حساس به آب مؤثر می‌باشند زیرا اولاً روغنی (oil) یا ترکیبی (synthetic) می‌باشند که از تداخل عمل‌هر گونه آبی‌به سازند جلوگیری می‌کنند و ثانیاً آنها حاوی آب نمک کلرید کلسیم امولیسون شده با فعالیت کم جهت دستیابی‌به یک فعالیت موازنه شده می‌باشند. بدین صورت که طبق عمل اسمز، آب از یک محلول نمک کم غلظت (با رسانایی زیاد) به درون محلول غلیظ‌تر (با رسانایی کمتر)، با وجود غشاء نیمه تراوا، عبور می‌کند. به‌همین دلیل وقتی که رسانایی گل روغنی‌بیشتر از شیل باشد، آب از درون گل به درون شیل مهاجرت می‌کند. همچنین عکس این عمل یعنی دی‌هیدراسیون نیز صورت می‌گیرد. وقتی رسانایی یکسان باشد هیچگونه آبی مهاجرت نخواهد کرد که به این حالت رسانایی متوازن گفته می‌شود. روشهای تعیین رسانایی‌به دو صورت امکان‌پذیر است. روش اول که برای تعیین رسانایی مورد استفاده قرار می‌گیرد، سنجش رطوبت نسبی دو محیط با استفاده از هیدرومتر می‌باشد و روش دیگر تعیین رسانایی، نیاز به شکستن امولسیون و اندازه‌گیری محتویات نمک است.

تعادل نیروی اسمزی در گلهای روغنی‌با افزودن CaCl2,NaCl در فاز آبی تأمین می‌شود. NaCl اشباع شده می‌تواند حداقل یک رسانایی معادل با 75/0 را به وجود آورد و اگر رسانایی‌شیل کمتر از 75/0 باشد می‌توان برای تأمین یک رسانایی ناچیز تا 34/0 از CaCl2 استفاده کرد.

یک سیال حفاری ایده‌آل سیالی خواهد بود که شیل را به‌هیچ شکلی تغییر ندهد. انواع خیلی متفاوتی از این سیالات وجود دارند مثل گل آهکی، گل گچی، گل کلسیم کلراید، گل سیلیکاتی، گل سورفکتانت، گل لینگوسولفونات، گل پلیمری پلی اکریلامید که به طور جزئی هیدرولیز شده (PHPA). گل پلیمر کاتیونی و گل روغنی. هیچ کدام این سیالات به تنهایی و کاملاً در همه موارد رضایت‌بخش نبوده‌اند. یک گل ممکن است اندکی‌بهتر از دیگری در درون یک بخش شیل معین عمل کند اما برعکس این قضیه ممکن است در منطقه دیگری صحیح باشد. به طور کلی‌برای موفقیت بیشتر می‌توان از سیستمهای پلیمر با مبنای پتاسیم و سیستمهای روغنی یا ترکیبی‌برای مشکل شیلها استفاده نمود. همه نوع شرایط شیمیایی محیطی جهت کنترل مسئله شیل‌ها امتحان شده‌اند. تئوری اصلی و زیربنایی این است که به شیلها اجازه ندهیم هیدراته شوند. در این خصوص از گلهایی که دارای الکترولیت بالایی هستند استفاده می‌کنند زیرا هیدراسیون را کاهش می‌دهند. تئوری دیگر تبدیل کردن رس به موادی‌با فعالیت کمتر است که این کار با تغییر یون اصلی (base exchange) مانند کلسیم یا پتاسیم برای‌به وجود آوردن کاتیون درون لایه‌ای روی رس به جای سدیم جهت جلوگیری از هیدراسیون می‌باشد.

سیستمهای پلیمری پتاسیم (یا نمک) مانند (poly-plus) به علت اینکه از چند روش از هیدراسیون جلوگیری می‌کنند مناسب می‌باشند. با تعویض یون اصلی درون لایه‌ای رس با پتاسیم می‌توان فعالیت رس یا شیل را کمتر کرد. سیستمهای نمکی‌با فعالیت کم شیمیایی‌باعث کاهش تورم اسمزی و نرم شدن می‌شوند. یک تغلیظ مناسب و کافی از پلیمرها باعث اندود و پوشش شیلهای‌بی‌حفاظ و بریده می‌شود و آنها در یک لایه نازک از پلیمر محفوظ می‌مانند. این وضعیت توانایی آب را در واکنش با شیل محدود کرده و به جلوگیری از خرد شدن و پراکنده شدن کمک می‌کند. همچنین پلیمرها، غلظت فیلتریت سیال را افزایش داده و اینگونه انتقال آب کاهش داده خواهد شد. باید توجه داشت که شیلها دارای نفوذپذیری خیلی کم هستند. نفوذپذیری‌شیلها نسبت به آب یک میکرو دارسی و یا کمتر و حتی کمتر از آن در خصوص سیالات پایه روغنی یا ترکیبی می‌باشند و علت آن کشش سطحی‌شیلهای آب خیس شده می‌باشد. ترکیب و ساختار گل می‌تواند جهت بهبود و افزایش ممانعت صورت گیرد، علاوه بر آن مبادله و تعویض کاتیون رس با کلسیم یا پتاسیم جهت تغییر ویژگی و طبیعت رس که باعث شده واکنش متقابل با آب را کاهش دهد. پلیمرها همچنین باعث لزجی و چسبناکی فیلتریت یا صافاب شده که به طور مؤثری توانایی صافاب نسبت به نفوذ به داخل منافذ ریزشیل را کاهش می‌دهد. همچنین مواد غیرقابل حل در آب و عوامل مجرابند (Plugging Agents) می‌توانند به طور اساسی ثابت و پایداری چاه را بهبود بخشند. این مواد هجوم آب را در شیلها به واسطه مجرابندی منافذ ریز، کاهش می‌دهند. این مواد خصوصاً در شیلهای سخت (Firm Shale) که تمایل به شکستگیهای ریز دارند، موثر می‌باشند. این افزودنیها شامل:

