سیالات حفاری

سیالات حفاری به سه دسته عمده تقسیم می­شوند:

1-   پایه روغنی^[1]

2-   پایه گازی^[2]

3-   پایه آبی^[3]

1-سیالات پایه روغنی

  ترکیب اصلی این گونه گل­های حفاری را هیدروکربن­های نفتی بالاخص آنهایی که نقطه اشتعال بالایی دارند تشکیل می­دهند و در آن ذرات جامد به­صورت معلق می­باشند. از این گونه گل­ها بیشتر برای حفاری ماسه سنگ استفاده می­شود زیرا آب موجب خسارت زدن به سازند و متورم شدن آن می­گردد. همچنین در مواردی که حفاری درون شیل موجب ایجاد حفره در آن شود (به­دلیل فشار هیدرواستاتیکی زیاد) از این گونه گل­های حفاری که وزن مخصوص کمتری دارد استفاده می­شود. علاوه بر این روغن از تورم رس­های مخزن و ترشوندگی سازند نیز جلوگیری می­نماید.

ترکیبات کلی انواع مختلف گل پایه روغنی به شرح زیر می­باشد:

·        امولسیون کننده اولیه^[4]

·        امولسیون کننده ثانویه^[5]

·        کنترل کننده خواص فیلتراسیونی

·        عوامل بالا برنده گرانروی

·        گازوئیل (نفت گاز)

استفاده از گل­های پایه روغنی در موارد زیر مناسب می­باشد:

·        حفاری در سازندهای شیلی و نمکی

·        حفاری در چاه­های عمیق با درجه حرارت بالا^[6]

·        حفاری برای تهیه مغزه­هایی از لایه­های نفتی

·        حفاری در چاه­های انحرافی و چاه­های تنگ شده

·        حفاری در لایه­های محتوی سولفید هیدروژن و دی اکسید کربن

·        به­عنوان سیال تکمیل و تعمیر کننده چاه

·        به­عنوان پیل آزاد کننده در هنگام گیر کردن لوله­ها

·        به­عنوان سیال حفاری در آزمایش­های مهندسی نفت

·        به­عنوان سیال بازدارنده از زنگ ناشی از خوردگی و خوردگی تجهیزات

به­طور کلی معایب گل­های پایه روغنی، به شرح زیر می­باشد:

·        هزینه اولیه بالا

·        قابلیت اشتعال

·        نیاز به کنترل دقیق آلودگی

·        احتمال صدمه زدن به لوازم لاستیکی سر چاه

·        عدم تشخیص دقیق سیلان گاز^[7] به­علت قابلیت انحلال گاز در نفت

·        کاهش کارایی بعضی از ابزار­های نمودارگیری (مانند: نمودارهای مقاومت الکتریکی)

·        مشکلات زیست محیطی

2- سیالات پایه گازی

  در مواردی که گل­های حفاری معمولی مناسب نباشند، هوای خشک و مرطوب، کف غلیظ و فشرده و گل هوازده گزینه مناسبی خواهند بود. این سیالات برای حفاری در سازندهای به شدت متخلخل و سازندهای کم فشار می­توانند مورد استفاده قرار گیرند.

  کاربرد این نوع سیالات نسبت به دو نوع قبلی کمتر است. حفاری با هوا و گاز در اواخر سال 1940 شروع شد ولی به خاطر شکست­های اولیه در بکارگیری آن، رکودی نسبتا طولانی در آن به وجود آمد، تا این که در اواخر دهه 1960، این سامانه مجددا با موفقیت بکار گرفته شد. حفاری با این سامانه می­تواند سرعت حفر را چندین برابر کند. همچنین استفاده از این سامانه، نیاز به تعداد  مته­های کمتری نسبت به سامانه­های قبلی دارد اما حفاری با این سامانه دارای معایبی به شرح ذیل می­باشد:

·        احتمال آتش سوزی و انفجار، در داخل چاه

·        گیر کردن لوله­ها در هنگام قطع جریان هوا به دلایل مختلف

·        ریزش سازندها و گشاد شدن چاه

·        هجوم آب­های سازندی به درون چاه در حفاری لایه­های آبدار (به­علت کم بودن فشار هیدرواستاتیک سیال)

