می‏توانیم چنین فرض کنیم که گل‏های حفاری ساخته شده توسط جامدات چاه، یا خیلی سنگین بودند و یا گرانروی زیادی داشت و تنها آب برای رقیق کردن آن استفاده می‏گرفت. اگرگرانروی گل کاهش می‏یافت یا از درون مخازن ذخیره به سیستم گل جدید افزوده می‏شد و یا حفاری با همان گل رقیق ادامه می‏یافت و اگر وزن گل اندک بود چاه فوران میکرد و اگر هرز روی گل زیاد می‏شد یا اندود گل تشکیل شده باعث گیر کردن لوله‏های حفاری می‏شد و یا ریزش دیوارة چاه باعث گیر کردن لوله‏ها می‏گشت، هیچ نوع مواد افزودنی مؤثری برای کنترل خواص فیزیکی گل وجود نداشت.

13 سال بعد از ظهور نخستین گل حفاری لوکاس در سال 1901 در اسپیندل تاپ برای مباحثه در مورد سیالات حفاری و مطرح کردن آن بعنوان یک ضرورت در صنعت حفاری حضور پیدا کرد. این مسئله در سال 1914 از تحقیقات وسیعی توسط پولارد و هگبورک کشف گردید که از گل فوق‏العاده غلیظی برای حفاری توسط دکل‏های ضربه‏ای در ایالت اوکلاهاما استفاده می‏شده است.

مشکل پولارد و هگبورک، توسعه روشی برای بهبود کیفیت حفاری با روش ضربه‏ای، به منظور جلوگیری از ضایعات اضافی گاز که بهنگام حفاری گازی با روش ضربه‏ای صورت می‏گرفته، بود. در این روش تنها مقدار کمی سیال بدرون چاه فرستاده می‏شد. آنها توصیه می‏کردند که برای جلوگیری از فوران چاه به منظور کنترل فشار هیدرو استاتیکی از گل خاک رس غلیظ استفاده کنند. ترکیب و خواص سیالات خاک رسی، توسط آنها عرضه شد و احتمالاً در آن زمان در روش حفاری دورانی نتایج مطلوبی را بدست داده است.

گل مطلوب به گلی گفته می‏شود که به اندازه کافی غلیظ باشد تا بتواند منافذ طبقات و ماسه‏ها را طوری مسدود نماید که سیال نتواند بدرون آنها نفوذ نماید. گل مطلوب گلی است که توانایی انسداد منافذ ماسه و جلوگیری از ریزش دیواره چاه و کنترل فشارهای گاز را داشته باشد. گل حفاری مطلوب

تاریخ جدید سیالات حفاری یعنی زمانی که تلاش برای کنترل خواص گل با استفاده از مواد افزودنی طراحی شد در سال 1921 آغاز گردید. استراود در سال 1921 در تلاش بود که وسیله‏ای بیابد که گل را آنقدر سنگین نماید که با کنترل فشار گاز از فوران جلوگیری نماید. چندین فوران شدید و آتش سوزیهای مهلک به هنگام حفاری با گل سبک و گاز خورده اتفاق افتاده بود. استراود متوجه شد که نمونه‏های برگشتی گل در مخازن، در مناطق گازی، وزنی معادل 5/10 تا 11 پوند در گالن داشته و بسیار چسبناک هستند. بطوریکه بحدی می‏رسیدند که قابل تلمبه شدن نبودند. این نوع گل در اثر این اتفاقات فوران می‏کرد.

در آزمایشگاه کشف شد که ذرات ریز اکسید آهن علاوه بر سنگین کردن وزن گل (15 تا 18 پوند در گالن) براحتی قابل تلمبه شدن است. این مواد برای استفاده در صنعت توصیه شده و مقدار زیادی از آن در مناطق گازی آلکاتراس جنوبی و لویزیانای شمالی بکار گرفته شد و نتایج خوبی هم داشت. استفاده از اکسید آهن بچند دلیل مورد اعتراض کارگران حفاری قرار گرفت که در بین این دلایل رنگ تیره و ایجاد لک به روی پوست توسط این ماده جالب توجه بود.