 

  • نفت یا روغن (oil) و مایعات ترکیبی (synthetic) غیرآبی
  • Clovd-point پلی‌گلیکولها (Glydvil)
  • پلی‌گلیکولهای غیرقابل حل و روان کننده‌ها (Lube-100 and Lube-167)
  • آسفالت (stabil Hole)
  • گیلسونایت
  • مخلوط‌های آسفالت سولفونات شده (Asphasol)

تجربه نشان داده زمانی مشکلات کمتر می‌شود که بتوان هرزروی مایع گل (Fluid Loss) را کمتر کنیم که این کار به نگهداری پایداری چاه کمک می‌کند. کاهش عصاره گل یا هرزروی مایع گل (Fluid Loss) به وسیله افزودنیهای پلیمری انجام می‌شود مانند پلی‌آنیونیک سلولز (Polyanionic ellulose or PAC) و سدیم آکریلات که موجب افزایش ویسکوزیته صافاب شده و از صافی گذشتن گل به درون شیل جلوگیری می‌کند. به‌هر صورت توقف و کنترل یک مشکل در صورت وجود هرز روی صافاب Filtrate-loss زیاد، خیلی مشکل می‌باشد.

فاکتور دیگری که ثبات شیل را تحت تاثیر قرار می‌دهد PH می‌باشد. تقریباً همه گلها در یک رنج آلکالیتی کنترل می‌شوند، کنترل PH سیال در رنج 5/8 تا 5/9 ثبات بهتر چاه را با کنترل بی‌نظیر ویژگیهای گل در اختیار می‌گذارد. PH بالای غیر نرمال مثلاً با یک گل آهکی مشکلات سبک شدن شیل را ایجاد می‌کند. فشار درون شیلها و عمق سازندها مسئله را پیچیده‌تر می‌کند. سه چاره اساسی برای مشکلات شیل با این ویژگی عبارتند از:

1-   دانسیته کافی

2-   رنج PH صحیح

3-   کنترل صافاب FLUID LOSS

 

میکانیزم پایداری شیمیایی شیل

بخشی از شرح  چگونگی واکنش یک گل نمکی/ پالیمری با شیلها در تأثیر‌گذاری بر پایداری شیل بخوبی قابل درک است از این میان دو مقوله، ذیل را می‌توان معتبر‌ فرض نمود.

1- هرگونه نیروی اسمزی که موجب آبگیری شیلها می‌شود با افزودن نمک به گل کاهش می‌یابد.

2- با افزودن پالیمر سرعت و میزان آبگیری شیل محدود می‌گردد.  

علاوه بر‌کاهش نیروهای آبگیری اسمزی که در اثر افزودن هرگونه نمکی حاصل می‌شود. در درون محلولهای نمکی، گاه کاتیونهائی وجود دارد‌که بر رس موجود در شیلها تأثیر‌کرد، و واکنش نشان می‌دهد.

بعلت شکل واکنش یون پتاسیم با رسها، این یون برای پایداری شیلها بگونه‌ای منحصر بفرد عمل می‌کند. در عین‌حال می‌دانیم که رسها اجزاء فعال شیلها هستند‌ و برای نشان دادن این نکته یون پتاسیم را با یونهای مشابه مقایسه می‌کنیم ابعاد فیزیکی گروه 1 جدول تناوبی در جدول یک فهرست شده است. یونهای‌کلسیم و منیزیم نیز اضافه شده‌اند زیرا‌که در اغلب آبها یافت می‌شوند.



 

Ion Diameter A* not hydrated

Hydration hydrated

Energy Kcal/mol

Li+

1.20

14.6

124.4

Na+

1.90

11.2

97.0

K+

2.66

7.4

77.0

Rb+

2.96

7.2

71.9

Cs+

3.34

7.2

66.1

Ca++

1.98

19.2

377.0

Mg++

1.30

21.6

459.1

 

بعلت قطبی بودن مولکول آب که یک سوی آن مثبت و سمت دیگر منفی  می‌باشد یونهای فلزی مثبت جذب سمت منفی  مولکولهای آب شده و دور آن جمع می‌شوند به این ترتیب هر یون فلز در یک پوشش مولکولی آب محصور می‌شود ضخامت این بسته (پوشش) آب WATER ENVELOPE در جدول بالا برای تعیین قطر هیدراته‌ معین شده است. مقادیر ارائه شده در ستون «تحت عنوان انرژی هیدراسیون» بیانگر نیروی نگه دارنده مولکولهای آب توسط یونهای فلزی هستند. منطقی است‌ تصور‌کنیم‌که بسته آب پیرامون یک یون با انرژی هیدراسیون بالا، محکم بوده و بآسانی تغییر شکل نمی‌یابد. ممکن است. بیان شود‌که یک پالیمر آنیونی فعالتر از پالیمر کاتیونی یا غیریونی است بحث برآن است که لبه‌های‌شکسته، صفحات رسی‌بار مثبت داشته و دیواره‌های چاه حفر شده از میان شیل پر از این لبه‌های‌شکسته است. پلیمر آنیونی که توسط مولکولهای قطبی آب‌هیدراته شده به لبه‌های‌با بار مخالف جذب شده و نگه داشته می‌شود. پلیمر و آب‌هیدراسیون آن، هر دو کانالهای موجود در سطح دیواره چاه را که از درون آن هیدراسون بطور عادی رخ می‌دهد، مسدود می‌نماید.

قطر فضاهای خالی8/2 آنگستروم تعیین شده است. با مراجعه به جدول متوجه می‌شوید که قطر یون پتاسیم (هیدارته  نشده) بگونه ای است که به درون چنین سوراخی‌به راحتی جای می‌گیرد. دیگر یونهای‌باقی مانده یا با سستی جای گرفته یا به قدری درشت هستند که کلاً داخل سوراخ نمی‌شوند. دو صفحة رسی را با جذب آب یک لبه شیپوری(Frayed  edge ) را نتیجه می‌دهد.

