گل حفاري

پيشگفتار:

گل حفاري تاريخچه طولاني و گوناگوني از گذشته دور دارد. ولي بطور اجمالي در آغاز، چيني‏ها فهميدند كه گل داراي دو كاربرد مهم دارد. نخست اينكه آنچه در سازند وجود دارد را نرم مي‏كند و دوم اينكه گل حفاري به بالا آوردن كنده‏ها از ته چاه كمك شاياني مي‏كند. در سيستم‏هايي كه تا سال 1846 و حتي بعد از آن براي استخراج نفت از آبهاي جاري استفاده مي‏شد، هنوز كسي از خواص گل حفاري اطلاعي نداشت. در سال 1890 مردي بنام چاپمن اشاره‏اي به اين موضوع نمود كه جرياني از آب و مقداري از مواد پلاستيكي مي‏تواند شكلي خاص به ديوارة چاه داده و آنرا مستحكمتر كند و اين آغاز مهندسي مدرن در تاريخ گل حفاري بود. چاپمن بعدها به يكي ديگر از كاربردهاي گل حفاري دست يافت و آن عبارت بود از اينكه مي‏توان بوسيلة گل حفاري از هرز روي آب بدون لايه‏هاي سازند جلوگيري نمود. و نيز با استفاده از مواد خاصي ديواره چاه را اندود كرد. چاپمن همچنين اين موضوع را كه خاك رس، پوست گندم، حبوبات، سيمان و مواد مشابه را مي‏توان بكار گرفت آشكار ساخت.

مي‏توانيم چنين فرض كنيم كه گل‏هاي حفاري ساخته شده توسط جامدات چاه، يا خيلي سنگين بودند و يا گرانروي زيادي داشت و تنها آب براي رقيق كردن آن استفاده مي‏گرفت. اگرگرانروي گل كاهش مي‏يافت يا از درون مخازن ذخيره به سيستم گل جديد افزوده مي‏شد و يا حفاري با همان گل رقيق ادامه مي‏يافت و اگر وزن گل اندك بود چاه فوران ميكرد و اگر هرز روي گل زياد مي‏شد يا اندود گل تشكيل شده باعث گير كردن لوله‏هاي حفاري مي‏شد و يا ريزش ديوارة چاه باعث گير كردن لوله‏ها مي‏گشت، هيچ نوع مواد افزودني مؤثري براي كنترل خواص فيزيكي گل وجود نداشت.

13 سال بعد از ظهور نخستين گل حفاري لوكاس در سال 1901 در اسپيندل تاپ براي مباحثه در مورد سيالات حفاري و مطرح كردن آن بعنوان يك ضرورت در صنعت حفاري حضور پيدا كرد. اين مسئله در سال 1914 از تحقيقات وسيعي توسط پولارد و هگبورك كشف گرديد كه از گل فوق‏العاده غليظي براي حفاري توسط دكل‏هاي ضربه‏اي در ايالت اوكلاهاما استفاده مي‏شده است.

مشكل پولارد و هگبورك، توسعه روشي براي بهبود كيفيت حفاري با روش ضربه‏اي، به منظور جلوگيري از ضايعات اضافي گاز كه بهنگام حفاري گازي با روش ضربه‏اي صورت مي‏گرفته، بود. در اين روش تنها مقدار كمي سيال بدرون چاه فرستاده مي‏شد. آنها توصيه مي‏كردند كه براي جلوگيري از فوران چاه به منظور كنترل فشار هيدرو استاتيكي از گل خاك رس غليظ استفاده كنند. تركيب و خواص سيالات خاك رسي، توسط آنها عرضه شد و احتمالاً در آن زمان در روش حفاري دوراني نتايج مطلوبي را بدست داده است.

گل مطلوب به گلي گفته مي‏شود كه به اندازه كافي غليظ باشد تا بتواند منافذ طبقات و ماسه‏ها را طوري مسدود نمايد كه سيال نتواند بدرون آنها نفوذ نمايد. گل مطلوب گلي است كه توانايي انسداد منافذ ماسه و جلوگيري از ريزش ديواره چاه و كنترل فشارهاي گاز را داشته باشد. گل حفاري مطلوب …

تاريخ جديد سيالات حفاري يعني زماني كه تلاش براي كنترل خواص گل با استفاده از مواد افزودني طراحي شد در سال 1921 آغاز گرديد. استراود در سال 1921 در تلاش بود كه وسيله‏اي بيابد كه گل را آنقدر سنگين نمايد كه با كنترل فشار گاز از فوران جلوگيري نمايد. چندين فوران شديد و آتش سوزيهاي مهلك به هنگام حفاري با گل سبك و گاز خورده اتفاق افتاده بود. استراود متوجه شد كه نمونه‏هاي برگشتي گل در مخازن، در مناطق گازي، وزني معادل 5/10 تا 11 پوند در گالن داشته و بسيار چسبناك هستند. بطوريكه بحدي مي‏رسيدند كه قابل تلمبه شدن نبودند. اين نوع گل در اثر اين اتفاقات فوران مي‏كرد.

