افزودنی‌های سیال حفاری: افزایش عملکرد

نقش افزودنی‌های سیال حفاری در بهینه‌سازی عملکرد حفاری

چگونه افزودنی‌های سیال حفاری کارایی عملیاتی را بهبود می‌بخشند

افزودنی‌های مناسب برای سیالات حفاری می‌توانند تفاوت بزرگی در انجام کارها به‌صورت کارآمد در محیط‌های زیرزمینی ایجاد کنند. این مواد رفتار سیال را تغییر می‌دهند تا بتوانند با هر مشکلی که در عمق دهانه چاه پیش بیاید، مقابله کنند. ویسکوزیفایرها ذرات حفاری را در جای مناسب معلق نگه می‌دارند و روغن‌های با کیفیت می‌توانند طبق داده‌های انجمن مهندسان نفت (SPE) در سال گذشته، مشکلات گشتاور را در حفاری جهت‌دار تقریباً ۲۸٪ کاهش دهند. تمام این تنظیمات منجر به عملکرد بهتر در سطح دکل حفاری نیز می‌شوند. نرخ نفوذ بالاتر به معنای صرف زمان کمتر در انتظار است و علاوه بر این، ماشین‌آلات نیازی به کار سخت‌تر ندارند، بنابراین هزینه‌های انرژی کاهش می‌یابد. آزمایش‌های میدانی نیز این موضوع را تأیید می‌کنند. یک مطالعه انجام‌شده در سال ۲۰۲۲ نشان داد که مخلوط‌های اختصاصی از افزودنی‌ها حدود ۱۹٪ از زمان حفاری در تشکیلات شیلی را صرفه‌جویی می‌کنند. دلایل اصلی چیست؟ چاه‌های تمیزتر به‌طور کلی و تعداد کمتری گرفتگی در مته‌ها در طول عملیات.

کاهش زمان غیرفعال از طریق بهبود عملکرد سیال

افزودنی‌های مناسب می‌توانند دوره‌های ناامیدکننده‌ای را که عملیات حفاری به دلیل عدم پایداری دیواره چاه یا تلفات سیال متوقف می‌شوند، کاهش دهند. هنگامی که مواد جلوگیری از تلفات سیال با برخی از پلیمرهای الیافی خاص ترکیب می‌شوند، در واقع به طور قابل توجهی شکاف‌های موجود در سنگ‌های ترک‌خورده را مسدود کرده و تلفات سیال را بین ۶۰ تا حدود ۸۰ درصد کاهش می‌دهند. همچنین نباید مهارکننده‌های شیل را فراموش کرد؛ این مواد از واکنش و متورم شدن رس‌های فعال جلوگیری کرده و مشکلات احتمالی را کاهش می‌دهند. بررسی آخرین ارقام بهره‌وری حفاری در سال ۲۰۲۴ چیز جالبی را نشان می‌دهد: چاه‌هایی که با افزودنی‌های با کیفیت بالا تیمار شده‌اند، حدود یک پنجم کمتر از میزان معمول سیستم‌های استاندارد دچار توقف شده‌اند. این نوع بهبود عملکرد تفاوت بزرگی در راستای حفظ زمان‌بندی و بودجه پروژه ایجاد می‌کند.

معیارهای کلیدی ارزیابی عملکرد سیال حفاری

نشانگرهای عملکرد مهم شامل:

این معیارها امکان بهینه‌سازی لحظه‌ای غلظت افزودنی‌ها را فراهم می‌کنند و از این طریق شرایط پایدار چاه را تضمین کرده و انحرافات عملکردی را در اسرع وقت شناسایی می‌کنند.

مطالعه موردی: افزودنی‌های مبتنی بر پلیمر که عملکرد در چاه‌های آب‌های عمیق را ارتقا می‌دهند

یک پروژه سال 2024 در خلیج مکزیک با استفاده از افزودنی‌های پلیمر سولفونه، نتایج بی‌سابقه‌ای به دست آورد:

• افزایش 35 درصدی نرخ نفوذ (ROP) در مقایسه با چاه‌های افست
• عدم وقوع حادثه ناپایداری چاه در مناطق شیل واکنش‌گرا
• ۲.۱ میلیون دلار صرفه‌جویی شد نتیجه کاهش تلفات سیال و عملیات کمتر دستگیره‌کشی

سیستم پایداری حرارتی خود را در دمای ۳۵۰ درجه فارنهایت حفظ کرد و در عین حال روانکاری برتری را در بخش‌های با زاویه بالا فراهم آورد و ارزش فرمولاسیون‌های پیشرفته را در محیط‌های پرچالش نشان داد.

