Τ.Ε.Ι, ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ:
ΔΙΑΤΡΗΤΙΚΑ ΡΕΥΣΤΑ ΓΕΩΤΡΗΣΕΩΝ ΠΕΤΡΕΑΑΙΟΥ
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΙΠΑΝΤΙΚΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΔΙΑΤΡΗΤΙΚΩΝ
ΡΕΥΣΤΩΝ
KNV 5,0^ WANITERS1 β εο
ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ; ΠΑΝΑΓΙΩΤΙΔΗΣ ΘΕΟΑΟΓΟΣ "
ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ; ΑΡΓΥΡΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ
DiAMCTCR
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ:
ΔΙΑΤΡΗΤΙΚΑ ΡΕΥΣΤΑ ΓΕΩΤΡΗΣΕΩΝ ΠΕΤΡΕΑΑΙΟΥ
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΙΠΑΝΤΙΚΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΔΙΑΤΡΗΤΙΚΩΝ
ΡΕΥΣΤΩΝ
ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΑΡΓΥΡΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ:ΠΑΝΑΓΙΩΤΙΔΗΣ ΘΕΟΑΟΓΟΣ
ΚΑΒΑΑΑ 1997
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΜΕΡΟΣ A
ΒΑΣΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΣΤΑ ΔΙΑΤΡΗΤΙΚΑ ΡΕΥΣΤΑ ΓΕΩΤΡΗΣΕΩΝ ΠΕΤΡΕΑΑΙΟΥ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σ Ε Α ΙΑ
Α. Συνοπτική Θεώρηση των Αιατρητικών Ρευστών 1
1. Εισαγωγή 1
2. Βασικές Λειτουργίες 2
2.1 Απομάκρυνση των cuttings 2.2 Αιωρούμενα Στερεά
2.3 Έλεγχος Υποεπιφανειακών Πιέσεων 2.4 Προστασία του Σχηματισμού
2.5 Στεγανοποίηση των Τοιχωμάτων του Πηγαδιού 2.6 Μεγιστοποίηση των Ρυθμών Διάτρησης 2.7 Έλεγχος των Ρυθμών Διάβρωσης
2.8 Μεγίστη Δυνατή Διασφάληση των Πληροφοριών του Πηγαδιού
2.9 Ψύξη και Αίπανση
2.10 Υποσπιριξη του Βάρους τιις Διατρητικιίς Στήλης 3. Ιδιότητες των Αιατρητικών Ρευστών 3.1 Προστασία Σχηματισμού
9 10 10 10
3.2 Πυκνότητα 3.3 Ρεολογνκές Ιδιότητες 3.4 Έλεγχος Απωλειών Ρευστού 3.5 Θερμοκρασιακές Ανοχές 3.6 Ανοχές Αλάτων
4. Σύσταση των Αιατρητικών Ρευστάιν 4.1 Διατρητικά Ρευστά Αερίου ή Αφρού 4.2 Ρευστά με Βάση τον Μπετονίτη 4.3 Ρευστά με Βάση τα Πολυμερή 4 .4 Συστιίματα Κορεσμένων Αλάτων 4.5 Ρευστά με Βάση το Έλαιο 4.6 Ρευστά της Τελικής Φάσης και Ρευστά της Παραγωγικής Φάσης
5. Τεχλ’ΐκή Υποστήριξη
5.1 Εργαστιιριακές Μελέτες των Ρευστών 5.2 Εργαστιιριακές Μελέτες των Πετρωμάτων 5.3 Παρακολούθιισιι στον Τόπο Γεώτρησης
11 11 11 12 12 12
13 14 15 16 17 10
18 19
Β. Λειτουργίες και I5i6ttitec των Αιατρητικών Ρευστών 20 1. Η Ανάπτυξη της Χρήσης των Αιατρητικών Ρευστών 20 2. Οι Λειτουργίες του Αιατρητικού Ρευστού 21
2.1 Η Χρήσιι του Κοπηκού 21
2.2 Η απομάκρυνση ra v Κομματχών του Σχηματισμού 21 (cuttings) που Έχουν Διατρηθεί
2.3 Η Αποτροπή των Καθιζήσεων (caving) 22 2.4 Ο Έλεγχος της Πίεσης του Αερίου, του Πετρελαίου
ή του Νερού που Ενυπάρχουν στο Σχημαησμό 23 2.5 Η Αίπανση της Διατρηπκής Στήλης, των Τοιχωμάτων
του Πηγαδιού, του Σωλήνα Προστασίας(casing), των
Αντλιών και των Εργαλείων Κοπής 23
2.6 Ο Έλεγχος της Διάβρωσης 24
2.7 Η Συγκράτηση Όλων των Στερεών(solids) σε Αιώρημα στο Τμήμα του Πολφού που Βρίσκεται στο Πηγάδι,
Ιδιαίτερα κατά το Διάστημα Διακοπών της Διάτρησης 24 2.8 Η Εναπόθεση της Αμμου και των solids, που έχουν
Διατρηθεί, μέσα στον Δάκο Καθιζήσεων της Γεώτρησιις 24 2.9 Η Διευκόλυνση της Κίνησης της Διατρητικής Στήλης
και του Αγωγού Πpoστασίας(casing) 25
3. Οι Ανεπιθύμητες Ιδιότητες του Αιατρητικού Ρευστού 25 3.1 Η Εναπόθεση Χοντρού filter cake στα Τοιχώματα του
Πηγαδιού 25
3.2 Η Εισχώρηση Μεγάλου Ογκου Διηθήματος στο
Σχηματισμό 25
4. Τα Χαρακτηριστικά του Αιατρητικού Ρευστού ποι Βοηθούν στην Απόδοση των Αειτουργιών του 26 4.1 Η Απουσία Αμμου και Αποξεστικών Υλικών 26 4.2 Το Επαρκές Περιεχόμενο Κολλοειδούς 26
