گل حفاری و نقش آن در حفاری های اکتشافی نفت و گاز

گل حفاری و نقش آن در حفاری های اکتشافی نفت و گاز

گل حفاری و نقش آن در حفاری های اکتشافی نفت و گاز

فهرست

»موارد استفاده ازگل حفاری

»نقش مواد در گل حفاری

»مواد معدنی مورد استفاده در حفاری

»انواع گل حفاری

»موادی که به گل اضافه می شود

»مشخصات گل حفاری

»آنالیز گل حفاری

»سیستم گردش گل

»گردش گل حفاری

۲-۱ انواع گل های حفاری

۲-۱-۱ گل های روغنی ( اساس ترکیبات نفتی ) :
ترکیب اصلی اینگونه گل های حفاری را هیدروکربن های نفتی تشکیل می دهد مخصوصا آنهایی که از نقطه اشتعال بالایی دارند که در آن ذرات جامد بصورت معلق است . این گل ها بیشتر برای ماسه سنگ ها مورد استفاده قرار می گیرند زیرا موجب خسارت کمتری به ماسه سنگ می گردد . در حفاری داخل شیل ها نیز درصورتی که به دلیل فشار هیدروستاتیکی زیاد در داخل آن حفره ایجاد شود از این نوع گل به دلیل وزن مخصوص کمتر استفاده می شود .

۲-۱-۲    گل های امولسیونی پایه آبی :
در این کونه گل های حفاری معمولا هیدروکربن های نفتی به صورت قطره به درون آب پخش و اضافه می گردد که مقدار آن به طور معمول ۱۰ تا ۱۵ درصد حجم گل حفاری را تشکیل داده و در صورت لزوم این مقدار به ۵۰ درصد نیز می رسد . اضافه کردن هیدروکربن های نفتی ( بویژه گازوئیل ) موجب افزایش خاصیت جلادهندگی گل حفاری می شود . رس و ذرات جامد دیگر می توانند به این گونه گل ها اضافه شوند . اساس این گل ها را آب نمک یا آب خالص می تواند تشکیل دهد . وجود روغن باعث شفافیت و جلا دادن سرمته ، وزنه اضافی و لوله حفاری می شود و بدین طریق موجب کاهش چسبندگی ذرات حفاری به دندان های مته و رشته لوله حفاری می شود مخصوصا در سیستم حفاری چرخشی لوله حفاری سریعتر می چرخد و در مجموع سرعت چال زنی با اینگونه گل حفاری افزایش می یابد .

۲-۱-۳     گل های امولسیونی ترکیبات پایه نفتی :
ترکیب اصلی این گل ها را هیدروکربن های نفتی تشکیل می دهد که آب به مقدار کم به آن اضافه می شود . این گونه گل ها برای سنگ نمک و انیدرید بسیار مناسب می باشند . ترکیب دو سیال حفاری در مواردی به کار برده می شود که از هوای فشرده جهت کاهش دادن فشار هیدروستاتیکی سیال استفاده شود . در این شرایط نه تنها به هدر رفتن سیال حفاری کاهش می یابد بلکه سرعت چال زنی نیز افزایش می یابد .

۲-۱-۴    گل های رسی :
ذرات کلوئیدی عمدتا از جنس رس می باشند . رس ها انواع متعددی دارند . بعضی از رس ها می توانند سیالات حفاری را متورم و سفت و غلیظ کنند حال آنکه بعضی دیگر به سرمته و لوله های حفاری می چسبند . هر دو نوع از رس های مذکور از سرعت حفاری می کاهند و یا به گونه ای عملیات حفاری را پیچیده می کنند بنابراین تعیین وانتخاب یک رس متورم کننده یا غلیظ کننده و یا ترکیبی از هر دو مهم است .

۲-۲ وظایف گل حفاری

گل حفاری ده وظیفه را یکجا انجام می دهد :
۱-    تمیز کردن ته چاه و انتقال قطعات حفر شده از ته چاه به سطح زمین
۲-     خنک کاری مته و لوله های حفاری که موجب افزایش کیفیت و عمر سرمته می شود .
۳-     روان کردن مته لوله های حفاری و شفافیت و جلا دادن به رشته لوله های حفاری که باعث تسریع در انتقال آن ها می شود .
۴-     اندود کردن دیواره چاه وجلوگیری از ریزش
۵-     کنترل فشارهای زمین
۶-     معلق نگه داشتن کنده ها و مواد وزن افزای گل به هنگام خاموشی پمپ
۷-     ترخیص شن و کنده های حفاری در روی الک لرزان
۸-     تحمل بخشی از لوله های حفاری و لوله های جداری
۹-     به حداقل رسانیدن ضایعات وارد بر سازندهای مجاور چاه و ارائه حداکثر اطلاعات پیرامون آنها
۱۰-     انتقال توان هیدرولیک پمپها به مته