در آزمايشگاه كشف شد كه ذرات ريز اكسيد آهن علاوه بر سنگين كردن وزن گل (15 تا 18 پوند بر گالن) براحتي قابل تلمبه شدن است. اين مواد براي استفاده در صنعت توصيه شده و مقدار زيادي از آن در مناطق گازي آلكاتراس جنوبي و لويزياناي شمالي بكار گرفته شد و نتايج خوبي هم داشت. استفاده از اكسيد آهن بچند دليل مورد اعتراض كارگران حفاري قرار گرفت كه در بين اين دلايل رنگ تيره و ايجاد لك به روي پوست توسط اين ماده جالب توجه بود.

در سال 1922 باريت تحت آزمايش قرار گرفت و مطلوبتر از اكسيد آهن براي سنگين‏تر كردن گل تشخيص داده شد. استراود در ضمن، اين واقعيت را كه وزن مخصوص زياد اكسيد آهن و سولفات باريم باعث تهنشين شدن و ايجاد اشكالاتي در كنترل مي‏شود را بيان نمود.

بطور كلي مي‏توان تاريخچه گل حفاري رادر شش مرحله خلاصه كرد:

مرحله اول (از سال 1914 تا 1920): تعاريف مختلف براي گل حفاري از افراد مختلف ارائه مي‏شد و به آن صورت استفاده از گل حفاري عموميت پيدا نكرده بود.

مرحله دوم (از سال 1920 تا 1930): در اين سالها شركت‏هاي گل حفاري شروع به كار كردند و هر كدام موادي را براي استفاده در گل حفاري وارد بازار نمودند.

مرحله سوم (از سال 1930 تا 1940): در اين سالها شركت‏ها توانستند ابزاري را جهت انجام آزمايشات مختلف بر روي گل حفاري ارائه نمايند.

مرحله چهارم (از سال 1940 تا 1955): توسعه ويژگيها و ابزارهاي سيستم گل حفاري مانند مخازن مدرن، آخورك گل، تفنگهاي گل و … پيشرفتهايي بود كه در طي اين سالها صورت گرفت.

مرحلة پنجم (از سال 1955 تا 1970): پيدايش مهندسي گل بدين معني كه كلاسهاي درسي براي افراد تحصيل كرده ابلاغ شد و فرمولها يكي بعد از ديگري درباره گل عرضه شد.

مرحلة ششم (از سال 1970 به بعد): كه امروزه مشاهده مي‏كنيم كه در سيستم گل و خواص گل چه تغييرات و پيشرفتهايي بوجود آمده است.

بهر حال، هدف از ارائة اين فصل آشنايي با گل حفاري و وظايف آن و معرفي انواع گل حفاري و نيز ارائة آزمايشات مختلف مورد استفاده جهت بدست آوردن ميزان كمي و كيفي خواص گل حفاري مي‏باشد. مهندس حفاري همواره نگران انتخاب و نگهداري سيال حفاري مورد استفاده براي حفاري است. سيالات حفاري ارتباط مستقيم با مشكلات حفاري دارند. اگر سيالات حفاري داراي خواص مورد نظر نباشند، نبايد آنها را مورد استفاده قرار داد. كاركرد سيستم گل حفاري در موفقيت عمليات حفاري سهم بسزائي دارد چرا كه مي‏توان آنرا بعنوان مثالي مشابه دستگاه گردش خون در بدن انسان دانست كه وظايف محوله به اين سيستم در حفاري به همان مهمي وظايف سيستم گردش خون و خود خون در تداوم حيات انسان است.

1- وظايف گل حفاري :

در بدو پيدايش حفاري چرخشي، وظيفه گل حفاري عمدتاً انتقال كنده‏هاي حفاري از ته چاه به سطح زمين بود. ليكن با توسعه سيستم حفاري دوراني، وظايف گل حفاري نيز سنگين‏تر شده است. اجراي وظايف محوله به گل و سيال حفاري در عمليات حفر چاه آنقدر مهم و اساسي است كه نمي‏توان اهميت آنها را ناديده گرفت به همين دليل بايد در انتخاب و نگهداري و بكارگيري آن دقت لازم را انجام داد.

