سيالات حفاري با هوا

سیالات حفاری پنوماتیکی برای حفاری در مناطقی که هرزروی گل و فشار پایین مخزن ، امکان استفاده از سیالات معمول حفاری را محدود می کند، استفاده می شوند. سیالات پنوماتیکی همچنین دارای کاربردهایی هستند که حداقل صدمات زیر را به مخزن وارد می کنند:

1- ورود فیلتراسیون گل و ذرات جامد به فضاهای منفذی مخزن

2- به جریان در آوردن هیدرو کربنها (flushing of hydrocarbons)

3- هیدراته کردن خاک رس در مخزن (hydration of clays within the reservoir)

4- کنده ای کردن امولوسیون (emulsion blocking) یا

5- تشکیل رسوب شیمیایی در مخزن

این صدمات و مشکلات به علت فشار بالای تعادل(over balance) ناشی از فشار بالای هیدرو ستاتیک ستون گل و ناسازگاری شیمیایی بین فیلتراسیون ورودی و سیال مخزن می باشد. علل این صدمات با کاهش فشار هیدروستاتیک ستون سیال حفاری و انتخاب سیالی که خاک رس را هیدراته نکند و رسوب شیمیایی در منافذ مخزن به وجود نیاورد ، از بین رفته یا به حداقل می رسد.

تجهیزات مهمی که برای حفاری با هوا مورد نیاز می باشد، ولی برای حفاری معمولی از آن استفاده نمی شود، شامل: کمپرسورها و بوستر های هوا یا گاز، کلاهک دوار، پمپ های تزریق مواد شیمیایی( برای عوامل کف ساز و مواد ضد خوردگی) و واحدهای تولید کف می باشد. البته در مواردی ممکن است تجهیزات دیگری مورد نیاز باشد. از میان این تجهیزات ، کمپرسورهای هوا یا گاز ،خیلی مهم بوده و هزینه بر هستند. تمامی طراحی سیستم های حفار ی به ظرفیت و کارایی کمپرسورها بستگی دارد. نسبت فشار نهایی به فشار اولیه ، تعداد مراحل تراکم مورد نیاز را تعیین می کند. تعداد مراحل تراکم به طور مستقیم بر هزینه های حفاری تاثیر می گذارد.

نوع و تعداد کمپرسورهای مورد نیاز برای عملیات ویژه حفاری با هوا باید از ابتدا به صورت علمی و دقیق مشخص گردد. محاسبه نسبت تراکم و نسبت فشار دیسشارژ به فشار ورودی ، گام اول برای تصمیم گیری در مورد مراحل تراکم می باشد. با توجه به اینکه دمای هوای دیسشارژ نباید خیلی بالا برود ، نسبت تراکم در مرحله اول نباید از 4 فراتر برود. همچنین دماهای سیلندر در مقادیر بالاتر از F 400-300 ممکن است مشکلات روانکاری مکانیکی و خستگی فلزات را به دنبال داشته باشد. به منظور کاهش دمای بین هر مرحله از تراکم نیاز به ظرفیت زیاد ، کارایی بالا و سیستم خنک کاری مناسب می باشد. حداکثر دما و ارتفاع محل حفاری از سطح دریا نیز باید مورد توجه قرار گیرد. کارایی کمپرسور با افزایش دما و ارتفاع محل ، کاهش می یابد.

سیالات حفاری پنوماتیکی ممکن است به یک یا تعداد بیشتری از مواد شیمیایی زیر نیاز داشته باشند، اما در حفاری با هوای ساده ممکن است به هیچ یک از این مواد نیاز پیدا نکنیم.

• مواد رویه کار(Surfactants) مانند گرد صابون یا مواد کف زا

• مواد ضد خوردگی

• مواد خشک کننده

مواد رویه کار(Surfactants) یا مواد کف زا

در هنگام حفاری وقتی با سازند آبده مواجه می شویم، عوامل یونی یا غیر یونی فعال سطحی(surfactants) به مسیر هوای ورودی تزریق می شوند. این مواد کف زا به تمیز کردن چاه، مته و رشته حفاری کمک کرده و از چسبیدن کنده ها به هم و تشکیل حلقه ها ی گل که باعث مسدود شدن فضای دالیزی می شوند، جلوگیری می کنند.

مواد کف زا با توجه به شرایط چاه، ممکن است به مسیر جریان هوای ورودی یا همراه با تغییر مقدار آب برای تولید کف، به سیال حفاری اضافه شوند. وقتی که جریان آب نفوذی به چاه کم باشد ، مواد کف زا را می توان در هنگام اتصال لوله های حفاری به درون لوله ها ریخته تا به سیال حفاری اضافه شود. مواد کف زا باعث ایجاد مخلوط همگنی می شوند که برای بیرون آوردن آب و کنده های حفاری بسیار مناسب می باشد. مقدار تزریق آب و مواد کف زا با توجه به اندازه چاه ، ویژگیهای سازند، مقدار هوای موجود و در دسترس و کمیت و کیفیت آب یا سیال نفوذی به چاه متغییر می باشد.

