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

2-1 انواع گل های حفاری


2-1-1 گل هاي روغني ( اساس تركيبات نفتي ) :
 تركيب اصلي اينگونه گل هاي حفاري را هيدروكربن هاي نفتي تشكيل مي دهد مخصوصا آنهايي كه از نقطه اشتعال بالايي دارند كه در آن ذرات جامد بصورت معلق است . اين گل ها بيشتر براي ماسه سنگ ها مورد استفاده قرار مي گيرند زيرا موجب خسارت كمتري به ماسه سنگ مي گردد . در حفاري داخل شيل ها نيز درصورتي كه به دليل فشار هيدروستاتيكي زياد در داخل آن حفره ايجاد شود از اين نوع گل به دليل وزن مخصوص كمتر استفاده مي شود .


2-1-2    گل هاي امولسيوني پايه آبي :
 در اين كونه گل هاي حفاري معمولا هيدروكربن هاي نفتي به صورت قطره به درون آب پخش و اضافه مي گردد كه مقدار آن به طور معمول 10 تا 15 درصد حجم گل حفاري را تشكيل داده و در صورت لزوم اين مقدار به 50 درصد نيز مي رسد . اضافه كردن هيدروكربن هاي نفتي ( بويژه گازوئيل ) موجب افزايش خاصيت جلادهندگي گل حفاري مي شود . رس و ذرات جامد ديگر مي توانند به اين گونه گل ها اضافه شوند . اساس اين گل ها را آب نمك يا آب خالص مي تواند تشكيل دهد . وجود روغن باعث شفافيت و جلا دادن سرمته ، وزنه اضافي و لوله حفاري مي شود و بدين طريق موجب كاهش چسبندگي ذرات حفاري به دندان هاي مته و رشته لوله حفاري مي شود مخصوصا در سيستم حفاري چرخشي لوله حفاري سريعتر مي چرخد و در مجموع سرعت چال زني با اينگونه گل حفاري افزايش مي يابد .


2-1-3     گل هاي امولسيوني تركيبات پايه نفتي :
تركيب اصلي اين گل ها را هيدروكربن هاي نفتي تشكيل مي دهد كه آب به مقدار كم به آن اضافه مي شود . اين گونه گل ها براي سنگ نمك و انيدريد بسيار مناسب مي باشند . تركيب دو سيال حفاري در مواردي به كار برده مي شود كه از هواي فشرده جهت كاهش دادن فشار هيدروستاتيكي سيال استفاده شود . در اين شرايط نه تنها به هدر رفتن سيال حفاري كاهش مي يابد بلكه سرعت چال زني نيز افزايش مي يابد .


2-1-4    گل هاي رسي :
ذرات كلوئيدي عمدتا از جنس رس مي باشند . رس ها انواع متعددي دارند . بعضي از رس ها مي توانند سيالات حفاري را متورم و سفت و غليظ كنند حال آنكه بعضي ديگر به سرمته و لوله هاي حفاري مي چسبند . هر دو نوع از رس هاي مذكور از سرعت حفاري مي كاهند و يا به گونه اي عمليات حفاري را پيچيده مي كنند بنابراين تعيين وانتخاب يك رس متورم كننده يا غليظ كننده و يا تركيبي از هر دو مهم است .
 
2-2 وظایف گل حفاری

گل حفاري ده وظيفه را يكجا انجام مي دهد :
1-    تميز كردن ته چاه و انتقال قطعات حفر شده از ته چاه به سطح زمين
2-     خنك كاري مته و لوله هاي حفاري كه موجب افزايش كيفيت و عمر سرمته مي شود .
3-     روان كردن مته لوله هاي حفاري و شفافيت و جلا دادن به رشته لوله هاي حفاري كه باعث تسريع در انتقال آن ها مي شود .
4-     اندود كردن ديواره چاه وجلوگيري از ريزش
5-     كنترل فشارهاي زمين
6-     معلق نگه داشتن كنده ها و مواد وزن افزاي گل به هنگام خاموشي پمپ
7-     ترخيص شن و كنده هاي حفاري در روي الك لرزان
8-     تحمل بخشي از لوله هاي حفاري و لوله هاي جداري
9-     به حداقل رسانيدن ضايعات وارد بر سازندهاي مجاور چاه و ارائه حداكثر اطلاعات پيرامون آنها
10-     انتقال توان هيدروليك پمپها به مته



2-2-1    تميز كردن چاه :