در رسهای ایلایت فاصله بین دو لبه صفحات 10 آنگستروم است. (میلی متر =آنگستروم) کاتیونهای آبدار موجود در اغلب سیالات حفاری‌به نسبت اندازه‌شان در مقایسه با فضای 10 آنگسترومی‌بین صفحات رسی نشان داده شده اند. سطوح صفحات رسی‌بار منفی داشته و به این ترتیب می‌توان انتظار داشت که کاتیونهای مثبت به طرف سطوح رسی مهاجرت کنند. حال به چگونگی عملکرد کاتیونهای مختلف در رابطه با عدم پایداری‌شیل، آن چنانکه توسط نظریة لبة شیپوری (Frayed  edge ) ارائه می‌گردد. می‌پردازیم.

1-هر گاه سیال حفاری فقط دارای یونهای کلسیم و منیزیم  باشد منطقی تر آنست بپذیریم که قطعه‌های صفحات شکننده باشد قطعات ناپایدار شکسته شده و به درون چاه می‌ریزد

2- هرگاه فقط یونهای سدیم در سیال موجود باشد یونهای آبدار وارد بخش عریضتر لبة شیپوری‌شکل می‌شوند. اگر غلظت یونهای سدیم به قدر کافی‌بالا باشد صفحات، بستة آب‌هر یون سدیمی که آب خود را  از دست داده و وارد یکی از سوراخهای ورقه، رسی‌شود توسط نیرویی که مقدار آن با فاصلة بین یون و دیواره سوراخ، بطور معکوس و بصورت نمائی (توانی) تغییر میکند، در محل نگه داشته میشود. لذا فقط در فاصلة خیلی کم، نیروی جاذبة قوی میتواند بوجود آید. به تجربه دانسته شده است که یون توسط رسها مهار نمی‌شود و ثابت نیست. به این ترتیب صفحات رسی توسط یونهای سدیم آبدار و جذب آب اضافی، فاصله دار شده و به علت اختلاف بار الکتریکی تجمع پیدا میکند. نیروهای مخالف بزرگتر، در تجمع صفحات نقش مسلط را ایفا می‌کنند.

3- هر گاه  سیال حفاری فقط شامل یونهای پتاسیم باشد یون آبدار بعلت اندازة کوچکش به آسانی‌بین ورقه‌ها قرار میگرد. بعلت آنکه بسته، آب دور یون به سادگی قابل تغییر شکل است ورقه‌ها با غلظت پائین کاتیونها به یکدیگر نزدیکتر میشوند.

یونهای پتاسیم آبدار که ممکن است وارد سوراخهای موجود در ورقه شوند بعلت آنکه یون بخوبی در سوراخ جای میگیرد در محل محکم و پایدار باقی میماند. لذا منطقی است انتظار داشته باشیم که یونهای پتاسیم تمایل به بستن لبه‌های‌شیپوری‌شکل موجود در شیلهای در دیوارة چاه داشته و آنها را بسته نگاه دارد.

4- اگر یونهای کلسیم  و منیزیم، سدیم و پتاسیم همگی در سیال حفاری موجود باشند مکانیزمهای ارائه شده برای هریک از یونها بطور همزمان رخ خواهد داد. اثر نهایی حداقل تا اندازة زیادی‌به غلظتهای نسبی هریک از یونها وابسته است.

مبحثی که ارائه گردید مبتنی‌بر مشاهدات ذیل است:

1-   پایداری خوب شیلها با گل آبی دارای یونهای پتاسیم با غلظت های نسبتاً پائین تحصیل می‌‌گردد.

2-  در جائیکه سدیم و پتاسیم در سیال حفاری موجود باشند. هنگامیکه غلظت یونهای پتاسیم بیشتر است پایداری‌بهتری تحصیل می‌گردد.

3-  وقتیکه گل پتاسیمی‌بوسیلة آب دریا ساخته میشود در جائیکه یونهای کلسیم و منیزیم از محلول خارج شوند قابلیت پایداری‌شیلها بسیار بهبود می‌یابد. 

تثبیت یون پتاسیم توسط رسها پدیده ای است که سالها پیش در شیمی خاک شناسی‌شده است . یون پتاسیم با برخی از رسهای  اسمکتایت بگونه ای که تشریح شد واکنش نشان میدهد

. اما واکنش آن با تمام رسها چنین نیست. بطور خلاصه پایداری‌شیلها با استفاده از یون پتاسیم بطور اساسی‌با محدود کردن تورم و کاهش تنشها و نیروی آبگیری‌بدست می‌آید.

لبه‌های‌شیپوری‌شکلی که در دیوارة چاه  ایجادمیشوند و میتوانند بعنوان مجاری جذب آب و حتی منشاء شکستگی عمل کنند، به واسطه واکنش رس با این یون جمع شده و کوچک میشوند. محدود کردن آبگیری اسمزی‌به میزان شوری کل سیال حفاری‌بستگی دارد. دیگر مواد  کلوئیدی مختلفی که در سیال حفاری موجودند که میتوانند آبگیری‌شیل را محدودتر کنند.

 

تست کردن شیل  shale  Testing

تعدادی از تستهای آزمایشگاهی جهت بررسی و تعیین کمی واکنشهای متقابل شیمیایی‌بین گلهای پایه آبی گوناگون و شیل وجود دارد که این تستها شامل:

 * طبقه بندی‌شیلها (CEC  و محتویات رس)

* تست های غوطه‌وری‌بصری

* تست های هیدارسیون (بازده)

* تست های سختی‌برشها

* تست های مکش موئین

* تست های تورم خطی

* تستهای پراکندگی

* تست کردن فشار محصور شده

* تست سه محوری

* تست سختی‌شیل

یک هشدار در بارة تستهای سازگاری‌شیل  این است که تستها بطور چشمگیری‌به واسطة خصوصیات گل، خصوصاً عصاره یا صافاب(Fluid loss)، ویسکوزیته صافاب و وویسکوزیته گل، تحت تأثیر قرار می‌گیرند. مقایسه‌ها بین دو سیستم گل با  صافاب و ویسکوزیته خیلی متفاوت باهم نباید انجام شود. دو تست اولیه که M.I بکار می‌برد شامل تست تورم خطی که اندازه گیری تورم نامیده‌ می‌شود و تست پراکندگی نورد گرم می‌باشد.