در سال 1922 باریت تحت آزمایش قرار گرفت و مطلوبتر از اکسید آهن برای سنگین‏تر کردن گل تشخیص داده شد. استراود در ضمن، این واقعیت را که وزن مخصوص زیاد اکسید آهن و سولفات باریم باعث تهنشین شدن و ایجاد اشکالاتی در کنترل می‏شود را بیان نمود.

بطور کلی می‏توان تاریخچه گل حفاری رادر شش مرحله خلاصه کرد:

مرحله اول (از سال 1914 تا 1920): تعاریف مختلف برای گل حفاری از افراد مختلف ارائه می‏شد و به آن صورت استفاده از گل حفاری عمومیت پیدا نکرده بود.

مرحله دوم (از سال 1920 تا 1930): در این سالها شرکت‏های گل حفاری شروع به کار کردند و هر کدام موادی را برای استفاده در گل حفاری وارد بازار نمودند.

مرحله سوم (از سال 1930 تا 1940): در این سالها شرکت‏ها توانستند ابزاری را جهت انجام آزمایشات مختلف بر روی گل حفاری ارائه نمایند.

مرحله چهارم (از سال 1940 تا 1955): توسعه ویژگیها و ابزارهای سیستم گل حفاری مانند مخازن مدرن، آخورک گل، تفنگهای گل و پیشرفتهایی بود که در طی این سالها صورت گرفت.

مرحلة پنجم (از سال 1955 تا 1970): پیدایش مهندسی گل بدین معنی که کلاسهای درسی برای افراد تحصیل کرده ابلاغ شد و فرمولها یکی بعد از دیگری درباره گل عرضه شد.

مرحلة ششم (از سال 1970 به بعد): که امروزه مشاهده می‏کنیم که در سیستم گل و خواص گل چه تغییرات و پیشرفتهایی بوجود آمده است.

بهر حال، هدف از ارائة این فصل آشنایی با گل حفاری و وظایف آن و معرفی انواع گل حفاری و نیز ارائة آزمایشات مختلف مورد استفاده جهت بدست آوردن میزان کمی و کیفی خواص گل حفاری می‏باشد. مهندس حفاری همواره نگران انتخاب و نگهداری سیال حفاری مورد استفاده برای حفاری است. سیالات حفاری ارتباط مستقیم با مشکلات حفاری دارند. اگر سیالات حفاری دارای خواص مورد نظر نباشند، نباید آنها را مورد استفاده قرار داد. کارکرد سیستم گل حفاری در موفقیت عملیات حفاری سهم بسزائی دارد چرا که می‏توان آنرا بعنوان مثالی مشابه دستگاه گردش خون در بدن انسان دانست که وظایف محوله به این سیستم در حفاری به همان مهمی وظایف سیستم گردش خون و خود خون در تداوم حیات انسان است.

1-3  وظایف گل 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 تواناییها و ویژگی‏ها باشد: (1) تمیزکردن ته چاه و انتقال کنده‏های حفاری به سطح زمین؛        (2) خنک کردن مته و لوله‏های حفاری؛ (3) روان کردن مته و لوله‏های حفاری؛ (4) اندود کردن دیواره چاه و جلوگیری از ریزش چاه؛ (5) کنترل فشارهای زیر زمینی؛ (6) معلق نگه داشتن کنده‏ها و مواد وزن افزا به هنگام قطع جریان گل حفاری؛ (7) ترخیص شن و کنده‏های حفاری بر روی الکهای لرزان و سایر تجهیزات جدا کننده؛ (8) تحمل قسمتی از وزن لوله‏های حفاری و لوله‏های جداری؛ (9) به حداقل رسانیدن ضایعات و آسیب‏ها به سازنده‏های مجاور چاه و    (10) انتقال توان هیدرولیکی پمپ‏های گل به مته و بحرکت در آوردن تیغه‏های متحرک مته.