 هنگاميكه گل حفاري از نازل هاي مته با فشاري زياد وارد چاه مي شود باعث تميز كردن و حمل كردن تمامي كنده ها مي شود گل حفاري حاوي قطعات و ذرات حفر شده و خرد شده بعد از صاف شدن مجددا قابل استفاده خواهد بود . در هنگام بالا آمدن كنديات نيروي جاذبه بر آنها تاثير مي گذارد و در نتيجه عاملي براي سقوط آنها مي شود . در اين حالت بايد سرعت صعودي گل از سرعت سقوط ذرات بيشتر باشد تا بتوان انتظار رسيدن كنديات را به سطح زمين داشت .
slip velocity يا سرعت سقوط ذرات بستگي به شكل هندسي و وزن مخصوص آنها از يك سو و از سوي ديگر به گرانروي تيكسوتراپي وزن و سرعت گل در آنالوس دارد . توانايي گل در تميز نگه داشتن ته چاه و انتقال كنده هاي حفاري به سطح زمين بستگي به عوامل متعددي دارد . بهترين اين عوامل عبارتند از :
سرعت گل در آنالوس ، وزن گل و گرانروي آن ، سرعت گل در قسمتهاي مختلف آنالوس به نوبه خود بستگي به ظرفيت پمپهاي گل و سرعت آنها و نيز به اندازه قطر پايپ و drill collar و نيز چاه دارد .معمولا اين متغيرها را طوري تنظيم مي كنند كه سرعت گل را در آنالوس بين 100 تا 200 فوت در دقيقه شود .


هر چقدر وزن گل زياد باشد يعني مقدار ذرات جامد در گل زياد باشد ظرفيت حمل گل افزايش مي يابد زيرا طبق قانون اجسام شناور و غوطه ور هرگاه جسمي درون سيالي غوطه ور باسد از طرف سيال نيرويي رو به بالا يعني خلاف جهت جاذبه به جسم وارد مي شود كه بزرگي اين نيرو بسته به وزن مخصوص جسم و شكل هندسي آن و نيز وزن مخصوص سيال دارد. ( نيروي بويانسي )
گرانروي نيز روي حمل كنديات به سطح زمين توسط گل تاثير دارد هر چه ميزان اين گرانروي زياد باشد توانايي آن براي حمل ذرات بيشتر است .دوران لوله حفاري نيز روي توانايي گل در انتقال كنده ها اثر مي گذارد .
با توجه به‌اينكه گرانروي تابعي از درجه حرارت و فشار مي‌باشد، بنابراين براي‌بررسي حمل كنده‌هاي حفاري به سطح زمين بايد توزيع درجه حرارت و گراديان‌فشار در مسير حركت گل تعيين شود. و براي نوشتن معادلات مربوط به تعيين‌فشار و درجه حرارت ، دانستن معادله حركت گل حفاري الزامي مي‌باشد. باتوجه به خصوصيات فيزيكي گل، معادله حركت بينگهام كه تطابق خوبي با گل‌حفاري دارد، به عنوان معادله حركت گل حفاري انتخاب شده است . براي‌تعيين گراديان فشار ابتدا افت فشار گل در مسير حركت تعيين شده است وسپس با در نظر گرفتن فشار حاصل از پمپ و فشار ئيدرواستاتيك گراديان ‌فشار در طول مسير محاسبه شده است .



 براي تعيين توزيع درجه حرارت ،ضرايب انتقال حرارت بين مسير رفت و برگشت و همچنين بين مسير برگشت‌و زمين با استفاده از معادلات تجربي تعيين شده است و سپس با استفاده‌از نوشتن معادلات موازنه انرژي در مسير حركت گل حفاري، توزيع درجه‌حرارت در مسير بدست آورده شده است . با مشخص شدن مقادير فشار و درجه‌حرارت در طول مسير، مقدار گرانروي بصورت تابعي از عمق مشخص شده‌است . سپس با تعيين نيروهاي وارد بر كنده‌هاي حفاري معلق در گل، سرعت‌سقوط يا صعود كنده‌ها تعيين مي شود .