3- سیالات پایه آبی

  این نوع گل­ها در عملیات­های حفاری در ایران و جهان دارای بیشترین کاربرد هستند (حدود 80 تا 90 درصد). روش آسان ساخت، ارزان بودن و کاربرد آن برای بیشتر مسایل حفاری از محاسن این نوع گل­ها می­باشد. استفاده از این نوع گل به سال 1844 باز می­گردد، این نوع گل­ها می­توانند آب شیرین یا شور یا آب همراه با افزاینده­های دیگری نیز باشند که این افزاینده­ها می­توانند شامل مواد رسی، نمک­های مختلف و انواع پلیمرها باشند. به­طور کلی گل پایه آبی از دو فاز مایع و جامد تشکیل می­شود.

انواع فازهای سیال پایه آبی

الف ) فاز مایع

فاز مایع ممکن است یکی از انواع آب­های زیر را شامل شود:

·        آب شیرین

به آبی گفته می­شود که نمک آن کمتر از ppm  10000 و یون­های کلسیم و منیزیم آن (سختی کل آب) کمتر از ppm  120 باشد.

·        آب شور

که به سه دسته تقسیم می­شود:

-         آب دریا: نمک آب دریا ppm  350000 و سختی آنppm  2000-1500 می­باشد.

-         آب لب شور: نمک این آب ppm  20000-10000 است.

-         آب اشباع از نمک: که با افزودن نمک به آب تهیه می­شود.

·        آب سخت^[8]

  مقدار یون­های کلسیم و منیزیم در این نوع آب­ها بالا است. در صورت استفاده از این نوع آب باید ابتدا یون­های کلسیم و منیزیم آن را با استفاده از کربنات سدیم (سود سوزآور) رسوب داد.

·        آب سبک

آبی است که یون­های کلسیم و منیزیم آن را با جوشاندن یا با روش­های شیمیایی رسوب داده باشند.

  بهترین آب برای استفاده در گل حفاری، آبی است که املاح نمک، کلسیم و منیزیم کمتری داشته باشد. زیرا در این آب موادی که برای ایجاد گرانروی یا کنترل افت صافی مورد استفاده قرار می­گیرند بازده بیشتری خواهند داشت.

  مقدار نمکی که در دمای بالا در آب حل شده، پس از سرد شدن آب مقداری از آن به­صورت کریستال از محلول جدا می­شود. در زمان ساخت گل حفاری دمای آب مورد استفاده پایین است و پس از شروع حفاری و انجام چند گردش، دمای گل به تدریج افزایش می­یابد. بنابراین باید نمک خشک را به تدریج به سامانه اضافه نمود تا گل از نمک اشباع شود.

ب ) فاز جامد

معمولا دو نوع ذرات جامد در داخل گل پایه آبی وجود دارند:

·        ذرات جامد فعال

  این ذرات قابلیت واکنش با آب را دارند و توسط مواد شیمیایی کنترل می­شوند. این ذرات بر خواص گل حفاری تاثیر می­گذارند. وجود این ذرات موجب افزایش گرانروی ، بالا بردن حمل کنده­ها و ایجاد فیلتر کیک (اندود صافی) مناسب روی دیواره­های مناطق نفوذ پذیر می­شود. این ذرات ممکن است رس­های تجاری یا رس­های با قابلیت هیدراته شدن باشند.

·        ذرات جامد غیر فعال

  جامداتی هستند که یا عملا برای افزایش وزن به گل افزوده می­شوند یا کنده­هایی هستند که درحین حفاری به گل وارد می­شوند. این ذرات به آسانی با آب واکنش نمی­دهند و ممکن است دارای وزن زیاد (مانند باریت) یا وزن کم (ماسه سنگ و آهک) باشند.

جامدات وزن افزا در آب، محلول یا نامحلول می­باشند:

§        جامدات محلول

  گل­هایی که با کمک مواد وزن افزای محلول در آب نظیر کلرید سدیم، کلرید کلسیم، کلرید پتاسیم و برمید کلسیم تهیه می­شوند. چون فاقد هر گونه جامدی می­باشند در مراحل بعدی عملیات حفاری همچون سیالات تعمیری و سیالات تکمیل چاه می­توانند مورد استفاده قرار گیرند.