۲-۲-۱    تمیز کردن چاه :

هنگامیکه گل حفاری از نازل های مته با فشاری زیاد وارد چاه می شود باعث تمیز کردن و حمل کردن تمامی کنده ها می شود گل حفاری حاوی قطعات و ذرات حفر شده و خرد شده بعد از صاف شدن مجددا قابل استفاده خواهد بود . در هنگام بالا آمدن کندیات نیروی جاذبه بر آنها تاثیر می گذارد و در نتیجه عاملی برای سقوط آنها می شود . در این حالت باید سرعت صعودی گل از سرعت سقوط ذرات بیشتر باشد تا بتوان انتظار رسیدن کندیات را به سطح زمین داشت .
slip velocity یا سرعت سقوط ذرات بستگی به شکل هندسی و وزن مخصوص آنها از یک سو و از سوی دیگر به گرانروی تیکسوتراپی وزن و سرعت گل در آنالوس دارد . توانایی گل در تمیز نگه داشتن ته چاه و انتقال کنده های حفاری به سطح زمین بستگی به عوامل متعددی دارد . بهترین این عوامل عبارتند از :
سرعت گل در آنالوس ، وزن گل و گرانروی آن ، سرعت گل در قسمتهای مختلف آنالوس به نوبه خود بستگی به ظرفیت پمپهای گل و سرعت آنها و نیز به اندازه قطر پایپ و drill collar و نیز چاه دارد .معمولا این متغیرها را طوری تنظیم می کنند که سرعت گل را در آنالوس بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ فوت در دقیقه شود .

هر چقدر وزن گل زیاد باشد یعنی مقدار ذرات جامد در گل زیاد باشد ظرفیت حمل گل افزایش می یابد زیرا طبق قانون اجسام شناور و غوطه ور هرگاه جسمی درون سیالی غوطه ور باسد از طرف سیال نیرویی رو به بالا یعنی خلاف جهت جاذبه به جسم وارد می شود که بزرگی این نیرو بسته به وزن مخصوص جسم و شکل هندسی آن و نیز وزن مخصوص سیال دارد. ( نیروی بویانسی )
گرانروی نیز روی حمل کندیات به سطح زمین توسط گل تاثیر دارد هر چه میزان این گرانروی زیاد باشد توانایی آن برای حمل ذرات بیشتر است .دوران لوله حفاری نیز روی توانایی گل در انتقال کنده ها اثر می گذارد .
با توجه به‌اینکه گرانروی تابعی از درجه حرارت و فشار می‌باشد، بنابراین برای‌بررسی حمل کنده‌های حفاری به سطح زمین باید توزیع درجه حرارت و گرادیان‌فشار در مسیر حرکت گل تعیین شود. و برای نوشتن معادلات مربوط به تعیین‌فشار و درجه حرارت ، دانستن معادله حرکت گل حفاری الزامی می‌باشد. باتوجه به خصوصیات فیزیکی گل، معادله حرکت بینگهام که تطابق خوبی با گل‌حفاری دارد، به عنوان معادله حرکت گل حفاری انتخاب شده است . برای‌تعیین گرادیان فشار ابتدا افت فشار گل در مسیر حرکت تعیین شده است وسپس با در نظر گرفتن فشار حاصل از پمپ و فشار ئیدرواستاتیک گرادیان ‌فشار در طول مسیر محاسبه شده است .

برای تعیین توزیع درجه حرارت ،ضرایب انتقال حرارت بین مسیر رفت و برگشت و همچنین بین مسیر برگشت‌و زمین با استفاده از معادلات تجربی تعیین شده است و سپس با استفاده‌از نوشتن معادلات موازنه انرژی در مسیر حرکت گل حفاری، توزیع درجه‌حرارت در مسیر بدست آورده شده است . با مشخص شدن مقادیر فشار و درجه‌حرارت در طول مسیر، مقدار گرانروی بصورت تابعی از عمق مشخص شده‌است . سپس با تعیین نیروهای وارد بر کنده‌های حفاری معلق در گل، سرعت‌سقوط یا صعود کنده‌ها تعیین می شود .