2-2-2  خنک کاری :

در اثر چرخش مته ها تماس آن با سازند يا لوله هاي جداري باعث افزايش حرارت در مته ها و لوله هاي حفاري مي شود كه اين مسئله اگر كنترل نشود ، از آنجائيكه سازندهايي توانايي انتقال حرارت را در اين حد را از خود ندارند باعث مي شود كه مته بسوزد و نيز دز برخي موارد باعث سوراخ شدن لوله هاي حفاري نيز مي شود .
گرمايي كه در اثر اصطكاك سر مته و رشته لوله هاي حفاري با سنگ ايجاد مي شود توسط سيال حقفاري جذب مي گردد . مقدار جذب آن به حجم سيال حفاري كه به درون چال به جريان مي افتد و به گرماي ويژه آن بستگي دارد . قصور در جلا دادن مته و بالاخص لوله حفاري موجب نياز به افزايش انرژي جهت انتقال لوله هاي حفاري و ايجاد انرژي لازم در سرمته مي شود كه اين افزايش غير عادي باعث كاهش عمر سرمته مي شود . هر چند آزمايش و معيار مشخصي جهت اندازه گيري خاصيت جلادهندگي سيالات حفاري وجود ندارد اما استفاده از گازوئيل و به طوركلي هيدروكربن هاي نفتي موجب افزايش خاصيت جلادهندگي سيال حفاري مي شود لذا در شرايطي از حفاري كه جلا دادن مته ضروري است بايد به تركيب گل روغن اضافه نمود يا از گل هاي روغني استفاده كرد .  

2-2-3  روان کردن :

گلهاي حفاري نيز تا حدودي به روان كردن مته اثر مي گذارند و رسي كه در گلهاي حفاري مورد استفاده قرار مي گيرد علاوه بر ديگر خواصشان داراي خاصيت روان كنندگي نيز هستند در حاليكه فشار وزن اضافي بر روي مته ها زياد باشد حتي اين مواد نمي توانند از فرسايش ياتاقان هاي مته جلوگيري كنند در اين حالت كاربرد روان كننده هاي فشار قوي مي توانند در حل مشكل موثر باشند .
همچنين جلوگيري از فرسايش يا خوردگي رشته لوله هاي حفاري از ديگر كارهاي گل حفاري است كه اين كار با اضافه كردن هيدروكربن هاي نفتي و يا تركيبات شيميائي همچون كرومات يا دي كرومات سديم به گل حفاري امكان پذير مي باشد .


2-2-4  پر کردن منافذ :

پر كردن منافذ ريز ديواره چال با ذرات جامد يا كلوئيدي گل حفاري موجب جلوگيري از به هدر رفتن آب گل حفاري مي شود . چنانچه منافذ ريز و يا شكاف ديواره چال بيش از اندازه بزرگ باشد به نحوي كه ذرات جامد گل حفاري قادر به اشغال يا پركردن آن نباشد در اينصورت نه تنها آب بلكه مقداري گل حفاري نيز به هدر مي رود . انتخاب گل حفاري به نوع ماشين و شرايط حفاري بستگي دارد ضمن آنكه به همانند ساير مسائل مربوط به مهندسي فاكتور اقتصادي مي تواند از عوامل تعيين كننده باشد . گل حفاري در سرعت حفاري روي طبقات مجاور و رشته لوله حفاري تاثير مي گذارد . جلوگيري از فرسايش يا خورندگيرشته لوله حفاري از ديگر عواملي است كه بايد با گل حفاري انجام شود كه معمولا اين كار با اضافه كردن هيدروكربنهاي نفتي و يا تركيبات شيميائي همچون كرومات يا دي كرومات سديم به گل حفاري امكانپذير است .

2-2-5  کنترل فشار :

يكي ديگر از وظايف گل كنترل فشارهاي طبيعي سازندها مي باشد زيرا كه در حين حفاري با سازندهايي برخورد مي كنيم كه احتمال وجود آب يا نفت يا گاز در آنها مي باشد در نتيجه با انتخاب وزن گل مناسب بايد در برابر اين فشار ايستادگي كنيم . اگر فشار هيدروستاتيك از فشار سازند بيشتر باشد باعث خرد شدن ديواره و نفوذ گل مي شود و اگر فشار سازند از فشار هيدروستاتيك بيشتر باشد باعث ايجاد فوران در چاه مي شود . فشاري كه گل حفاري در ته چاه ايجاد مي كند برابر است با حاصل ضرب وزن مخصوص گل در ضخامت يا ارتفاعي از چاه كه توسط گل اشغال شده است .
گل حفاري توسط فشار هيدروستاتيكي كه از رابطه زير بدست مي آيد طبقات زيرين را كنترل مي كند و از ورود آن به داخل چاه جلوگيري مي كند .