مواد ضد خوردگی

خوردگی در طول عملیات حفاری با هوا می تواند فاجعه آمیز باشد، مگر اینکه رشته حفاری به طور مناسبی به وسیله مواد ضد خوردگی و عملیات تمیز کاری محافظت گردد. در عملیات حفاری با هوا، اکسیژن، دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن در حضور آب خاصیت خورندگی شدیدی دارند. با توجه به نوع سیال پنوماتیکی وموارد زیر می توان مقدار خوردگی را کاهش داد:

1- در صورت تزریق آب، بالا نگه داشتن PH با NAOH یا KOH( به مقدار 10 یا بالاتر)

2- تزریق مواد ضد خوردگی درون هوا یا گاز

برای واکنش با سولفید هیدروژن و تشکیل سولفید روی که تمیز کننده می باشد، می توان از کربنات روی یا اکسید روی استفاده کرد. مواد ضدخوردگی حل شونده درآب وانواع پوششی آن (مانند پوششهای آمینی) نیز برای محافظت بیشتر ترکیبات فولادی که درمعرض سیال حفاری هستند باید مورداستفاده قرار گیرد.

مواد خشک کننده

چاهی که فقط دارای مقدار کمی آب باشد را می توان به سادگی و با قطع عملیات حفاری و گردش هوا برای مدت زمانی کوتاه خشک کرد. یک روش دیگر که ممکن است اقتصادی تر باشد، اضافه کردن مقداری مواد خشک کننده مانند CMC یا پودر های سیلیکات به جریان هوا می باشد. البته عملیات اضافه کردن این مواد به یک دستگاه تزریق مواد شیمیایی خشک نیاز دارد.

در صورت در دسترس بودن یک سیال پنوماتیکی جهت حفاری ،هنگام تصمیم گیری در مورد نوع سیال باید به فشار سازند، جنس سازند، تخلخل و نفوذپذیری سازند (porosity & permeability)، نوع سیال مخزن ، مسائل اقتصادی و محل حفاری توجه کرد. انواع سیالات حفاری پنوماتیکی که در این جزوه به آن اشاره می شود، عبارتند از:

• گاز خشک( هوا یا گاز طبیعی)

• هوای مرطوب

• کف

• گل هوا زده

گاز خشک به عنوان سيال حفاری(Dry Gas Drilling Fluids)

استفاده از حفاری با گاز خشک جهت سازندهای سختی است که در آنها احتمالا" با جریان آب یا نفت مواجه نمی شویم و نیز در محل هایی که آب برای حفاری بسیار کمیاب باشد.

در حفاری با گاز خشک ( Dusting) از هوای فشرده یا گاز طبیعی، برای خنک کاری و روانکاری مته و و جابجایی کنده های حفاری از اطراف مته و حمل آنها به سطح استفاده می شود. در حفاری با گاز خشک ، گاز یا هوای فشرده به درون لوله های حفاری تزریق شده و کنده های حفاری به صورت ذرات ریز گرد و خاک به سطح بر می گردند. به منظور گرد و خاک و سر و صدای کمتر، مواد برگشتی در محلی دور از دکل حفاری ، تخلیه می شوند. کنده های حفاری به وسیله توری های مخصوص طراحی شده در انتهای لوله برگشتی (Blooey Line) گرفته می شوند.

در عملیات حفاری با گاز خشک ، فشار ته چاه، شامل وزن ستون هوا به علاوه افت فشار در فضای دالیزی و افت فشار در لوله برگشتی می باشد. مجموع این فشارها معمولا کمتر از فشار سازند می باشد. بنابراین به علت فشار هیدرو ستاتیک پایین، سرعت حفاری به مقدار زیادی افزایش پیدا کرده ، ورقه ای شدن کنده ها حذف شده و کنده ها با بازده بالاتری از ته چاه به طرف سطح حرکت می کنند. رویهمرفته حفاری با گاز خشک به علت سرعت بالای حفاری و هزینه های پایین تر عملیاتی در مقایسه با حفاری با گل ، دارای مزایای اقتصادی بیشتری می باشد.

عملیات حفاری با گاز خشک به برنامه ریزی دقیق و مخصوصی نیاز دارد. یکی از موارد مهمی که در هنگام برنامه ریزی و عملیات حفاری باید به آن توجه کرد، قابلیت تراکم پذیری گاز می باشد. دو مورد مهم دیگرکه باید مورد توجه قرار گیرد، سرعت دالیزی مورد نیاز و انتخاب نمودارگیریهای مناسب می باشد.