در تورم سنج گلوله‌های‌شیل درون سیال حفاری غوطه ور کرده و سرعت و مقدار تورم خطی را اندازه‌گیری می‌کنند. این تست می‌تواند چندین سیال را با هم مقایسه کند. نتایج را بعنوان درصد تورم از ضخامت  اصلی و مقدار نهایی تورم در انتهای تست گزارش می‌کنند. نتایج نمونه‌های تورم سنج از 50 درصد تا 150 درصد تغییر می‌کنند. تورم‌سنج اغلب جهت ارزیابی سطوح متفاوت ممانعت‌کنندگی (inhibition) نمکها یا ممانعت کننده‌های یونی  دیگر (مثل کلسیم و پتاسیم) بکار برده می‌شود. این روش جهت ارزیابی تاثیر عوامل مجرابند (plugging Agent) مثل آسفالت، گیلسونایت و آسفالت سولفات شده یا پلیمرهای محافظ‌کننده مثل PAC و PHPA مناسب نمی‌باشد.

در تست پراکندگی‌شیلها، آنها را برای مدت زمان معین درون سیال  حفاری غوطه‌ور کرده و تحت نورد‌گرم قرار داده و سپس مقادیر شیلها پراکنده شده را براساس سایز خرده شیلها اندازه‌گیری می‌کنند. خرده‌های‌شیل اصلی‌براساس بزرگتر یا‌کوچکتر بودن از مشبکهای توری سایز‌بندی می‌کنند. در پایان تست، حجم خرده‌هایی که باز هم روی توری‌با انداز‌ه‌کوچکتر نگه داشته می‌شوند یا‌گیر می‌کنند، اندازه‌گیری و بعنوان درصد بهبودی گزارش می‌شوند.

تست پراکندگی‌ برای ارزیابی تاثیر و سودمندی پلیمرهای روکش کننده (encapsulating) عالی می‌باشد. این یکی از بهترین  تستها برای حصول شناخت بهترین سیستم‌‌گل جهت یک شیل خاص و کار در حوزه واقعی و عملی‌که دارای‌بیشترین سازگاریست ، می‌باشد.

روشهای‌به حداقل رساندن واکنشهای متقابل گل پایه آبی‌با شیل.

1- استفاده از بهترین سیستم یونی ممانعت‌کننده (inhibition) مبتنی‌بر تست شیل و کانی‌شناسی مانند بازدارندگی نمک.

2- به حداقل رساندن صافاب‌گل (Fluiol Loss) 

3- استفاده از یک پلیمر روکش‌کننده (encapsulating)

4- استفاده از پلیمرهای افزایش دهنده ویسکوزیته صافاب جهت‌کاهش صافاب

5- استفاده از حداقل PH سودمند.

6- استفاده از یک سیال اضافی غیرمحلول در آب جهت‌کمک به مجرابندی (Plugging Agent)

7- استفاده از یک عامل اندود‌کاری قابل تغییر شکل مثل آسفالت یا‌گیلسونایت.

 

بازدارندگی (نمک) Inhibition (NaCl)

هنگامیکه یک  محلول آبی حاوی‌بیش از 12000 میلی‌گرم در لیتر نمک (NaCl) باشد میتواند از آبگیری رسها جلوگیری‌کند. این امر به علت بالا بودن درصد یون سدیم در آب رخ می‌دهد. بدینگونه‌که یونهای سدیم موجود روی صفحات رس، قادر به ترک آن و ایجاد فضا جهت ورود آب و بدرون صفحات رسی نخواهند بود. یون ‌کلراید (CL-) می‌تواند ملکولهای آب را محکم نگه  داشته و بدین‌ ترتیب یونهای آزاد‌کمتری‌برای پوشاندن و محاصره رس باقی می‌ماند. هنگامیکه رس آبگیری نکرده حالت آن مشابه با زمانی است‌که بصورت تجمعی و بسته‌ای وجود دارد. در این حالت یون‌کلراید میزان تورم رس حفاری‌شونده را‌کنترل  می‌کند‌که گاه از این مورد تحت عنوان بازدارندگی‌کننده‌ها (Inhibition Cutting) یاد می‌شود.

غیرقابل حل‌کردن سازندهای قابل انحلال Dissolution of Soluble formations

چندین سازند هستند‌که در‌گل پایه آبی مقداری حل می‌شوند. اینها شامل سازندهای نمکی، سولفاتهای کلسیم، ژیپسم وانهیدرات می‌باشند. اگر به سازند قابل حل اجازه شسته شدن داده شود، پایداری چاه‌کم خواهد شد. همچنین مشکلات دیگری مانند تمیز‌کردن چاه و عدم حصول سیمانکاری رضایت بخش ممکن است بروز کند. قابلیت انحلال پدیده‌ای متأثر از درجه حرارت، فشار، شوری و PH می‌باشد. نمک به سهولت در هر‌گل با منشاء آبی و زیر  اشباع قابل حل می‌باشد. محدود‌کردن گشاد‌شدگی (Enlargement) چاه در سازندهای نمکی‌برای دستیابی‌به سیمانکاری مناسب جهت ایجاد قدرت و مقاومت نسبت به درهم فرورفتن (Collapse) لوله جداری (Casing) بسیار مهم می‌باشد. ژیپسم و انهیدرات نیز قابلیت انحلال دارند.  اگر به ثبات چاه در یک منطقه حاوی ژیپسم و انهیدرات نتوان دست یافت، باید از سیستم‌کلسیمی پایه آهک یا پایه ژیپسم استفاده نمود.