يك گل حفاري مطلوب و كارساز و مورد نظر در يك حفاري موفقيت‏آميز بايستي داراي اين تواناييها و ويژگي‏ها باشد: (1) تميزكردن ته چاه و انتقال كنده‏هاي حفاري به سطح زمين؛ (2) خنك كردن مته و لوله‏هاي حفاري؛ (3) روان كردن مته و لوله‏هاي حفاري؛ (4) اندود كردن ديواره چاه و جلوگيري از ريزش چاه؛ (5) كنترل فشارهاي زير زميني؛ (6) معلق نگه داشتن كنده‏ها و مواد وزن افزا به هنگام قطع جريان گل حفاري؛ (7) ترخيص شن و كنده‏هاي حفاري بر روي الكهاي لرزان و ساير تجهيزات جدا كننده؛ (8) تحمل قسمتي از وزن لوله‏هاي حفاري و لوله‏هاي جداري؛ (9) به حداقل رسانيدن ضايعات و آسيب‏ها به سازنده‏هاي مجاور چاه و...(10) انتقال توان هيدروليكي پمپ‏هاي گل به مته و بحركت در آوردن تيغه‏هاي متحرك مته.

البته اين وظايف گل در عمليات حفر چاه است. در برخي عملياتهاي جانبي حفر چاه بطور مثال سيمانكاري لوله‏هاي جداري، پكرگذاري، توپك‏راني، كشيدن چاه، تعمير چاه و … علاوه بر اين وظايف، وظايف خاص مورد نياز ديگري نيز به عهده گل حفاري خواهد بود. حال براي اينكه بهتر با وظايف و دلايل استفاده از گل حفاري آشنا شويم هر يك از ده مورد بالا را به تفضيل مورد بحث و مطالعه قرار مي‏دهيم:

1-1تميزكردن ته چاه و انتقال كنده‏هاي حفاري:

تميزكردن ته چاه از كنده‏هاي حفاري هنوز هم يكي از مهمترين وظايف گلهاي حفاري بشمار مي‏آيد. گل وقتي كه از جهت‏هاي مته بيرون مي‏آيد بواسطه فوران شديدي كه دارد، سبب تميز شدن ته چاه و لبه‏هاي مته شده و به اين ترتيب هم طول عمر مته بيشتر مي‎‏شود و هم سرعت و بازدهي حفاري را افزايش مي‏دهد. گل همچنانكه در فضاي حلقوي بالا مي‏رود، كنده‏هاي حفاري را با خود حمل كرده و آنها را از ته چاه به سطح زمين مي‏رساند. كنده‏ها همزمان كه به سوي سطح زمين در حركت هستند تحت تأثير نيروي جاذبة زمين نيز هستند و به همين دليل پيوسته تمايل به سقوط و بازگشت مجدد به ته چاه را دارند. اگر سرعت صعود گل در فضاي حلقوي بيش از سرعت سقوط كنده‏ها باشد، در اين صورت مي‏توان انتظار داشت كه كنده‏ها به سطح زمين برسند.

سرعت سقوط كنده‏ها و ذرات جامد گل از يك سو بستگي به شكل هندسي و وزن مخصوص آنها و از سوي ديگر بستگي به گرانروي، خاصيت جنبش مولكولي، وزن و سرعت گل در فضاي حلقوي دارد. توانايي گل در تميز نگاهداشتن ته چاه و انتقال كنده‏هاي حفاري به سطح زمين بستگي بعوامل متعددي دارد. مهمترين عوامل مؤثر در انتقال كنده‏هابه سطح زمين، سرعت گل در فضاي حلقوي، وزن گل و گرانروي گل است.

2-1- خنك كردن مته و لوله‏هاي حفاري:

در محل مته و نيز در نقاطي از چاه كه لوله حفاري با سازند تماس دارد، در اثر نيروي اصطكاك گرمائي فوق‏العاده زيادي توليد مي‏شود، اگر اين گرما سريعاً منتقل نشود مته مي‏سوزد و لوله‏هاي حفاري در محل تماسشان با سازندها در اثر فرسايش شديد سوراخ مي‏شوند. چون سازند نمي‏تواند اينهمه انرژي گرمايي را انتقال دهد. اين وظيفه را گل به عهده دارد. گل همينطور كه در چاه گردش مي‏كند، حرارت‏هاي توليد شده در نقاط اصطكاك را جذب فاز مايع يا گاز خود مي‏كند و وقتي كه به سطح زمين مي‏رسد، آنها را در هوا رها مي‏كند. به اين ترتيب خود دوباره سرد شده و آماده رفتن بداخل چاه مي‏شود.