روند صنعت: گذار به افزودنی‌های سیال حفاری با عملکرد بالا و سازگار با محیط زیست

تولیدکنندگان در سراسر این بخش در حال ترک مواد متعارف و حرکت به سمت پلیمرهای مصنوعی و روغن‌های روان‌کننده قابل تجزیه زیستی هستند که با استانداردهای سخت‌گیرانه‌تر محیط زیستی سازگار بوده و در عین حال نتایج خوبی ارائه می‌دهند. بر اساس داده‌های اخیر صنعت در سال گذشته، حدود دو سوم از بهره‌برداران نصب‌شده شروع به تمرکز بر افزودنی‌هایی با سطح سمیت پایین‌تر کرده‌اند، عمدتاً به دلیل مقررات جدید و پس‌انداز حاصل از دفع پسماندهای خطرناک. جایگزین‌های سبز از نظر فنی عملکردی مشابه مواد قبلی دارند، اما خسارت زیست‌محیطی را به‌طور قابل توجهی کاهش می‌دهند؛ برخی مطالعات کاهش تقریباً چهل درصدی را در کاربردهای خاصی نشان می‌دهند.

ویژگی‌های سیالات حیاتی تحت تأثیر افزودنی‌های سیال حفاری

مدیریت ویسکوزیته، چگالی و رئولوژی با انتخاب هدفمند افزودنی‌ها

افزودنی‌های مناسب می‌توانند رفتار سیالات در عملیات حفاری را به‌خوبی تنظیم کنند و جریان آنها را دقیقاً همان‌طور که باید، حفظ نمایند. برای مثال، خاک رس بنتونیت، طبق گزارش‌های اخیر صنعتی که سال گذشته در لینکدین دیده‌ایم، با مخلوط شدن در حدود ۴۰ پوند در بشکه، ویسکوزیته را تقریباً سه برابر افزایش می‌دهد. از سوی دیگر، موادی مانند سلولز پلی‌آنیونیک (PAC) در شرایط شوری که حفاران اغلب با آن مواجه هستند، ویسکوزیته پلاستیک را حدود ۱۸ درصد کاهش می‌دهند. با نگاهی به عملیات واقعی در منطقه بسین پرمیان، بهره‌بردارانی که این نوع تنظیمات را به‌صورت پویا انجام داده‌اند، شاهد کاهش تقریباً یک‌چهارمی تغییرات چگالی معادل چرخشی (ECD) بوده‌اند. این موضوع تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند، زیرا چاه‌های ناپایدار در هنگام وارد یا خارج کردن لوله از چاه، کابوسی واقعی هستند.

تعادل بین کنترل فیلتراسیون و حداقل‌سازی آسیب به مخزن

افزودنی‌های کنترل فیلتراسیون جدید می‌توانند از دست‌دادن سیال را در شرایط کار با ماسه‌سنگ‌های نفوذپذیر، طبق استانداردهای آزمایش API 13B-1، به مدت ۳۰ دقیقه زیر ۴ میلی‌لیتر حفظ کنند. هنگامی که نانوذرات به این فرمول‌ها اضافه می‌شوند، کیک‌های فیلتر بسیار نازکی با ضخامت بین ۰٫۲ تا ۰٫۵ میکرومتر ایجاد می‌شود. این امر منجر به کاهش حدود ۴۰٪‌ای آسیب پوسته‌ای سازند نسبت به محصولات قدیمی‌تر مبتنی بر لیگنوسلفونات می‌گردد. برای اپراتورهایی که با شیل‌های واکنش‌پذیر سروکار دارند، افزودنی‌های چندمنظوره مزایای واقعی ارائه می‌دهند. این مواد هم مشکلات تلفات سیال و هم انبساط شیل را به‌طور همزمان کنترل می‌کنند. آزمایش‌های میدانی نشان می‌دهند که حتی در شرایط ژئولوژیکی دشوار که روش‌های سنتی در آن‌ها با مشکل مواجه می‌شوند، متورم‌شدن رس‌ها همچنان زیر ۱۰٪ باقی می‌ماند.

تضمین پایداری حرارتی در محیط‌های دownhole با دمای بالا

افزودنی‌های با عملکرد بالا ویسکوزیته را در حدود ±5٪ پس از 16 ساعت قرارگیری در دمای 350°F/177°C حفظ می‌کنند (داده‌های آزمون غلت زدن HPHT 2023). کوپلیمرهای سولفونه شده سنتزی در دماهای بالای 300°F عملکرد بهتری نسبت به لیگنیت طبیعی دارند و نرخ تخریب حرارتی آن‌ها 78٪ پایین‌تر است. در یک چاه HPHT در خلیج مکزیک با عمق 25,000 فوت، استفاده از افزودنی‌های حرارتی پایدار فرکانس تعویض گل حفاری را 62٪ کاهش داد و به‌طور قابل توجهی تداوم عملیات را بهبود بخشید.