سرعت داليزي سيال حفاري در تئوری جريان و تغيير شكل سيال، يك عامل اوليه بـراي انتـقال كنده هاي حفاري درحفاري با هواي خشك مي باشد . سـرعت داليـزي مورد نياز براي جابجایی كنده ها ، مشخص کننده حجم گازي است كه برای حفاری مورد نیاز می باشد . معمولا" درجريان مغشـوش اين سـرعـت هاي داليـزي به وجود می آیند . براي جابجایی كنده هايي با قطر 8/3 تا 2/1 اينچ ، سرعت داليزي معادل Ft/MIN 3000 مورد نياز ميباشد. اگر چه اغلب كنده ها در عمليات حفاري با گاز وقتي كه به سطح ميرسند به قدر كافي كوچك هستند ولي اندازه آنها زماني كه در ته چاه توليد ميشوند به مراتب بزرگتر مي باشند . عمـل آسياب رشته حفاري ، برخورد با كنده هاي ديگر ، و خرد شـدن دوباره كنده هاي بزرگتر توسط مته ، عامل پـودري كردن كنده هاي حفاري با هواي خشك ميباشد .

عامل ديگري كه در حفاري با گاز بايد مورد توجه قرار گيرد ، نمودارگيري ميباشد . چاه حاوي هيچ سيالی به جز هوا يا گاز نمي باشد و اين عامل باعث ميشود كه بررسيها فقط با وسيله اي صورت گيرد كه به هيچ مايعي براي ايجاد تماس با سازند ، نياز نداشته باشد .

در چنين چاههايي، مقاومت ويژه سازند را فقط با استفاده از نمودار قياسي(Induction Log)، ميتوان اندازه گيري كرد. نمودار اشعه ي گاما مي تواند شيل را از غير شيل، مشخص ميكند. نمودار چگالي گاما (GAMMA-GAMMA DENSITY LOG) مقدار تخلخل را حتي در مناطق گازي كه نمودار نوتروني نيز با وضوح كم تخلخل را نشان ميدهد، مشخص ميكند . اگر نمودار اشعه گاما و چگالي باهم بكار برده شوند ، درصد گاز اشباع در سازندهاي تميز هم قابل محاسبه خواهد شد . در چنين چاههاي گازي ، نمودار دما ، قادر به تعیین منطقه توليدي است که به علت انبساط گاز، خنك می شود. همچنين در مناطق توليدي چند گانه، نمودار دما حجم نسبي گازي كه از هر منطقه مي آيد را مشخص ميكند. از نمودار صدا (NOISE LOG) نیز برای تعیین مناطقي كه گاز يا مايع به درون چاه نفوذ ميكند یا مناطقي كه هرز روي شديد گاز يا مايع وجود دارد، استفاده می شو د. این نمودار با دامنه نسبي ثبت شده و می تواند در سطح نمايش داده شود .

سازند هاي آبده بزرگترين عامل محدود كننده حفاري با گاز ميباشند . مقدار كمي از آب را ميتوان با اضافه كردن عوامل خشك كننده مانند CMC و جذب آب بوسيله گاز خشك تحمل کرد . به هر حال اگر كنده هاي حفاري خيلي مرطوب شوند به هم چسبيده و تشكيل حلقه هاي گلي را ميدهند كه ميتواند فضاي داليزي را مسدود كند. اگر اين اتفاق بيفتد هرزروي گردش گل و گير كردن لوله ها اتفاق افتاده و يا حتي ممکن است چاه دچار آتش سوزی شود.

هوا

حفاري با هوا معمولا" در محلهايي استفاده ميشود كه هرزروي انواع گل يك مشكل مهم باشد. هوا همچنين براي حفاري سازندهاي سخت ودارای نفوذ پذيري بسیار پايين مورد استفاده قرار ميگيرد.

هنگام حفاري سازندهاي گازي، خطر آتش سوزي درون چاه بالا ميباشد. احتمال آتش سوزي درون چاه وقتي كه گاز وجود دارد، افزايش می یابد. علت بروز چنين مشكلي، افزايش فشار در زير محل انسداد دالیز، ناشی ازتولید حلقه هاي گل می باشد.