3-1- روان كردن مته و لوله‏هاي حفاري:

گل حفاري تا اندازه‏ بالايي باعث روان شدن مته و لوله‏هاي حفاري در چاه نيز مي‏شود. رسي كه در بيشتر گلهاي حفاري پايه آبي مصرف مي‏شود علاوه بر ساير وظايف خود بعنوان يك روان كننده نيز عمل مي‏كند. آغشتن گل حفاري به نفت يا مواد روان كننده ديگر، خاصيت روان كنندگي آن را افزايش مي‏دهد و سبب كاهش گشتاور پيچشي روي مته و لوله حفاري مي‏شود. با اين همه اگر وزن روي مته بيش از اندازه زياد باشد حتي بهترين گل حفاري آغشته به نفت هم نمي‏توانند جلوي فرسايش و خراب شدن ياتاقانهاي مته را بگيرند. در چنين شرايطي كاربرد روان كننده‏هاي فشار قوي مي‏تواند در رفع مشكل مؤثر باشد.

4-1-اندود كردن ديواره چاه و جلوگيري از ريزش آنيك گل حفاري خوب بايد بتواند ديواره چاه را حتي اگر بافتي سست و نامنسجم داشته باشد بوسيلة يك لايه نازك و غيرقابل نفوذ طوري اندود كند كه هم جلوي هرز رفتن گل و صافاب آن بداخل سازند را بگيرد و هم به پايداري و تحكيم سنگهاي سازنده ديواره چاه كمك كند و مانع ريزش آنها به داخل چاه گردد. افزودن بنتونايت و درمان شيميايي گل به منظور ايجاد محيطي يكنواخت از ذرات جامد و پرهيز از كلوخه‏اي شدن اين ذرات. بخش كلوئيدي گل را تقويت كرده و توانائي گل را در نشاندن اندودي غيرقابل نفوذ بر ديواره چاه را بالا مي‏برد. گاه لازم است كه گل را بوسيله مواد كنترل كننده صافاب گل درمان كرد تا كيفيت اندود از نظر نفوذ ناپذيري بهبود پيدا كند و صافاب گل كاهش يابد.

شكل 2-2 ، اندود شدن ديواره چاه بوسيله گل

5-1- كنترل فشارهاي زير زميني:

در حين حفاري ممكن است با سازندهايي روبرو شويم كه محتوي آب، نفت يا گاز با فشار بسيار زياد باشد. كنترل اين فشارهاي زير زميني به عهده گل حفاري است. يكي از خواص فيزيكي گل ايجاد فشار ستون سيال در چاه است. مقدار اين فشار بستگي به وزن گل و عمق چاه دارد. با تنظيم مناسب وزن گل بوسيلة تنظيم مناسب وزن گل بوسيلة مواد وزن‏افزا، مي‏توان مقدار فشار ستون سيال را طوري تنظيم كرد كه درست مساوي فشار سازند باشد و بتوان آنرا كنترل كرد. اختلاف فشار گل و سازند را اختلاف فشار مي‏گويند. بديهي است كه اگر اين اختلاف فشار مثبت باشد يعني اگر فشار هيدرواستاتيك از فشار سازند بيشتر باشد، خطر شكستن ديواره چاه و بدنبال آن گم شدن گل در سازند وجود دارد و چنانچه اختلاف فشار منفي باشد يعني فشار هايدرواستاتيك از فشار سازند كمتر باشد، خطر جريان يافتن چاه و احتمال فوران آن پيش مي‏آيد.

قابل ذكر است كه شيب فشار طبيعي برابر است با 465/0 پي‏اس‏آي بر فوت و اين برابر با فشار يك ستون سازند آب به بلندي يك فوت است.

6-1- معلق نگه داشتن كنده‏ها و مواد وزن‏افزاي گل به هنگام خاموشي پمپ‏ها:

در حين عمليات حفاري گاهي ممكن است بعللي ناچار شويم كه پمپ‏هاي گل را خاموش كرده و عمليات را متوقف كنيم. زمان اين توقف بسته به دليل آن ممكن است چند دقيقه باشد و يا چند ساعت و حتي چند روز باشد. بهر حال در عرض اين توقف كه گل از گردش باز ايستاده است، كنده‏ها و ذرات جامد موجود در آن مي‏توانند در چاه ته نشين شده و مته و بخش بزرگي از لوله‏هاي حفاري را در زير خود مدفون سازد و ادامه حفاري را غيرممكن يا دست كم بسيار مشكل سازد. ليكن اگر گل به اندازه كافي وزن و گرانروي و بندش مولكولي و نيروي استحكام ژلاتيني داشته باشد، آنگاه مي‏توان انتظار داشت كه گل در تمام طول مدت سكون، شن و ساير ذرات جامد حفاري شده را در خود معلق نگه داشته و هر يك رادر محل خود قفل كرده و تا گردش مجدد، مانع ته نشين شدن آنها شود.

