مکانیسم جلوگیری از متورم شدن شیل توسط مهارکننده شیل در حفاری چگونه است؟

درک پدیده متورم شدن شیل و چالش‌های آن در حفاری

چرا متورم شدن شیل یک مشکل محسوب می‌شود

هنگامی که سیالات حفاری آبی با انواع خاصی از مواد معدنی رسی فعال تماس پیدا می‌کنند، متورم شدن شیل رخ می‌دهد، زیرا این مواد معدنی رطوبت را جذب کرده و در حجم خود انبساط پیدا می‌کنند. نتیجه چیست؟ قطر چاه حفاری می‌تواند حدود ۱۵ درصد کاهش یابد و مشکلات جدی ناپایداری در عمق ایجاد شود. در ادامه معمولاً چندین مشکل هزینه‌بر رخ می‌دهد. تنها مورد قفل شدن لوله حفاری به تنهایی حدود ۴۰ درصد از تمام زمان‌های غیرتولیدی در عملیات حفاری را شامل می‌شود. سپس پدیده «بال شدن مته» (bit balling) وجود دارد که در آن برش‌ها به سطح مته می‌چسبند و پیشرفت حفاری را بین ۳۰ تا ۵۰ درصد کند می‌کنند. همه این چالش‌ها منجر به افزایش چشمگیر هزینه‌ها شده و همزمان نگرانی‌های واقعی در مورد ایمنی ایجاد می‌کنند. به همین دلیل است که استفاده از تکنیک‌های مناسب بازدارندگی شیل برای شرکت‌ها ضروری است تا بتوانند عملیات حفاری خود را به‌صورت کارآمد و ایمن انجام دهند.

ترکیب مواد معدنی رسی و واکنش‌پذیری آن‌ها در سازندهای شیلی

شیل تمایل زیادی به متورم شدن دارد و این عمدتاً به نوع مواد معدنی رس موجود در آن بستگی دارد. مواد معدنی اسمکتیت به دلیل ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) بسیار بالا برجسته می‌شوند و می‌توانند به لطف ساختار شبکه‌ای خاصی که اجازه انبساط می‌دهد، هنگام ورود آب بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ درصد افزایش حجم دهند. سپس ایلیت و رس‌های لایه‌ای ترکیبی نیز وجود دارند. این مواد به اندازه اسمکتیت فعال نیستند، اما همچنان مشکلاتی در پایداری سازندها ایجاد می‌کنند. هنگام بررسی مقادیر CEC، هر مقداری که از ۲۵ میلی‌اکووالان در ۱۰۰ گرم بیشتر باشد، نشان‌دهنده مواد بسیار واکنش‌پذیر است و بنابراین بازدارندگی مناسب کاملاً ضروری می‌شود. با توجه به این تغییرات از یک سازند به سازند دیگر، مدیریت مؤثر شیل تنها به کاربرد بازدارنده‌های استاندارد محدود نمی‌شود. بلکه مهندسان باید تیمار شیمیایی را دقیقاً با مواد معدنی موجود در هر محیط زمین‌شناسی خاص تطبیق دهند.

ناپایداری چاه حفر شده ناشی از متورم شدن شیل

وقتی شیل متورم می‌شود، این امر به طور جدی بر روی یکپارچگی دیواره چاه حفاری از طریق چندین مسیر شکست مختلف تأثیر می‌گذارد. بدترین حالت زمانی رخ می‌دهد که چاه به طور کامل فرو بپاشد. شیل منبسط‌شده در واقع ترک خورده و به داخل چاه سقوط می‌کند. این موضوع منجر به وضعیتی می‌شود که به آن «گیر کردن لوله» گفته می‌شود. متخصصان عملیاتی کاملاً می‌دانند که این حوادث چقدر پرهزینه هستند. گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهند که متوسط هزینه هر حادثه گیرکردن لوله حدود ۱٫۲ میلیون دلار است. مشکلات دیگری نیز وجود دارند. تراکم شیل باعث افزایش قطر چاه در طول زمان می‌شود. این امر اشکال نامنظم متعددی در داخل دیواره چاه ایجاد می‌کند که انجام عملیات قرار دادن لایه‌های جداری (Casings) و سیمان‌کاری را بسیار دشوار می‌سازد. تمام این مسائل عدم پایداری در مجموع حدود ۲۰ درصد از زمان غیرفعال در عملیات حفاری را به خود اختصاص می‌دهند. به همین دلیل است که اپراتورهای هوشمند از ابتدا توجه زیادی به جلوگیری از انبساط شیل می‌کنند. این امر از نظر اقتصادی و عملیاتی هر دو منطقی است و به ادامه روان و ایمن عملیات در عمق زمین کمک می‌کند.