فشار استند پايپ بايد بطور مداوم به منظور مشخص كردن و ممانعت از افزايش فشار مورد توجه قرار گیرد. حتي افزايش فشار در حدود 15PSI هم ميتواند باعث ايجاد احتراق گردد . ابزار مختلف درون چاهی برای کمک به جلوگیری از خطرات آتش سوزی، طراحی و ساخته شده اند. فلوت آتش (FIRE FLOAT) و آتش گير (FIRE STOP) دو گونه از اين وسايل ميباشند . در هنگام حفاري عادي اين ابزار به هوا اجازه می دهند تا هوا جريان پيدا کند، اما مانع از برگشت هوا به درون رشته حفاري ميگردند. اگر حلقه حساس در مقابل گرما بوسيله آتش درون چاه ذوب شود ، حلقه مي افتد و جريان هـوا در هر دو جهت متوقف ميشود. يك واحد آتش گير بايد در بالا يا در وسط لوله هاي وزنه جا گذاري شود. اين ابزار شامل زبانه اي است كه به وسيله تسمه ای از جنس روي و حساس به حرارت نگه داشته مي شود . وقتي كه حرارت به اندازه دماي ذوب روي افزايش مي يابد زبانه بسته شده و جريان هوا قطع ميگردد . افزايش ناگهاني فشار سطحي ، مورد مهم و قابل توجهي است كه به كاركنان هشدار احتمال آتش سوزي را مي دهد.

حجم و فشار مورد نياز هنگام انتخاب تجهيزات براي يك برنامه حفاري با هوا بسيار مهم بوده و بايد مورد توجه قرار گيرد . فشار سطحي بوسيله افت فشار كلي سيستم تعيين ميگردد . فشار اتمسفر با افزايش ارتفاع محل و افزايش دما ، كاهش مييابد و با افزايش رطوبت افزايش مي يابد . تجهيزات مورد نياز برای محلي كه در ارتفاع بالاتر واقع شده و دارای هواي گرم و خشك ميباشد به مقدار قابل توجهي با تجهيزات موردنياز براي محلي با دماي كم و محيط مرطوب و ارتفاع سطح دريا، متفاوت مي باشند.

مقدارهوای مورد نياز بر پايه ي سرعت دالیزی FT/MIN 3000 در جدول شماره 1 آمده است بعلاوه با يك حساب تخميني براي كمپرسورها در 1000 ft ارتفاع، محل 30 % كاهش كارآيي اتفاق ميافتد .

جدول شماره 1 : عمق چاه و حجم مورد نياز هوا( CFM)

گاز طبيعي

زماني که مخازن شامل مقدار قابل توجهي گاز باشند، به جای به هوا، از گاز به عنوان سيال حفاري استفاده ميشود. زيرا در اين حالت امكان استفاد از هوا بعلت احتمال وقوع آتش سوزي درون چاه وجود ندارد .گاز شبيه به هوا متراكم ميشود اما گاز برگشتي بايد سوزانده شود يا جمع آوري شده و به درون خط لوله منتقل شود. بازيافت گاز، بعلت جذب ذراتی كه ممكن است منجر به صدمه زدن به كمپرسورها گردد، توصيه نميشود. خطرات آتش سوزي و انفجار در اطراف لوكيشن و محل حفاري هنگام نشت گاز يك خطر ثابت و هميشگي در عمليات حفاري با گاز طبيعي ميباشد .

سيالات حفاري مرطوب (MIST DRILLING )

حفاري با هواي مرطوب ممكن است، بعد از حفاري مناطقي استفاده شود كه مقدار آب توليدی شان بيشتر ازآن مقداري است كه بايد توسط عوامل خشك كننده بطور مناسبي جذب شود . در محلهايي كه نفوذ آب در ته چاه براي حفاري با گاز خشك زياد بوده اما براي حفاري با هواي مرطوب كم ميباشد ، امكان تزريق آب در سطح براي انجام حفاري باهواي مرطوب وجود دارد . مقدار آب براي حفاري مرطوب به اندازه چاه، نوع سازند و سرعت حفاري بستگي دارد. حجم زياد جريان آب باعث ايجاد مشكلات متفاوتي ميگردد. در صورت ورود ناگهاني حجم بزرگي از آب، براي از بين بردن آن، باید با اضافه كردن افزودنيهاي ديگر سيال را به کف تبديل کرد . در حفاري مرطوب ، هوا كنده ها را بالا مي آورد، اما آب چاه را خيس و مرطوب ميكند. حفاري مرطوب تقريبا" 30 درصد هواي بيشتري نسبت به هواي خشك يا گاز خشك نياز دارد و براي تميز كردن مناسب چاه هم، نياز به فشار تزريق بيشتري ميباشد . هنگام عمليات حفاری با هوای مرطوب، به علت وزن سنگين تر ستون سيال خيس ، افت اصطكاكي بيشتر به خاطر چسبيدن كنده هاي خيس به رشته حفاري و ديواره چاه و سرعت لغزش بيشتر كنده هاي خيس بزرگتر ،حجم بيشتری از هوا مورد نياز مي باشد .

