آشنایی با سیالات حفاری

آشنایی با سیالات حفاری

سیالات حفاری مخلوطی از ترکیبات شیمیایی و طبیعی هستند که جهت روان سازی و خنک کردن مته حفاری، پاک سازی چاه حفر شده، کنترل فشار و بهبود عملکرد رشته حفاری و ابزار در حفره چاه می شوند.گل‌های حفاری گروه ویژه‌ای از سیالات حفاری هستند که اغلب برای حفر چاه‌های عمیق استفاده می‌شوند. عبارت گل به غلظت زیاد سیال پس از افزودن مواد مناسب به مایع پایه آبی یا پایه نفتی اشاره دارد. عملکردها‌ی زیادی برای سیال حفاری در نظر گرفته شده است. از نظر تاریخی، اولین هدف برای سیال حفاری، استفاده از آن به عنوان ماشین برای انتقال ذرات حاصل از برش به سر چاه است؛ اما امروزه کاربردهای متنوع و متفاوتی برای آن متصور است.
وظایف اصلی گل حفاری عبارتند از:
الف) تمیزکاری ته چاه و انتقال کنده‌ها‌ی حاصل از برش به سطح و امکان جداسازی آن‌ها در سطح
ب) کاهش اصطکاک بین رشته حفاری و دیواره‌های چاه و خنک‌سازی و روان‌کاری رشته حفاری و مته حفاری
ج) حفظ پایداری بخش‌های بدون پوشش دهانه چاه
د) جلوگیری از ریزش درونی(Inflow) سیالات مخزن، نفت، گاز، یا آب از صخره‌های نفوذپذیر حفرشده
ه) تشکیل اندود گل[3] نازک با نفوذپذیری پایین به منظور بستن حفرات و سوراخ‌ها در سازندی که مته به آن نفوذ کرده است.
و) حمایت و حفاظت از دیواره‌های چاه
ز) جلوگیری از آسیب در سازند تولیدی
ح) جلوگیری از خوردگی لوله حفاری
ط) کسب داده در مورد سازندی که تحت عمل حفاری قرار گرفته است
ی) تعلیق کنده‌های حفاری در هنگام توقف حفاری
ک) کنترل فشار زیرسطحی
ل) تحمل وزن رشته و تجهیزات حفاری
گل حفاری سیالی است که از آب و خاک رس تشکیل شده و برای حمل و انتقال مواد حفر شده در سیستم‌های حفاری، به سطح زمین از آن استفاده می‌گردد. همچنین از آن برای روان سازی و خنک کردن مته ی حفاری، پاک سازی چاه های حفر شده، کنترل فشار و بهبود عملکرد سیمان حفاری و بالابردن کارایی ابزار در حفره چاه استفاده می کنند. گل حفاری نوع خاصی از سیالات حفاری است که برای حفر چاه های عمیق استفاده می شود. اصطلاح گل به دلیل غلظت بالای فرمولاسیون به کار می رود.
خواص گل حفاری
خواص گل حفاری شامل وزن و دانسیته، خواص رئولوژیکی، فیلتراسیون و حالت مایع گل و حجم pH می باشد.
انواع گل حفاری
سیالات حفاری به دو دسته عمده تقسیم می شوند. نوع پایه سیال بستگی به ملزومات حفاری دارد. گل حفاری به دو دسته ی زیر تقسیم می شود:
گل حفاری پایه آب
گل حفاری پایه نفتی (روغنی)
گل حفاری پایه آب
گل های پایه آبی مرسوم شامل ویسکوزیفایرها، عوامل کنترل کاهش جریان سیال، عوامل وزنی، روانکارها، امولسیفایرها، ضد خوردگی ها، نمک ها و عوامل کنترل کننده pH می باشند. گل های پتاسیم گسترده ترین موارد مصرف را برای حفاری شیل های حساس به آب و سیستم های پایه آبی دارند. pH آن ها بین 7 تا 9.5 می باشد. این گل ها شامل دسته بندی زیر می باشند:
گل بومی
گل کلسیمی
گل های طبیعی (گل های قرمز، لیگنیت، لیگنو سولفونات)
گل پلیمری KCl (با درصد کم مواد جامد، شامل 3 تا 6 درصد جامدات)
گل مهاری: از هیدراسیون رس ها جلوگیری می کنند (مانند گل آهک، گل با نمک اشباع شده، گل های گچی، گل های آب دریا).
گل های بنتونیتی
گل های فسفات دار
گل های امولوسونی: روغن در آب یا اب در روغن (فاز معکوس با بیش از 5 درصد آب)
با توجه به زمان حال سیال حفاری باید حداقل ده نیاز را برآورده سازد تا بتوان آن را یک سیال مطلوب نام برد;
1) تمیز کردن چاه و انتقال کنده‌ها به سطح زمین.
2) خنک کردن مته و لوله‌های حفاری.
3) روان کردن مته و لوله‌های حفاری.
4) اندود کردن دیواره و جلوگیری از ریزش آن به درون چاه.
5) کنترل فشارهای زیر زمینی.
6) شناور نگه داشتن کنده‌های حفاری و مواد وزن افزای سیال به هنگام خاموشی پمپ‌ها.
7) ترخیص شن و کنده‌های حفاری روی الک لرزان.
8) تحمل بخشی از وزن لوله‌ها.
9) کاهش دادن ضایعات وارد بر سازند های مجاور و ارائه حداکثر اطلاعات پیرامون آنها.
10) انتقال توان هایدرولیک پمپ ها به مته.
اکنون به مختصر توضیحی در مورد این وظایف می پردازیم;

