شیـل و پـایـداری چـاه

مقدمه:

نگهداری‌با ثبات حفره
چاه یکی از چالشهای‌بسیار اساسی هنگام حفاری یک چاه می‌باشد. مطالعات نشانگر آن
هست که این صنعت یا تخمین یک میلیارد دلاری در هزینه‌های سالیانه حوادث زمانبندی
نشده مرتبط با بی ثباتی حفره چاه بیش از 10 درصد هزینه‌های چاه را شامل می گردد.
با انجام تحقیقات و بکار گیری امکانات خاصی در سیال حفاری  بوسیله مهندس گل می توان از عدم ثبات شیل و
بوجود آمدن مشکلات جلوگیری نمود.

تکنولو‍ژیهای جدید
نیز به طور مستمر در حال ایجاد و بکارگیری روشهایی جهت رفع این مشکل می‌باشند. بی ثباتی
حفره چاه معمولا بوسیله تغییرات رادیکالی واکنشهای‌شیمیایی و تنشهای میکانیکی در
محیط های فیزیکی‌به خصوص در محیط هایی که یک حفره حفاری می گردد بوجود می آید.

در معرض قرار دادن
سیال حفاری‌با شیلها و عدم ثبات حفره عموما به صورت پوسته پوسته شدن و ریزش دیده می‌شود.
که نتیجه آن بزرگ شدن یا تنگی حفره چاه می‌باشد. مشکلات اصلی که در اینجا مدنظر
قرار گرفته است و درنتیجه عوامل بالا بوجود می آیند عبارتند از : گیر کردن لوله
های حفارِی، منحرف شدن از مسیر اصلی حفاری، مشکلات راندن لوله‌های جداری،
سیمانکاری ضعیف و گمشدگی و هرزروی سیال حفاری که‌همه آنها با افزایش هزینه، و
احتمالاً از دست رفتن بخشی از حفره کلی چاه و یا کاهش تولید در ارتباط می‌باشند.
بی ثباتی‌شیل که نتیجه آن بی ثباتی چاه می‌باشد به علت های زیر ایجاد می گردد:

 

 

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 chemistryclay

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 نشده‌ا

/ 0 نظر / 212 بازدید