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.