حداکثر وزنی که از مواد وزن افزای محلول در آب می­توان به دست آورد به­صورت زیر است:

-         پودر نمک تاpcf  75

-         پودر کلرید کلسیم تاpcf  90-85 (مقدار احتمالی آنpcf  87 است)

-         برمید کلسیم محلول تاpcf  106

  هنگام مخلوط کردن کلرید کلسیم در آب، حرارت زیادی تولید می­شود و این نمک تا وزن pcf90 در آب حل می­شود و به درجه اشباع می­رسد. ولی چنانچه در حین حفاری درجه حرارت گل کاهش یابد مقادیری از کلرید کلسیم به­صورت بلور در می­آید. بنابراین بهتر است از مصرف کلرید کلسیم تا این درجه خودداری شود. توصیه شده است در فصل زمستان که هوا خیلی سرد است و سامانه­های سطحی گل نیز به سرعت سرد می­شوند از مصرف کلرید کلسیم تا وزن حداکثر pcf 86 استفاده شود. مصرف بیشتر یقینا با کریستالی شدن محلول در مخازن گل همراه خواهد بود.

§        جامدات نا محلول

این مواد عبارتند از:

  پودر لایمستون (CaCO₃): با وزن مخصوص 7/2 و خاصیت حل شدن در اسید کلریدریک که بیشتر در طبقات نفت­زا مورد استفاده قرار می­گیرد.

  پودر باریت (BaSO₄): با وزن مخصوص 2/4 که در اسید کلریدریک حل نمی­شود و در طبقات نفت زا تا حد امکان از آن استفاده نمی­شود. کیفیت پودر باریت از اهمیت زیادی برخوردار است و باید به­طور مستمر تحت کنترل باشد تا فاقد رس و بنتونیت باشد زیرا وجود این مواد باعث تغییر خواص گل می­شود مخصوصا در گل­های سنگین.

  فروبار: با وزن مخصوص بیش از 5 که در گل­های سنگین وزن (بیش از pcf 135) برای کاهش میزان جامدات گل همواره با پودر باریت و به نسبت 3 (باریت) به 1 (فروبار) مورد استفاده قرار می­گیرد.

وظایف سیال حفاری

  در بدو پیدایش حفاری چرخشی، وظیفه گل حفاری عمدتاً انتقال کنده‏های حفاری از ته چاه به سطح زمین بود. لیکن با توسعه سیستم حفاری دورانی، وظایف گل حفاری نیز سنگین‏تر شده است. اجرای وظایف محوله به گل و سیال حفاری در عملیات حفر چاه آنقدر مهم و اساسی است که نمی‏توان اهمیت آنها را نادیده گرفت به همین دلیل باید در انتخاب و نگهداری و بکارگیری آن دقت لازم را انجام داد.

  یک گل حفاری مطلوب و کارساز و مورد نظر در یک حفاری موفقیت‏آمیز بایستی دارای این توانایی ها و ویژگی‏ها باشد:

·        تمیزکردن ته چاه و انتقال کنده‏های حفاری به سطح زمین.

·        خنک کردن مته و لوله‏های حفاری.

·        روان کردن مته و لوله‏های حفاری.

·        اندود کردن دیواره چاه و جلوگیری از ریزش چاه

·        کنترل فشارهای زیر زمینی

·        معلق نگه داشتن کنده‏ها و مواد وزن افزا به هنگام قطع جریان گل حفاری

·        ترخیص شن و کنده‏های حفاری بر روی الکهای لرزان و سایر تجهیزات جدا کننده

·        تحمل قسمتی از وزن لوله‏های حفاری و لوله‏های جداری

·        به حداقل رسانیدن ضایعات و آسیب‏ها به سازنده‏های مجاور چاه.

·        انتقال توان هیدرولیکی پمپ‏های گل به مته و بحرکت در آوردن تیغه‏های متحرک مته.

---

[1] Oil-based

[2] Gas-based

[3] Water-based

[4] Initial Emulsifier

[5] Seondary Emulsifier

[6] HTHP Wells

[7] Gas Kick

[8] Hard water