بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاربرد مدل هرشل – بالکلي در توصيف رفتار رئولوژيکي گل هاي پايه بنتونيتي بهبود يافته توسط پليمر صمغ زانتان
چکيده
هدف از اين تحقيق ، بررسي ميزان دقت مدل رئولوژيکي هرشل – بالکلي در توصيف رفتار رئولوژيکي گلهاي پايـه بنتونايتي است . به منظور بهبود خواص رئولوژيکي گل پايه بنتونيتي به آن به صورت جداگانه مقادير مختلـف صـمغ زانتان افزوده شد. پنج فرمولاسيون متفاوت بر اساس روش انستيتو نفت امريکا (API) آمـاده و خـواص رئولـوژيکي آنها بوسيله ويسکومتر فن ٣٥ تعيين شد. دادههاي آزمايشگاهي بدست آمده به توسط مدل هرشل – بـالکلي بـرازش گرديدند. نتايج حاصل از برازش بر اساس آناليز آماري نشان داد که مدل به خوبي قادر به توصيف رفتار رئولوژيکي گل هاي پايه بنتونيتي ميباشد. همچنين ، نتايج حاصل از کار آزمايشگاهي نشان داد که افزودن زانتان گام به گل پايـه بنتونايتي ميتواند به طور رضايت بخشي باعث بهبود خواص رئولوژيکي شود.
واژههاي کليدي : گل حفاري، بنتونيت ، زانتان ، خواص رئولوژيکي، هرشل - بالکلي
١- مقدمه
طراحي وفرمولاسيون مناسب سيال حفاري يک عامل مهم و حياتي عمليات حفاري در صنعت نفت اسـت . بـه عبـارت ديگر سيال حفاري نقش مهمي را در بازدهي فني وايمني عمليات حفاري دارد. مهمترين وظيفـه اي کـه در بسـياري از مراجع براي سيال حفاري ذکر و طبقه بندي شده شامل خنک سازي وروغنکاري مته و رشته حفاري، کنترل فشـارهاي زير زميني وانتقال کنده ها از ته چاه به سطح زمين مي باشد[١-٢]. براي دستيابي به اين اهـداف، سـيال حفـاري بايسـتي داراي شرايطي مناسب باشد تا انتظارات را برآورده سازد.
در صنعت نفت ترکيب آب ورس ساده ترين سيال حفاري را تشکيل مي دهد. يکي از رسهاي مورد اسـتفاده بنتونايـت است که به راحتي درآب هيدراته شده و موجب افزايش ويسکوزيته ميشود[٣]. بعلاوه، ايـن مـاده بـه منظـور افـزايش ظرفيت تميزکاري چاه، تشکيل يک کيک گل نازک با نفوذپذيري کم در ديواره چاه، کم کردن نفوذ سـيال بـه درون نواحي نفوذپذير و بالا بردن پايداري چاه به آب اضافه ميشود[٤]. ذرات بنتونايت تحت شرايط معيني از قبيل دماي بالا
،غلظت بالا وغيره امکان تودهاي شدن را دارند. واکنش بين ذرات بنتونايت وپليمرها مطابق با مشخصـه يـوني يـا غيـر يوني بودن پليمرها اتفاق مي افتد.
صمغ زانتان ، يک بيوپليمرپلي ساکاريد، آنيونيک و حـلال درآب اسـت کـه محصـول يـک واکـنش باکتريـايي١ بـا کربوهيدراتهاست [٥]. صمغ زانتان بطور گستردهاي بعنوان افزاينده ويسکوزيته و عامل تعليق کننده درآبهـاي شـيرين و شور سيالات حفاري پايه آبي استفاده شده و تنها پليمري است که خاصيت تيکسوتروپي را فراهم ميکند[٦]. اين مـاده در تميزکاري چاه و خواص تعليقي با وجود غلظت هاي کم فوق العاده است واز طرفي بايد به پايـداري آن در محـيط هاي نمکي اشاره کرد که اين مشخصات استفاده ازآن را بسيار به صرفه ميکند. همچنين صـمغ زانتـان را بعنـوان يـک کنترل کننده صافاب سيال حفار ي در ترکيب گل ميتوان استفاده کرد.
در مناطق نفتي، دانسيته ، خواص رئولوژيکي و کنترل صافاب سه خاصيت اساسي گل حفاري است که روزانه و در طي عمليات حفاري اندازه گيري ميشوند. در نتيجه ، اکثر موادي که به عنوان افزايندهها در سيال حفاري مورد استفاده قرار ميگيرند بايد يک يا چند مورد از اين موارد را کنترل يا بهبود بخشند.
اگرچه محققان زيادي در مورد اثرات افزودن مواد مختلف به بنتونايت مطالعه کردهاند[٧-٩]، اما ارزيابي مختصـري بـر
روي تاثير صمغ زانتان روي ذرات بنتونايت صورت گرفته است .
هدف از انجام اين مطالعه ، بررسي ميزان دقت مدل هرشل – بالکلي در توصيف رفتار رئولوژيکي گل هاي پايه بنتـونيتي ميباشد. همچنين ، تغييرات پارامترهاي رئولوژيکي مدل هرشل – بالکلي بر اثر افزايش صـمغ زانتـان بـر گـل هـاي پايـه بنتونيتي بررسي خواهد شد.