4.3 Πυκ-νότητα 29
4.4 Το ρΗ του Διατρηπκού Πολφού 30
5. Λ ιπαντική Ικανότητα α. Σκοπός - Γενικά Στοιχεία β. Διαδικασία Μέτρησης γ. Φθορά από Υπερτριβή (Seizure) δ. Πέρασμα (Pass)
ε. Υπολογισμός στ. Αποτελέσματα ζ. Φροντίδα για την Μηχανή
31 31 33 34 34 35 35
ΜΕΡΟΣ Β
ΣΥΣΚΕΥΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΛΙΠΑΝΤ1ΚΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΠΟΛΦΟΥ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΕΑΙΑΛ
1. Γ ενικές Πληροφορίες 37
2. Προτάσεις Ασφαλείας 43
Α. Ασφαλής Αειτουργία 43
Β. Προφυλάξεις κατά την Διάρκεια της Βαθμονόμησης 44 3. Δοκιμαστικός Δακτύλιος - Ζεύγος Δοκιμαστικών Τεμαχίων 45
Α. Εισαγωγή 45
Β. Διαδικασία 45
4. Τεστ Αιπαντικότητας 47
Α. Δοκιμή Τυποποίησιις Δοκημασπκού Δακτυλίου και
Δοκιμαστικού Τεμαχίου 47
Β. Τυποποιώντας το Ζεύγος 49
Γ. Μέτρηση Αιπαντικότητας του Δείγματος 53 Δ. Υπολογισμοί Αιπαντικότητας Δείγματος 54 5. Τεστ Εξαιρετικά Υψηλής Πίεστις (ΕΡ) 55
Α. Τεστ Ευθυγράμμισιις Ζεύγους 55
Β. Ευθυγράμμισιι Δοκιμαστικού Τεμαχίου 57 Γ. Διαδικασία Εξαιρετικά Υψηλής Πίεσιις (ΕΡ) στο Δείγμα 61
Δ. Υπολογισμοί και Μετρήσεις ΕΡ 65
Ε. Αναφορά Αποτελεσμάτων 66 6. Προληπτική Συντήρηση και Μηχανικές Διορθώσεις 68 Α. Αντικατάσταση του Εδράνου ή/και του Κελύφους
Β. Απομάκρυνση και Αντικατάσταση του Αξονα
69
Ροπής ή/και του Έκκεντρου Δακτυλίου 72
7. Έλεγχος Βαθμονόμησης και Ηλεκτρικές Ρυθμίσεις 75 Α. Έλεγχος Βαθμονόμησης
Β. Προετοιμασία για την Βαθμονόμηση
75
της Ταχύτητας και της Ροπής 76
Γ. Ρύθμιση Ταχύτητας και Βαθμονόμηση Δ. Ρύθμιση της Ροπής της Μηχανής στον
79
Πίνακα Ελέγχου της Μηχανής 82
Ε. Βαθμονόμηση Ροπής του Prony Brake 83
8, Ηλεκτρική Συντήρηση και Διάγνωση 87
Α. Απώλεια Ένδειξης Στροφών 87
Β. Απώλεια Ισχύος 88
Γ. Εσφαλμένος Έλεγχος Ταχύτητας 88
Δ. Ενδείξεις Ροττής Χαμηλές ή Εσφαλμένες 89 Ε, Απώλεια Ροπής και Ενδείξεων Ταχύτιμας 89
Ζ. Απώλεια Ελέγχου Ταχύτητας 89
9. Κατάλογος Εξαρτημάτων 91
Α. Ανταλλακτικά 91
Α ΡΙΘ Μ Ο Σ ΣΧΕΔΙΟΥ ΣΕΛΙΔΑ
1, Σύγκρισΐ] τεστ Αιπαντικότητας Εξαιρετικά 38 Υψηλής Πΐεοτης (ΕΡ)
2. Δοκνμαστιίς Λιπαντικότητας / ΕΡ.
Αναγνώριση Τμημάτων 40
3. Εξαρη'ιματα 41
4. Ζεύγος Δοκιμαστικών Δακτυλίων (πίνακας) 46 5. Ρύθμισΐ] τιις Καμπυλότιμας του Δοκιμασηκού Τεμαχίου 52
6. Ρύθμιση για την Διόρθωση του Τραπεζοϊδούς Προβλήματος
του Δοκιμαστικού Τεμαχίου (ΕΡ) 59
7. Νομογράφημα Εξαιρετικά Υψηλής Πίεσής 64 8. Διάγραμμα Λειτουργίας του ΔοκιμαστήΑιπαντικότητας / ΕΡ 80
9. Σετ Διαβάθμησης Prony Brake 81
1Θ. Ηλεκτρονικοί Ελεγκτές 85
11. Βαθμονόμηση Ταχύτητας 86
12. Σχηματικός Πίνακας Ελέγχου 90
13 . KB1C-9 Διάγραμμα Ελέγχου 90
A. ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ ΤΩΝ ΔΙΑΤΡΗΤΙΚΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ.
Βασικό στοιχείο στην τεχνική της περιστροφικής διάτρησης, είναι η χρήση κοπτικού τοποθετημένου στο κάτω άκρο μιας περιστρεφόμενης κοίλης στήλης. Το κοτπικό έχει διάμετρο μεγαλύτερη από τη διάμετρο της στήλης, οπότε δημιουργείται ένας κενός χώρος δακτυλιοειδούς διατομής (annulus) ανάμεσα σαυτή και στο σχηματισμό που έχει διατρηθεί. Ένα ρευστό (ο πολφός) συμπιεζόμενο στο εσωτερικό της στήλης εξέρχεται από τα jets, που υπάρχουν ανάμεσα στις κεφαλές του κοτΓτικού, και δια μέσου του δακτυλιοειδούς χώρου επιστρέφει στην επιφάνεια. Κατά την επιστροφή του επιτελεί και τη βασική λειτουργία να απομακρύνει προς την επιφάνεια τα cuttings, δηλ. τα κομμάτια του σχηματισμού που έχει διατρηθεί.
