گل حفاری چیست

گل حفاری یا سیال حفاری به مخلوطی از آب و رس یا سایر مواد معدنی و شیمیایی گفته می‌شود که برای حمل مواد حفر شده در سیستم‌های حفاری، به سطح زمین از آن استفاده می‌شود. گل حفاری علاوه بر بالا آوردن تراشه‌های زمین، کاربردهای دیگری نیز دارد، که عبارتند از:

• خنک کردن و روان کردن مته
• ایجاد فشار بر روی دیواره چاه و جلوگیری از ریزش آن
• اندود کردن بدنه چاه و مهار منافذ آن
• مانع شدن از ورود گاز یا نفت از لایه‌های متخلخل به چاه
• انتقال اطلاعات لرزه‌ای و الکتریکی از ته چاه به سطح زمین

گل حفاری باید از نظر فیزیکی و ترکیب شیمیایی ساختار و ویژگی مناسب و بخصوصی داشته باشد تا در شرایط مختلف حفاری از جمله عمق، فشار، دما، سختی و ترکیب سنگ‌ها، نوع مته و سرعت انجام این کارایی مناسبی داشته باشد. برای این منظور، محصول نامبرده با مواد افزودنی مختلفی ترکیب و تنظیم می‌شود که به آن‌ها افزایه گل گفته می‌شود.

در ادامه این مطلب قصد داریم به ویژگی‌های هریک از انواع سیال حفاری، سیال حفاری چیست و بررسی انواع افزودنی های گل حفاری بپردازیم.

انواع گل حفاری

اما گل حفاری می‌تواند بر پایه آب، روغن، گاز، سنتتیک یا امولسیون باشد که هر نوع از آن مزایا و معایب خاص خود را دارند و برای انتخاب درست انواع آن باید به عواملی مانند خواص سنگ مخزن، شرایط حفاری، محیط زیستی و شرایط اقتصادی در حفاری توجه نمود.

به طور کلی، گل حفاری را می‌توان بر اساس چگالی، ویسکوزیته، فیلتراسیون و دیگر خواص فیزیکی و شیمیایی به چند دسته تقسیم‌بندی کرد. برخی از انواع سیال حفاری رایج عبارتند از:

گل حفاری هوایی:

• این نوع سیال حفاری معمولاً برای حفر چاه‌های کم عمق و کم فشار استفاده می‌شود. از مزایای این دست انواع سیال حفاری می‌توان به پایین بودن چگالی و ویسکوزیته آن اشاره کرد که باعث کاهش هزینه‌ها و افزایش سرعت فرآیند حفاری می‌شود. اما این نوع گل حفاری کنترل فشار و حمل خاکبرداری را دشوار می‌کند و ممکن است باعث ایجاد انفجار، آتش‌سوزی یا آلودگی در محیط زیست شود.

گل حفاری گازی:

• این سیال حفاری بر پایه گاز تشکیل می‌شود و معمولاً برای حفر چاه‌های عمیق و با فشار بالا استفاده می‌شود. این سیال حفاری چگالی و ویسکوزیته کمتری نسبت به انواع سیال حفاری آبی و روغنی دارد و باعث افزایش تراوایی و بازدهی در حفر چاه می‌شود. کنترل فشار و حمل خاکبرداری را دشوار کرده و ممکن است باعث ایجاد انفجار، آتش‌سوزی یا آلودگی در محیط زیست شود.

گل حفاری فومی:

• از ترکیب هوا یا گاز با آب یا روغن ساخته می‌شود و برای حفاری چاه‌های کم عمق و کم فشار مورد استفاده قرار می‌گیرد. چگالی و ویسکوزیته کمتری نسبت به انواع سیال حفاری آبی و روغنی دارد و باعث کاهش هزینه‌ها و افزایش سرعت حفاری شده ولی کنترل فشار و حمل خاکبرداری را دشوار می‌نماید.

گل حفاری سیمانی:

• این نوع محصول برای تثبیت و ایزوله کردن دیواره‌های چاه و جلوگیری از نشت سیالات مخزن به چاه مورد استفاده قرار می‌گیرد. چگالی و ویسکوزیته بالایی دارد و باعث افزایش استحکام و مقاومت چاه می‌شود. اگرچه هزینه‌های انجام آن و تهیه آن بالاست و همچنین باعث آلودگی محیط زیست می‌شود.

گل حفاری بنتونیتی:

• از ترکیب آب و بنتونیت (یک نوع خاک رس) تشکیل شده و برای حفاری چاه‌های آبی و معدنی استفاده می‌شود. چگالی و ویسکوزیته متوسطی دارد و باعث کاهش اصطکاک و سایش تیغه‌های حفاری می‌شود. اگرچه ممکن است با برخی از سنگ‌های مخزن سازگاری نداشته باشد و باعث تورم، ترکیدگی یا حل شدن آنها شود.

