ایزولاسیون حوضچه گل حفاری
یکی از عمده کاربرد های ژئوممبران در صنعت نفت ایزولاسیون واحداث حوضچه های گل حفاره ای با ژئوممبران میباشد.
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 لوله هاي حفاري ميشد و يا ريزش ديواره چاه باعث گير كردن لوله ها 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 در 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.
1-3 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:
1-1-3 تميزكردن 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.
2-1-3 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.
3-1-3 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.
4-1-3 اندود كردن ديواره چاه
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.
5-1-3 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.
6-1-3 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.
7-1-3 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.
8-1-3 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.
9-1-3 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.
10-1-3 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
تصفیه بیولوژیک پساب های نفتی
فرآیند اکتشاف نفت شامل فعالیت هایی برای شناسایی و دستیابی به ساختارهای ژئولوژیک حاوی نفت است. از گل های حفاری پایه آبی، روغنی و سنتزی در عملیات حفاری نفت برای خارج کردن سنگ‌های کنده شده از اطراف مته و آوردن آنها به سطح، ایجاد شناوری برای وسایل و تجهیزات درون چاه و ایجاد فشار بر چاه جهت جلوگیری از فوران چاه استفاده می شود.
گل های پایه روغنی، بنیان نفتی مانند گازوئیل دارند و علی رغم مزیت های استفاده از آنها نسبت به سایر سیالات، استفاده از آنها نیاز به مراقبت های ویژه دارد زیرا باعث آلودگی محیط زیست با ترکیبات هیدروکربنی می شوند و مدیریت و تصفیه پسماندهای حاصل از گل های پایه روغنی هزینه بالایی دارد. میانگین حجم پساب گل پایه روغنی، ۲۸۰۰ بشکه برای هر چاه تخمین زده می شود که محتوی سنگ های کنده شده هنگام حفاری زمین و پساب نفتی است. اجرای یک روش تصفیه و دفع پساب سازگار با محیط زیست در مکان حفاری، هزینه حفاری را کاهش داده و آلودگی های زیست محیطی را به حداقل می رساند. شستشوی کنده ها، سوزاندن مواد آلاینده و سیستم استخراج با حلال، علی رغم هزینه بالا، کارایی لازم را در تصفیه پساب ندارند. پاکسازی زیستی (Bioremediation) به عنوان یک روش مقرون به صرفه و ایمن زیست محیطی مورد توجه است. در این روش باکتری ها و سایر میکروارگانیسم ها، هیدروکربن های نفتی را به ترکیبات بی خطری نظیر اسیدهای چرب، دی اکسیدکربن و آب تجزیه می کنند.در حال حاضر تنها سیستم مورد قبول در کشورهای پیشرفته پاکسازی زیستی است.
بیورمدیشن پساب چاه های نفتی برای اولین بار در ایران توسط آقای دکتر غلامحسین ابراهیمی پور، دانشیار گروه میکروبیولوژی دانشکده علوم زیستی دانشگاه شهید بهشتی در کیش، اهواز، دارخوین و اروندکنار با موفقیت انجام شد. تصاویر زیر مراحل پاکسازی زیستی پساب های نفتی ناشی از حفاری چاه نفت در دارخوین و آب تیمور در استان خوزستان را نشان می دهد. در این روش میزان گازوئیل و دیگر ترکیبات نفتی آلاینده به صفر، COD یا (Chemical Oxygen Demand) - نیاز به اکسیژن شیمیایی – و (BOD5 (Biochemical Oxygen Demand – نیاز به اکسیژن بیوشیمیایی در یک دوره ۵ روزه – پساب کاهش یافته و به استانداردهای بین المللی رسانده می شود. پاکسازی زیستی یک فرآیند تجزیه میکروبی ساده نیست بلکه شامل فرآیندهای بیوشیمیایی پیچیده است و قابلیت اجرای آن قبل از بردن در مقیاس بزرگ باید بررسی شود. این سیستم تصفیه یک روش پیچیده مهندسی شده است که معمولا ۵ قسمت دارد:
- یک مخزن بتنی برای جدا کردن سنگ های کنده شده هنگام حفر چاه از پساب
- تاسیساتی برای جمع آوری و تیمار پساب آلوده به نفت
- مکانی برای نگهداری گل حفاری
- بیوراکتور با سیستم هوادهی و همزن
- تاسیساتی برای تخلیه پساب تصفیه شده