در مناطقی كه شيل هاي حساس به آب وجود دارند از تكنيك هاي حفاري با هوا استفاده می شود . در اغلب موارد اگر هوا به صورت خشك باقي بماند، اين شيل ها باعث بروز مشكلات مهمي نمي شوند. به هرحال اين شيلها، وابستگي زيادي به آب دارند و ممكن است در صورت استفاده از حفاري مرطوب کاملا" ناپايدار شوند. اين مشكلات در اغلب مورد با اضافه كردن 1 تا 5 درصد وزني كلرايد پتاسيم و يا PHPA ( مايع ) به آب تزريقي ، قابل كنترل می باشد .اضافه كردن KCL باعث كاهش هيدارته شدن و نرم شدن شيلها ميگردد و در نتيجه بزرگ شدن چاه( گشاد شدن ) را كاهش ميدهد . مقدار كمي از مايع PHPA ميتواند به صورت افزودني بعنوان عامل روانكار جهت كاهش تورك و براي جلوگيري از هيدارته شدن و نرم شدن شيلها، اضافه گردد . تزريق آب و KCL در مسير هوا باعث ايجاد مشكلات خوردگي فراواني ميگردد . خوردگي بوسيله اكسيژن را ميتوان بوسيله افزايش PH آب درحدود 10 تا 11 و نيز با افزودن مواد ضد خوردگي كاهش داد .

حفاري با كف ( FOAM DRILLING )

كف ها را ميتوان به سه دسته تقسيم بندي كرد :

الف : كف (FOAM )

ب: كف فشرده ( (STIF FOAM

ج: كف پايدار ( (STABLE FOAM

اين سه نوع در بيشتر ويژگی هايشان، سيالات حفاري يكساني هستند. كف كه شامل مخلوطي از آب ، پليمرها ، خاك رس ، مواد كف ساز ، مواد ضد خوردگي ميباشد، از رطوبت ( MIST) متمايز ميشود . انتقال از حفاري مرطوب به كف، هنگام رويارويي با مشكلات در حفاري خشك يا مرطوب ضروري می باشد. تعدادي از اين مشكلات، شامل فرسايش وسائيدگي دیواره چاه، تميز كاري نامناسب چاه و هرزروي جريان برگشتي، ميباشد . ساختار كف يك جريان و شكل خاصي را براي جابجايی كنده ها فراهم مي کند . كيفيت كف به عنوان نسبت حجم گاز به كل حجم كف تعريف مي شود و عامل مهمی است كه رفتار جريان را تحت تاثير قرار ميدهد. ويسيكوزيته كف به محض افزايش كيفيت كف به سرعت بالا مي رود. كيفيت كف و پايداري آن با توجه به عامل كف ساز استفاده شده، متفاوت و متغير ميباشد. تركيب آب تزريقي و نوع سيال ورودي به ته چاه نيز خواص كف را تحت تاثير قرار ميدهد. اغلب عوامل كف ساز در آب سخت و شور ، موثر نيستند . كف ها همچنين در حضور نفت و روغن آسيب مي بينند. انتخاب درست عامل كف ساز، تعيين كننده موفقيت يا شكست عمليات حفاري با كف ميباشد .

كف فشرده STIFF FOAM

كف فشرده نوعي ديگر از طبقه بندي كف ميباشد که از نظر شكل ماده و جريان آن بيشتر شبيه به گل ميباشد. كف فشرده يك سيال حفاري با چگالي پايين است كه ميتواند شامل موادي براي پايدارسازي ديواره ي چاه باشد،كه براي حفاري سازندهاي غير سخت استفاده ميشود . كف قوي تر، توانايي حمل كنده هاي بزرگتر ي را نسبت به كف ساده دارد . هنگامي كه از کف فشرده استفاده ميشود، سرعت داليزي براي تميز كاري مناسب ميتواند از 100تا 200 ( FT/MIN) باشد .

در نتيجه تعداد كمپرسور كمتري نسبت به گونه هاي ديگر حفاري پنوماتيكي مورد نياز مي باشد. كف فشرده با تركيب اوليه پليمرها در آب، درون مخازن گل تشكيل مي شود و اغلب اوقات ذرات غليظ و كوچك بنتونايت به آن اضافه مي شود. اين مخلوط به مخزن كف انتقال داده مي شود و عامل كف ساز تا حد امكان به صورت آرام و بدون تلاطم به اين مخلوط اضافه شده، آنگاه اين مخلوط به مسير جريان هوا تزريق مي شود.