Η διάνοιξη του πηγαδιού πραγματοποιείται κατά διαδοχικούς τομείς των οποίων η διάμετρος μειώνεται κλιμακωτά. Κάθε επί μέρους τομέας σταθεροποιείται με τσιμέντωση που γίνεται μεταξύ των τοιχωμάτων του πηγαδιού και του χαλύβδινου σωλήνα προστασίας τους (casing). Έτσι, η εμπορική εκμετάλλευση του πηγαδιού θεωρούμενη ως προς την ανεύρεση υδρογονανθράκων, επιτελείται με την επανάληψη του κύκλου διάτρηση-τοποθέτηση του σωλήνα προστασίας-τσιμέντωση.
Η γεώτρηση μπορεί να διαιρεθεί σε δυο φάσεις υλοποίησης, οι οποίες έχουν διαφορετικούς στόχους.
Στην πρώτη φάση πραγματοποιούνται οι εργασίες ολοκλήρωσης της κατασκευής του πηγαδιού. Στόχοι είναι η γρηγορότερη διάτρηση και με το χαμηλότερο δυνατό κόστος. Ο μέγιστος ρυθμός διάτρησης, όπως και η σταθερότητα των τοιχωμάτων του πηγαδιού, είναι οι κυριότεροι συντελεστές επιτυχίας.
Στη δεύτερη φάση διεξάγονται οι εργασίες στη ζώνη πιθανής αξιοποίησης του κοιτάσματος. Το σημαντικότερο στοιχείο είναι, ότι η πιθανή παραγωγή και η ανίχνευση υδρογονανθράκων δεν θα πρέπει να βλάπτονται από την επαφή του διατρητικού ρευστού με το σχηματισμό. Στόχος, όπως και τελικό στάδιο της διατρητικής διαδικασίας, είναι η εισχώρηση στους ταμιευτήρες των πετρωμάτων και η παραγωγή υδρογονανθράκων. Τα ρευστά που χρησιμοποιούνται στο τελικό στάδιο συχνά αποκαλούνται "completion fluids" ή "workover fluids", δηλ. με πρακτική ερμηνεία τους "ρευστά της τελικής φάσης" ή
"ρευστά της παραγωγικής φάσης" αντίστοιχα. Ο σχεδιασμός, η σύσταση και η συντήρηση των ρευστών αυτών, μπορεί να έχουν σημαντική επιρροή στην επιτυχία της διατρητικής λειτουργίας.
ο όρος "drilling fluid" (διατρητικό ρευστό), χρησιμοποιείται επιλεκτικά περισσότερο από τον όρο "drilling mud" (διατρητικός πολφός), που είναι πιο γενικός αλλά και ευρύτερα αποδεκτός. Αυτό γίνεται για να τονισθεί ιδιαίτερα ότι οι ιδιότητες και η απόδοση του ρευστού είναι ειδικά σχεδιασμένες για το όλο σύστημα, και συνεπώς διαφέρει από ένα απλό ανακάτεμα νερού με τους αργίλους του σχηματισμού. Επισημαίνεται ακόμη ότι υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία σύστασης ή τύπου ρευστών που χρησιμοποιούνται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε ο όρος πολφός που εκφράζει απλή ανάμιξη αργίλου με νερό να προκαλεί σύγχυση.
2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ.
Η διαδικασία της περιστροφικής διάτρησης απαιτεί βασικά ότι τα cuttings μεταφέρονται από το κοπτικό στην επιφάνεια και ότι τα τοιχώματα του πηγαδιού είναι στέρεα . Η λειτουργία των διατρητικών ρευστών έχει άμεση σχέση με τις παραπάνω απαιτήσεις . Κατά την περιστροφική διάτρηση, γίνεται ένας συνδιασμός της κοπής από τα καρβίδια των περιστροφικών κεφαλών του κοπτικού και της ενίσχυσής της από την εκτόνωση της πίεσης του πολφού, που εξέρχεται με μεγάλη ταχύτητα από τα jets. Οι οπές (slots) των jets περιλαμβάνουν το ίδιο κοπτικό υλικό που υπάρχει και στα δόντια των κεφαλών, δηλαδή τα βιομηχανικά διαμάντια, που μπορεί να αλλαχθούν όταν χρειάζεται. Η διάμετρος των οπών έχει μελετηθεί και καθορισθεί εκ των προτέρων από τους μηχανικούς γεώτρησης , ανάλογα με τους επιδιωκόμενους ρυθμούς διάτρησης και για τον εκάστοτε σχηματισμό που πρέπει να διατρηθεί.
Ένας σημαντικός παράγοντας για τον έλεγχο του ρυθμού διάτρησης είναι και το βάρος, πού εναποτίθεται κάθε φορά στο κοπτικό από το χειριστήριο της στήλης . Δηλαδή από τη μια πρέπει να αφήνεται ικανό βάρος στο κοπτικό για την κοπή του σχηματισμού και από την άλλη δεν πρέπει να ξεπερασθεί το όριο αντοχής της στήλης.
2.1 Α π ομάκρυνση τω ν cuttings.
Τα cuttings μεταφέρονται με τον πολφό στην επιφάνεια, δια μέσου του δακτυλιοειδούς χώρου. Υπάρχουν βασικά δύο φυσικές παράμετροι, οι οποίες επηρεάζουν την ιδιότητα που καλείται
ικα νότητα μεταφοράς. Αυτές είναι η τα χ ύ τη τα ροής σ το δα κτύλιο και το ιξώ δες
Η ταχύτητα (του πολφού) στο δακτύλιο εξαρτάται από την ταχύτητα του συμπιεζόμενου ρευστού μέσα στη διατρητική στήλη (με σχέση ανάλογη) και από το μέγεθος της δακτυλιοειδούς διατομής (με σχέση αντιστρόφως ανάλογη). Ο ρυθμός διάτμησης του πολφού μεταβάλλεται σε όλο το σύστημα, από έντονα τυρβώδεις συνθήκες κοντά στο κοπτικό σε μείωσή του όσο αυξάνει το πλάτος του δακτυλίου, δηλ. όσο μικραίνει
η διάμετρος της στήλης ή όσο μεγαλώνει η διάμετρος του πηγαδιού.