پلیمرهای سنتزی در مقابل پلیمرهای طبیعی: مزایا و معایب عملکردی و زیست‌محیطی

پلیمرهای سنتزی پایداری رئولوژیکی 31٪ بهتری در محیط‌های شور فراهم می‌کنند، اما جایگزین‌های گیاهی مانند صمغ زانتان در شرایط دریایی 89٪ سریع‌تر تجزیه می‌شوند (گزارش انطباق زیست‌محیطی OCS 2024). آزمایش‌های اخیر نشان می‌دهد ترکیب‌های اصلاح‌شده نشاسته-پلی‌آمین به بازیابی 92٪ براده‌ها دست یافته‌اند — که با مهارکننده‌های سنتزی برابری می‌کند — در حالی که سمیت دریایی را 55٪ کاهش می‌دهند.

انواع رایج افزودنی‌های گل حفاری و مزایای عملکردی آن‌ها

افزودنی‌های سیال حفاری با اصلاح ویژگی‌های رئولوژیکی، فیلتراسیون و پایداری، به حل چالش‌های عملیاتی خاص می‌پردازند. انتخاب آن‌ها بسته به نوع سازند، پروفایل دمایی و اهداف حفاری متغیر است.

عوامل وزن‌دهنده برای حفظ یکپارچگی فشار چاه

باریت همچنان عامل وزن‌دهنده استاندارد صنعت است که با افزایش چگالی سیال، فشار سازند را متعادل کرده و در عین حال قابلیت پمپاژ را حفظ می‌کند. غلظت‌های معمول آن معمولاً بین ۳۵ تا ۸۰ پوند در بشکه است و از وقوع انفجار در مخازن با فشار بالا جلوگیری می‌کند.

مواد جلوگیری از گسیل سیال به منظور جلوگیری از اتلاف سیال در سازندهای ترک‌خورده

ترکیبات LCM که مواد الیافی (مانند سلولز) و ذرات دانه‌ای (کربنات کلسیم) را ترکیب می‌کنند، اتلاف سیال را در مناطق ترک‌خورده تا ۴۰٪ کاهش می‌دهند. فرمول‌بندی‌های بهینه‌شده در آزمایش‌های میدانی اخیر (مطالعه ۲۰۲۳ StabilityLine) توانستند ۹۰٪ از سیال گردشی را در مخازن کربناته بازیابی کنند.

پراکنده‌کننده‌ها و رقیق‌کننده‌ها: بازیابی خواص جریانی در گل‌های قدیمی

لیگنوسولفونات‌ها بار ذرات رس را در سیالات بازیافتی خنثی می‌کنند و گرانروی پلاستیکی را به میزان ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش داده و نیاز به توان هیدرولیکی را کم می‌کنند. این افزودنی‌ها عمر گل حفاری را افزایش داده و مصرف آب شیرین را به میزان ۱۵ درصد در هر چاه کاهش می‌دهند.

همکاری بنتونیت و پلیمر در سیالات حفاری بر پایه آب

ترکیب ساختار پلیتی بنتونیت با پلیمرهای گوار زانتان، سیالاتی با رفتار رقیق‌شونده با برش ایجاد می‌کند که انتقال ضایعات حفاری را تا ۴۰ درصد بهبود می‌بخشد. این همکاری باعث تمیزکاری کارآمد چاه، کاهش نوسانات فشار در هنگام ته لوله‌گذاری و تثبیت سنگ‌های شیلی تا دمای ۳۵۰ درجه فارنهایت می‌شود.