مکانیسم‌های شیمیایی عمل مهارکننده شیل

اثر تبادل کاتیونی و کلرید پتاسیم بر هیدراتاسیون شیل

صنعت نفت و گاز به‌شدت به کلرید پتاسیم (KCl) متکی است تا از انبساط شیل در حین عملیات حفاری جلوگیری کند. این امر از طریق فرآیندی به نام تبادل کاتیونی انجام می‌شود؛ یعنی عوض کردن یون‌های سدیم (Na+) روی سطوح رس با یون‌های پتاسیم (K+). چرا این روش آن‌قدر مؤثر است؟ دلیلش این است که یون‌های پتاسیم کوچک‌تر هستند و مولکول‌های آب را به‌اندازه سدیم محکم نگه نمی‌دارند. وقتی این یون‌ها جایگاه‌های سطحی رس را اشغال می‌کنند، ساختار کلی پایدارتر می‌شود. جذب آب به لایه‌های رس به‌میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد و از همان مشکل آزاردهنده انبساط جلوگیری می‌شود. آزمایش‌های میدانی نیز چیز خیره‌کننده‌ای نشان داده‌اند: استفاده از محلول‌هایی با غلظت حدود ۳ تا ۷ درصد KCl می‌تواند بیش از سه‌چهارم از تورم شیل را در مقایسه با تزریق آب شیرین معمولی کاهش دهد. برای اپراتورهایی که با سازندهای چالش‌برانگیز سروکار دارند، این روش هم یک راه‌حل اقتصادی است و هم در شرایط سخت مختلف حفاری عملکرد مناسبی دارد.

خشک شدن سطح خاکستری از طریق مهار شیمیایی

تخلیه آب سطح گل زمانی اتفاق می افتد که مهار کننده های پیشرفته از طریق نیروهای الکترواستاتیک و پیوندهای هیدروژن به این سطوح چسبیده و مولکول های آب را که بین لایه ها گیر کرده اند بیرون می کشند. نتیجه اش چه شد؟ فاصله کمتر بین لایه ها و فشار تورم کاهش یافته است. آزمایشات صنعت نشان می دهد که برخی از محصولات می توانند تورم خطی را تا 80٪ کاهش دهند، اگرچه نتایج بسته به شرایط متفاوت است. این روش در مواردی که روش های کنترل اسموتیک معمولی ناکافی است، بهترین کار را می کند و آن را به یک ابزار ارزشمند برای چالش های تشکیلات زمین شناسی که به روش های سنتی درمان مقاومت می کنند، تبدیل می کند.

کاهش میزان نفوذ آب به شیل

مهار کننده هایی که برای عملکرد بالا طراحی شده اند با ایجاد دفاع فیزیکی و شیمیایی در داخل تشکیل شیل کار می کنند. این مواد مایعات را ضخیم می کنند و منافذ کوچک را بسته می کنند، که حرکت آب را در سنگ کاهش می دهد. آزمایشات آزمایشگاهی نشان می دهد انتقال آب می تواند بین ۶۰ تا ۸۵ درصد کاهش یابد وقتی این مهار کننده ها به درستی اعمال شوند. چیزی که در عمل بهترین کار را می کند یک رویکرد ترکیبی است که شامل چیزهایی مانند فرآیندهای تبادل کاتین، خواص چسبندگی سطح و سد شدن منافذ واقعی است. این سیستم دفاعی لایه دار به محافظت در برابر اثرات نامطلوب هیدراتاسیون کمک می کند و چاه را در طول عملیات پایدار نگه می دارد.