7-1- ترخيص شن و كنده‏هاي حفاري روي الك لرزان:

يك گل حفاري خوب بايد به گونه‏اي باشد كه وقتي از چاه بيرون مي‏آيد و روي تورهاي لرزان ريخته مي‏شود، كنده‏هاي حفاري و شن‏ها بتوانند براحتي از آن جدا شوند تا مجدداً بداخل چاه باز نگردد.

ترخيص شن روي توريهاي لرزان حائز اهميت بسيار است. زيرا شن فوق‏العاده فرساينده است و اگر از محيط گل خارج نشود و مجدداً وارد پمپها بشود، سبب فرسودگي شديد و سريع قطعات آنها و اتصالات لوله‏ها مي‏گردد. درصد شن در گل حفاري را سند كونتنت گويند و بويژه در هنگام حفاري سازندهاي شني بايد پيوسته اندازه‏گيري شود و اين درصد هرگز نبايد از دو درصد تجاوز كند.

8-1- تحمل بخشي از وزن لوله‏هاي حفاري و لوله‏هاي جداري:

هر چه حفاري عميق‏تر شود، وزن لوله‏هاي حفاري و لوله‏هاي جداري كه بايد در چاه وارد شوند بيشتر شده و فشار وارد بر دستگاههاي نگهدارنده آنها در روي دكل نيز افزايش پيدا مي‏كند. از آنجا كه لوله‏ها در چاه ناچار در دكل قرار خواهند گرفت پس تحت تأثير خاصيت شناورسازي گل يعني بويانسي افكت، به اندازه وزن گل هم حجمشان از وزن آنها كاسته خواهد شد. اين كاهش وزن لوله‏ها كه توسط گل تحمل مي‏شود به نفع جرثقيل‏هايي است كه در روي دكل، لوله‏ها را آويزان نگه داشته است. بديهي است كه هر چه وزن گل زيادتر شود لوله‏ها سبك‏تر مي‏شود يا بعبارت ديگر وزن ظاهري آنها كمتر مي‏شود.

9-1- به حداقل رسانيدن ضايعات وارد بر سازند‏هاي مجاور چاه :

به منظور حفاظت از سازندها، تثبيت كليه خواص گل حفاري در سطحي مطلوب، يك ضرورت است. با اين همه گاه بايد خواص گل را فدا كرد تا در عوض اطلاعات كافي پيرامون سازند حفاري شده بدست آورد. به عنوان مثال، نمك اگر چه گل را منقلب كرده و صافات يا فيلتريد آن را افزايش مي‏دهد ليكن اگر قرار است در چاه نمودار الكتريكي گرفته شود، براي دريافت نتايج صحيح از اين دستگاه بايد مقاومت گل را كنترل كرد و اين امر با افزودن نمك به گل ميسر است.

همچنين افزودن نفت به گل اگر چه كارآيي و ضريب توليد چاه را بهتر مي‏كند، ليكن همين نفت، در كار زمين شناسي اختلال ايجاد مي‏كند و بايد از مصرف آن در گل حفاري خودداري و صرفه نظر كرد.

10-1- انتقال توان هيدروليك پمپ‏ها به مته:

گل حفاري محيط پيوسته‏اي است كه توان توليد شده در پمپ‏ها را به نوك مته منتقل مي‏كند و ضمن اين كار، بخشي از اين توان را بصورت حرارت در قسمتهاي مختلف مسير حركت خود از دست مي‏دهد. بنابراين، همة توان توليد شده در پمپ‏ها به سر مته نمي‏رسد. بلكه فقط قسمتي از آن بنام توان مفيد به مته مي‏رسد و در آنجا مصرف مي‏شود. در هنگام برنامه‏ريزي براي تهيه يك گل حفاري به هيدروليك آن بايد توجه كافي نمود. اين به اين معني است كه سرعت گردش گل و خواص فيزيكي آن و همچنين نوع ذرات جامد معلق در گل و درصد آنها را طوري بايد در نظر گرفت كه از كل توان پمپ‏ها فقط اندكي بصورت گرما تلف شودو بيشتر آن در مته و براي تميز كردن ته چاه مصرف شود.

خاكهاي رسي:

خاكهاي رسي از مواد عمدة تشكيل دهندة گلهاي حفاري بشمار مي آيد. بهنگام حفاري طبقات محتوي اين نوع خاكها، بطور ناخواسته وارد گل شده و يا در بعضي موارد موجب بهم زدن خواص فيزيكي گل مي گردند.