1. تمیز کردن چاه و انتقال کنده‌ها به سطح زمین:سیال حفاری وقتی که از نازل های مته بیرون می آید به واسطه فشار شدیدی که دارد سبب تمیزی کف چاه و لبه های مته شده، به این ترتیب طول عمر مته را بیشتر کرده و در عین حال سرعت و بازدهی حفاری را نیز افزایش می دهد. این فرایند به عوامل بسیاری بستگی دارد که می توانیم از سرعت سیال در فضای حلقوی ( Annulus ) وزن سیال ( Mud Weight ) و گرانروی ( Viscosity ) آن نام ببریم .
2. خنک کردن مته و لوله های حفاری:در محل مته و در نقاطی از چاه که لوله‌ها با سازند تماس دارند در اثر چرخش مته و لوله‌ها نیروی اصطکاک تولید گرمای فوق‌العاده زیادی می‌کند که اگر این گرما هرچه سریع تر منتقل نشود مته را می سوزاند و لوله های حفاری نیز در محل تماس شان با سازند بر اثر فرسایش سوراخ می‌شوند، بنابراین وظیفه سیال حفاری جذب نمودن این گرما و رها کردن آن در سطح است .
3. روان کردن مته و لوله های حفاری:سیال حفاری تا حدودی سبب روان شدن مته و لوله های حفاری در چاه نیز می شود رسی که در بیشتر سیالات پایه آبی به کار می رود خود به عنوان یک روان کننده (Lubricant ) عمل می کند .
4. اندود کردن دیواره و جلوگیری از ریزش آن به درون چاه:سیال حفاری باید بتواند دیواره چاه را حتی اگر سست و نا منسجم هم باشد به وسیله یک لایه نازک وغیر قابل نفوذ (Cake) اندود کند تا هم از هرزروی سیال و عصاره آن به درون سازند جلوگیری کند و هم به پایداری سنگ های سازند و دیواره چاه کمک کرده باشد و مانع ریزش آنها به درون چاه گردد .
5. کنترل فشارهای زیر زمینی :در حین حفاری ممکن است با سازندهایی که محتوی آب، نفت و یا گاز با فشار بسیار زیاد هستند روبرو شویم که کنترل این فشارها نیز از جمله وظایف سیال حفاری به شمار می آید .
6. شناور نگه داشتن کنده‌های حفاری و مواد وزن افزای سیال به هنگام خاموشی پمپ‌ها:اگر در حین عملیات حفاری مجبور به خاموشی پمپ ها شویم که ممکن است از چند دقیقه تا چندین روز هم به طول انجامد سیال حفاری باید بتواند کنده ها و مواد وزن افزای خود را شناور نگه دارد چرا که در غیر این صورت و با ته نشینی این مواد، مته و بخشی از لوله های حفاری نیز در زیر کنده ها و مواد جامد دفن شده و ادامه حفاری با مشکلات جدی همراه خواهد شد و چه بسی در برخی مواقع نیز ادامه کار غیر ممکن می باشد. اما اگر سیال ما از وزن، گرانروی و نیروی استحکام ژلاتینی مطلوبی برخوردار باشد با شناور نگه داشتن مواد جامد از ته نشینی آنها جلوگیری می نماید.
7. ترخیص شن و کنده های حفاری روی الک لرزان:سیال حفاری باید به گونه ای باشد که وقتی از چاه خارج می شود ، کنده های حفاری و شن ها بتوانند به راحتی از آن جدا شده و روی الک ارزان به بیرون از سیستم گردش سیال هدایت شوند و دوباره به داخل چاه بر نگردند ، اهمیت بسیار این عمل از آن جهت است که شن بسیار فرساینده بوده و بازگشت دوباره آن به سیستم و چاه موجب فرسایش شدید قطعات پمپ ها و اتصالات لوله های حفاری و دیگر ادوات خواهد شد .