براي اینکه سرعت اين مخلوط در فضا ي داليزي در نزديك سطح به مقدار 100 تا 200 ft/mn برسد، بايد به اندازه كافي هوا به اين مخلوط تزريق شود.نسبت هوا به گل از مقدار 100 به 1 تا مقدار 300 به 1 متغير مي باشد. به منظور جلوگيري از منقطع شدن هوا در فضاي داليزي ، كف شبيه به كرم صورت تراشي بصورت ذرات معلق مايع در هوا به صورت خيلي غليظ تهيه مي شود. اين مخلوط نمي تواند دوباره مورد استفاده قرار گيرد و بايد بوسيله بلولاين در محلي مناسب و در حوضچه گل تخليه شود.

كف فشرده توسط كميسيون انرژي اتمي آمريكا براي حفاري چاههاي با قطر زياد در سازندهاي سخت و داراي هرزروي معرفي شده بود. تركيب اصلي آن ، شامل10 تا15 (lb/bbl) بنتونایت ، 2/0 تا5/0 (lb/bbl) صمغ گار(guar Gum) ، 1 (lb/bbl) سودا اش (Soda ash ) و 1 درصد حجمي عامل كف ساز می باشد. يك تركيب نسبتا" ارزان و اغلب موثر ديگر شامل 12 (lb/bbl)بنتونايت ، 1 (lb/bbl)سودا اش (soda ash )، 2/1 (lb/bbl))، cmc باویسكوزيته بالا ، و 2/1 تا 1 درصد حجمي عامل كف ساز مي باشد. اين مخلوط درحضور آب شور و نفت نسبتا" كارآيي خود را از دست مي دهد.

جدول 2 مواد افزودني، تاثير (ویژگی) آنها و مقدار آنها براي تشكيل كف فشرده بعنوان سيال حفاري

اختلاف بين كف فشرده و كف پايدار در روش تهيه كردن آنها مي باشد.كف پايدار كه توسط كورن (Chevron) توسعه داده شد يك سيال تكميلي و اصلاحي مي باشد. ويژگي متمايز آن اين است كه اين سيال در سطح و در واحد توليد كف ساخته مي شود و سپس و به درون لوله هاي حفاري تزريق مي شود.

تجهيزات مورد نياز جهت ساختن كف پايدار شامل : 1- يك كمپرسور هوا 2- مخازني براي مخلوط كردن آب ، گرد صابون و مواد افزودني 3- پمپ محلول صابون 4- كف ساز و چند راه تزريق.

كف پايدار شامل گرد صابون ، آب شيرين و گاز مي باشد. مواد افزودني ديگر مانند ، غليظ كننده ها ، نمك ها و مواد ضد خوردگي نیز ممكن است در مخلوط وجود داشته باشد. كف پايدار براي استفاده مؤثر بعنوان سيال حفاري داراي گردش متوسط، ساخته میشود . اين جمله به اين معنا است كه كف فشرده قبل از رويارويي با هر نوع مواد جامد و مايع از داخل چاه ساخته مي شود . كف فقط يك بار گردش داده مي شود. سيستمهاي كف داراي ويژگيهايي هستند كه آنها را پايدار كرده و در مقابل آلودگي هاي درون چاه مقاوم مي كنند . آلودگي هاي موجود در هنگام توليد كف مي تواند عامل ناپايداري كف باشد. با انتخاب و كنترل دقيق تركيبات مي توان كف هایی را با چگالي هاي پايين براي مثال 2 ( (pounds/ft3 آماده كرد. (در هنگام گردش كف پايدار، فشار ته چاه به میزان psi15 در عمق ft1000 و psi 50 در عمق ft2900 اندازه گيري شده است ). جهت بالا بردن ظرفيت جابجایی كنده ها درسرعت هاي داليزي برابر يا بيشتر از feet/min 3000 ، می توان ويسكوزيته سیال را به گونه ای دلخواه تغيير داد.

باتوجه به نياز هاي درون چاهي، نسبت حجم گاز به مایع در كف پايدار، در دامنه ي 3 تا 50 ft3/gal متغير مي باشد. محلول آب صابون كه براي تشكيل كف پايدار با گاز تركيب مي شود را مي توان با استفاده از مقادير مختلف عوامل كف ساز آلي آماده كرد. (1/0 تا 1 درصد حجمي ). يك طرح شماتيك از واحد توليد كف پايدار در شكل شماره 1 نشان داده شده است.

شكل( 1): واحد تولید کف

جدول 3 : ليست تركيبات نوعي ، وظايف و مقادير آنها براي توليد كف پايدار بعنوان سيال حفاري

گل هوا زده به عنوان سيال حفاري(Aerated mud Drilling fluids)

از هوا و گاز مي توان براي كاهش چگالي گل و در نيتجه كاهش فشار هيدروستاتيك گل استفاده كرد. زماني كه شرايط حفاري، مانع از كاربرد گاز خشك يا هواي مرطوب يا كف شود، ممكن است از گل هوازده استفاده شود . اين سيال معمولا" در هنگام حفاري مخازن با فشار پايين استفاده مي شود. اغلب هنگام حفاری مناطق داراي فشار بالا در عمق هاي بيشتر، برگشتي در عمق هاي كم و متوسط دچار هرز روي مي شود. استفاده از گل هوازده مي تواند راهي براي كاهش فشار هيدروستاتيك در مناطق با عمق كم و در همين حال فشار هيدروستاتيك مناسب در منطقه عميق تر باشد. دو تا از گاز هاي رايج براي كاهش فشار هيدروستاتيك ستون گل، هوا و نيتروژن مي باشد.