انواع خاك هاي رسي:

در طبيعت مقادير زيادي معادن خاكهاي رسي يافت ميشود ولي با در نظر گرفتن شكل ساختمان هر يك از آنها را به سه دسته تقسيم مي كنند:

1-خاكهاي رسي سوزني شكل: ذرات اين دسته از خاكهاي رسي ساختماني سوزني شكل دارند و در مجاورت آب همانند بنتونايت متورم نمي شوند مثل خاك رس نمكي (Salt Clay).

2-خاكهاي رسي بشقابي شكل: بعضي از اين خاكها مثل ايلايت Illite در مجاورت آب ممكن است بسيار كم و يا اصلاً متورم نشوند.

3-خاكهاي رسي بشقابي شكل: بعضي ديگر از اين نوع خاكهاي رسي در مجاورت آب بخوبي متورم (Swell) ميشوند. از اين خاصيت در صنعت حفاري استفاده ميشود. مثل خاك رس بنتونايت كه نام علمي آن مونت موريلونايت است.

مينرالهاي رسي ديگري در طبقات رسي زمين يافت ميشوند كه برحسب مقدار آنها بترتيب عبارتند از: (ايلايت – كلرايت – مونت موريلونايت و كائولينايت ) مي باشند. بهنگام حفاري در طبقات محتوي خاكهاي رسي، مينرالهاي مختلف خاكهاي رسي وارد گل شده و در آن بحالت پراكنده در مي آيند ولي هيچوقت از آنها بعنوان عوامل موثر استفاده نميشود.

ساختمان مينرالهاي رسي: مينرالهاي رس از ذرات بسيار ريز و گوناگون سيليكاتهاي آلومينيوم آبديده تشكيل شده اند. ذرات رسي از ورقه هاي سيليكا (Sio2) و آلومين (Al2o3) بطور متناوب بر روي هم تشكيل شده است.

بنتونايت:

يك نوع خاك رس مونت موريلونايت است كه در مقابل آب خاصيت شكل پذيري و حتي انقباض و انبساط دارد. ساختمان مولكولي آن بصورت لايه هاي متناوب از سيليكا (Sio2) و آلومين (Al2o3) تشكيل شده است در ميان اين لايه ها ، و در سطح رويي آنها كاتيونهايي نظير سديم يا كلسيم وجود دارد. از اين نظر دو نوع بنتونايت خواهيم داشت يكي سديم بنتونايت و ديگري كلسيم بنتونايت مي باشد.

سديم بنتونايت يا وايومينگ بسيار مرغوب است ولي نوع كلسيم دار آن بخاطر داشتن كلسيم دو ظرفيتي قدرت پيوند را در سطح لايه ها بيشتر مي كند و اجازه ورود آب كمتري بداخل ذرات بنتونايت ميدهد كه در نتيجه گرانروي آن پائين مي آيد ولي در نوع اول آن كه (كاتيون سديم دارد چون سديم يك ظرفيتي است و براي نگهداشتن خود در سطح لايه هاي ذرات بنتونايت پيوند ضعيفي ايجاد مي كند بنابراين اجازه ميدهد مقدار زيادي آب در بين لايه‎هاي وارد شده و ذرات متورم شوند و خواص مطلوب را بر آورده سازد.) بطور كلي بايد گفت كه سديم بنتونايت در مجاورت آب معمولي از كلسيم بنتونايت گرانوري بيشتري توليد مي كند و در موقع خريد به اين مسئله مهم خيلي توجه ميشود.

خواص ديگر بنتونايت:

1-در گلهاي حفاري بيشتر بمنظور توليد لزجيت و نگهداري آب در ميان ذرات گل بكار ميرود.

2-براي ساختن گلهاي آبي سبك از آن استفاده ميشود.

3-در مقابل آب نمك بسيار حساس است زيرا ذرات آن در محلولهاي شور قادر نيستند آب را بخوبي جذب كنند،‌از اين نظر براي حل كردن بنتونايت در آب محتوي نمك طعام بايد ابتدا بنتونايت را در آب معمولي حل كرد و سپس بتدريج آب محتوي نمك را بآن اضافه كرد و اين تنها راهي است كه بايد بآن توجه داشت.

4- بنتونايت خاصيت تعويض يوني دارد بدين معني كه قادر است بخوبي يونهاي موجود در محيط اطراف را با يونهاي سطحي خود تعويض نمايد.

5- خاصيت ژلاتيني دارد و ذرات آن جذب آب متورم شده و پس از چند ساعت مي تركد كه با اين عمل خاصيت پلاستيكي مخصوص در گلهاي حفاري توليد مي كند.