گل حفاری پلیمری:

• این محصول که از ترکیب آب و پلیمر (یک نوع ماده شیمیایی) تشکیل شده برای حفاری چاه‌های نفتی و گازی کاربرد دارد. چگالی و ویسکوزیته کمتری نسبت به انواع سیال حفاری آبی و روغنی دارد و باعث افزایش تراوایی و بازدهی چاه می‌شود. البته این نوع از گلها نیز ممکن است با برخی از سنگ‌های مخزن سازگاری نداشته باشد و باعث تورم، ترک خوردن یا حل شدن آنها شود.

نوع گل حفاری	مایع پایه	مواد جامد
گل آبی ساده	آب شیرین یا شور	رس، بنتونیت
گل آبی نمکی	آب شور یا دریا	رس، بنتونیت، نمک
گل آبی لیمی	آب شیرین یا شور	رس، بنتونیت، لیم
گل آبی گلی	آب شیرین یا شور	رس، بنتونیت، گل
گل آبی پلیمری	آب شیرین یا شور	رس، بنتونیت، پلیمر
گل آبی سیلیکاتی	آب شیرین یا شور	رس، بنتونیت، سیلیکات
گل آبی سیمانی	آب شیرین یا شور	رس، بنتونیت، سیمان
گل نفتی ساده	نفت خام، دیزل، کروزن	رس، باریت
گل نفتی امولسیونی	نفت خام، دیزل، کروزن	رس، باریت، امولسیفایر
گل نفتی گیلسونایتی	نفت خام، دیزل، کروزن	رس، باریت، گیلسونایت
گل نفتی پلیمری	نفت خام، دیزل، کروزن	رس، باریت، پلیمر

بنابراین این محصول می‌تواند بر پایه آب، روغن، گاز، سنتتیک یا امولسیون انتخاب شود که هر یک همانطور که اشاره شد، مزایا و معایب خاص خود را دارند و برای انتخاب درست سیالات حفاری باید به عواملی مانند خواص سنگ مخزن، شرایط حفاری، توجه به محیط زیست و شرایط اقتصادی و مالی در حفاری توجه نمود.

خواص گل حفاری

گل حفاری باید دارای خواص فیزیکی و شیمیایی مناسبی باشد تا بتواند وظایف خود را به خوبی انجام دهد. برخی از خواص مهم سیالات حفاری عبارتند از:

چگالی:

مقدار جرم گل حفاری در واحد حجم آن است. چگالی سیال حفاری باید به گونه‌ای تنظیم شود که بتواند فشار سیالات مخزن را کنترل کند و از ورود آنها به چاه جلوگیری کند. چگالی انواع سیال حفاری معمولاً با افزودن مواد سنگین مانند باریت، هماتیت یا کلسیت به آن افزایش می‌یابد.

ویسکوزیته:

مقدار مقاومت سیالات حفاری در برابر جریان است. ویسکوزیته گل حفاری باید به گونه‌ای تنظیم شود که بتواند حمل خاکبرداری را به خوبی انجام دهد و از رسوب شدن آن در چاه جلوگیری کند. ویسکوزیته سیال حفاری معمولاً با افزودن مواد لزج مانند بنتونیت، پلیمر یا کسانتان گام به آن افزایش می‌یابد.

فیلتراسیون:

مقدار سیالی که از این نوع محصولات به سنگ‌های مخزن نفوذ می‌کند. فیلتراسیون گل حفاری باید به حداقل ممکن کاهش یابد تا از کاهش تراوایی و تغییر شکل سنگ‌های مخزن جلوگیری کند. فیلتراسیون سیالات حفاری معمولاً با افزودن مواد مهارکننده مانند سلولز، استارچ یا گیلسونیت به آن کاهش می‌یابد.

پمپ گل حفاری

پمپ گل حفاری دستگاهی است که سیالات حفاری را از مخزن به تیغه‌های حفاری و سپس به سطح زمین منتقل می‌کند. این پمپ باید دارای قدرت و ظرفیت کافی باشد تا بتواند انواع محصول نامبرده را با فشار و جریان مورد نیاز به درون چاه بفرستد. پمپ گل حفاری معمولاً از نوع پیستونی یا سانتریفیوژی انتخاب می‌شود.