البته این وظایف گل در عملیات حفر چاه است. در برخی عملیاتهای جانبی حفر چاه بطور مثال سیمانکاری لوله‏های جداری، پکرگذاری، توپک‏رانی، کشیدن چاه، تعمیر چاه و علاوه بر این وظایف، وظایف خاص مورد نیاز دیگری نیز به عهده گل حفاری خواهد بود. حال برای اینکه بهتر با وظایف و دلایل استفاده از گل حفاری آشنا شویم هر یک از ده مورد بالا را به تفضیل مورد بحث و مطالعه قرار می‏دهیم:

1-1-3 تمیزکردن ته چاه و انتقال کنده‏های حفاری

تمیزکردن ته چاه از کنده‏های حفاری هنوز هم یکی از مهمترین وظایف گلهای حفاری بشمار می‏آید. گل وقتی که از جهت‏های مته بیرون می‏آید بواسطه فوران شدیدی که دارد، سبب تمیز شدن ته چاه و لبه‏های مته شده و به این ترتیب هم طول عمر مته بیشتر می‎‏شود و هم سرعت و بازدهی حفاری را افزایش می‏دهد. گل همچنانکه در فضای حلقوی بالا می‏رود، کنده‏های حفاری را با خود حمل کرده و آنها را از ته چاه به سطح زمین می‏رساند. کنده‏ها همزمان که به سوی سطح زمین در حرکت هستند تحت تأثیر نیروی جاذبة زمین نیز هستند و به همین دلیل پیوسته تمایل به سقوط و بازگشت مجدد به ته چاه را دارند. اگر سرعت صعود گل در فضای حلقوی بیش از سرعت سقوط کنده‏ها باشد، در این صورت می‏توان انتظار داشت که کنده‏ها به سطح زمین برسند.

سرعت سقوط کنده‏ها و ذرات جامد گل از یک سو بستگی به شکل هندسی و وزن مخصوص

آنها و از سوی دیگر بستگی به گرانروی، خاصیت جنبش مولکولی، وزن و سرعت گل در فضای حلقوی دارد. توانایی گل در تمیز نگاهداشتن ته چاه و انتقال کنده‏های حفاری به سطح زمین بستگی بعوامل متعددی دارد. مهمترین عوامل مؤثر در انتقال کنده‏هابه سطح زمین، سرعت گل در فضای حلقوی، وزن گل و گرانروی گل است.

 

2-1-3 خنک کردن مته و لوله‏های حفاری

در محل مته و نیز در نقاطی از چاه که لوله حفاری با سازند تماس دارد، در اثر نیروی اصطکاک گرمائی فوق‏العاده زیادی تولید می‏شود، اگر این گرما سریعاً منتقل نشود مته می‏سوزد و لوله‏های حفاری در محل تماسشان با سازندها در اثر فرسایش شدید سوراخ می‏شوند. چون سازند نمی‏تواند اینهمه انرژی گرمایی را انتقال دهد. این وظیفه را گل به عهده دارد. گل همینطور که در چاه گردش می‏کند، حرارت‏های تولید شده در نقاط اصطکاک را جذب فاز مایع یا گاز خود می‏کند و وقتی که به سطح زمین می‏رسد، آنها را در هوا رها می‏کند. به این ترتیب خود دوباره سرد شده و آماده رفتن بداخل چاه می‏شود.

 

3-1-3 روان کردن مته و لوله‏های حفاری

گل حفاری تا اندازه‏ بالایی باعث روان شدن مته و لوله‏های حفاری در چاه نیز می‏شود. رسی که در بیشتر گلهای حفاری پایه آبی مصرف می‏شود علاوه بر سایر وظایف خود بعنوان یک روان کننده نیز عمل می‏کند. آغشتن گل حفاری به نفت یا مواد روان کننده دیگر، خاصیت روان کنندگی آن را افزایش می‏دهد و سبب کاهش گشتاور پیچشی روی مته و لوله حفاری می‏شود. با این همه اگر وزن روی مته بیش از اندازه زیاد باشد حتی بهترین گل حفاری آغشته به نفت هم نمی‏توانند جلوی فرسایش و خراب شدن یاتاقانهای مته را بگیرند. در چنین شرایطی کاربرد روان کننده‏های فشار قوی می‏تواند در رفع مشکل مؤثر باشد.