 

واکنشهای متقابل فیزیکی PHYSICAL INTERACTIONS

واکنشهای فیزیکی هم می‌توانند منجر به بی‌ثباتی چاه شوند. این واکنشها شامل فرسایش که باعث گشاد‌شدگی چاه و مرطوب شدن شکستگیهای از قبل موجود می‌باشد و همچنین هجوم سیال که باعث انتقال فشار می‌شود. پایداری یک چاه زمانی‌بیشتر می‌شود‌که فشار هیدرواستاتیک  کافی جهت حفظ بیش تعادل (Overbalance) بودن روی وجه چاه وجود داشته باشد و همچنین وقتی‌که حداکثر تنش روی چاه‌کمتر از تحمل سازند باشد. به این دلیل برای حفظ یک چاه، به حداقل رساندن عصاره یا صافاب گل (Filltrate Losses) به درون سازندهای نفوذ‌پذیر مهم می‌باشد، همچنین می‌توان با استفاده از عوامل مجرابندی (Plugging) یا اندود‌کاری (Plastering) جهت ممانعت از هجوم سیال و انتقال فشار حاصل که باعث مسیرهای‌شعاعی در چاه  می‌شود، جلوگیری کرد.

 


فرسایش Erosion

فرسایش بواسطه سیال متلاطم در سازندهای نرم ایجاد  می‌شود، سازندهای نرم‌که به سادگی سائیده می‌شوند شامل ماسه سنگهای نامتراکم، گچ‌های نرم،  رسهای نرم و شیلهای نرم می‌باشند جریان متلاطم می‌تواند موجب فرسایش در نرم‌ترین سازنها شود. به‌هرحال مسلم است‌که میزان بالای‌برش نازلهای مته اولین دلیل فرسایش بوسیله سیال می‌باشد. نازل مته با میزان برش بالا جهت به حداکثر رساندن میزان نفوذ بکار برده می‌شود‌‌که در این حالت مهمترین علت فرسایش چاه می‌باشد. مقدار فرسایش پدیدار شده به قدرت صخره بستگی دارد، البته برخی سازندها تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند. فرسایش در شیلها و ماسه سنگها نشان داده‌که میزان برش نازل سرمته  بزرگتر از 100000 برثانیه باشد، فرسایش رخ می‌دهد. در زمان حفاری ماسه‌های غیرمتراکم، جهت محدود‌کردن‌ فرسایش، استفاده از روشهای اضافی نیاز می‌باشد. در این ماسه‌ها، گل ویسکوز با خصوصیات برش‌کم و حجم زیاد نبتونایت (جهت تشکیل فیلتر‌کیک  مناسب) معلوم شده‌که موفق‌ترین بوده است.

 

مرطوب شدن، هجوم سیال و انتقال فشارWetting, Fluid Invasion And Pressure Transmission

مرطوب شدن شکستگیهای زیر از قبل موجود  در شیل، هجوم سیال و موازنه فشار بیش تعادل، همه در ناپایداری چاه نقش دارند. یکی از دلایل اصلی‌بی‌ثباتی‌شیل مرطوب شدن شکستگیهای زیر در میان شیل توسط آب می‌باشد. در حالی‌که شیلها زمان ارتباط و تماس با آب نرم یا خرد نمی‌شوند، اما برخورد صافاب یا هجوم گل، سستی را در میان سطوح بستر شیل بوجود خواهد آورد و باعث پوسته پوسته شدن (Sloughing) و خردشدن (Splitting) می‌شوند. این  امر اغلب بعنوان شکستگیهای صفحه‌کتاب (book-page) یا لبه‌های‌شیپوری (fruyed-edges) نامیده  می‌شوند.

در حالی‌که ممانعت شیمیایی و وزنهای‌بالاتر‌گل ممکن است  در به حداقل رساندن مشکلات کمک‌کند، اما تاثیر آنها به اندازه عوامل مجرابند (Plugging Agents) و عوامل اندوکاری (Plastering agents) نمی‌باشد. جهت‌کنترل مؤثرتر شیلها می‌بایست سازندها را در مقابل‌هجوم سیال پوشاند. این بواسطه‌کنترل صافاب در دما و فشار بالا و فیلتر کیک خوب بوسیله پلیمرها انجام می‌شود. یک تغلیظ خوب از بنتونایب و استفاده از مواد غیرقابل حل در آب و عوامل مجرابند منفذ، این کار را  انجام می‌دهند.

هجوم سیال، موازنه فشار بیش تعادل (overbalance) را از چاه دور‌کرده و تمایل به بی‌ثباتی میکانیکی چاه را  ایجاد می‌‌کند. این موضوع‌‌که آیا این مسئله در یک سازند نفوذ‌پذیر مثل ماسه سنگ یا در یک شیل نسبتاً غیرقابل نفوذ می‌باشد، بجا و صحیح است. یک فیتلر کیک ایده‌آل می‌تواند به پایداری چاه‌کمک‌کند. برای‌گلهای پایه آبی این مزیت وجود دارد‌که استفاده از افزودنیهای غیرقابل حل به محدود‌کردن صافاب از طریق فیلتر کیک روی ماسه سنگ و درون منافذ ریز آب خیس شده شیلها کمک می‌کند. ایجاد صافاب (Fluid Loss) کم از طریق فیلتر کیک خوب و پلیمرهای ترکیب شده با افزودنیهای مجرابند منافذ بدست می‌آید که این‌کار موجب‌کاهش هجوم سیال و محدود‌کردن انتقال فشار می‌شود. آسفالت، آسفالت سولفونات شده و گیلسونایت بطور‌گسترده‌ای‌بکاربرده می‌شوند و افزودنیهای مؤثری‌برای این‌ هدف می‌باشند. افزودنیهای مجرابند منافذ (Pore-Plugging) و اندوکار (Plastering) شامل مواد زیر هستند:

- نفت یا روغن (Oil) و مایعات ترکیبی غیرآبی

- [Cloud-Point] پلی‌گلیکولها (glydril)

- پلی گلیکولهای غیرقابل حل و روان‌کننده‌ها (Lube-100 & Lube-167)

- آسفالت (Stabil-hole)

-گیلسونایت

- مخلوطهای آسفالت سولفانات شده (Asphasol)

آنها بواسطه مجرابندی ریزمنفذ‌ها در شیل‌ها، هجوم آب را‌کاهش می‌دهند.