Με δεδομένη τη διατομή της διατρητικής στήλης, ενδεχόμενη αύξηση της δακτυλιοειδούς διατομής δηλ. αύξηση της διαμέτρου του πηγαδιού, θα έπρεπε να συνοδεύεται και με αντίστοιχη αύξηση της ταχύτητας του συμπιεζόμενου ρευστού μέσα στη διατρητική στήλη. Συνήθως όμως το ρευστό πρεσσάρεται στη στήλη με τον υψηλότερο δυνατό ρυθμό τον οποίο επιτρέπει το όριο ανοχών του συστήματος κυκλοφορίας (αντλία, επιτρεπόμενη τάση αντοχής σωλήνων, μηχανική διάβρωση οπής και ικανότητα του εξοπλισμού της επιφάνειας).
Το ιξώδες ενός διατρητικού ρευστού μπορεί να ρυθμίζεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε η ταχύτητα μεταφοράς (απομάκρυνσης) των cuttings να αυξάνεται. Τα χαρακτηριστικά επίσης του ιξώδους μπορούν έτσι να σχεδιασθούν, ώστε "το ιξώδες του ρευστού να μεγαλώνει καθώς θα μικραίνει ο ρυθμός διάτμησης". Η λειτουργία αυτή, που είναι γνωστή ως θιξοτροπ ική (thixotrop ic) ιδιότη τα, είναι ιδιαίτερα σημαντική για τα διατρητικά ρευστά.
Η σύγχρονη αντιμετώπιση της μεταφοράς (απομάκρυνσης) των cuttings, βασίζεται περισσότερο πάνω στην ταχύτητα στο δακτύλιο (όπως αυτή προαναφέρθηκε), όσο και στην υψηλή ανάπτυξη των θιξοτροπικών χαρακτηριστικών του διατρητικού ρευστού, παρά σε μια μεμονωμένη αύξηση του ιξώδους του, η οποία μπορεί να δημιουργήσει άλλα προβλήματα. Αυτό μάλιστα συμβαίνει ιδιαίτερα εκεί όπου τα πηγάδια έχουν μεγάλες κλίσεις και χρειάζεται κινητική ενέργεια για να κατακρατήσει το υπόστρωμα των cuttings πάνω στα τοιχώματα του αναδευόμενου πηγαδιού.
Επίσης, η πυκνότητα του διατρητικού ρευστού θα ασκήσει μια επιρροή άνωσης πάνω στα cuttings, κάτι που γίνεται εμφανέστερο όταν η πυκνότητα του ρευστού υπερβαίνει τα 1,5 g/cm^ (12,5 Ib/gal). Σε συνάρτηση όμως με την πυκνότητα του ρευστού, το μέγεθος, το σχήμα και το βάρος των cuttings θα επηρεάσουν από μέρους τους την ταχύτητα απομάκρυνσής τους.
Είναι ιδιαίτερα σημαντικό τα cuttings να απομακρύνονται όσο το δυνατόν πιο γρήγορα και πιο αποτελεσματικά, διότι αλλιώς μπορεί να συσσωρευθούν σε μεγάλες ποσότητες και να μπουκώσουν το δακτύλιο ή να αυξήσουν υπερβολικά την πυκνότητα του ρευστού.
Γενικά, όσο πιο γρήγορα απομακρύνονται τα cuttings τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα να αποσυντεθούν από μηχανική δράση και από αντίδραση με το διατρητικό ρευστό.
2.2 Αιω ρούμενα στερεά (solids).
Στις περιπτώσεις όπου η κυκλοφορία του ρευστού έχει σταματήσει, τα χαρακτηριστικά του ιξώδους πρέπει να συντελούν στη δημιουργία ενός τρισδιάστατου πηκτώματος, όπου τα solids (cuttings και υλικά πρόσθεσης βάρους) θα παραμένουν αιωρούμενα. Από την άλλη όμως μεριά, το ιξώδες και η πηκτικότητα θα είναι μια ιδιότητα εξαρτώμενη από το χρόνο και δεν πρέπει να αποκτήσει τέτοια τιμή που θα μπορούσε να δυσχεράνει την εύκολη επανακυκλοφορία.
Γενικά, το ιξώδες και η πηκτικότητα σαν thixotropic χαρακτηριστικά πρέπει να ελέγχονται, στο βαθμό που τελικά να επιτρέπουν τα cuttings να αφαιρούνται εύκολα στην επιφάνεια της γης από τα shaker screens (δονητικά κόσκινα), λίγο πριν το ρευστό επιστρέφει στη δεξαμενή του.
2.3 Ελεγχος υπ οεπ ιφ ανειακώ ν π ιέσεω ν.
Οι σχηματισμοί που έχουν διατρηθεί αποτελούνται από μεταλλικά θραύσματα ή κρυστάλλους ποικίλου μεγέθους, που βρίσκονται υπό πίεση από τα πιο πάνω τους στρώματα των βράχων. Η πίεση αυτή τείνει να συμπιέσει περισσότερο τα μεταλλικά σωματίδια μεταξύ τους αλλά και σε μεγαλύτερο βάθος. Θα υπάρξουν χώροι μεταξύ των μεταλλικών σωματιδίων που θα γεμίσουν με αέριο ή υγρό (πετρέλαιο, υγροποιημένο αέριο ή νερό που περιέχει άλατα ή διαλυμένα αέρια κλπ.). Αυτά τα υγρά και αέρια θα είναι επίσης υπό πίεση.
