مقاله مطالعه خواص رئولوﮊیکی گل حفاری با استفاده از مدل ریاضی جدید

بخشی از مقاله

مطالعه خواص رئولوﮊیکی گل حفاری با استفاده از مدل ریاضی جدید

چکیده:
در این تحقیق خواص رئولوﮊیکی گل حفاری مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور از مدلهای رئولوﮊیکی مختلفی که تنش برشی را برحسب شدت برش بیان می کنند، نظیر مدل بینگهام، کیسون و هرشل‐ بالکلی استفاده شده است. بر اساس داده های تنش برشی و شدت برش برای دوغابهای حاوی مقادیر مختلفی از بنتونیت مدلهای رئولوﮊیکی مرسوم مطالعه شد و میزان دقت آنها در بیان رفتار منحنی جریان سیال مقایسه گردید. سپس مدل جدیدی برای بررسی رفتار منحنی جریان گل حفاری ارائه شد. نتایج حاصله نشان داد این مدل نسبت به مدلهای مرسوم بخوبی رفتار سیال را با دقت بالایی توجیه می کند. همچنین با استفاده از مدل جدید مقدار بهینه بنتونیت در دوغاب گل حفاری از دیدگاه خواص رئولوﮊیکی تعیین شد.
کلمات کلیدی: گل حفاری، مدل رئولوﮊیکی، منحنی جریان، ویسکوزیته، تنش تسلیم

مقدمه
یکی از مراحل بسیار مهم و حساس در استخراج نفت و گاز مرحله حفاری چاهها است و در راستای این امر، عوامل زیادی در رسیدن به نتیجه مطلوب موثر هستند. یکی از این عوامل، سیالاتحفاری می باشند. سیالاتحفاری با خواص و ترکیبات مختلف وظایف بسیار مهمی را در امر حفاری دارا هستند. بطوریکه بهبود خواص رئولوﮊیکی سیالاتحفاری علاوه بر حفاری مطلوب، کاهش هزینه را نیز در پی خواهد داشت. مهمترین وظیفه سیالحفاری عبارتند از:
خنک کردن مته و روغنکاری آن ،خنک کردن و روغنکاری لولههایحفاری، کنترل فشار سازند، حمل کندههای حفاری به خارج ازچاه، جلوگیری از ریزش دیواره چاه، انتقال توان هیدرولیکی به مته، جلوگیری از نفوذ سیالات لایههای مختلف به درون چاه و جلوگیری از سقوط ذرات در صورت توقف پمپ حفاری گلحفاری یک سیستم کلوئیدی است که از دو فاز مایع و جامد تشکیل شده است که با تغییر درصد فاز جامد، خواص آن قابل تغییر است. درصد این مواد جامد ممکن است از حدود یک الی دو درصد در گلهایحفاری سبک تا حدود پنجاه درصد در گل هایسنگین متغیر باشد.
یک گل مرغوب باید دارای مواد زیر در ساختمان خود باشد:
۱) یک مایع قابل دسترسی و حتی الامکان ارزان قیمت که بتواند اساس گل باشد مانند آب و نفت.
۲) مقادیر کافی ذراتکلوئیدی که بتوانند به گل خاصیت ﮊلهای بدهند تا گل قادر به نگهداری کندههای حفاری به صورت معلق در خود باشد و همچنین بتواند با مسدود کردن خلل و فرج دیواره چاه از هرزروی١ گل جلوگیری به عمل آورد. این ذرات کلوئیدی که به رس معروف هستند شامل موادی از قبیل بنتونیت٢، کائولنیت٣ ،
آتاپوتریت٤، ایلیت٥ و غیره میباشند.
خواص گلهایحفاری تا حدود زیادی بستگی به خواص رسهای موجود در آن دارد. در بخش حفاری رسها به دو گروه زیر تقسیمبندی می شوند: [1]
۱) رسهای با قابلیت تورم بالا٦: این نوع رسها جهت افزایش ویکسوزیته و کنترل هرزروی- سیال به گل افزوده میشوند. بنتونیت جزﺀ این گروه می باشد. یک بنتونیت با کیفیت بالا میبایست دارای مونتمورلنیت٧ باشد. رس های مونتمورلنیت بیشترین حجم تورم را در بین رسها دارند.