تنظیم اسموتیک و انکپسولاسیون مبتنی بر پلیمر

انتقال اسموتیک و فعالیت آب در مهار شیل

اصل مهار اسموتیک شامل تغییر نمک در مایعات حفاری برای ایجاد یک شیب مناسب فعالیت آب است. اگر گل حفاری حاوی نمک بیشتری از آنچه در منافذ شیل وجود دارد باشد، نیروهای اسموتیک آب را از تشکیلات سنگی دور می کنند. این فرآیند مواد معدنی خاکستری را در داخل شیل خشک می کند و مانع از گسترش آنها می شود. درست کردن این مسئله برای حفظ ثبات چاه ها بسیار مهم است. شیل های حساس به آب می توانند اگر رطوبت زیادی را جذب کنند، فروپاشی یا شکستن را تجربه کنند، که منجر به مشکلات جدی در طول عملیات حفاری می شود. به همین دلیل است که بسیاری از اپراتورها توجه زیادی به مدیریت مناسب این سطوح نمک در کار های زمینی خود دارند.

نقش گلیکولهای پلی آلیکلن (PAG) در حفظ تعادل اسموتیک

پلی‌آلکیلن گلیکول‌ها، یا همان PAGها که معمولاً به این نام خوانده می‌شوند، با ایجاد یک سد جزئی بین شیل و سیالات اطراف، عملکرد خود را نشان می‌دهند. این امر اجازه می‌دهد آب اضافی از مخزن خارج شود، در حالی که از ورود سیالات ناخواسته جلوگیری می‌کند. چیزی که این پلیمرهای محلول در آب را بسیار مفید می‌کند، توانایی آن‌ها در افزایش کارایی جلوگیری از آسیب‌ها است، در حالی که نیاز به محلول‌های نمکی با غلظت بالا — که می‌توانند مشکل‌ساز باشند — را کاهش می‌دهند. یک مطالعه اخیر در سال ۲۰۲۳ در مورد سیالات حفاری، یافته‌های قابل توجهی نیز به دست آورده است. سیستم‌های مبتنی بر PAGها در مقایسه با روش‌های سنتی، مشکلات متورم‌شدن شیل را حدود ۴۰ درصد کاهش داده‌اند. این سطح از عملکرد، آن‌ها را به گزینه‌ای بسیار جذاب برای عملیات در مناطقی تبدیل می‌کند که مسائل زیست‌محیطی در اولویت قرار دارند.

ضدمیکروبی کردن با استفاده از پلیمرهایی مانند PHPA

پلی‌آکریلامید نیمه هیدرولیزه شده، که معمولاً به عنوان PHPA شناخته می‌شود، با ایجاد نوعی سد مکانیکی در اطراف تراشه‌های شیل عمل می‌کند. این ماده لایه پلیمری محافظی تشکیل می‌دهد که از تماس مستقیم آب با این تراشه‌ها جلوگیری می‌کند و در غیر این صورت باعث پراکندگی آنها می‌شد. نتیجه چیست؟ بهبود در دست‌زدن به تراشه‌ها در حین عملیات حفاری و بهبود کلی در حفظ چاه‌های تمیز. با بررسی داده‌های واقعی از پروژه‌های آب‌های عمیق، بهره‌برداران مشاهده قابل توجهی داشته‌اند. هنگام استفاده از سیستم‌های PHPA، حدود ۳۵ درصد کاهش در مشکلات مربوط به تمیزکاری چاه مشاهده شده است. علاوه بر این، این سیستم‌ها به کاهش دوره‌های ناخوشایند زمان غیرتولیدی کمک می‌کنند که معمولاً در برخورد با سازندهای شیلی ناپایدار رخ می‌دهند.

اصلاح هیدروفوب مواد برای تثبیت شیل

تیمارهای آب‌گریز با تغییر شیمی سطحی رس، باعث دفع آب شده و نفوذ سیال به ترک‌های ریز را به حداقل می‌رسانند. این اصلاحات با کاهش فشار موئینگی و جذب آب، پایداری بلندمدتی فراهم می‌کنند. مطالعه‌ای در سال 2022 نشان داد که مهارکننده‌های آب‌گریز نسبت به نمونه‌های بدون تیمار، تراوایی شیل را تا 50٪ کاهش می‌دهند و جایگزینی بادوام در برابر روش‌های مبتنی تنها بر اسمزی ارائه می‌دهند.