۲-۲-۲  خنک کاری :

در اثر چرخش مته ها تماس آن با سازند یا لوله های جداری باعث افزایش حرارت در مته ها و لوله های حفاری می شود که این مسئله اگر کنترل نشود ، از آنجائیکه سازندهایی توانایی انتقال حرارت را در این حد را از خود ندارند باعث می شود که مته بسوزد و نیز دز برخی موارد باعث سوراخ شدن لوله های حفاری نیز می شود .
گرمایی که در اثر اصطکاک سر مته و رشته لوله های حفاری با سنگ ایجاد می شود توسط سیال حقفاری جذب می گردد . مقدار جذب آن به حجم سیال حفاری که به درون چال به جریان می افتد و به گرمای ویژه آن بستگی دارد . قصور در جلا دادن مته و بالاخص لوله حفاری موجب نیاز به افزایش انرژی جهت انتقال لوله های حفاری و ایجاد انرژی لازم در سرمته می شود که این افزایش غیر عادی باعث کاهش عمر سرمته می شود . هر چند آزمایش و معیار مشخصی جهت اندازه گیری خاصیت جلادهندگی سیالات حفاری وجود ندارد اما استفاده از گازوئیل و به طورکلی هیدروکربن های نفتی موجب افزایش خاصیت جلادهندگی سیال حفاری می شود لذا در شرایطی از حفاری که جلا دادن مته ضروری است باید به ترکیب گل روغن اضافه نمود یا از گل های روغنی استفاده کرد .

۲-۲-۳  روان کردن :

گلهای حفاری نیز تا حدودی به روان کردن مته اثر می گذارند و رسی که در گلهای حفاری مورد استفاده قرار می گیرد علاوه بر دیگر خواصشان دارای خاصیت روان کنندگی نیز هستند در حالیکه فشار وزن اضافی بر روی مته ها زیاد باشد حتی این مواد نمی توانند از فرسایش یاتاقان های مته جلوگیری کنند در این حالت کاربرد روان کننده های فشار قوی می توانند در حل مشکل موثر باشند .
همچنین جلوگیری از فرسایش یا خوردگی رشته لوله های حفاری از دیگر کارهای گل حفاری است که این کار با اضافه کردن هیدروکربن های نفتی و یا ترکیبات شیمیائی همچون کرومات یا دی کرومات سدیم به گل حفاری امکان پذیر می باشد .

۲-۲-۴  پر کردن منافذ :

پر کردن منافذ ریز دیواره چال با ذرات جامد یا کلوئیدی گل حفاری موجب جلوگیری از به هدر رفتن آب گل حفاری می شود . چنانچه منافذ ریز و یا شکاف دیواره چال بیش از اندازه بزرگ باشد به نحوی که ذرات جامد گل حفاری قادر به اشغال یا پرکردن آن نباشد در اینصورت نه تنها آب بلکه مقداری گل حفاری نیز به هدر می رود . انتخاب گل حفاری به نوع ماشین و شرایط حفاری بستگی دارد ضمن آنکه به همانند سایر مسائل مربوط به مهندسی فاکتور اقتصادی می تواند از عوامل تعیین کننده باشد . گل حفاری در سرعت حفاری روی طبقات مجاور و رشته لوله حفاری تاثیر می گذارد . جلوگیری از فرسایش یا خورندگیرشته لوله حفاری از دیگر عواملی است که باید با گل حفاری انجام شود که معمولا این کار با اضافه کردن هیدروکربنهای نفتی و یا ترکیبات شیمیائی همچون کرومات یا دی کرومات سدیم به گل حفاری امکانپذیر است .

۲-۲-۵  کنترل فشار :

یکی دیگر از وظایف گل کنترل فشارهای طبیعی سازندها می باشد زیرا که در حین حفاری با سازندهایی برخورد می کنیم که احتمال وجود آب یا نفت یا گاز در آنها می باشد در نتیجه با انتخاب وزن گل مناسب باید در برابر این فشار ایستادگی کنیم . اگر فشار هیدروستاتیک از فشار سازند بیشتر باشد باعث خرد شدن دیواره و نفوذ گل می شود و اگر فشار سازند از فشار هیدروستاتیک بیشتر باشد باعث ایجاد فوران در چاه می شود . فشاری که گل حفاری در ته چاه ایجاد می کند برابر است با حاصل ضرب وزن مخصوص گل در ضخامت یا ارتفاعی از چاه که توسط گل اشغال شده است .
گل حفاری توسط فشار هیدروستاتیکی که از رابطه زیر بدست می آید طبقات زیرین را کنترل می کند و از ورود آن به داخل چاه جلوگیری می کند .

