گل حفاری چیست
گل حفاری ( به انگلیسی Drilling fluid ) جهت حفاری چاه های نفت و گاز و اکتشاف بکار می رود. گل های حفاری همچنین برای تقویت چاه های ساده تر مانند چاه آب هم کاربرد دارند. سه نوع اصلی این ترکیب به صورت گل پایه آب قابل دیسپرس یا غیر قابل دیسپرس شدن ، گل پایه روغنی (غیر آبی) و گل گازی که برای استخراج گاز طبیعی به کار می رود است. برای تهیه گل حفاري از ترکیب مواد معدنی نظیر بنتونیت و باریت ، مواد شیمیای مانند سود مایع و امولسیفایر و مواد پلیمری استفاده می شود. عمکلرد اصلی این ترکیبات به شرح زیر است:
- خارج کردن مواد زائد در زمان حفر چاه
- خنک و تمیز نگه داشتن چاه در زمان حفر آن
- فراهم کردن فشار هیدرواستاتیک جهت جلوگیری از تخریب دیواره چاه در زمان خروج سیالات
- معلق سازی مواد زائد حفاری در زمانی که عملیات حفاری متوقف شده و تجهیزات جایگزین می شوند
انواع
انواع گل حفاری پلیمری ، پایه آب ، نفتی ، بنتونیتی ، سنتزی و … در استفاده های روزمره بکار می رود. حتی در بعضی از چاه ها از چند نوع گل در بخش های مختلف آن استفاده می شود.
هوا : هوای فشرده به داخل چاه های حلقوی پمپ می شود
ترکیب هوا و آب : هوا به همراه آب برای افزایش غلظت ، خنک کردن چاه و کنترل خاک با فشار زیادی به درون چاه پمپ می شود
آب : برخی موارد بخصوص در حفاری دریایی ، زمانی که در مراحل اولیه حفر هستند ، از آب دریا استفاده می کنند
گل حفاری پلیمری : ماده ای با فرمول خاص که پلیمر نام دارد به ترکیبی از آب و هوا افزوده می گردد که تولید کف (فوم) می کند
گل حفاری پایه آب WBM : برای تهیه این گل ، خاک رس یا بنتونیت به آب افزوده شده و دیگر مواد شیمیایی جهت همگن کردن گل (چیزی مانند شیر شکلات) به آن افزوده می شود. رایج ترین خاک رس مصرفی در این روش ، بنتونیت سدیمی است که در چاه های نفتی ، حالت ژل پیدا می کند. این ژل برای جلوگیری از ریزش دیواره ها و خنک کردن مته ها کاربر دارد.
گل حفاری نفت (پایه روغنی) OBM : نوعی گل تولید شده با مواد نفتی مانند گازوئیل است. این ترکیب برای موارد مختلفی مانند افزایش لغزندگی ، محار شوره و بهبود تمیزی چاه بدون افزایش غلظت بکار می رود. این نوع گل دارای ظرفیت تحمل گرمایی بالاتر نسبت دیگر انواع گل حفاری است. در استفاده از آن ، عوامل مختلفی مانند هزینه ، ملاحظات زیست محیطی و … مورد توجه قرار می گیرد.
گل حفاری سنتزی SBM : این ترکیب به نام گل حفاری روغنی با سمیت اندک هم نامیده شده و از روغن های سنتتیک تهیه می گردد. آن را در حفاری دریایی استفاده می کنند زیرا دارای ویژگی های گل پایه روغنی است اما فوم تهیه شده با آن از سمیت بسیار کمتری برخوردار می باشد. استفاده از آن به این دلیل است که در سکو های دریایی ، کارگران تماس مستقیم با مواد مصرفی دارند و سمیتی اندک گل اهمیت زیادی دارد.