ارزیابی عملکرد مهارکننده‌های شیل در آزمایشگاه و میدان

روش‌های آزمایشگاهی ارزیابی عملکرد مهارکننده‌ها

آزمایش در محیط‌های آزمایشگاهی همچنان عامل کلیدی در ارزیابی عملکرد مهارکننده‌های شیل در شرایطی مشابه محیط‌های عمیق زیرزمینی است. روش معمول شامل آزمون‌های غلتاندن در دمای بالا است که به بررسی میزان بازگشت تراشه‌ها به صورت یکپارچه می‌پردازد، همراه با اندازه‌گیری‌های متورم‌شدگی خطی که گسترش یا انقباض نمونه‌های شیل را پیگیری می‌کنند. با انجام این آزمون‌های متنوع در کنار یکدیگر، مهندسان تصویر روشنی از اینکه کدام سیال‌ها در شرایط مختلف دما و فشار عملکرد بهتری دارند به دست می‌آورند. این نوع داده‌ها به شرکت‌ها کمک می‌کند تا فرمول‌های سیال خود را تا جایی که در عملیات حفاری واقعی به طور قابل اعتمادی عمل کنند، بهینه کنند.

آزمون‌های پراکندگی غلتاندنی و اندازه‌گیری‌های متورم‌شدگی خطی

هنگام آزمایش تراشه‌های شیلی برای بررسی پایداری پس از تماس با سیالات حفاری، آزمون‌های پراکندگی غلتان اطلاعات مهمی درباره میزان مقاومت آنها در برابر تجزیه فراهم می‌کند. اگر نرخ بازیابی بالاتر از ۹۰٪ باقی بماند، عموماً این موضوع به عنوان عملکرد مناسب بازدارندگی (اینیبیشن) در نظر گرفته می‌شود. برای دیدگاهی دیگر از این موضوع، اندازه‌گیری‌های تورم خطی نشان می‌دهد که چه مقدار انبساط در طول زمان رخ می‌دهد. بهترین مواد بازدارنده قادر هستند این میزان تورم را در مقایسه با سیالات آبی معمولی که تحت درمان قرار نگرفته‌اند، حدود ۷۰ تا ۸۵ درصد کاهش دهند. با ترکیب نتایج حاصل از این دو روش، مهندسان تصویری کامل از رویدادهای مکانیکی و شیمیایی رخ داده در سازند در حین عملیات حفاری به دست می‌آورند.

مطالعه موردی: کاربرد PHPA در حفاری آب‌های عمیق

در طول یک پروژه حفاری عمقی در آب‌های عمیق که در آن سازندهای شیل واکنش‌گرا در عمق حدود ۱۲۵۰۰ فوت مواجه شدند، اپراتورها از یک مهارکننده مبتنی بر PHPA استفاده کردند که قبلاً در شرایط آزمایشگاهی نتایج چشمگیری با نرخ بازیابی تراشه‌ها حدود ۹۴٪ نشان داده بود. آنچه بعد از آن اتفاق افتاد واقعاً قابل توجه بود؛ عملکرد در میدان دقیقاً همسو با آنچه در آزمایش‌های کنترل‌شده مشاهده شده بود، بود. مشکلات مربوط به ناپایداری دیواره چاهین به میزان تقریباً ۴۰ درصد کاهش یافت و همچنین زمان غیربهره‌وری نسبت به چاه‌های مشابهی که از مهارکننده‌های سنتی استفاده می‌کردند، تقریباً ۲۲ درصد کاهش پیدا کرد. این نتایج واقعی در عمل، دقیقاً همان چیزی را تأیید می‌کنند که بسیاری از مهندسان مدتها فکر می‌کردند اما تا قبل از این، به دلیل عدم وجود روش‌های مناسب آزمایش، نمی‌توانستند به‌صورت قطعی آن را اثبات کنند؛ روش‌های صحیح آزمایش تفاوت بزرگی بین نظریه و موفقیت واقعی در میدان ایجاد می‌کنند.