Η ενέργεια της διάτρησης μιας οπής σε ένα πολύ συμπιεσμένο πορώδες πέτρωμα, που περιέχει υγρά ή αέρια υπό πίεση, δημιουργεί δύο π ροβλήματα;
Το πρώτο πρόβλημα είναι ότι τρυπώντας ένα συμπιεσμένο πέτρωμα υπό πίεση δημιουργούνται ανάλογου μεγέθους ακτινικές τάσεις. Αυτές μπορούν σε κάποια έκταση να αντισταθμισθούν από την πίεση (υδροστατική), που ασκεί η στήλη του διατρητικού ρευστού
πάνω στα τοιχώματα και η οποία είναι ανάλογη προς την πυκνότητα του ρευστού και προς το ύψος της στήλης του. Αν οι συνιστώσες που ασκούνται από τη στήλη του ρευστού υπερβούν τις εφαπτομενικές συνιστώσες, το πέτρωμα μπορεί να θρυμματισθεί. Κανονικά τα πετρώματα διατηρούνται υπό τάση. Εφόσον όμως η πίεση της στήλης του ρευστού δεν είναι αρκετή να κρατήσει τις τάσεις του πετρώματος του πηγαδιού στο βαθμό που να είναι αυτό στέρεο, τότε θα συμβεί κατάπτωση των τοιχωμάτων.
Το δεύτερο πρόβλημα είναι ότι η πίεση που ασκείται από το διατρητικό ρευστό, πρέπει να έχει σχεδιασθεί να είναι μεγαλύτερη από εκείνη πού προέρχεται από τα υγρά ή τα αέρια του σχηματισμού, έτσι ώστε να μη συμβεί το σκάσιμο "blow out" του πηγαδιού .
Η πίεση που ασκείται από τη στήλη του ρευστού μπορεί να ρυθμίζεται με τον έλεγχο της πυκνότητας του διατρητικού ρευστού, κάτι που είναι πολύ σημαντικό, αφού συντελεί στο να επιτυγχάνεται η σταθερότητα του πηγαδιού και η ασφάλεια των γεωτρητικών εργασιών.
Η διάνοιξη του πηγαδιού κανονικά ολοκληρώνεται κατά τομείς και κάθε φορά προσδιορίζονται επακριβώς οι απαιτήσεις σε πίεση του επιμέρους τομέα.
2.4 Π ροσ τασία του σ χηματισμού.
Αναφέρθηκε πιο πάνω ότι μια συνέπεια της διάτρησης είναι η αλλαγή του καθεστώτος των εσωτερικών πιέσεων στο πέτρωμα και στα ρευστά ή αέρια του πετρώματος. Η άλλη όμως σπουδαία συνέπεια είναι ότι το πέτρωμα εκτίθεται πλέον στο διατρητικό ρευστό. Το ζήτημα είναι ότι το διατρητικό ρευστό πρέπει να έχει σχεδιασθεί κατά τέτοιο τρόπο, ώστε οι αντιδράσεις μεταξύ αυτού και του πετρώματος να μην είναι τόσο ισχυρές που να προκαλέσουν καθιζήσεις των τοιχωμάτων του πηγαδιού.
Για παράδειγμα, αν πρέπει να διατρηθεί ένας σχηματισμός που περιέχει αλάτι, τότε η υγρή φάση του διατρητικού ρευστού θα πρέπει να είναι κορεσμένη σε αλάτι για να μη προκύπτει το ανωτέρω πρόβλημα.
Οι σχηματισμοί αργιλικών σχιστόλιθων μπορούν να προσροφήσουν πολύ έντονα νερό. Το γεγονός αυτό μπορεί να προκαλέσει νέες εσωτερικές τάσεις στο σχηματισμό και να οδηγήσει πάλι σε αστάθεια τα τοιχώματα του πηγαδιού. Η ευαισθησία στο νερό
γίνεται εντονότερη με το φρέσκο νερό και μπορεί να οδηγήσει σε πλήρη διασπορά των cuttings.
Η ευαισθησία των πετρωμάτων στο νερό μπορεί να αντιμετωπισθεί κάνοντας και πάλι κατάλληλες αλλαγές στη σύσταση του διατρητικού ρευστού. Στην πράξη, αυτή η συστατική προσαρμογή που καλείται χα ρακτήρας α να σ τα λτικό ς (inhibitive), είναι από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός πολφού. Μια μεγάλη ποικιλία "ανασταλτικών"
διατρητικών ρευστών έχει αναπτυχθεί στην προσπάθεια να λυθούν προβλήματα των ευαίσθητων στο νερό σχηματισμών. Τα διαλύματά τους έχουν τελικά περιλάβει άλατα ασβεστίου, νατρίου, καλίου και μια ποικιλία υδατοδιαλυτών πολυμερών, ως αποτέλεσμα είτε της εμπειρίας από τα inhibitive συστήματα που έχουν εφαρμοσθεί ως τώρα, είτε της έρευνας του inhibitive χαρακτήρα και της πυκνότητας του διαλύματος, με σκοπό τη βέλτιστη σταθερότητα των τοιχωμάτων του πηγαδιού και τη διάτρηση χωρίς προβλήματα.
Τρυπώντας την παραγωγική ζώνη, είναι πολύ σημαντικό η πιθανή παραγωγή να μη βλάπτεται από τις οποίες αλληλεπιδράσεις μεταξύ του διατρητικού ρευστού και των υλικών της ζώνης παραγωγής. Στις αντιδράσεις οι οποίες είναι δυνατό να προκαλέσουν προβλήματα, περιλαμβάνονται η διασπορά των αργίλων στους ψαμμόλιθους, ο σχηματισμός αδιάλυτων καθιζήσεων που οφείλονται στην ανάμιξη ασυμβίβαστων νερών ή ο σχηματισμός γαλακτωμάτων. Τα προβλήματα αυτά μπορούν να ξεπερασθούν με την παρέμβαση ή και τη μελετημένη μετατροπή των ρευστών που χρησιμοποιούνται στην παραγωγική ζώνη.
2.5 Σ τεγανοπ οίηση τω ν το ιχω μ ά τω ν του π ηγαδιού.
