گل حفاری

گل حفاری (سیال حفاری) (Drilling fluid / Drilling mud)

حفاری چاه‌های نفت، گاز طبیعی و چاه‌های آب به تجهیزات و روش‌های پیشرفته نیاز دارد. سیال حفاری و گل حفاری از اجزای ضروری این فرآیند هستند.  اصطلاح گل حفاری (سیال حفاری) اغلب بجای یکدیگر نیز استفاده می‌شوند. غالبا، سیالاتی که بر پایه آب یا روغن هستند گل نامیده می‌شوند.

در مهندسی ژئوتکنیک، سیال حفاری که گل حفاری نیز نامیده می‌شود، شامل مخلوطی از ترکیبات طبیعی و سنتزی می‌باشد که برای انتقال و حمل مواد حفر شده در سیستم‌‌های حفاری به سطح زمین استفاده می‌شود.

مواد نفتی و مایعات از طریق چاه‌های حفاری شده ضایعات را  با خود به سمت بیرون چاه حمل می‌کنند. برخی از ضایعات ممکن است بزرگ و سنگین باشند و به سمت انتهای چاه انتقال پیدا کنند.

برای جلوگیری از این امر، از گل حفاری برای کمک به حفاری چاه‌های نفت و گاز استفاده می‌شود. افزودن گل حفاری منجر به افزایش غلظت مایعات شده و در این صورت آلودگی‌ها، امکان رفتن به انتهای چاه را ندارند.

 یکی از علت‌هایی که به جای آب، از گل حفاری استفاده می‌شود این است که خرده سنگ‌های حفاری شده وزن سنگینی دارند، گل حفاری با سرعت بالا این خرده سنگ‌ها را به سمت بالا می‌آورد. از طرفی گرانروی گل حفاری باید به حدی باشد که بتواند خرده سنگ‌ها را به آسانی و با سهولت از چاه خارج کند.

به این ترتیب خرده سنگ‌ها از چاه بیرون کشیده شده و به درون صافی مخصوص هدایت می‌شوند، خرده سنگ‌ها روی صافی باقی می‌مانند و گل در مخزنی جمع آوری می‌شود و از آن جا دوباره به داخل رشته حفاری پمپ می‌شود.

ستون گل حفاری با فشار بر دیواره چاه، مانع ریزش آن می‌شود. علاوه بر این منافذ چاه را کاملا پوشانده و می بندد.

این که مهندسان ژئوتکنیک از چه روشی استفاده کنند بسته به نوع مکان حفر شده (زمین شناسی منطقه)، ملزومات حفاری (نوع مته قابل استفاده) و کاربرد آن، سیالات حفاری مورد استفاده متفاوت می‌باشند. بسیاری از انواع سیالات حفاری به صورت روزانه مورد استفاده قرار می‌گیرند. بعضی از انواع آن‌ها نیز به صورت ترکیبی استفاده می‌شوند.

انواع گل حفاری (سیالات)

• هوا: هوای فشرده به داخل حفره‌های چاه (چاه‌های حلقوی) پمپ می‌شود

• ترکیب آب/هوا: از این ترکیب برای افزایش ویسکوزیته، شست و شوی بخش حفاری، خنک کردن مکان مورد نظر و کنترل گرد و غبار استفاده می‌شود

• هوا/پلیمر: یک ماده شیمیایی فرموله شده خاص که اغلب به عنوان نوعی پلیمر از آن یاد می‌شود، برای ایجاد شرایط خاص به مخلوط گل‌های حفاری آب /هوا اضافه می‌شود. یک عامل فوم کننده نمونه خوبی از یک پلیمر می‌باشد.

• آب: در بعضی مواقع فقط از آب استفاده می‌شود، در حفاری‌های دریایی معمولا از آّب دریا، در حین حفاری قسمت های بالایی چاه استفاده می‌شود.

• گل‌ها (سیالات) حفاری بر پایه آب (WBM) Water Base Mud

سیالات حفاری بر پایه آب، جزء رایج‌ترین سیستم‌های حفاری می‌باشند.

سیستم سیالات حفاری بر پایه آب، مقرون به صرفه‌تر از سیستم‌های حفاری بر پایه نفت/روغن می‌باشد، از طرفی نگهداری این سیستم‌ها نیز دشوارتر می‌باشد.