2-2-6  معلق نگه داشتن

در حين عمليات حفاري ممكن است به دلايل مختلف عمليات متوقف شود و پمپ ها خاموش شوند در نتيجه كنديات حفاري مجددا به ته چاه سقوط كرده و باعث مدفون شدن مته مي شوند كه ديگر ادامه عمليات را ناممكن مي سازد . براي رفع چنين اشكالي بايد وزن گل ، گرانروي و نيز خاصيت تيكسوتراپي يا ژله اي شدن را داشته باشد تا بتواند در زماني كه گردش آن متوقف مي شود اين ذرات را به صورت معلق در خود نگه دارد . زماني كه پمپ ها مجددا شروع به كار كردند گل اين خاصيت خود را از دست مي دهد و به حالت اول باز مي گردد . خاصيت ژله اي گل نتيجه جاذبه بين ذرات كلوئيدي گل مي باشد . اگر گل حفاري فاقد خاصيت ژله اي باشد به هنگام توقف عمليات حفاري ذرات در حال صعود به سطح زمين در فضاي آنالوس به سوي قعر چاه و بر روي سر مته و وزن اضافي سقوط و اصابت خواهند كرد و موجب چسبندگي و گير كردن لوله هاي حفاري مي شوند كه خود باعث افزايش هزينه برطرف نمودن مشكل فوق مي گردد . در سنگ هاي سخت به دليل كاهش سرعت چالزني مقدار كمي ذرات حفاري در داخل چاه باقي خواهد ماند لذا خاصيت ژله اي گل حفاري از اهميت كمتري برخوردار است . از جمله خواص موثر در خاصيت ژله اي گل حفاري گرانروي و چگالي ميباشند . 

2-2-7  ترخیص شن و کنده های حفاری

يك گل حفاري خوب بايد به گونه اي باشد كه وقتي از چاه بيرون مي ريزد و روي توري هاي لرزان مي ريزد بايد كنده هاي حفاري و شن ها بتوانند به راحتي از آن جدا شوند تا مجددا به داخل چاه بر نگردند . زيرا كه شن ها خاصيت فرسايندگي بسيار دارند و باعث فرسايش قطعات پمپ ها و اتصالات لوله ها مي شود . همواره درصد شن گل را به ويژه در حين حفاري سازند هاي شني بايد اندازه گرفت .


2-2-8  تحمل وزن لوله های حفاری و جداری

هنگام حفاري هر جه قدر عمر چاه بيشتر مي شود در نتيجه وزن لوله هاي حفاري و جداري افزايش مي يابد كه باعث ايجاد فشاري زياد بر روي نگهدارنده آن ها بر روي دكل مي شود . اين لوله ها به ناچار وقتي داخل چاه قرار مي گيرند درون گل نيز وارد مي شوند و در نتيجه در اثر نيروي شناوري گل به اندازه وزن گل هم حجمشان از وزن آن ها كاسته خواهد شد . در نتيجه هر چه وزن گل را افزايش دهيم باعث كاهش وزن اين رشته لوله ها مي شود كه به نفع جرثقيل هاي روي دكل است .


2-2-9  دریافت اطلاعات

در برخي موارد براي به دست آوردن اطلاعاتي بيشتر در مورد سازندهايي كه حفاري در آن انجام شده باشد بايد از موادي استفاده كنيم كه اطلاعاتي بهتر به ما ارائه دهد هر چند كه باعث از بين بردن برخي خواص گل مي شود . به عنوان مثال اضافه كردن نمك به گل باعث افزايش fluid loss آن مي شود ليكن اگر قرار است ابزار مقاومت مخصوصي را در چاه برانيم براي دريافت اطلاعاتي صحيح از اين ابزار بايستي مقاومت گل را كنترل كنيم كه اين امر با افزودن نمك به گل ميسر مي شود .




2-2-10  انتقال توان هیدرولیک پمپ ها به مته

گل حفاري در حين گردش توان توليد شده در پمپ را به نوك مته منتقل مي كند و در حين اين كار بخشي از توان را در حين حركت به صورت گرما از دست مي دهد . بنابراين تمام توان توليد شده توسط پمپ ها به نوك مته انتقال نمي يابد . براي انتخاب يك گل حفاري خوب بايد به اين نكته توجه كرد كه سرعت گردش گل و و خواص فيزيكي آن و همچنين نوع ذرات جامد معلق در گل و درصد آن ها را طوري بايد تعيين كرد كه از كل توان پمپ ها فقط اندكي به صورت گرما تلف شود و بيشتر آن ها در مته و براي تميز كردن ته چاه مصرف شود .