محاسبات گل حفاری

برای محاسبه چگالی، ویسکوزیته، فیلتراسیون، فشار، جریان و دیگر پارامترهای سیالات حفاری، محاسباتی با استفاده از فرمول‌ها، جداول، نمودارها و نرم‌افزارهای مخصوص و به منظور طراحی، انتخاب، تنظیم و کنترل انواع سیال حفاری در طول عملیات حفاری انجام می‌پذیرد. در ادامه به برخی از فرمول‌های مهم در محاسبات گل حفاری اشاره خواهیم کرد:

فرمول چگالی گل حفاری:

چگالی گل حفاری برای تأمین فشار هیدرواستاتیک، جهت کنترل چاه برای عملیات حفاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ρm​=Vm​*Wm​​

•  ρm​چگالی سیال حفاری است بر حسب پوند در گالن (PPG)
•  Wm​وزن گل حفاری است و واحد آن پوند (lb) است.
•  Vm​حجم گل حفاری بر حسب گالن  (gal)

 فرمول ویسکوزیته گل حفاری:

ویسکوزیته یا لزجت یک سیال، میزان مقاومت آن را در مقابل جاری شدن نشان می‌دهد. ویسکوزیته سیالات حفاری برای کنترل فشار هیدرواستاتیک، حمل برش‌های حفاری، جلوگیری از خوردگی و ایجاد لایه محافظ در دیواره چاه اهمیت دارد.

فرمول ویسکوزیته گل حفاری به صورت زیر است:

• μ ویسکوزیته دینامیک گل حفاری بر حسب پاسکال-ثانیه (Pa.s) 
• τ تنش برشی گل حفاری بر حسب پاسکال  (Pa) 
• γ˙​ نرخ برش گل حفاری بر حسب ثانیه

این فرمول برای محاسبه ویسکوزیته سیالات نیوتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد که ویسکوزیته آن‌ها تابعی از نرخ برش نیست. اما بسیاری از گل‌های حفاری رفتار غیر نیوتنی دارند و ویسکوزیته آن‌ها با تغییر نرخ برش نیز تغییر می‌کند. برای این سیالات، معمولاً از مدل‌هایی مانند مدل پاورلاو یا مدل هرشل-بالکلی استفاده می‌شود.

برای اندازه‌گیری ویسکوزیته سیالات حفاری، معمولاً از دستگاه‌هایی مانند ویسکومتر یا رئومتر استفاده می‌شود که می‌توانند تنش برشی و نرخ برش را اندازه‌گیری کنند.

ویسکوزیته گل حفاری تحت تأثیر عواملی مانند دما، فشار، ترکیب شیمیایی، غلظت و اندازه ذرات مواد جامد، نوع و مقدار مواد افزودنی و زمان استراحت تغییر می‌کند.

برای کنترل ویسکوزیته انواع سیال حفاری، از مواد افزودنی مانند پلیمرها، گل‌آلودگرها، تنظیم‌کننده‌های pH و ضد خوردگی استفاده می‌شود.

فرمول فیلتراسیون گل حفاری:

فیلتراسیون محصول نامبرده به میزان نفوذ گل از دیواره چاه به سازند گفته می‌شود. این پدیده سبب آسیب به سازند، کاهش تولید، افزایش هزینه‌ها و مشکلات در حفاری می‌گردد. بنابراین، کنترل فیلتراسیون سیال حفاری از اهمیت بالایی برخوردار است.

فرمول فیلتراسیون به صورت زیر است:

F=kΔPn

• F میزان فیلتراسیون گل حفاری بر حسب سی‌سی در ساعت (cc/hr)
• k ضریب نفوذپذیری گل حفاری بر حسب سی‌سی در ساعت بر بار (cc/hr/psi)
• ΔP تفاوت فشار بین گل حفاری و سازند بر حسب پوند بر اینچ مربع (psi)
• N اندیس نفوذپذیری گل حفاری

این فرمول برای گل‌های حفاری با رفتار نیوتنی برقرار است که فیلتراسیون آن‌ها تابعی از تفاوت فشار می‌باشد. اما بسیاری از این نوع محصولات همانطور که پیش‌تر نیز گفته شد، رفتار غیر نیوتنی دارند و فیلتراسیون آن‌ها تابعی از تفاوت فشار، زمان، دما، ترکیب شیمیایی و خواص رئولوژیکی می‌باشد.

برای اندازه‌گیری فیلتراسیون انواع سیال حفاری، معمولاً از دستگاه‌هایی مانند فیلتر‌پرس API یا  HTHP استفاده می‌شود که می‌توانند فشار، دما و زمان را تنظیم کرده و میزان فیلتراسیون و ضخامت لایه محافظ را اندازه‌گیری کنند.