• غالب این سیستم‌ها معمولا از آب استفاده می‌کنند. سپس خاک رس و سایر مواد شیمیایی به آب اضافه می‌شوند تا یک ترکیب همگن، بسته به ویسکوزیته ایجاد کنند. خاک رس معمولاً ترکیبی از خاک رس های بومی است که در حین حفاری در سیال معلق هستند.
• گل‌ها (سیالات) حفاری پایه آب غالبا شامل بنتونیت، باریت (سولفات باریم) و کربنات کلسیم (گچ) یا هماتیت می‌باشند.
• رایج‌ترین خاک رس مصرفی،  بنتونیت است که اغلب به عنوان “ژل” شناخته می‌شود که در برابر جریان مقاومت کرده و مانع از ریزش دیوراه‌های چاه می‌شود. (بنتونیت مخلوطی از مواد معدنی مختلف رسی است که60 تا 80 درصد آن را مونت موریلونیت تشکیل می‌دهد).
• یکی از کاربردهای مهم و رایج بنتونیت در سیالات حفاری می‌باشد.
• بنتونیت موجود در سیال، ابزارهای برش را روان و خنک می‌کند و در عین حال از خوردگی نیز محافظت می‌کند. سیال حفاری با ایجاد فشار هیدرواستاتیکی مانع از نفوذ سیال و گاز می‌شود.
• بنتونیت بعد از متورم شدن، منبسط شده و به دلیل خواص کلوئیدی عالی آن، اغلب به عنوان گل حفاری در چاه‌های نفت و گاز برای تحقیقات ژئوتکنیکی و محیطی استفاده می‌شود. تغییرات سطحی مختلف در بنتونیت سدیم، مانند افزودن برخی پلیمرها، عملکرد رئولوژیکی یا آب بندی را در کاربردهای ژئومحیطی بهبود می‌بخشد.

سیستم سیالات حفاری بر پایه آب معمولا به صورت پراکنده (Dispersed system) یا غیر پراکنده (Non-dispersed system) می‌باشد.

گل حفاری (سیال حفاری) پراکنده

• در این سیستم‌ها، از  افزودن یک ماده پراکنده کننده شیمیایی برای جدا کردن ذرات جامد گل استفاده می‌کنند. بیشتر پراکنده کننده‌های شیمیایی مورد استفاده (مانند لیگنیت و لیگنوسولفونات) اسیدی هستند و به محیط قلیایی نیاز دارند تا در آن به درستی عمل کنند.
•  از بین همه گل‌های مبتنی بر آب، گل‌هایی با pH بالا (PH بیش از 5/9) بیشترین تحمل را در برابر مواد جامد و آلودگی دارند.
• از خاک رس (بنتونیت) به عنوان ویسکوزیفایر استفاده می‌شود و ظرفیت حمل مایع را بهبود می‌بخشد. از پراکنده کننده‌ها برای اجازه دادن به مقدار کافی خاک رس در سیستم، برای کنترل تلفات سیال استفاده می‌شود. از سود سوزآور (NaOH)  نیز برای کنترل pH استفاده می‌شود.

گل حفاری (سیال حفاری) پراکنده را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:

• گل‌های مبتنی بر کلسیم

سیستم‌های گلی مبتنی بر کلسیم مقدار مطلوبی از کلسیم را در فاز آب حفظ می‌کنند. غلظت کلسیم را می‌توان با استفاده از گچ (CaSO₄) یا آهک [Ca(OH)₂] متعادل کرد. این گل‌ها می‌توانند آلودگی سیمان را بهتر از مایعات پراکنده در آب شیرین تحمل کنند. با این حال، محدودیت حرارتی آن‌ها تا حدودی کاهش می‌یابد.

• گل‌های مبتنی بر آب دریا

هزینه این نوع سیستم کمی بیشتر از سیستم آب شیرین است.

گل حفاری (سیال حفاری) غیر پراکنده

• تفاوت اساسی بین گل‌های حفاری پراکنده و غیر پراکنده عدم وجود مواد پراکنده کننده است. گل‌های حفاری غیر پراکنده نیازی به PH بالا ندارند. همچنین به دلیل نداشتن ماده پراکنده کننده، تحمل کمتری نسبت به مواد جامد و آلودگی دارند.
• غالبا کنترل اتلاف سیال و ویسکوزیته از طریق پلیمرها حفظ می‌شود.
• بیشتر حالت خشک و جامد دارند و حدود 6 درصد آن‌ها را مواد جامد بر پایه آب مانند بنتونیت، پلیمر، امولسیفایر یا مواد پایه روغنی مانند آسفالت یا گازوئیل تشکیل می‌دهد.

گل حفاری (سیال حفاری) بر پایه روغن/نفت OBM (Oil Base Mud)

در این نوع گل حفاری، سیال پایه آن می‌تواند یک فرآورده نفتی مانند سوخت دیزل، روغن معدنی یا یکی از انواع جدید روغن‌های مصنوعی باشد. بهتر است از هیدروکربن‌های نفتی استفاده شود که نقطه اشتعال بالایی دارند.