۲) رسهای با قابلیت تورم پائین٨: این رسها خیلی به مونتموریلونیت شبیه هستند زیرا آنها دارای صفحاتاکتاهدرالآلومینیم٩ و صفحاتتتراهدرالسیلیکا١٠ میباشند. این رسها اکثر آً در طی حفاری بعضی از سازندها وارد گلحفاری می شوند.[1]

کنترل رفتار رئولوﮊیکی سیالاتحفاری پایه آبی که در آنها بنتونیت بکار رفته، یکیازاساسی ترین کارها در رسیدنبه عملیاتحفاریموفقیتآمیز میباشد. از مهمترینخواصگل حفاری خاصیت shear-thinning آن است. ویسکوزیته گل نزدیک مته حفاری که نرخ تنش بالاست، میبایست کم بوده و در نواحی دور از مته که نرخ تنش کم است، ویسکوزیته باید بالا باشد تا از سقوط کنده های حفاری به ته چاه جلوگیری نماید. بیشتر سیالاتی که در صنعت کاربرد دارند از نوع سیالات غیرنیوتنی هستند که گلحفاری نیز از این قاعده مستثنی نیست.
سیالات غیرنیوتنی مستقل از زمان را می توان به دوگروه زیرتقسیم کرد: [2-4]

۱‐ سیالات دارای یک تنش تسلیم: مدلهایتجربی زیادی برای مربوطساختن تنشبرشی این مواد به شدت برش آنها پیشنهاد شده ،که از میان این مدلها، مدل بنیگهام پلاستیک که شامل دو ثابت ( : τ0 تنش تسلیم و ηویسکوزیته ظاهری است) است، بیشتر موردتوجه قرارگرفتهاست. به عنوان مثال گلهای حفاری چاه، بتن تازه آماده شده، دوغابهای گچی و ماسهای، خمیردندان، خمیرکاغذ را می توان جزﺀ این دسته از سیالات قرار داد.

۲‐ سیالات فاقد تنش تسلیم: از دیدگاه رئولوﮊی این مواد به دو دسته تقسیم می شوند:
الف‐ سیالات شبه پلاستیک: بخش عمده مواد غیرنیوتنی به این گروه تعلق دارند. مقدار ویسکوزیته این سیالات در شدت برشهای بالا تقریبا مقدار ثابتی است. مدلهای تجربی زیادی برای مرتبط ساختن تنش برشی به شدت برشی برای این نوع سیالات ارائه شده است که در بین آنها معادله پاورلا τ  k .γ n بیشتر رایج میباشد. ضریب ثابت معادله نشانگر ویسکوزیته

سیال بوده و هرچه بزرگتر باشد، سیال ویسکوزتر است و پمپ کردن آن مشکلتر میشود. توان معادله نیز نشان دهنده درجه انحراف از سیالنیوتنی میباشد و هرچه مقدار آن از یک کمتر باشد، این انحراف بیشتر است. با توجه به معادله پاورلا ویسکوزیته ظاهری این سیالات بصورت η  k .γn −1 تعریف میشود. گل های حفاری حاوی افزودنی های پلیمری، محلولهایلاستیک طبیعی یا مصنوعی، سوسپاسیونخیلی رقیقرس، چسبها، گریسها، دوغابهای شویندهها، خمیرکاغذ، رنگها و تا اندازهای از این معادلات پیروی میکنند.
ب‐ سیالات دیلاتانت: در این سیالات برخلاف سیالات شبهپلاستیک، ویسکوزیته ظاهری با افزایش شدت برش افزایش می یابد. برخی از محلولهای پودرذرت و شکر، محلولنشاسته را جزﺀ این دسته از سیالات میتوان در نظر گرفت. [5-7]
مدلهای رئولوﮊیکی سیالات غیر نیوتنی:
در این مقاله برای بررسی رفتار رئولوﮊیکی گل حفاری از مدلهای زیر استفاده شده است. برای بررسی قابلیت هر کدام از مدلها از داده های آزمایشگاهی تنش برشی در برابر شدت برش برای دوغاب های حاوی مقادیر مختلفی از بنتونیت استفاده شده است.

بحث و تحلیل نتایج
دادههای آزمایشگاهی تنش برشی بر حسب شدت برش برای دوغابهای حاوی مقادیر مختلفی از بنتونیت در شکلهای ۱، ۲، ۳، ۴ و ۵ نشان داده شده است. [8] به وضوح دیده می شود که با افزایش شدت برش ویسکوزیته ظاهری کاهش می یابد و به عبارت بهتر دوغابها رفتار شبه پلاستیک را از خود بروز می دهند. همچنین همه دوغابها دارای تنش تسلیم می باشند.
مقدار بنتونیت نیز بر خواص رئولوﮊیکی گل حفاری موثر بوده و با افزایش مقدار بنتونیت بر مقدار ویسکوزیته ظاهری و تنش تسلیم افزوده می شود.