برای کنترل فیلتراسیون محصول، می‌توان از مواد افزودنی مختلفی مانند بنتونیت، پلیمرها، آسفالت، گیلسونایت، نشاسته، سلولز و آهک استفاده نمود.

تولید گل حفاری

برای تهیه و آماده‌سازی گل حفاری، ابتدا مواد اولیه مورد نیاز شامل آب، روغن، گاز، سنتتیک، بنتونیت، باریت، کربنات کلسیم، پلیمرها، امولسیفایرها و غیره نیاز است. سپس سیال حفاری را با استفاده از مخلوط‌کن‌ها، شیکرها، هیدروسیکلون‌ها، دیگاسرها و دیگر تجهیزات آماده‌سازی گل حفاری مخلوط و تصفیه می‌کنند و در نهایت با استفاده از مخازن، تانکرها و با لوله‌ها و پمپ‌ها به محل حفاری منتقل نموده و مورد استفاده قرار می‌دهند.

ویژگی‌های گل حفاری

عواملی مانند توانایی حمل تراشه‌ها، کنترل فشار، پایداری چاه، خنک کردن و تمیز کردن ابزار، انتقال انرژی، جلوگیری از ترکیدگی سنگ، حفظ خواص سنگ مخزن، کاهش اصطکاک، کاهش هزینه‌ها و غیره از ویژگی‌های این نو محصولات محسوب می‌شوند. این ویژگی‌ها سبب می‌شوند سیالات حفاری یک عامل مؤثر در افزایش بهره‌وری و کاهش خطرات حفاری باشد.

همچنین انواع سیال حفاری بسته به اینکه سیال حفاری چیست، ویژگی‌های مختص به خود را دارند، که بر روی عملکرد و کارایی آن تأثیر دارد. برخی از این ویژگی‌ها عبارتند از:

تراوایی:

• به سهولت جریان در سنگ‌های مخزن گفته می‌شود و تراوایی گل حفاری باید به گونه‌ای باشد که بتواند سیالات مخزن را به خوبی حمل کند و از کاهش تراوایی سنگ‌های مخزن جلوگیری کند. تراوایی انواع سیال حفاری معمولاً با افزایش چگالی و کاهش ویسکوزیته آن کاهش می‌یابد.

تر شوندگی:

• مقدار تمایل این محصولات به ایجاد تماس با سطح سنگ‌های مخزن است و تر شوندگی گل حفاری باید به گونه‌ای باشد که بتواند از تماس نامطلوب آن با سنگ‌های مخزن جلوگیری کند و از تشکیل پوسته یا لایه‌های ناخواسته بر روی سنگ‌ها جلوگیری کند. تر شوندگی سیالات حفاری معمولاً با افزایش pH و کاهش فیلتراسیون آن کاهش می‌یابد.

ترموستابیلیته:

• میزان تحمل این نوع محصولات در برابر تغییرات دما است و ترموستابیلیته سیال حفاری باید به میزانیباشد که بتواند خواص خود را در دماهای مختلف حفاری حفظ نماید و از تغییر شکل یا تخریب محصول نامبرده جلوگیری کند. ترموستابیلیته سیالات حفاری معمولاً با افزودن مواد مقاوم در برابر حرارت مانند پلیمرها یا سیلیکات‌ها به آن افزایش می‌یابد.

آنالیز گل حفاری

در آنالیز گل حفاری به بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی انواع سیال حفاری پرداخته می‌شود و با استفاده از روش‌های آزمایشگاهی، دستگاه‌های حفاری و نرم‌افزارهای تحلیلی انجام می‌شود. هدف از آنالیز سیالات حفاری ارزیابی کیفیت و عملکرد و شناسایی مشکلات و راه‌حل‌های آن است .برخی از این آزمایش‌ها عبارتند از:

• آزمایش چگالی
• آزمایش ویسکوزیته
• آزمایش فیلتراسیون
• آزمایش pH

فرایند سیال حفاری

به فرآیند جریان گل حفاری از مخزن گل به چاه و از چاه به مخزن گل گفته می‌شود و در این فرایند سیالات حفاری توسط پمپ سیال حفاری به چاه با فشار منتقل شده و از طریق لوله‌های حفاری به سرچاه می‌رسد. سپس این محصولات با تراشه‌های حفاری به سطح برمی‌گردد و از طریق شیکرها و دیگر تجهیزات جداسازی تراشه‌ها، از گل جدا می‌شوند. در نهایت بسته به این که نوع سیال حفاری چیست، گل حفاری دوباره به مخزن منتقل شده و برای چرخه بعدی آماده می‌شود .