ارزیابی افزودنی‌های تجاری در مقابل افزودنی‌های نوین سیال حفاری

مقایسه افزودنی‌های سنتی با فناوری‌های نوظهور

حوزه فناوری سیال حفاری از آن سیستم‌های قدیمی مبتنی بر خاک رس که قبلاً استفاده می‌کردیم، پیشرفت زیادی داشته است. بنتونیت و باریت هنوز نقش‌های کلیدی در کنترل ویسکوزیته و چگالی ایفا می‌کنند، اما مواد جدیدی در حال نفوذ هستند. به عنوان مثال، پلیمرهای تقویت‌شده با گرافن یا مهارکننده‌های شیل تجزیه‌پذیری که شرکت‌ها شروع به آزمایش آنها کرده‌اند. این مواد جدید می‌توانند دماهای حدود ۴۵۰ درجه فارنهایت را بدون تجزیه تحمل کنند که در مقایسه با گزینه‌های سنتی بسیار قابل توجه است. آزمایش‌های میدانی نشان می‌دهند که این مواد واقعاً سرعت نفوذ (ROP) را حدود ۱۸ درصد افزایش می‌دهند، بنابراین بهره‌برداران توجه خود را معطوف کرده‌اند. مقررات نیز پیشرفت را تسریع می‌کنند. در حال حاضر، ۳۲ کشور مختلف استانداردهای مشخصی را برای عملیات حفاری دریایی الزامی کرده‌اند. این امر باعث شده بسیاری از شرکت‌ها حتی با وجود هزینه بیشتر ۱۰ تا ۱۵ درصدی نسبت به گزینه‌های متداول، به شیمی‌های سازگارتر با محیط زیست روی آورند. این هزینه اضافی برای بسیاری از بهره‌برداران ارزش دارد، زیرا می‌خواهند در برابر تغییرات مقررات پیش‌دستی کنند و در عین حال کارایی عملیاتی خود را حفظ نمایند.

شواهد میدانی: افزودنی‌های نانوکامپوزیتی انتقال برش‌ها را تا 27٪ بهبود می‌بخشند

تحقیق انجام‌شده در سال 2024 در چهارده چاه واقع در خلیج مکزیک نشان داد که استفاده از نانوکامپوزیت‌های سیلیسی، تجمع برش‌ها را در مقایسه با پراکنده‌کننده‌های معمولی تقریباً 27٪ کاهش می‌دهد. نکته جالب اینجاست که این فرمولاسیون‌های جدید چگالی معادل گردشی را حدود 14.5 پوند در گالن حفظ کردند، حتی در شرایط فشار بسیار بالا (15,000 psi)، که یعنی تمیزکاری بهتر چاه بدون آسیب به سازندهای سنگی اطراف. عملیات‌گران میدانی همچنین مشاهده قابل توجهی داشتند - آن‌ها به‌طور متوسط حدود 22 ساعت در هر چاه صرفه‌جویی کردند که این امر به‌طور میانگین معادل صرفه‌جویی حدود 185 هزار دلار در تمام نقاط بود. این نتایج به‌وضوح دلیل آن را روشن می‌کند که چرا بسیاری از شرکت‌ها شروع به سرمایه‌گذاری در این فناوری‌های پیشرفته افزودنی برای عملیات حفاری خود کرده‌اند.

تحلیل هزینه-فایده در به‌کارگیری راه‌حل‌های پیشرفته سیال حفاری

پیش‌بینی می‌شود که بازار جهانی افزودنی‌های سیال حفاری تا سال ۲۰۳۳ به ۸٫۲ میلیارد دلار برسد (تحقیقات بازار تأیید شده، ۲۰۲۴)، که نشان‌دهنده افزایش اعتماد به سود سرمایه‌گذاری در سیستم‌های پیشرفته است. هرچند افزودنی‌های نوین دارای هزینه اولیه ۲۰ تا ۳۵ درصدی بیشتری هستند، اما بازده قابل اندازه‌گیری را از طریق موارد زیر ایجاد می‌کنند:

• ۴۰ درصد کاهش در حوادث اتلاف سیال
• ۱۲ درصد افزایش سرعت نفوذ در تشکیلات سنگی سخت
• صرفه‌جویی متوسط ۷۴۰٫۰۰۰ دلاری در هر چاه به دلیل کاهش زمان تولید غیرفعال (NPT)

شرکت‌های اجرایی هزینه‌های ارتقا را در عرض ۳ تا ۵ چاه از طریق بهبود کارایی و کاهش هزینه‌های مدیریت پسماند بازیابی می‌کنند.

سفارشی‌سازی افزودنی‌های سیال حفاری برای شرایط خاص چاه

حفاری مؤثر نیازمند فرمولاسیون‌های سیال سفارشی است که به شرایط زمین‌شناسی منحصربه‌فرد پاسخ می‌دهند. بر اساس گزارش کارایی سیالات حفاری ۲۰۲۴، ترکیب‌های نامناسب افزودنی‌ها در ۱۸ درصد از زمان تولید غیرفعال (NPT) در تشکیلات پیچیده نقش دارند. رویکردهای مدرن، نظارت لحظه‌ای را با شیمی تطبیقی ترکیب می‌کنند تا عملکرد را به صورت پویا بهینه‌سازی کنند.