طرز قرار گرفتن ذرات بنتونايت با يكديگر:

براي اينكه از حالت كميت و كيفيت ذرات رس موجود در گل اطلاع حاصل كنيم لازم است طرز قرار گرفتن ذرات مزبور را تحت بررسي قرار دهيم.

قبلاً گفته شد كه ساختمان ذرات رسي شبيه به بشقاب هستند و داراي دو سطح مختلف با شارژهاي متفاوت مي باشد يكي سطح جانبي كه داراي باز منفي است ديگري سطح لبه ها بار مثبت دارد. روي سطوح جانبي ذره ها كاتيونهايي نظير سديم و كلسيم در كنار هم قرار گيرند. طرز قرار گرفتن آنها در كنار يكديگر بشرح زير است:

1- بصورت سطح به سطح

2- بصورت لبه به سطح

3- بصورت لبه در كنار لبه

الف: اگر ذرات رس بصورت سطح به سطح در كنار هم قرار گيرند به آن متراكم شدن ذرات (AGGREGATION) گل مي گويند. تراكم ذرات ممكن است در اثر ورود يون كلسيم به گل اتفاق بيافتد . يون كلسيم از طرق مختلفي مثل آهك، ژيپسم ، و يا سيمان وارد گل ميشود و باعث پايين آمدن گرانري گل هاي رسي مي گردد.

ب: اگر ذرات رس بصورت لبه دركنار لبه ديگري قرار گيرند و يا اينكه لبه در كنار سطح جانبي ذره رس ديگر واقع شود بآن (FLOCCULATION) مي گويند اين حالت ممكن است بعلت بالا بودن درجه حرارت و با ورود كاتيون دو ظرفيتي به گل اتفاق بيافتد و باعث بالا رفتن گرانري گل بشود.

براي بهم زدن اين نوع اجتماع از مواد شيميايي مخصوص بنام (THINNER) استفاده ميكنند. و اين عمل را (DEFLOCCULATION) گويند و اين خود باعث پايين آمدن گرانروي گل ميگردد.

ج) پراكندگي ذرات بنتونايت (DISPERSION)

حالت پراكندگي ذرات بنتونايت در فاز مايع درست بر عكس عمل تراكم (ACCREATION) دليل بر بيشتر بودن تعداد ذرات در آب و بالا بودن گرانري مي باشد، درجه پراكندگي (DISPERSION) به مقدار الكترليت، زمان ،حرارت ، قابليت تعويض يوني و غلظت ذرات رسي بستگي كامل دارد.البته نبايد فراموش كرد كه وايومينگ بنتونايت در حرارت معمولي (اتاق) قادر نيست بطور كامل پراكنده شود.

موارد استفاده بنتونايت:

1- افزايش گرانروي در گلهاي تازه

2-كاهش خاصيت آب از دست دادگي (FLUID LOSS) در گل.

3-كاهش خاصيت آب از دست دادگي (FLUID LOSS) در حرارتهاي بالا

4-خاصيت هيدراته و پراكنده شدن

5-در سيمانكاري بمنظور كنترل WATER LOSS و بالا بردن نقطه واروي سيمان YIELD POINT از آن استفاده ميشود.

6-براي تهيه پيل غليظ از آن استفاده ميشود.

عملكرد خاكهاي رسي (YIELD) :

عملكرد ذرات رسي عبارتست از تعداد بشكه هاي گلي حاصل از يك بتن پودر بنتونايت كه گرانروي آن گل 15 سانتي پويز باشد.

علت اصلي انتخاب 15 سانتي پويز براي ارزيابي و تعريف YIELD بخوبي نشان داده شده است قسمت حساس و مهم اين گراف براي تمام خاكهاي رسي در نقطه 15 سانتي پويز آشكار ميگردد.

با استفاده از گراف زير گل شناسها قادر خواهند بود مقدار درصد مواد جامد، وزن و Yield گل را برحسب بارل در تن تعيين كنند. مثلاً حدود 20 پوند در هر بشكه بنتونايت لازم است تا يك گل با گرانروي 15 سانتي پويز ساخته شود.

با داشتن اين معلومات و استفاده از گراف مقادير زير مشخص ميشود.

درصد وزني مواد جامد 5/5%

درصد حجمي مواد جامد 5/2%

وزن حدود 6/8 ppg

يلد 100 بشكه در ازاء هر تن

طرز محاسبه مقدار مواد لازم براي افزايش وزن و حجم كل :

يكي از اساسي ترين قسمت از كارهاي يك گل شناس اينست كه مقادير لازم براي ساختن يك گل معماري محاسبه نمايد.