عملکرد
حذف ضایعات حفاری
نفت و مایعات که از طریق چاه های حفاری شده به سمت بیرون حرکت می کنند ، ضایعات تراشیده شده را نیز با خود به سمت بیرون چاه حمل می نمایند. حمل این ضایعات بستگی به شکل ، سنگینی و بزرگی آنها دارد و اگر بعضی از ضایعات ، بزرگ و سنگین باشند ، به سمت ته چاه حرکت می کنند. برای جلوگیری از این موضوع ، گل حفاری به چاه افزوده می شود تا با افزایش غلظت مایعات ، آلودگی ها امکان پایین رفتن نداشته باشند.
بعضی از انواع گل حفاری هم خاصیت تیکسوتروپی دارند به این معنا که غلظت آنها در شرایط مختلف تغییر می کند. در نتیجه:
- مایعاتی که دارای غلظت افزایشی هستند برای تمیز کردن چاه مناسبند
- سرعت چرخشی بالا باعث انتقال ضایعات است. در این مایعات ، نرخ جابجایی باید حداقل ۵۰ درصد باشد
- مایعات با غلظت زیاد به خوبی می توانند حفره را تمیز کنند حتی اگر سرعت چرخشی بالایی نداشته باشند اما امکان دارد تاثیر سوء بر فشار داخلی چاه بهمراه آورد
کنترل فشار
چنانچه فشار محتویات چاه افزایش یابد ، غلظت گل حفاری نیز باید زیاد شود تا با ایجاد بالانس ، دیواره های چاه پایداری خود را حفظ کند. بالانس نبودن فشار محتویات چاه سبب ایجاد ضربه از طرف سیالات شده و ممکن است دیواره چاه را تخریب نماید. مهم ترین ماده در گل ، باریت است. فرمول محاسبه فشار درون چاه به شرح زیر می باشد:
فشار هیدرواستاتیک = چگالی سیالات درون چاه * عمق عمودی حقیقی * فشار جاذبه
اگر فشار هیدرواستاتیک بیش از فرمول بالا باشد ، دیواره های چاه در مقابل حرکت رو به بالای سیالات دوام نمی آورد. فشار هیدرواستاتیک همچنین استرس ناشی از نیروهای تکتونیکی که می تواند دیواره های چاه را متزلزل نماید کنترل می کند. اما اگر فشار چاه ، خود به خود در حالت نرمال قرار داشته باشد ، از هر نوع گلی می توان استفاده نمود.
جلوگیری از نفوذ پذیری
فشار ستونی گل باید بیش از فشار محتویات باشد تا بتوان از فیلتر ها استفاده کرد. گل برای فیلتر هایی با نفوذپذیری پایین طراحی می گردد. برای ساختارهایی با نفوذپذیری زیاد ، از موادی نظیر کربنات کلسیم و سلولز که خاصیت به اصطلاح بریجینگ دارند استفاده می شود. بسته به نوع گل حفاری مورد مصرف ، برخی افزودنی ها مانند بنتونیت خاک رس ، پلیمر طبیعی یا سنتتیک ، آسفالت و گیلسونایت برای بهبود فیلتراسیون افزوده می گردد.
تثبیت دیواره های چاه
ویژگی ها و ترکیبات شیمیایی گل حفاری باید به گونه ای طراحی شود که پایداری دیواره چاه را بهبود بخشد. وزن گل باید در محدود ضروری فشار های مکانیکی بالانس گردد. ناپایداری دیواره ها موجب سستی کل مجموعه خواهد شد که در نتیجه حفره را تنگ خواهد نمود اما پایدار بودن دیواره ها باعث حفظ سایز حفره و شکل استوانه ای آن می شود.
در صورتی که چاه را بزرگ تر از حد معمول حفر کنند ، سبب ضعف و ناپایداری آن خواهد شد که در نتیجه مشکلاتی مانند فشار حلقوی ، عدم امکان تمیز کردن چاه ، پر شدن از مواد جامد و سنجش ضعیف سیستم می شود. در زمین های شن و ماسه ای معمولا چاه های بزرگ تر از استاندارد به دلیل استفاده از روش های مکانیکی (نیروی هیدرولیک یا شتاب نازل ها) حفر می گردد. در این گونه موارد از سیستم کوانسرواتیو هیدرولیک به همراه گل حفاری حاوی بنتونیت که برای حفره های بزرگ مناسب است استفاده می شود.