گل‌های حفاری مبتنی بر روغن/نفت، به دلایل زیادی از جمله افزایش روان‌کنندگی، افزایش بازدارندگی شِیل‌ها (شوره زارهای رسی) و قابلیت‌های تمیز کنندگی بیشتر با ویسکوزیته کمتر (بدون افزایش غلظت) استفاد می‌شوند.

گل‌ها (سیالات) حفاری مبتنی بر روغن/نفت گرمای بیشتری را بدون شکستگی تحمل می‌کنند. (ظرفیت گرمایی بیشتری نسبت به بقیه گل‌های حفاری دارند).

از کاربردهای آن‌ها می‌توان به حفاری ماسه سنگ‌ها اشاره کرد. معمولا نسبت به بقیه روش‌ها هزینه بیشتری دارد ولی نتیجه بسیار مطلوب‌تری حاصل می‌کند.

سرعت حفاری مناسب و جلوگیری از ریزش طبقات، از مزایای این نوع گل حفاری می‌باشد.

گل حفاری (سیال حفاری) مبتنی بر گاز

برای حفاری در مناطقی که استفاده از سیالات حفاری معمولی امکان پذیر نیست از این نوع گل استفاده می‌شود. معمولا برای حفاری در مناطق تخلیه شده و مناطقی با فشار مخزن پایین کاربرد دارند.

این سیال، اساساً از گاز خشک مانند هوا، گاز طبیعی، دی اکسید کربن یا نیتروژن تشکیل شده است. از مهم‌ترین کاربرد این دسته از سیالات، می‌توان به استخراج گاز طبیعی اشاره کرد.

در هنگام استفاده از متان، باید این نکته را در نظر بگیریم که با توجه به تمایل واکنش گاز متان به ترکیب با هوا، امکان انفجار وجود دارد بنابراین، استفاده از این گاز محدود می‌باشد.گاز‌های نیتروژن و دی اکسید کربن در حال تحقیق و بررسی می‌باشند، البته نتایج کافی هنوز حاصل نشده است. هم اکنون بهترین گاز مورد استفاده هوا می‌باشد. از مزیت‌های آن می‌توان به ارزان و در دسترس بودن، سبک بودن، عدم آسیب به دیواره‌های چاه، نرخ نفوذ بالاتر و خاصیت تمیز کنندگی آن اشاره کرد.

از معایب استفاده از هوا می‌توان به چگالی پایین آن که منجر به عدم توانایی آن در حمل ذرات درشت حفاری می‌شود اشاره کرد. همچنین عدم کنترل فشار طبقات و عدم رفع مشکلات ناشی از شیل از معایب استفاده از هوا در حفاری می‌باشد. در نتیجه در حفاری‌های بزرگ اکتشافی و عمیق از آن استفاده نمی‌شود.

انواع گاز مورد استفاده به عنوان سیال

• گاز خشک (هوا- گاز طبیعی – گاز احتراق)
• کف (حباب‌های هوا توسط غشایی از آب و نوعی صابون احاطه می‌شوند)
• غبار (قطرات ریز آب یا گل توسط جریان هوا جابجا می‌شوند)
• گل‌ها (سیالات) حفاری سنتزی(Synthetic-based Mud SBM) (به عبارتی  به عنوان گل یا سیال بر پایه روغن با سمیت کم  Low Toxicity Oil Based Mud or LTOBM نیز شناخته می‌شوند)
• سیال پایه این گل حفاری مبتنی بر روغن سنتزی است. از این نوع سیال بیشتر در سکوهای دریایی استفاده می‌شود زیرا دارای خواص و ویژگی‌های گل پایه نفتی/روغنی است، اما سمیت دودهای سیال بسیار کمتر از سیالات  مبتنی بر نفت/روغن است.
• این امر برای زمانی که خدمه حفاری با سیال در یک فضای بسته مانند یک دکل حفاری دریایی کار می کنند بسیار ضروری است.
• گل‌ها (سیالات) حفاری سنتزی مشکلات زیست محیطی مشابهی را با سیال مبتنی بر روغن/نفت ایجاد می‌کنند.