 


مشکلات رایج در حفاری‌شیلها

مشکلات در شیلها را براساس نوع شیل به دو دسته تقسیم می‌کنند:

A- مشکلات در شیلهای نرم و سفت که عبارتند از:

1. چسبندگی‌گل به مته (Bit Balling)

2. حلقه‌های‌گل (mudrings)

3. تنگ شدگی چاه (Tight Hole)

4. فرسایش و ریزش (Spalling & Erosion)


B- مشکلات در شیلهای سخت و شکننده‌که عبارتند از:

1- تنگ‌شدگی چاه (Tight Hole)

2- پوسته پوسته شدن (Sloughing)، ریزش (Caving)،‌ روان شدگی (Packing-off)

در ارتباط با تنگ شدگی چاه، فرسایش و ریزش در قسمتهای قبل توضیح داده شد. در اینجا به تعریف و راه‌حل چسبندگی گل به مته و حلقه‌های گل می‌پردازیم.

 

چسبندگی گل به مته bit balling

بعضی از شیلها می‌توانند به رشته  حفاری ته چاهی (BHA) چسبیده و بر روی مته، پایدار‌کننده و لوله‌های سنگین حفاری جمع و متراکم شوند. اغلب این شیلها از نوع نرم تا نسبتاً محکم و مخصوصاً از نوع پلاستیک می‌باشند و بخصوص وقتی‌که با‌گل پایه آبی‌با بازدارندگی ضعیف (Poorly inhibited) حفاری‌شوند می‌توانند چسبندگی ایجاد‌کنند. وقوع چسبندگی گل به مته در‌گلهای پایه روغنی‌بسیار نادر است.

 

علائم چسبیده شدن گل به مته

1- افزایش فشار پمپ‌گل بعلت گیر‌کردن مسیرجریان

2- کاهش سرعت حفاری‌بعلت چسبیده شدن‌گل به مته

3- کاهش حجم‌کننده‌های حفاری روی الک لرزان بعلت کاهش سرعت حفاری و احتمال گیربودن مسیر

4- بسته شدن منافذ الک لرزان توسط رس و تمایل به گلوله شدن

5- اضافه‌کشش هنگام بیرون‌کشیدن لوله‌ها به علت محدود شدن مسیر عبور

6- گیر احتمالی لوله‌ها

 

چگونه از چسبیده‌ شدن گل به مته جلوگیری‌کنیم.

1- مراجعه به اطلاعات قبلی وقوع چسبیده شدن‌گل به مته دردیگر چاههای حفاری‌شده ناحیه و اتخاذ دستورالعمل مشابه، اگر قبلاً موفقیت آمیز باشد.

2- استفاده از‌گل‌هایی که دارای خواص بازدارندگی هستند.

3- استفاده از روان‌کنندهایی که تشکیل فیلم (غشاء) می‌دهند.

4- پرهیز از اعمال وزن زیاد بر روی مته

5- اطمینان از تمیز‌کردن چاه برای جلوگیری از تجمع زیاد‌کنده‌های حفاری در اطراف مته

6-  کاربرد مته مناسب

 

معالجه چسبندگی‌گل به مته

1- کاهش وزن روی مته

2- اضافه‌کردن حلالهای حفاری (Detergent) به گل پایه آبی‌برای پراکنده سازی رسهای گلوله شده

3- در‌گلهای پایه روغنی‌باید میزان نمک‌گل را افزایش داد تا میزان رطوبت و آب شیل‌کاسته شده و برسختی آن افزوده شود.

 


حلقه‌های گل Mud Rings

کنده‌های نرم حفاری ممکن است در فضای حلقوی‌بصورت حلقه‌هایی تجمع‌کنند و مانع جریان گل و انتقال کنده‌های حفاری‌شوند. این حلقه‌هایی متشکل از‌کندهای نرم بسته به وضعیت جریان گل حفاری ممکن است بطرف بالا یا پایین مهاجرت‌کنند و ممکن است خطوط جریان را مسدود سازند. محدودیت در جریان و انتقال‌کنده‌های حفاری می‌توانند باعث تنگی (Pack off) شوند. عمل حلقه شدن ‌گل فقط در‌گلهای پایه آبی صورت می‌گیرد.

 

علائم بروز حلقه‌های‌گل

1- افزایش در فشار پمپ بعلت مسدود شدن قسمتی از فضای حلقوی

2- کاهش در شدت انتقال کنده‌های حفاری‌بر روی الک لرزان

3- کاهش در سرعت حفاری (ROP) و کاهش در وزن رشته حفاری (hook) بعلت اینکه حلقه گل مثل پیستون برای‌بالابردن لوله‌های حفاری عمل می‌کند.

4- مسدود شدن خطوط جریان گل و مسدود شدن سوراخهای الک لرزان

 

راههای جلوگیری از بروز حلقه‌های گل

1- استفاده کافی از‌گل دارای‌بازدارندگی (inhibition) که از چسبندگی کنده‌های حفاری جلوگیری کند.

2- گردش گل از فضای حلقوی‌برای‌بهسازی قبل از بیرون‌کشیدن لوله‌های حفاری

3- استفاده از خطوط جریان با قطر بالا

4- پرهیز از سرعت زیاد حفاری

5- اطمینان از انجام عمل تمیز‌کردن چاه برای جلوگیری از  انباشته شدن کنده‌های حفاری

 

معالجه حلقه‌های‌‌گل

1- افزودن به شدت جریان و گردش‌گل جهت تمیز‌کردن فضای حلقوی (اگر ECD اجازه دهد) در صورت لزوم پیل  غلیظ برای تمیز‌کردن چاه بگردش درآورید.