Δύο σημαντικές λειτουργίες του διατρητικού ρευστού (πολφού) είναι το κράτημα των πετρωμάτων και η ελαχιστοποίηση των αντιδράσεων με το σχηματισμό. Οι λειτουργίες αυτές θα μπ3ρούσαν κάλλιστα να υλοποιηθούν εφόσον τα τοιχώματα καλύπτονταν με κάποιο απόλυτα στεγανοποιητικό film. Πρακτικά όμως δεν συμβαίνει αυτό από μόνο του στον απαιτούμενο βαθμό.
Αν οι πόροι του πετρώματος είναι μεγαλύτεροι από το μέγεθος των solids (σωματιδίων) στον πολφό, τότε αυτός θα εισχωρήσει στο σχηματισμό. Το πρόβλημα αυτό βρίσκει τη λύση του προσθέτοντας υλικά απώλειας κυκλοφορίας "lost circulation materials".
Διευκρινίζεται ότι υπάρχει μεγάλη ποικιλία από τα υλικά αυτά, που συνήθως είναι υλικά ινώδη (ίνες ξύλου, υάλου, μεταλλότριχες κ.α.).
υλικά φολιδωτά ή λεπιδωτά (μίκα δηλ. μαρμαρυγίας κ.α.) και υλικά κοκκώδη (τριμμένα καρυδοκελύφη, πλαστικά κ.α.) ή μίγματα των ανωτέρων υλικών.
Η στεγανοποίηση τελικά επιτυγχάνεται με τη δημιουργία ενός στρώματος χαμηλής διαπερατότητας (filter cake), που παράγεται από τα solids του πολφού σε συνδιασμό με ειδικά πρόσθετα (special additives ) και έχει διαπερατότητα με περιοχή τιμών 0,001-0,0001 millidarcies.
Όταν το ρευστό έχει χαρακτηριστικά χαμηλού filtration, είναι αποδεδειγμένο ότι η σταθερότητα των τοιχωμάτων του πηγαδιού αυξάνει. Επί πλέον, επειδή σχηματίζεται μόνο ένα λεπτό στρώμα filter cake, θα υπάρχει ελάχιστος περιορισμός στη διάμετρο του πηγαδιού.
Η ικανότητα του filter cake να κρατά πίσω την υγρή φάση του πολφού καλείται fluid loss property. Είναι μια σπουδαία παράμετρος που πρέπει να αναπτυχθεί στα διατρητικά ρευστά οποιασδήποτε σύστασης. Ήδη έχει αναπτυχθεί ιδιαίτερα στα ρευστά με βάση το έλαιο (oil based muds).
2.6 Μ εγισ τοπ οίησ η τω ν ρυθμών διά τρ ησ ης .
Το διατρητικό ρευστό έχει τόσο άμεση επαφή με το διατρηθέν πέτρωμα, ώστε είναι πολύ φυσικό οι ιδιότητες του διατρητικού ρευστού να έχουν μια σοβαρή επίδραση στο ρυθμό διάτρησης. Η επίδραση αυτή εφαρμόζεται συμπληρωματικά με τις μηχανικές συνιστώσες, όπως είναι ο σχεδιασμός του κοπτικού, η πίεση μεταξύ κοπτικού και πετρώματος, η ταχύτητα περιστροφής της στήλης, και η ταχύτητα ροής του ρευστού δια μέσου της δράσης του jet.
Ένας από τους ουσιαστικούς παράγοντες που επηρεάζει το ρυθμό διάτρησης είναι η "chip hold-down pressure". Αυτή είναι η διαφορά πίεσης μεταξύ της υδροστατικής που ασκεί η στήλη του διατρητικού ρευστού και της πίεσης των υγρών και αερίων που ενυπάρχουν στο πέτρωμα. Εδώ υπάρχει κάποια σύγκρουση αντικειμενικών στόχων. Με τη μεγαλύτερη πυκνότητα του διατρητικού ρευστού επιτυγχάνεται μεγαλύτερη σταθερότητα στα τοιχώματα του πηγαδιού, κάτι που είναι πολύ επιθυμητό, αλλά που επιφέρει έναν αργότερο ρυθμό διάτρησης.
Ένα άλλο σημαντικό στάδιο στη διατρητική διαδικασία είναι η διείσδυση του πολφού στο θραυσμένο πέτρωμα, βοηθούμενη από τα δόντια των κεφαλών του κοπτικού. Αυτό χρειάζεται επειδή το θραύσμα
(cutting) μπορεί να ελευθερωθεί μόνο όταν η πίεση του ρευστού γύρω από το θραύσμα είναι η ίδια με αυτή που υπάρχει στο πηγάδι. Η διείσδυση του πολφού στα τριχοειδή θραύσματα επαυξάνεται από τα εξής χαρακτηριστικά του ρευστού :
- χαμηλό ιξώδες (π.χ. αέρας καλύτερα από νερό, νερό καλύτερα από έλαιο).
- χαμηλό περιεχόμενο σε solids (νερό καλύτερα από άργιλο ή από αιώρημα διατρηθέντων solids).
- υψηλότερες απώλειες ρευστού.
Η σπουδαιότητα του να υπάρχει χαμηλή περιεκτικότητα στερεών solids στο διατρητικό ρευστό γίνεται ακόμη μεγαλύτερη, καθώς αρχίζει να εφαρμόζεται η βλαβερή επίδραση των solids στο ρυθμό διάτρησης.
Έτσι, αρκετά διαλύματα πολυμερών έχουν χρησιμοποιηθεί για να εκπληρώσουν μερικές από τις λειτουργίες που πραγματοποιούν οι αντίστοιχοι ορυκτοί άργιλοι, όπως ο μπεντονίτης (montmorillonite) και αταπουλτζίτης (attapulgite). Οι μετατροπές αυτές στη σύσταση του διατρητικού ρευστού έχουν σαν επίπτωση τα μεγαλύτερα κόστη, που αντισταθμίζονται όμως από τους μικρότερους χρόνους διάτρησης και από το μικρότερο αριθμό χρησιμοποιούμενων κοπτικών.