در شیل ها shale (شوره زار های رسی) معمولا وزن گل حفاری برای پایدار سازی دیواره و مهار استرس سیستم کفایت می کند. در این گونه زمین ها از گل حفاری پایه آب استفاده می کنند زیرا زمین های به شدت خشک و ناپایدار هستند. همچنین مهار کننده هایی مانند کلسیم ، پتاسیم ، نمک ، پلیمر ها ، آسفالت ، گلایکول و روغن را نیز استفاده می کنند. مصرف کلرید کلسیم به عنوان امولسیفایر فاز آب نمک در گل حفاری می تواند فعالیت های آبی را کاهش داده و نیرو های اسمزی را به منظور جلوگیری از جذب آب در شیل مهار نماید.
خنک کننده و روان سازی تجهیزات
فشار های مکانیکی و هیدرولیکی زمانی که مته ها در حال فعالیت هستن باعث ایجاد حرارت می شود که باید به نوعی آن را خنک نمود در غیر این صورت به مته ها ، پمپ ها و سایر تجهیزات صدمه می زند. گل روغنی معمولا خاصیت روان کنندگی بهتری نسبت به گل حفاری پایه آب دارد. تعیین میزان روان سازی ، وابسته به جنس مته ها و ترکیب شیمیایی سیستم است.
کنترل سایش
تماس و درگیری پیوسته مته ها با سنگ سبب خوردگی تجهیزات می شود. همچنین گاز های محلول نظیر اکسیژن ، دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن علاوه بر خطرات فراوان برای سلامت کارکنان ، زیان فاجعه باری هم برای سیستم دارد. کاهش پی اچ و اسیدی شدن محیط ، دیگر عامل زیان بار در این صنعت است که می توان این مشکلات را استفاده از گل حفاری به حداقل رسانید.
دیگر مزایا
از دیگر مزیت های استفاده از گل حفاری در حفر چاه های نفت ، گاز و آب می توان به مواردی همچون انتقال انرژی هیدرولیک به تجهیزات ، اطمینان از ارزیابی دقیق حفاری ، تسهیل سیمانی شدن چاه و کاهش تاثیرات زیست محیطی زیان آور اشاره نمود.
ترکیبات گل حفاری و انواع آن
گل حفاری پایه آب حاوی بنتونیت خاک رس ، باریت (سولفات باریوم) ، کربنات کلسیم (گچ) یا هماتیت است. در این گل از ضخیم کننده هایی مانند زانتان گام ، گوارگام ، گلایکول ، سی ام سی و پلی آنیونیک سلولز برای افزایش غلظت سیالات استفاده می شود. همچنین موادی مانند آکریلات ، پلی فسفات ، لیگنوسولفات و تانیک اسید موجب کاهش غلظت گل و سیالات می گردد.
دیگر مواد شیمیایی و معدنی به عنوان افزودنی جهت روان کنندگی و جلوگیری از خشکی چاه به آن افزوده می شود. باریت به عنوان مهم ترین ماده در گل ، یک عامل وزنی به منظور افزایش کلی غلظت سیالات است که فشار پایین چاه را حفظ می کند. مصرف سیلیس و نانو ذرات خاک رس هم برای امولسیون معکوس در شرایط فشار و حرارت بالا مناسب است.
دو نوع کلی گل حفاری به صورت زیر است:
- گل برای سیستم ها قابل انحلال (Dispersed systems) : این گل حالتی آبکی دارد و حاوی بنتونیت و مواد ارگانیک با رفتار های کلوئیدی و خاصیت قلیایی (پی اچ بیش از ۹٫۵) است.
- گل حفاری برای سیستم های غیر انحلالی (Non-dispersed systems) : تقریبا حالتی خشک و جامد با حداکثر ۳ تا ۶ درصد مواد جامد و پایه آب همچون بنتونیت و پلیمر به همراه امولسیفایر یا مواد پایه روغنی نظیر آسفالت و گازوئیل دارد.