كاربرد هوا

با توجه به قابليت تراكم پذيري هوا ، هوا در گل هوازده به حبابهاي بسيار كوچك متراكم شده و از طول لوله حفاري و مته عبور مي كند. با حرکت هوا در فضاي داليزي به سمت بالا و عبور از گل، حبابهاي هوا منسبط شده و باعث كاهش فشار هيدروستاتيك مي شوند که به همین علت در قسمت بالاي فضاي داليزي نسبت حجم هوا به حجم گل افزايش مي يابد . وقتي كه گل هوازده به سطح نزديك مي شود، سرعت انبساط حبابهاي هوا با توجه به قانون عمومي گازها ، افزايش مي يابد. اين افزايش حجم هوا نسبت به حجم گل نه تنها فشار هيدروستاتيك ته چاه را كاهش مي دهد بلكه سرعت داليزي گل هوازده نيز هرچه به سطح نزديكتر مي شويم ، افزايش مي يابد.

نمودار شكل 2 مقدار تخمينی هواي مورد نياز جهت كاهش چگالي گل پايه آبي بوسيله هوازدگي را نشان مي دهد . براي كنترل سرعت بالا و جريان موجي شكل سيال برگشتي قبل از اينكه به الك لرزان (Shale Shaker) برسد، بايد يك جداكننده گل و گاز يا دي تانك استفاده شود. این وسیله باید از هرزروی گل در سطح جلوگیری کرده و باعث جدایی مناسب هوا از گل شود. در مواردي كه جريان ورودي زياد است، دي تانك بايد داراي يك لوله سرريز به سمت الك لرزان باشد و قبل از اينكه گل به پمپ هاي گل برسد بايد هواي گل توسط گاززدا (degasser ) از بين برود. در کل هنگام استفاده از گل هوازده ، كنترل خواص گل يكي از مواردی است که باید مورد توجه قرار گیرد.

شکل2: مقدار هوای مورد نیاز برای کاهش چگالی گل های پایه آبی

چگالي ، مقدار مواد جامد ، استحكام ژل ، و ويسكوزيته پلاستيك بايد در مقادير ثابت و كم كنترل شود. نقطه تسليم با توجه به نوع سيال مورد استفاده و ويسكوزيته پلاستيك آن، بايد در يك دامنه ي مناسب باشد. به منظور جدا سازي راحت تر هوا از گل در سطح ، كنترل نقطه تسليم (yield point ) یکی از موارد مهم مي باشد .

اگر فشار هيدروستاتيك و افت فشار سيستم در مقادير كم نگه داشته شود، فشار هاي تزريق نيز به مقدار كم باقي خواهد ماند. هر چقدر كه عمق چاه افزايش مي يابد كنترل فشار هيدروستاتيك و افت فشار سيستم به منظور کار کردن در محدوده توانايي تجهيزات توليد هوا ، اهميت بيشتري مي يابد.

نگه داشتن PH به مقدار بالاتر از 10 به كنترل خوردگي كمك خواهد كرد. ولی PH بالاتر نيز با توجه به نوع گل استفاده شده مي تواند باعث ته نشيـن شدن پليـمر يا پـراكنـدگي كنـده ها گـردد. اغلـب سـيـالات رايج استـفاده شده در حفاري با گل هـوا زده شـامل ، گـل هـاي با ذرات جامـد پـاييـن (LOW-SOLIDS) و گل هـاي غیـر متفـرق (NON- DISPERSED) و گلهاي شور مي باشد. مخصوصا" گلهای با ذرات جامد كم و گلهاي غير متفرق(LSND) بعلت اينكه دارای خواص برشي كمتر و در نتيجه فشار گردشي پايين تري هستند، برای حفاري با گل هوازده مفيد مي باشند. اشكال مهم اين است كه در PH بالا كنده ها متفرق و پراكنده مي شوند در نتيجه انتخاب افزدونيها به منظور جلوگيري از اين پراكندگي بايد به دقت مورد توجه قرار گيرد.