استراتژی: انتخاب مهارکننده مناسب بر اساس واکنش‌پذیری شیل

دستیابی به نتایج خوب در مهار کردن به معنای ترکیب صحیح شیمی مواد با شرایط واقعی حفره در سازند است. برای ساییدگی‌های اسمکتیتی با سطح بالا از CEC، مهارکننده‌های مبتنی بر پتاسیم معمولاً بهترین عملکرد را دارند. اما هنگام کار با سازندهایی که از نظر مکانیکی ضعیف هستند یا ترک‌های زیادی دارند، پلیمرهای غلاف‌کننده مانند PHPA عموماً عملکرد بهتری ارائه می‌دهند. آزمایش‌های میدانی در سال‌های اخیر نشان داده‌اند که این رویکردهای هدفمند تفاوت واقعی ایجاد می‌کنند. عملیات حفاری حدود ۳۰٪ افزایش کارایی را با استفاده از این روش تجربه می‌کنند، علاوه بر آن معمولاً بین نصف تا دو سوم کاهش در زمان توقف ناشی از مشکلات مرتبط با سیالات حفاری مشاهده می‌شود. این روش در بیشتر موارد به وضوح از روش‌های قدیمی «یک اندازه مناسب همه» بهتر است.

روند‌های نوظهور و چالش‌های صنعت در استفاده از مهارکننده‌های شیلی

بسیاری از صنایع به سمت استفاده از سورفکتانت‌های کاتیونی از جمله DTAC و CTAB روی آورده‌اند، زیرا این مواد به خوبی به رس جذب شده و از مشکلات آن جلوگیری می‌کنند. مشکل چیست؟ این مواد شیمیایی می‌توانند به محیط زیست آسیب‌های قابل توجهی وارد کنند، زیرا به راحتی تجزیه نمی‌شوند و دارای سمیت هستند، به ویژه در مناطقی که اکوسیستم‌ها آسیب‌پذیرند. به همین دلیل، محققان و تولیدکنندگان شروع به جستجوی گزینه‌های سبزتر کرده‌اند. برخی از جایگزین‌های امیدوارکننده شامل پلی‌آمینواسیدهای با وزن مولکولی بالا و محصولات نشاسته اصلاح‌شده هستند. این مواد جدید به نظر می‌رسد تقریباً عملکردی مشابه مواد سنتی داشته باشند، در حالی که آسیب کمتری به محیط زیست وارد می‌کنند. شرکت‌ها اکنون به راه‌حل‌هایی نیاز دارند که هم استانداردهای عملکردی و هم مقررات زیست‌محیطی را برآورده کنند، به گونه‌ای که پایداری دیگر تنها یک اصطلاح رواج‌یافته نباشد، بلکه یک الزام تجاری واقعی محسوب شود.

سوالات متداول (FAQ)

تورم شیل چیست؟

تورم شیل زمانی رخ می دهد که مایعات حفاری مبتنی بر آب با مواد معدنی خاکستری در شیل واکنش نشان دهند و باعث شوند این مواد معدنی رطوبت را جذب کرده و حجم خود را گسترش دهند.

چرا تورم شیل یک مسئله مهم در حفاری است؟

تورم شیل قطر چاه را کاهش می دهد و باعث مشکلات ثبات و زمان غیر سازنده می شود به دلیل عوارض مانند وضعیت لوله گیر و توپ زدن قطعه.

چگونه از تورم شیل جلوگیری شود؟

جلوگیری از تورم شیل شامل استفاده از مهار کننده های شیمیایی مانند کلورید پتاسیم برای تبادل کاتین، عوامل تخلیه آب و مهار کننده های پیشرفته برای ثبات چاه است.

روند جدید استفاده از مهار کننده های شیل چیست؟

روند های در حال ظهور بر مهار کننده های سازگار با محیط زیست، مانند اسیدهای پلی آمینو با وزن مولکولی بالا و محصولات نشاسته اصلاح شده تمرکز می کنند تا در عین حفظ اثربخشی مهار کننده، آسیب های زیست محیطی را کاهش دهند.