۲-۲-۶  معلق نگه داشتن

در حین عملیات حفاری ممکن است به دلایل مختلف عملیات متوقف شود و پمپ ها خاموش شوند در نتیجه کندیات حفاری مجددا به ته چاه سقوط کرده و باعث مدفون شدن مته می شوند که دیگر ادامه عملیات را ناممکن می سازد . برای رفع چنین اشکالی باید وزن گل ، گرانروی و نیز خاصیت تیکسوتراپی یا ژله ای شدن را داشته باشد تا بتواند در زمانی که گردش آن متوقف می شود این ذرات را به صورت معلق در خود نگه دارد . زمانی که پمپ ها مجددا شروع به کار کردند گل این خاصیت خود را از دست می دهد و به حالت اول باز می گردد . خاصیت ژله ای گل نتیجه جاذبه بین ذرات کلوئیدی گل می باشد . اگر گل حفاری فاقد خاصیت ژله ای باشد به هنگام توقف عملیات حفاری ذرات در حال صعود به سطح زمین در فضای آنالوس به سوی قعر چاه و بر روی سر مته و وزن اضافی سقوط و اصابت خواهند کرد و موجب چسبندگی و گیر کردن لوله های حفاری می شوند که خود باعث افزایش هزینه برطرف نمودن مشکل فوق می گردد . در سنگ های سخت به دلیل کاهش سرعت چالزنی مقدار کمی ذرات حفاری در داخل چاه باقی خواهد ماند لذا خاصیت ژله ای گل حفاری از اهمیت کمتری برخوردار است . از جمله خواص موثر در خاصیت ژله ای گل حفاری گرانروی و چگالی میباشند .

۲-۲-۷  ترخیص شن و کنده های حفاری

یک گل حفاری خوب باید به گونه ای باشد که وقتی از چاه بیرون می ریزد و روی توری های لرزان می ریزد باید کنده های حفاری و شن ها بتوانند به راحتی از آن جدا شوند تا مجددا به داخل چاه بر نگردند . زیرا که شن ها خاصیت فرسایندگی بسیار دارند و باعث فرسایش قطعات پمپ ها و اتصالات لوله ها می شود . همواره درصد شن گل را به ویژه در حین حفاری سازند های شنی باید اندازه گرفت .

۲-۲-۸  تحمل وزن لوله های حفاری و جداری

هنگام حفاری هر جه قدر عمر چاه بیشتر می شود در نتیجه وزن لوله های حفاری و جداری افزایش می یابد که باعث ایجاد فشاری زیاد بر روی نگهدارنده آن ها بر روی دکل می شود . این لوله ها به ناچار وقتی داخل چاه قرار می گیرند درون گل نیز وارد می شوند و در نتیجه در اثر نیروی شناوری گل به اندازه وزن گل هم حجمشان از وزن آن ها کاسته خواهد شد . در نتیجه هر چه وزن گل را افزایش دهیم باعث کاهش وزن این رشته لوله ها می شود که به نفع جرثقیل های روی دکل است .

۲-۲-۹  دریافت اطلاعات

در برخی موارد برای به دست آوردن اطلاعاتی بیشتر در مورد سازندهایی که حفاری در آن انجام شده باشد باید از موادی استفاده کنیم که اطلاعاتی بهتر به ما ارائه دهد هر چند که باعث از بین بردن برخی خواص گل می شود . به عنوان مثال اضافه کردن نمک به گل باعث افزایش fluid loss آن می شود لیکن اگر قرار است ابزار مقاومت مخصوصی را در چاه برانیم برای دریافت اطلاعاتی صحیح از این ابزار بایستی مقاومت گل را کنترل کنیم که این امر با افزودن نمک به گل میسر می شود .

۲-۲-۱۰  انتقال توان هیدرولیک پمپ ها به مته

گل حفاری در حین گردش توان تولید شده در پمپ را به نوک مته منتقل می کند و در حین این کار بخشی از توان را در حین حرکت به صورت گرما از دست می دهد . بنابراین تمام توان تولید شده توسط پمپ ها به نوک مته انتقال نمی یابد . برای انتخاب یک گل حفاری خوب باید به این نکته توجه کرد که سرعت گردش گل و و خواص فیزیکی آن و همچنین نوع ذرات جامد معلق در گل و درصد آن ها را طوری باید تعیین کرد که از کل توان پمپ ها فقط اندکی به صورت گرما تلف شود و بیشتر آن ها در مته و برای تمیز کردن ته چاه مصرف شود .