فرمول‌بندی گل‌های نفتی و آبی برای زمین‌شناسی‌های پیچیده

در تشکیلات شیلی که دارای خاک رس فعال زیادی هستند، مایعات حفاری مبتنی بر نفت تمایل به انتخاب اول داشته باشند، زیرا باعث مهار بهتر متورم‌شدن خاک رس و ارائه خواص روان‌سازی لازم می‌شوند. در مورد افزودنی‌های پلیمری سنتتیک، این مواد می‌توانند مشکلات ناشی از فشار هیدراتاسیون را در مقایسه با مخلوط‌های سنتی بین ۴۰ تا ۶۰ درصد کاهش دهند. سیستم‌های آبی نیز در حال گسترش هستند، به‌ویژه از آنجا که شرکت‌ها به دنبال گزینه‌های سازگارتر با محیط زیست هستند. این شرکت‌ها شروع به استفاده از موادی مانند صمغ زانتان اصلاح‌شده به عنوان عامل ویسکوزیته کرده‌اند که به رعایت مقررات زیست‌محیطی کمک می‌کند و در عین حال مشکلات گشتاور را در عملیات حفاری در مجاورت گنبدهای نمکی کاهش می‌دهد. طبق تحقیقات منتشرشده توسط انجمن مهندسان نفت (SPE) در سال گذشته، گل‌های حفاری با فرمول‌بندی خاص، حوادث ناپایداری چاه را در مناطقی با تنش‌های ژئولوژیکی بالا حدود ۳۴ درصد کاهش داده‌اند.

تنظیم لحظه‌ای غلظت افزودنی‌ها با استفاده از داده‌های چاه‌پایین

سیستم‌های اتوماتیک اکنون مقادیر افزودنی‌ها را با دقت ±5٪ از سطوح بهینه، با استفاده از ورودی‌های زنده فشار و دما در عمق چاه تنظیم می‌کنند. هنگامی که سنسورها کاهش ویسکوزیته را تشخیص می‌دهند، بلافاصله تزریق پلیمرها یا مواد پایدارکننده رس را فعال می‌کنند. این رویکرد حلقه‌بسته در یک آزمایش در میدان پرمیان، زمان توقف ناشی از سیال را به میزان 22 ساعت در هر چاه کاهش داد (IADC 2023).

مطالعه موردی: مخلوط‌های سفارشی افزودنی‌ها، سازندهای شیلی را پایدار می‌کنند

یک عملیات‌گر در دریای شمال با استفاده از یک مخلوط سفارشی سیال حاوی موارد زیر، هزینه‌های ریزش چاه به میزان 1.2 میلیون دلار را حذف کرد:

• موارد مهارکننده شیل نانوذره (غلظت 15٪)
• الیاف سلولز مقاوم در برابر دما
• لیگنوسولفونات‌های بافرشده pH

این فرمول در برابر فشارهای 8,500 psi، یکپارچگی سازند را حفظ کرد و به بازدهی 98٪ در حذف براده‌ها دست یافت—که بهبودی 27٪ نسبت به افزودنی‌های استاندارد محسوب می‌شود—و اهمیت مهندسی دقیق در طراحی سیال را برجسته می‌کند.

‫سوالات متداول‬

افزودنی‌های سیال حفاری چیستند؟

افزودنی‌های سیال حفاری موادی هستند که به سیالات حفاری اضافه می‌شوند تا عملکرد آنها را با تغییر ویژگی‌هایی مانند ویسکوزیته، چگالی و رئولوژی بهبود بخشند.

افزودنی‌های سیال حفاری چگونه بهره‌وری عملیاتی را بهبود می‌بخشند؟

آنها با بهینه‌سازی رفتار سیال، کاهش گشتاور، حفظ پایداری چاه و تضمین نرخ نفوذ سریع‌تر، بهره‌وری را افزایش می‌دهند.

چه نوع افزودنی‌هایی معمولاً در سیالات حفاری استفاده می‌شوند؟

افزودنی‌های رایج شامل افزایش‌دهنده‌های ویسکوزیته، روغن‌کارها، عوامل وزن‌دهنده مانند باریت، مواد جلوگیری‌کننده از نشت سیال، پراکنده‌کننده‌ها و عوامل کنترل فیلتراسیون هستند.

چرا شرکت‌ها به سمت افزودنی‌های سیال حفاری سازگار با محیط زیست حرکت می‌کنند؟

شرکت‌ها به دلیل مقررات سخت‌گیرانه‌تر زیست‌محیطی و مزایای کاهش پسماندهای خطرناک و آسیب‌های اکولوژیکی، به سمت افزودنی‌های سازگار با محیط زیست در حال حرکت هستند.