Η σταθερότητα των τοιχωμάτων του πηγαδιού έχει άμεση σχέση με ένα παράγοντα χρόνου, καθώς τα συνθλιβόμενα πετρώματα θέλουν ένα καθορισμένο χρόνο να ανταποκριθούν φυσιολογικά σε μια αλλαγή καθεστώτος πιέσεων. Ο χρονικός αυτός παράγοντας είναι συχνά κρίσιμος, γιατί αυτό που απαιτείται τελικά είναι στέρεα τοιχώματα που θα επιτρέψουν να τοποθετηθεί το casing και να τσιμεντωθεί.
2.7 Έ λεγχ ο ς τω ν ρυθμών διάβρω σης.
Σε ένα διαβρωτικό περιβάλλον θα πρέπει να προστατευθεί ο μηχανολογικός εξοπλισμός, δηλαδή drill pipes, collars, jars, packers, tools κτλ. Τα στοιχεία που απαρτίζουν τη διατρητική στήλη βρίσκονται κάτω από υψηλές τάσεις προκειμένου να ανταποκριθούν στο δύσκολο ρόλο τους. Η διάβρωση και η οξείδωση που συνήθως υφίστανται, είναι δυνατό να τα οδηγήσουν σε αστοχία. Τα drill pipes κ.λ.π., πέραν του οξυγόνου μπορεί να εκτεθούν και σε άλλα οξειδωτικά αέρια, όπως το υδρόθειο και το διοξείδιο του άνθρακος διαλυμένα στην υγρή φάση. Το υδρόθειο είναι ιδιαίτερα επιβλαβές διότι προκαλεί την ευθραυστότητα από υδρογόνο.
Γενικά, το διατρητικό ρευστό είναι δυνατό να υποστεί τέτοια χημική επεξεργασία που να εξουδετερώνει τις διαβρωτικές συνθήκες. Αυτές πολύ συχνά αντιμετωπίζονται με απλό τρόπο δηλ. διατηρώντας στο διατρητικό ρευστό μια αλκαλικότητα περιοχής ρΗ από 9-11, Όταν αναμένεται ότι θα εμφανισθεί υδρόθειο, γίνονται πλέον ειδικές χημικές επεξεργασίες.
2.8 Μ έγιστη δυνατή διασ φ άλισ η τω ν π ληροφ οριώ ν του π ηγαδιού.
Συχνά το κυρίως αντικείμενο μιας γεώτρησης είναι η διασφάλιση του όγκου των πληροφοριών για το σχηματισμό, διεξάγοντας συνεχείς αναλύσεις των θραυσμάτων και εφαρμόζοντας τεχνικές logging.
Επίσης γίνονται αναλύσεις στο διατρητικό ρευστό κατά την επιστροφή του, για διαπίστωση της εισχώρησης αερίων ή υδρογονανθράκων.
Τα cuttings πρέπει να μεταφέρονται κατά το δυνατόν αναλλοίωτα στην επιφάνεια, προκειμένου να εξασφαλίζεται η αντιπροσωπευτικότητα των μετρήσεών τους σε σχέση με τους σχηματισμούς από τους οποίους προέρχονται.
Επισημαίνεται ότι μπορεί να υπάρχουν κάποιες ειδικές περιπτώσεις, όπως είναι οι σχηματισμοί σύνθετων αλάτων, σχηματισμοί χαλαροί κ.α., όπου απαιτείται ιδιαίτερος σχεδιασμός του διατρητικού ρευστού.
2.9 Ψύξη και λίπ ανσ η.
Στη διάρκεια της διατρητικής διαδικασίας δημιουργείται ένα αξιόλογο ποσό θερμότητας από τις δυνάμεις τριβών, οι οποίες αναπτύσσονται από την περιστροφή του κοπτικού και της διατρητικής στήλης. Η θερμότητα αυτή δεν μπορεί να απορροφηθεί τελείως από το σχηματισμό και πρέπει να απαχθεί στην επιφάνεια μέσω του διατρητικού ρευστού. Προσθετικά λειτουργεί επίσης και η θερμοκρασία της γης. η οποία μεγαλώνει όσο μεγαλώνει το βάθος της διάτρησης.
Όπως είναι φυσικό ο πολφός λειτουργεί και ως λιπαντικό για το όλο σύστημα της διάτρησης, είτε με την υγρή φάση του είτε με τα solids που εναποτίθενται πάνω στα τοιχώματα ως filter cake. Πάντως, όταν η ροπή στρέψης είναι μεγάλη, πρέπει να έχουν προβλεφθεί ειδικά λιπαντικά πρόσθετα.
2.10 Υ π οστήριξη του βάρους της δ ια τρ η τική ς στήλης.
Η φυσική άνωση του διατρητικού υποβοηθά στη στήριξη μέρους του βάρους της διατρητικής στήλης πάνω στο casing. Ο βαθμός άνωσης είναι ανάλογος με την πυκνότητα του ρευστού. Η σπουδαιότητα της ιδιαίτερης αυτής λειτουργίας γίνεται εμφανέστερη καθώς τα βάθη της γεώτρησης μεγαλώνουν.
3. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΔΙΑΤΡΗΤΙΚΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ
Ο μεγάλος αριθμός λειτουργιών που πρέπει να έλθουν σε πέρας από τα διατρητικά ρευστά μέσα στα ποικίλα περιβάλλοντά τους, οδήγησε σε ένα σύνθετο σύστημά τους με περισσότερες από 150 διαφορετικές συνθέσεις που χρησιμοποιούνται στους σχηματισμούς. Οι βασικές όμως ιδιότητες των διατρητικών ρευστών είναι συγκριτικά λίγες.
3.1 Προσ τασία σχηματισμού.
Σε γενικές γραμμές την προτεραιότητα για την προστασία του σχηματισμού έχει η επιλογή της σύστασης του διατρητικού ρευστού, η οποία θα πρέπει να περιορίζει στο ελάχιστο την αντίδραση με τα πετρώματα του σχηματισμού, όπως και να ταιριάζει με αυτά σε κάθε περίπτωση.