4-1-3                اندود کردن دیواره چاه و جلوگیری از ریزش آنیک گل حفاری خوب باید بتواند دیواره چاه را حتی اگر بافتی سست و نامنسجم داشته باشد بوسیلة یک لایه نازک و غیرقابل نفوذ طوری اندود کند که هم جلوی هرز رفتن گل و صافاب آن بداخل سازند را بگیرد و هم به پایداری و تحکیم سنگهای سازنده دیواره چاه کمک کند و مانع ریزش آنها به داخل چاه گردد. افزودن بنتونایت و درمان شیمیایی گل به منظور ایجاد محیطی یکنواخت از ذرات

 جامد و پرهیز از کلوخه‏ای شدن این ذرات. بخش کلوئیدی گل را تقویت کرده و توانائی گل را در نشاندن اندودی غیرقابل نفوذ بر دیواره چاه را بالا می‏برد. گاه لازم است که گل را بوسیله مواد کنترل کننده صافاب گل درمان کرد تا کیفیت اندود از نظر نفوذ ناپذیری بهبود پیدا کند و صافاب گل کاهش یابد.

 

5-1-3 کنترل فشارهای زیر زمینی

در حین حفاری ممکن است با سازندهایی روبرو شویم که محتوی آب، نفت یا گاز با فشار بسیار زیاد باشد. کنترل این فشارهای زیر زمینی به عهده گل حفاری است. یکی از خواص فیزیکی گل ایجاد فشار ستون سیال در چاه است. مقدار این فشار بستگی به وزن گل و عمق چاه دارد. با تنظیم مناسب وزن گل بوسیلة تنظیم مناسب وزن گل بوسیلة مواد وزن‏افزا، می‏توان مقدار فشار ستون سیال را طوری تنظیم کرد که درست مساوی فشار سازند باشد و بتوان آنرا کنترل کرد. اختلاف فشار گل و سازند را اختلاف فشار می‏گویند. بدیهی است که اگر این اختلاف فشار مثبت باشد یعنی اگر فشار هیدرواستاتیک از فشار سازند بیشتر باشد، خطر شکستن دیواره چاه و بدنبال آن گم شدن گل در سازند وجود دارد و چنانچه اختلاف فشار منفی باشد یعنی فشار هایدرواستاتیک از فشار سازند کمتر باشد، خطر جریان یافتن چاه و احتمال فوران آن پیش می‏آید.

قابل ذکر است که شیب فشار طبیعی برابر است با 465/0 پی‏اس‏آی بر فوت و این برابر با فشار یک ستون سازند آب به بلندی یک فوت است.

 

 

6-1-3 معلق نگه داشتن کنده‏ها و مواد وزن‏افزای گل به هنگام خاموشی پمپ‏ها

در حین عملیات حفاری گاهی ممکن است بعللی ناچار شویم که پمپ‏های گل را خاموش کرده و عملیات را متوقف کنیم. زمان این توقف بسته به دلیل آن ممکن است چند دقیقه باشد و یا چند ساعت و حتی چند روز باشد. بهر حال در عرض این توقف که گل از گردش باز ایستاده است، کنده‏ها و ذرات جامد موجود در آن می‏توانند در چاه ته نشین شده و مته و بخش بزرگی از لوله‏های حفاری را در زیر خود مدفون سازد و ادامه حفاری را غیرممکن یا دست کم بسیار مشکل سازد. لیکن اگر گل به اندازه کافی وزن و گرانروی و بندش مولکولی و نیروی استحکام ژلاتینی داشته باشد، آنگاه می‏توان انتظار داشت که گل در تمام طول مدت سکون، شن و سایر ذرات جامد حفاری شده را در خود معلق نگه داشته و هر یک رادر محل خود قفل کرده و تا گردش مجدد، مانع ته نشین شدن آنها شود.

7-1-3 ترخیص شن و کنده‏های حفاری روی الک لرزان

یک گل حفاری خوب باید به گونه‏ای باشد که وقتی از چاه بیرون می‏آید و روی تورهای لرزان ریخته می‏شود، کنده‏های حفاری و شن‏ها بتوانند براحتی از آن جدا شوند تا مجدداً بداخل چاه باز نگردد.