افزايش وزن و حجم گل با استفاده از رس :

بطوريكه ميدانيم وزن مخصوص خاك رس 5/2 و وزن هر بشكه آن 75 پوند است و بيشتر براي ساختن گلهاي سبك از آن استفاده ميشود:

(وزن اوليه – وزن ثانويه) 875

/ وزن ثانويه - 156

C = (افزايش وزن برحسب پوند بر فوت مكعب)

(وزن اوليه – وزن ثانويه ) 875

/ وزن ثانويه – 8/20

C = (افزايش وزن برحسب پوند بر گالن)

در فرموله اي بالا C عبارتست از پاكتهاي بنتونايت براي ساختن 100 بشكه گل وقتيكه بنتونايت به آب اضافه ميكنيم مقداري افزايش حجم خواهيم داشت كه از فرمولهاي زير محاسبه ميشود:

تعداد پوندهاي اضافه شده

= افزايش حجم (بشكه)

يا بعبارت ساده تر:

پاكتهاي بنتونايت مصرف شده

= افزايش حجم (بشكه)

افزايش وزن گل بوسيله باريت:

باريت بعنوان افزاينده وزن از آن استفاده ميشود و وزن مخصوص آن 2/4 و 262 پوند وزن دارد در ضمن وزن هر بشكه از باريت 1470 پوند مي باشد. براي افزايش وزن از فرمولهاي زير استفاده مي كنند.

147 (وزن اوليه – وزن ثانويه )

= X اگر وزن برحسب پوند بر فوت مكعب باشد

( وزن ثانويه– 262)

1470 (وزن اوليه – وزن ثانويه )

= X اگر وزن برحسب پوند بر گالن باشد

( وزن ثانويه - 5/35)

X عبارتست تعداد پاكتهاي باريت لازم براي 100 بشكه گل با تعداد پوندهاي لازم براي يك بشكه گل را نشان مي دهد. (عدد 55 وزن هر كيسه باريت برحسب پوند)

يكي از اساسي ترين قسمت از گازهاي يك گل شناس اينست كه مقادير لازم براي ساختن يك گل حفاري محاسبه نمايد.

بطوريكه ميدانيم وزن مخصوص خاك رس 5/2 و وزن هر بشكه آن 875 پوند است و بيشتر براي ساختن گلهاي سبك از آن استفاده ميشود:

C = (وزن اوليه –وزن ثانويه ) 875 / وزن ثانويه -156

C = (وزن اوليه –وزن ثانويه ) 875 /وزن ثانويه –8/20

در فرمولهاي بالا C عبارتيست از پاركتهاي بنتو نايت براي ساختن 100 بشكه گل.

خاك رس نمكي يا آتاپولگايت:

بنامهاي SALT CLAY ,SALT GEL معروف است .ساختمان مولكولي آن سوزني شكل وهمانند بنتونايت در اثر جذب متورم نميشود .قدرت نگهداري آب در ذرات آن بسيار ضعيف است وفقط براي توليد گرانروي در گلهاي آب نمك اشباع كه غلظت نمك آنها از 250000 قسمت در ميليون بيشتر باشد ازآن استفاده ميشود.

در ساختمان ذرات آتاپولكايت حالت جانشيني اتمي بسيار كمي وجود دارد وشارژ هاي الكتريكي موجود در روي سطوح ذرات آن بسيار كمي وجود ودر حد پائين هستند واز طرفي سطح مخصوص ذرات آن نيز كم است.

كلمه آتالگايت از پولگوس (ATOAPULGUS) جرجيا مشتق شده است وبراي اولين بار در سال 1935 شخصي بنام (De-LAPPARENT ) آنرا مورد مطالعه قرار داده است .

از طرفي نمونه مشابه آن در PALYGORSK كوههاي اورال در سال 1861 پيدا شده بود.از اين نظر به اين ماده PALYGROSKITE نيز مي گويند.

خاك رس نمكي بافت فيبري شكل دارد ولي از نظر شيميايي بصورت كريستالهاي هيدراته شده سيليكات منيزيم يا بجاي منيزم عناصري مثل آلومينيوم يا آهن يافت ميشود .

ذرات آن سوزني شكل وساختمان كريستالهاي آن بصورت DOUBLE CHATN از سيليكن واكسيژن كه بوسيله يك ميكروسكب الكتروني ميتوان خصوصيات حالت BRUSH HEAP ذرات سوزني خاك رس را تماشا كرد.

تذكر :در بعضي موارد از خاك رس نمكي براي تهيه پيل (L.C.M )از آن استفاده ميشود.