٢- روش انجام آزمايش ها
٢-١- مواد شيميايي مورد استفاده
بنتونايت و صمغ زانتان هر دو محصول داخل کشور به ترتيب از شرکت صنعتي پودرسازان وشرکت گروه معـدني و حفاري همدان تهيه شدند.
به منظور اندازه گيري خواص رئولوژيکي تمامي سيالات مطابق دستورالعمل انستيتو نفت امريکا (API) تهيه شـدند.
سيال پايه بنتونايتي با مخلوط کردن ١٠ گرم از بنتونايت در ٣٥٠ ميلي ليتر آب ، که جهت کـاهش سـختي آن مقـدار
٠.٥ گرم سودا-اش به سيال اضافه شد به طوي که سختي کل آن ppm ٥٤ بدست آمد، به توسط همزن با سرعت بالا به مدت ١٥ دقيقه آماده شد. سپس صمغ زانتان در چهار مقدار مختلـف ٠.٢٥ ،٠.٥٠ ،٠.٧٥ و ١ گـرم بـه آرامـي بـه سيال پايه بنتونيتي افزوده شد و به مدت ١٥ دقيقه سيال مورد نظر همزده شد.
در نهايت ، پنج نمونه گل حفاري پايه بنتونيتي آماده شد. pH هريک از نمونه ها توسط دستگاه pH متر اندازه گيري شد. جدول ١ فرمولاسيون مختلف هريک از سيالات حفاري آماده شده به همراه مقادير pH آنها را نشان ميدهد.
٢-٢-اندازهگيري خواص رئولوژيکي
دادههاي رئولوژيکي سيالات حفاري ساخته شده در اين مطالعه با استفاده از يک ويسکومتر استوانه اي
چرخشي و هم محور١ آمد. اندازهگيري ها در شش سرعت برشي متفاوت بدست انجام شد. همه تست ها در دماي متوسط ٢٣ درجه سانتيگراد صورت گرفت .
٢-٣- تعيين خواص رئولوژيکي
از معادله زير جهت تعيين تنش برشي با استفاده از دادههاي ويسکومتر استفاده شد،
تنش برشي بر حسب پاسکال و θمقدار انحرافي است که در هر سرعت برشي از ويسکومتر خوانده ميشود.
نرخ برش مطابق معادله زير با استفاده از دور ويسکومتر بدست مي آيد.
.
γ سرعت برشي (-s) و RPM سرعت چرخشي است که به توسط ويسکومتر اعمال مي شود.
٢-٤- مدل هرشل – بالکلي
در سالهاي اخير، مدل رئولوژيکي هرشل - بالکلي بعنوان بهترين مدل ، مقبوليت گستردهاي را جهت توصيف خواص رئولوژيکي سيال حفاري در صنعت نفت پيدا کرده است . از اين رو از اين مدل جهت توصيف خواصص رئولوژيکي سيال حفاري پايه بنتونايتي در اين تحقيق مورد استفاده قرار گرفت . مدل هرشل – بالکلي به صورت زير بيان مي - گردد[١٠]:
در اين رابطه τ تنش برشي سرعت برشي تنش تسليم انديس پايداري جريان
و n نيز انديس رفتاري جريان است .
براي تحليل سازگاري دادههاي رئولوژيکي با مدل هرشل - بالکلي و تخمين پارامترهاي مدل ، دو پارامتر آماري مجموع مربعات خطاها (SSE) و ضريب تصحيح (R) به توسط رگرسيون خطي بکار گرفته شدند.
SSE به صورت زير تعريف ميشود:
که در آن n تعداد نقاط ،yi مقدار اندازهگيري شده و i مقدار محاسبه شده براي هر نقطه است .
٣- نتايج و بحث نتايج
٣-١- بررسي خواص رئولوژيکي
در اين تحقيق اطلاعات رئولوژيکي گل پايه بنتونايتي از جمله تنش برشي و سرعت برشي توسط دستگاه ويسـکومتر فن اندازهگيري شد. دادههاي آزمايشگاهي بدست آمده به توسط مدل هرشل – بالکلي برازش شـدند تـا نشـان دهـد که اين مدل تا چه اندازه مي تواند رفتار رئولوژيکي اين سيال را توصيف کند. شکل ١ تنش برشي اندازهگيري شده را در سرعت هاي برشي متفاوت نشان ميدهد. واضح است که حتي با افزودن مقادير کمي از صـمغ زانتـان بـه گـل پايه بنتونايتي افزايش قابل ملاحظه در مقدار تنش برشي ديده ميشود. همانطور که از نمودار پيداست ، نمونـه اي کـه تنها مقدار١٠ گرم بنتونايت داشت و فاقد صمغ زانتان بود تنش تسليم از خود نشان نداد، اما همانطور که انتظـار مـي- رفت اين پارامتر با افزوده شدن صمغ زانتان به گل پايه بنتونيتي افزايش يافت . چنانچـه در نمـودار ١ نشـان داده شـده است ، سيال پايه که حاوي ١ گرم از صمغ زانتان است ، بالاترين تنش برشي و سيالي که فاقـد ايـن مـاده بـود حـداقل تنش برشي را از خود نشان ميدهد.