 

ترخیص شن روی توریهای لرزان حائز اهمیت بسیار است. زیرا شن فوق‏العاده فرساینده است و اگر از محیط گل خارج نشود و مجدداً وارد پمپها بشود، سبب فرسودگی شدید و سریع قطعات آنها و اتصالات لوله‏ها می‏گردد. درصد شن در گل حفاری را سند کونتنت گویند و بویژه در هنگام حفاری سازندهای شنی باید پیوسته اندازه‏گیری شود و این درصد هرگز نباید از دو درصد تجاوز کند.

8-1-3 تحمل بخشی از وزن لوله‏های حفاری و لوله‏های جداری

هر چه حفاری عمیق‏تر شود، وزن لوله‏های حفاری و لوله‏های جداری که باید در چاه وارد شوند بیشتر شده و فشار وارد بر دستگاههای نگهدارنده آنها در روی دکل نیز افزایش پیدا می‏کند. از آنجا که لوله‏ها در چاه ناچار در دکل قرار خواهند گرفت پس تحت تأثیر خاصیت شناورسازی گل یعنی بویانسی افکت، به اندازه وزن گل هم حجمشان از وزن آنها کاسته خواهد شد. این کاهش وزن لوله‏ها که توسط گل تحمل می‏شود به نفع جرثقیل‏هایی است که در روی دکل، لوله‏ها را آویزان نگه داشته است. بدیهی است که هر چه وزن گل زیادتر شود لوله‏ها سبک‏تر می‏شود یا بعبارت دیگر وزن ظاهری آنها کمتر می‏شود.

9-1-3 به حداقل رسانیدن ضایعات وارد بر سازند‏های مجاور چاه

به منظور حفاظت از سازندها، تثبیت کلیه خواص گل حفاری در سطحی مطلوب، یک ضرورت است. با این همه گاه باید خواص گل را فدا کرد تا در عوض اطلاعات کافی پیرامون سازند حفاری شده بدست آورد. به عنوان مثال، نمک اگر چه گل را منقلب کرده و صافات یا فیلترید آن را افزایش می‏دهد لیکن اگر قرار است در چاه نمودار الکتریکی گرفته شود، برای دریافت نتایج صحیح از این دستگاه باید مقاومت گل را کنترل کرد و این امر با افزودن نمک به گل میسر است.

همچنین افزودن نفت به گل اگر چه کارآیی و ضریب تولید چاه را بهتر می‏کند، لیکن همین نفت، در کار زمین شناسی اختلال ایجاد می‏کند و باید از مصرف آن در گل حفاری خودداری و صرفه نظر کرد.

10-1-3 انتقال توان هیدرولیک پمپ‏ها به مته

گل حفاری محیط پیوسته‏ای است که توان تولید شده در پمپ‏ها را به نوک مته منتقل می‏کند و ضمن این کار، بخشی از این توان را بصورت حرارت در قسمتهای مختلف مسیر حرکت خود از دست می‏دهد. بنابراین، همة توان تولید شده در پمپ‏ها به سر مته نمی‏رسد. بلکه فقط قسمتی از آن بنام توان مفید به مته می‏رسد و در آنجا مصرف می‏شود. در هنگام برنامه‏ریزی برای تهیه یک گل حفاری به هیدرولیک آن باید توجه کافی نمود. این به این معنی است که سرعت گردش گل و خواص فیزیکی آن و همچنین نوع ذرات جامد معلق در گل و درصد آنها را طوری باید در نظر گرفت که از کل توان پمپ‏ها فقط اندکی بصورت گرما تلف شودو بیشتر آن در مته و برای تمیز کردن ته چاه مصرف شود


نویسنده : مهندسین توانمند دانشگاه آزاد علوم وتحقیقات ساعت ٢:۳٤ ‎ب.ظ تاریخ چهارشنبه ۸ آبان ،۱۳۸٧



JavaScript Codes JavaScript Codes JavaScript Codes