کاربردهای گل حفاری

• حفاری چاه‌های نفت و گاز طبیعی
• حفاری چاه‌های آب
• دکل‌های حفاری اکتشافی   و…

مزایای گل حفاری (سیال حفاری)

• پاک سازی چاه‌های حفاری(خارج کردن مواد زائد در زمان حفر چاه و انتقال ضایعات به سطح زمین)
• بهبود عملکرد سیمان با کنترل فشار
• بهبود کارایی ابزار در حفره چاه (خنک کردن و روان سازی مته حفاری)
• جلوگیری از تخریب دیواره چاه با فراهم کردن فشار هیدرواستاتیک در زمان خروج سیالات
• تعلیق مواد زائد حفاری در زمان توقف عملیات حفاری و جایگزینی تجهیزات
• کنترل فشارهای زیرسطحی
• انتقال انرژی هیدرولیک به تجهیزات (مته حفاری)
• سنجش و ارزیابی دقیق حفاری
• کاهش تاثیرات زیست محیطی زیان آور
• به حداقل رساندن آسیب‌ها به سازندها
• دیواره سازی
• جلوگیری از خوردگی فلزات
• ایجاد حداقل برهم کنش بین گل و سازند‌های حفاری (حداقل تاثیر بر روی خواص مکانیکی سازند)

نکته: با افزایش فشار محتویات چاه، میزان غلظت گل حفاری نیز باید افزایش یابد تا با ایجاد تعادل، پایداری دیواره‌های چاه حفظ شود.

عدم تعادل در فشار محتویات چاه، منجر به ایجاد ضربه از سمت سیالات شده و باعث تخریب دیواره چاه می‌شود.

محاسبه فشار هیدرواستاتیک درون چاه

فشار هیدرواستاتیک = چگالی سیالات درون چاه * عمق عمودی حقیقی * فشار جاذبه

فشار هیدرواستاتیک، فشار ناشی از نیروهای وارده به دیواره چاه را کنترل می‌کند

برخی از انواع افزودنی‌های گل حفاری

افزودنی‌های تخصصی شامل مواد شوینده حفاری، مواد پخش‌کننده و مواد در گردش هستند که پس از افزودن پلیمرها اضافه می‌شوند.

علت اضافه کردن انواع افزودنی‌ها

-کنترل PH (جلوگیری از خوردگی لوله و تجهیزات حفاری)

– جلوگیری از ویسکوزیته گل

– پر کردن شکاف‌ها، ترک خوردگی‌ها و منافذ دیواره چاه

– روان سازی تجهیزات حفاری

– کاهش یا افزایش گرانروی گل حفاری

چهار مرحله برای مخلوط کردن گل حفاری مناسب

• در ساخت یک گل حفاری مناسب، کیفیت آب مورد استفاده بسیار مهم است. برای استفاده حداکثری از مایع بنتونیت، بهتر است از آب گرم استفاده شود. در غیر این صورت، خطر مهار عملکرد بنتونیت یا هر پلیمر دیگری که به آن اضافه می‌کنیم وجود دارد. افزودن خاکستر سودا ( کربنات سدیم ) به آب، آن را نرم کرده، سختی آب را می‌گیرد و PH آّب را بالا می‌برد (5/8-9). با استفاده از آزمایش قیف مرداب، ضخامت سیال حفاری اندازه گیری می‌شود.

• استفاده از خاک‌های بنتونیتی: همان طور که گفتیم، بنتونیت، ظرفیت حمل مایع را بهبود می‌بخشد. قبل از افزودن هر پلیمر یا افزودنی دیگری، باید بنتونیت را اضافه کرده زیرا این مواد از تورم خاک رس جلوگیری می‌کنند. سپس خاک رس را به آرامی اضافه کرده و خوب هم زده می‌شود. در این مرحله باید اطمینان حاصل کرد که بنتونیت کاملا هیدراته شده است.

• اضافه کردن پلیمرها در صورت نیاز: اضافه کردن پلیمرها از چسبیدن خاک‌ها به یکدیگر و گلوله شدن جلوگیری می‌کند. پلیمرهایی با زنجیره بلند، غالبا باعث ایجاد ویسکوزیته زیاد می‌شود و پلیمرهایی با زنجیره کوتاه، ویسکوزیته کم ایجاد می‌کنند. بهتر است از پلیمرهایی با زنجیره کوتاه استفاده شود زیرا می‌توان تعداد پلیمر بیشتری را بدون ایجاد ویسکوزیته یا غلطت بالا در سیستم نگه داریم.

• اضافه کردن افزودنی‌ها

گردآوری و ترجمه: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر – نسیم مهین عبدالله زاده

منابع:

• https://www.lifewater.ca/drill_manual
• https://www.neuman-esser.de//
• https://nurulight.com
• https://www.investopedia.com
• https://petgeo.weebly.com/drilling-fluidsmud-and-components
• https://www.britannica.com/technology/drilling-mud
• https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/drilling-mud
• http://www.pvcplus.com
• https://petgeo.weebly.com
• https://www.mining-eng.ir
• https://www.investopedia.com
• https://www.sciencedirect.com
• /en/terms/g/gas-cut_mud#:~:text=A%20drilling%20fluid%20(or%20mud,using%20a%20pressurized%20mud%20balance.
• https://wiki.aapg.org
• https://www.trenchlesspedia.com
• https://waterwelljournal.com