2- در صورتیکه حلقه گل سخت باشد، افزودن حلال (Detergent) ممکن است به از هم پاشیدگی و پخش شدن رس  کمک‌کرده و باعث شود که حلقه گل از بین برود.

 


آنالیزهای مکان چاه Wellsit Analysis

شرایط بی‌نهایت دشوار حفاری‌به روشهای سیستماتیک‌تر جهت آنالیز بی‌ثباتی‌های چاه منتهی‌شده است. یک چنین روشی (از Zausa و Civolani) که می‌تواند بعنوان یک راهبرد برای مهندسی گل بکار برده شود، شامل سه‌گام اصلی می‌باشد:

1- مانیتور‌کردن و آنالیز مکانیزم اصلی خرابی

2- تعیین و درک فاکتورهای حاکم بر این مکانیزم خرابی

3- مدل بندی مسئله با توجه به بررسی تغییرات حادث شده

 

1- مانیتور‌کردن و آنالیز مکانیزم خرابی

مانیتور‌کردن اطلاعات و وقایع روی چاه، اولین‌گام در فرآیند و پردازش می‌باشد‌که شامل:

- جمع‌آوری، سازماندهی اطلاعات حفاری می‌باشند: اطلاعات حفاری مانند میزان نفوذ (ROP)، چرخش بر دقیقه (RPM)، وزن روی مته (WOB)، مجموعه ته چاهی (BHA) گشتاور (torque) ، اضافه کشش (overpull) لوله پایین (TIH). و بیرون‌کشیدن لوله‌ها از چاه (POOH)،  مکش (Swab) و موج زدن (surge)، میزان جریان (flow Rate)، وزن‌گل، رئولوژی‌گل و غیره روی یک  مبنای مداوم گردآوری، سازماندهی و آنالیز شوند و با دلایل و علائم ثبات چاه مشاهده شوند. این موضوع برای ارزیابی کار و مشخص‌کردن هر انحرافی و اندازه‌گیری مؤثر، سودمند بوده و به تاثیر روشهای‌بهینه‌سازی کمک‌ می‌کند.

- توصیف خصوصیات سازند: روش استاندارد در عملیات‌های  حفاری استفاده از دانش حاصله از چاههای قبلی‌برای چاههایی‌که بعداً در منطقه جغرافیایی مشابه حفر می‌شوند، می‌باشد. بررسی‌بی‌ثباتی حفره چاه نیاز به ارزیابی‌شیلها در طول فرآیند حفاری دارد. از آنجائی که تست شیل در مکان دکل به خاطر دستگاه و محدودیتهای زمانی محدود می‌شود، بیشترین ارزیابی‌ها در یک آزمایشگاه‌که بطور مناسب تجهیز شده است انجام می‌شود. تستهای آزمایشگاهی جهت ارزیابی تورم شیل، قابلیت پراکندگی، ظرفیت مبادله کاتیون، حجم کلوئید، زمان مکش موئین، تستهای سختی‌شیل و ویژگیهای سازگاری گل انجام می‌شوند. تعدادی از روشها وجود دارند‌که جهت انجام تستهای محل چاه بکار برده می‌شوند. این تستها شامل  تستهای ساده متیلن آبی (CEC) اندازه‌گیری‌های سختی‌شیل، تست پراکندگی نورد‌گرم در‌گلهای گوناگون و با افزودنیها و فرمولهای مختلف و آنالیزهای تحلیلی ماهرانه از صفات‌گوناگون رس میباشند. خصوصاً بررسی و تعیین مکانیزم خرابی، تورم و نرمی و شکستن ترد مهم می‌باشند. اطلاعات از این تستها، مشاهدات نوسان و رایج اطلاعات نمودارگیرهای گل جهت ارزیابی کار سیال حفاری، تنظیم مکانیکی پارامترهای حفاری و انجام تصمیمات درباره طراحی لوله جداری (Casing) استفاده می‌شوند. گزینه‌های اصلی جهت رویارویی‌با مشکلات شیل در مکان چاه عبارتند از:

A- تغییر دانسیته سیال حفاری

B- تغییر یک سیستم به پایه روغنی یا پایه ترکیبی

C- تغییر به سمت یک گل پایه آبی‌با خاصیت مماننعت (inhibited) بیشتر

D- کاهش صافات سیال (fluid loss) به سطوح خیلی پایین و افزایش ویسکوزیته صافاب

E- بکارگیری افزودنیهای مجرابند  منفذ (Pore Plugging)، مواد غیرقابل حل امولسیون شده یا عوامل اندود‌کننده (Plastering agent)

F- تنظیم پارامترهای میکانیکی حفاری

- ارزیابی و آنالیز نشانه‌های‌بی‌ثباتی: علائم هشداری بی‌ثباتی مثل ظهور خرده‌های زیاد روی الک لرزان (shaker) برای یک ROP معلوم، پرشدن اتصالات، دشواریهای لوله بالا، گشتاور (Torque)، گیر‌کردن لوله‌ها (Stuck pipe)  و غیره، مشخص می‌کنند‌که مشکلی درون چاه پیش آمده است. بزرگی و حجم صخره خراب شده باید با پارامترهای دیگر حفاری ضبط و برآورد شود. تعداد و موقعیت رویدادهای خاص مثل  گیرکردن لوله‌ها، پرشدن یا روان شدگی (Paking off) باید ضبط شوند. همه این اطلاعات می‌توانند سازماندهی‌شده و به زمان و عمق جهت موقعیت و مقدار شدت خرابی در بخشهای‌بحرانی در چاه ربط داده شوند.