گلهاي كلرايد پتاسيم براي رفع مشكلات ناپايداري شيل در سيستم هاي گردش هوا – مايع، بسيار موفق عمل کرده اند. براي كنترل PH، هيدروكيد پتاسيم مورد استفاده قرار می گيرد و كنترل هرزروي مايع، ممكن است بوسيله استفاده از پلي آنينیك سلولزي (POLYANIONIC CELLULOSE) حاصل شود. عيب بزرگ گلهاي شور در مقايسه با گل هاي توليد شده با آب شيرين نسبت خوردگي بالاي آنها مي باشد. جدا كردن هوا يا گاز از درون گلهای شور نيز مشكل مي باشد .

كاربرد نيتروژن

نيتروژن مي تواند براي حل مشكل هرزروي گل در محل هايي كه داراي گراديان فشار پايين و غير معمول مي باشند، استفاده شود. نيتروژن را مي توان در استند پايپ و درون سيستم گل به منظور كنترل صحيح فشار هيدروستاتيكي داليز و در نتيجه بازيافت گل برگشتي مورد استفاده قرار داد. به علت اينكه فشار، حجم و دماي گاز درون مخزن مايع N2 را مي توان بهتر كنترل كرد و دماي آن پايين تر از دماي توليد هوا توسط كمپرسورها مي باشد، نيتروژن داراي مزاياي بيشتری نسبت به سيستم هاي گل هوازده مي باشد. دما يك عامل مهم در هنگام كاربرد سيستم هاي گل هوازده مي باشد.

اگر نيتروژن در يك دماي خنك به درون رشته حفاري تزريق شود، در اثر افزايش درجه حرارت به راحتي منبسط مي شود. مقدار انبساط و در نتيجه تاثير آن بركاهش چگالي گل مي تواند موثر تر باشد. چگالي موثر گل در عمق هاي مختلف در جدول شماره 4 آمده است . جدولي كه در دسترس شما قرار دارد مربوط به نيتروژن با گراديان حرارتي 1/6F/FTطراحي شده است .

جدول 4 : چگالي موثر گل در عمق هاي مختلف در استفاده از نیتروژن

تا زماني كه يك شاخه لوله حفاري شود، نيتروژن به مقدار مورد نياز بطور مستقيم درون استند پايپ تزريق مي شود. به منظور جلوگيري از برگشت گل در درون رشته حفاري در هنگام اتصال لوله يك ستون گل مساوي با تقريبا" 1000 Ft بايد قبل از جدا كردن اتصال لوله حفاري به درون رشته حفاري تزريق گردد و يا اينكه از فلوت استفاده شود. آنگاه قبل از اينكه نيتروژن از ميان گل به بالا بياييد، اتصال انجام مي گيرد. البته براي اين منظور از فلوت ولو استفاده مي شود. با توجه به قابليت تراكم پذيري نيتروژن، وقتي كه گل در حال گردش است گراديان فشار آن درون لوله حفاري، كاهش چشمگيري ندارد. براي مثال گراديان فشار گل معادل 0.467 PSI/ FTهمراه با فشار پمپ 2000PSI فقط به مقدار 0.44PSI/PT همراه با افزايش SCF 50 نيتروژن در بشكه، كاهش مي يابد.

فقط پس از عبور از نازل هاي مته و بالا آمدن در فضاي داليزي حبابهاي نيتروژن منبسط شده و گرايان فشار پايين، اتفاق مي افتد. اين موضوع را مي توان در جدول شماره 4 مشاهده كرد كه در جايي كه چگالي گل 9 Ib/gal بوده كاهش چگالي در عمق 9000 از 7.41Ib/gal به مقدار 6.55 Ib/gal در عمق 5000 متری به علت كاهش فشار داليز بوده است.

مزايا و معايب سيالات حفاري با هوا

تعداد زيادي موارد مهم از مزاياي استفاده از هوا بعنوان سيال حفاري وجود دارد. جدول 5 تعدادي از اين مزايا را در كنار معایب آن برای شما روشن مي كند.

جدول 5: مزایا و معایب گاز خشک در مقابل گل

در جدول شماره 6 مقايسه سيالات حفاري گاز خشك و مرطوب آمده است. مزاياي هواي مرطوب و هواي خشك در مقابل گلهاي مايع يكسان هستند بجز اين مورد كه هواي مرطوب مي تواند حجم قابل ملاحظه اي از آب را در مقايسه با حفاري با هواي خشك جابجا كند. اين جدول همچنين معايب استفاده از هواي مرطوب در مقابل گاز خشك را بيان مي كند .

كف فشرده داراي مزاياي ديگري افزون بر مزاياي هواي خشك و مرطوب مي باشد. جدول 7 مزايا و معايب كف فشرده را بيان مي كند .

جدول 7: مزایا و معایب کف در مقابل هوای مرطوب یا گاز خشک

جدول 8:مزایا و معایب کف پایدار در مقابل کف فشرده