8.تحمل بخشی از وزن لوله‌ها: با ادامه حفاری و عمیق تر شدن چاه ، وزن لوله های حفاری و ادواتی که وارد چاه می شوند نیز افزایش یافته و به همین نسبت دکل نیز باید وزن بیشتری را تحمل کند پس با توجه به قانون ارشمیدس به اندازه وزن سیال هم حجمشان از وزن لوله ها کاسته خواهد شد و این کاهش وزن لوله ها که توسط سیال حفاری تحمل می شود به نفع جرثقیل‌هایی ست که لوله‌ها را آویزان نگه می‌دارند، بدیهی ست که هر چه وزن سیال بیش‌تر باشد لوله‌ها نیز سبک تر خواهند شد و به عبارتی وزن ظاهری آنها کمتر خواهد شد.

9. کاهش دادن ضایعات وارد بر سازندهای مجاور و ارائه حداکثر اطلاعات پیرامون آنها:هر چند به منظور حفاظت از سازندها، تثبیت کلیه خواص سیال حفاری در سطحی مطلوب یک ضرورت است، با این همه گاهی باید شرایط و خواص سیال را فدا کرد تا در عوض اطلاعات کافی پیرامون سازند حفاری شده به دست بیاید. به عنوان مثال افزودن نفت به سیال کارآیی و ضریب تولید چاه را بهتر می کند اما اگر نفت در کار زمین شناس اختلال ایجاد کند باید از مصرف آن در سیال خودداری شود.
10. انتقال توان هایدرولیک پمپ ها به مته:هنگام برنامه ریزی یک سیال حفاری به هایدرولیک آن باید توجه کافی نمود، بدین معنی که سرعت گردش سیال حفاری و خواص فیزیکی آن و همچنین نوع ذرات جامد معلق در سیال و درصد آنها را به شکلی باید در نظر گرفت که از کل توان پمپ ها تنها اندکی به شکل گرما تلف شود و بیشتر آن در مته و برای تمیز کردن چاه مصرف شود.

مقاله آشنایی با سیالات حفاری توسط کارشناسان واحد تحقیق و توسعه مجموعه دانش ایرانیان شایسته جمع آوری گردیده است.