 

2- تعیین و درک مکانیزم خرابی

همه پارامترها مانیتور و ردیابی‌شده و سپس جهت شناسائی محتمل‌ترین مکانیزم ایجاد کننده بی‌ثباتی ارزیابی می‌شوند. مفید‌ترین نشانه و علائم جهت تشخیص مکانیزم پاسخ به بی‌ثباتی  چاه عبارتند از:

A- آنالیز ریزشها

B- دشواریها در بیرون کشیدن لوله‌ها

C- وضعیت حفاری

D- آنالیزهای سیستم‌گل

E-  وضعیت درجا

این علائم و نشانه‌ها باید برمبنای نظم درونی و دانش جهت علل بوجود آمدن  ناپایداری‌بررسی‌شده و محتمل‌ترین مکانیزم خرابی مشخص‌گردد.

 

3- مدل بندی و بررسی تغییرات مطرح شده

یکی از مراحل مانیتور‌کردن و معین‌کردن عبارت است از سازمان بندی و آنالیز پارامترهای‌بوجود آمده است جهت تغییرات ایجاد شده و راه‌حلهای مناسب آن می‌باشد. یک راه  مناسب در این میان، استفاده از ورود به فلوچارت یا درخت تصمیم  جهت بررسی مکانیزم ممکن و بدست آوردن راه‌حلهای اطمینان بخش می‌باشد. مقادیر اصلاح کننده باید عملی‌شده و نتایج حاصل در این روش feed back شوند. فلوچارت یا درخت تصمیم‌گیری که در شکل 9 نشان  داده شده است‌ برای‌بررسی علل افزایش خرده‌ها و ریزش می‌باشد. این روش جهت تهیه یک راه منطقی‌برای مشخص‌کردن مکانیزم  بدست آوردن راه حل مناسب انجام می‌شود.

پایداری چاه در بخشی‌که شیل را حفاری می‌کنیم بسیار پردردسر می‌باشد و همیشه راه‌حل ساده وجود ندارد‌ اما بکار بردن روش حفاری مناسب و سیال حفاری مناسب اغلب باعث موفقیت می‌شود. آنالیز مکانیزم تنش و کشش نشان می‌دهد‌که برای پایداری چاه به دانسیته گل مناسب نیاز می‌باشد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


اندازه‌گیری CEC یا Cation Exchange Capcity

غالباً لازم می‌شود‌که CEC یا «ظرفیت تعویض کاتیون» گل حفاری را بدانیم. مقدار CEC هرچند نه بطور دقیق لیکن تا حدود قابل قبولی می‌تواند نشان دهنده درصد بنتونایت گل باشد. برای این آزمایش، به مواد زیر احتیاج داریم 1- محلول متیلن بلو (C6H12N3SCL.3H2O) با غلظت 74/3 گرم در لیتر

2- محلول سه درصد آب اکسیژنه

3- محلول  تقریباً 5N اسیدسولفوریک

روش: 1- یک یا چند میلی‌لیتر گل را در ظرف سنجش ریخته و بترتیب 10 میلی‌لیتر آب‌ مقطر، 15 میلی‌لیتر آب اکسیژنه و نیم میلی‌لیتر محلول اسید سولفوریک به آن اضافه‌کنید و خوب بهم بزنید.

2- محلول با بمدت ده دقیقه به آرامی‌بجوشانید.

3- بوسیله آب مقطر، محلول را تا 50ml رقیق‌کنید.

4- محلول متیلن بلو را از طریق یک بورت قطره‌قطره داخل محلول فوق بریزید و محلول را مرتباً هم بزنید. در فاصله‌های مساوی- مثلاً بعد از چکیدن هر ده قطره متیلن‌بلو- شیر بورت را بسته و درحالیکه محلول را همچنان هم  می‌زنید، پس از نیم دقیقه بانوک یک همزن شیشه‌ای یک قطره از محلول را بیرون‌کشیده و روی یک کاغذ صافی قرار  دهید. چند لحظه صبر‌کنید تا‌کاغذ، آب قطره را جذب و منتشر کند و ذرات جامد رنگ گرفته گل، در وسط قطره و روی کاغذ خشک شوند.

الف- اگر یک حلقه آبی متمایل به سبز دور ذرات جامد روی کاغذ صافی تشکیل شد، دو دقیقه دیگر صبر کنید و در این مدت محلول را همچنان هم بزنید. بعد یک قطره دیگر از محلول را روی کاغذ صافی و کنار قطره اول قرار دهید. اگر حلقه آبی متمایل به سبز مجدداً تشکیل شد، نقطه پایان آزمایش رسیده است.

ب- اگر هیچیک از صورتهای «الف» اتفاق نیفاد، سنجش محلول را بوسیله محلول متیلن بلو ادامه دهید- یعنی ده قطره دیگر متیلن بلو بیفزائید و شیر بورت را ببندید و مطابق فوق عمل‌کنید. تا به نقطه پایان برسید.  در تمام مدت انجام مرحله (4) محلول را باید هم بزنید.

5- حجم  محلول متیلن بلو مصرف شده را برحسب ml یادداشت‌کنید.

6- محاسبات

 methylene blue capacity

Bentonite of mud, PPB=5x(methyleneblue capacity)

تذکر یک-گلهای حفاری علاوه بر بنتونایت، غالباً دارای مواد دیگری هم هستند‌ه جاذب متیلن بلو می‌باشد مثل cmc، lignin, lignosulfonate , polyacrylate، استفاده از آب اکسیژنه در آزمایش فوق، بمنظور جلوگیری از تأثیر اینگونه مواد روی متیلن بلو می‌باشد.

تذکر دو- بروش فوق می‌توان CEC رسها و پلمه سنگها و غیره را نیز تعیین نمود. برای این‌ منظور وزن معینی از رس را بوسیله یک همزن برقی‌بر دور در مقداری آب پخش‌کنید. سنجش را  مطابق آزمایش فوق انجام  دهید با  این تفاوت که دیگر محلول، آب‌ اکسیژنه نیفزائید.

 


CEC رس را بصورت زیر‌گزارش کنید:

توضیح: هر یک میلی‌لیتر از محلول متیلن بلو با غلظت 74/3 گرم در لیتر معادل 01/0 میلی اکی والان آن است.