3.2 Πυκνότητα.
Η σωστή πυκνότητα του διατρητικού ρευστού τρέπει να βασίζεται στις πιέσεις και στις δυνάμεις που αναπτύσσονται στο πηγάδι. Έτσι ισχυροί σχηματισμοί, όπως γρανιτικοί, μπορούν να διατρηθούν και με αέρα, ενώ υπερσυμπιεσμένοι σχηματισμοί μπορεί να απαιτούν πυκνότητες μέχρι και 3.0 g/cm^.
Η πυκνότητα του ρευστού μπορεί να ποικίλει με χρησιμοποίηση διαφορετικών συνθέσεων σε διάφορες φάσεις. ΟΙ συνθέσεις αυτές είναι δυνατό να πραγματοποιούνται με αέρα, έλαιο, νερό ή αλατόνερα, ή αναμιγνύοντας τις υγρές φάσεις για το σχηματισμό αφροτικών ή γαλακτωμάτων ή βάζοντας στερεά solids στην υγρή φάση για τη
δημιουργία αιώρησης. Τα solids αυτά μπορεί να είναι υλικά που προέρχονται από τη διάτρηση των πετρωμάτων ή μπορεί να είναι ειδικά τοποθετημένα υλικά που αποσκοπούν στην αύξηση του βάρους (weighting agents), όπως το ανθρακικό ασβέστιο, ο βαρίτης ή οξείδια του σιδήρου.
3.3 Ρεολογικές ιδιότητες.
Οι ρεολογικές ιδιότητες εξαρτώνται από το βάθος του πηγαδιού, τη διάμετρό του, την απόκλισή του από την κατακόρυφο και τις διαθέσιμες ταχύτητες του πολφού στο δακτύλιο. Εάν όμως ο πολφός έχει μεγάλες συγκεντρώσεις σε στερεά (solids), τότε μπορεί η επιλογή των ρεολογικών ιδιοτήτων να είναι οριακή.
Σε επιφανειακά πηγάδια και μόνο η χρήση νερού είναι επαρκούς ιξώδους για τον καθαρισμό τους, αλλά σε μεγαλύτερα βάθη απαιτούνται ρευστά με μεγαλύτερο ιξώδες. Σε βαθιά πηγάδια ή σε αυτά που έχουν απόκλιση, σε υψηλούς ρυθμούς διάτρησης και υψηλές θερμοκρασίες, δημιουργούνται συνθήκες που απαιτούν μια μεγαλύτερη προσοχή στην επιλογή των ιδιοτήτων ροής.
3.4 Έ λεγχ ο ς απ ω λειώ ν ρευστού
Αυτή είναι μια καθοριστική παράμετρος του ρευστού που αποκτά μεγαλύτερη σπουδαιότητα όταν συναντώνται πορώδεις και διαπερατοί σχηματισμοί, όπως π.χ. ψαμμόλιθοι. Σαν ενέργεια του μηχανισμού ελέγχου των απωλειών προκύπτει και η ανάγκη σταθεροποίησης κάποιων σχηματισμών. Ειδική αντιμετώπιση θα πρέπει να σχεδιασθεί σε περιπτώσεις απωλειών που υπάρχουν κάτω από συνθήκες μεγάλων θερμοκρασιών και υψηλών πιέσεων. Το filter cake μπορεί να καταπέσει κάτω από στατικές ή δυναμικές συνθήκες, στις οποίες η ροή το διαβρώνει. Η σύσταση του πολφού πρέπει επίσης να προνοεί την κατάλληλη συμπεριφορά του και για τις ανωτέρω περιπτώσεις.
3.5 Θ ερμοκρασιακές ανοχές.
Η θερμοκρασία του σχηματισμού συνήθως αυξάνει με την αύξηση του βάθους και η ειδική σταθερά θερμοκρασίας διαφέρει από τόπο σε τόπο. Πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και να αξιολογούνται σωστά οι
επιδράσεις της θερμοκρασίας για την πλέον κατάλληλη σύσταση του διατρητικού ρευστού από την άποψη αυτή.
3.6 Ανοχές αλάτων.
Το διατρητικό ρευστό πρέπει επίσης να έχει σύσταση τέτοια , ώστε να συμπεριφέρεται με σταθερότητα σε περιβάλλοντα αλμυρού νερού, αλάτων ασβεστίου και μαγνησίου. Αυτό είναι ιδιαίτερα απαραίτητο κυρίως όταν υφίστανται διάτρηση σχηματισμοί εβαποριτικών αλάτων (όπως χλωρίδια νατρίου, καλίου ή μαγνησίου, θειϊκό ασβέστιο κ.α.) ή όταν συμβεί αλατόνερα του σχηματισμού που εμπεριέχουν αυτά τα άλατα να εισχωρήσουν στον πολφό.
Θα πρέπει επίσης να έχει σταθερότητα και όταν έλθει σε επαφή με το τσιμέντο στις αντίστοιχες διεργασίες της γεώτρησης.
4. ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΔΙΑΤΡΗΤΙΚΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ .
Υπάρχει μεγάλη ποικιλία διατρητικών ρευστών που αντιστοιχούν στις διάφορες περιπτώσεις διάτρησης, καθώς και στους διαφορετικούς σχηματισμούς. Τα τελευταία χρόνια η σύσταση του πολφού επιβάλλεται να περιλαμβάνει υλικά ανακυκλώσιμα για να μπορεί να ανταποκριθεί στους περιβαλλοντικούς και οικολογικούς σκοπούς.
Τα διατρητικά ρευστά μπορούν να χωρισθούν στις ακόλουθες κατηγορίες βασισμένες στις συνεχείς φάσεις εφαρμογής :
4.1 Δ ια τρητικά ρευστά αερίου ή αψρού.
Αποτελούν μια εξειδικευμένη και οριακή περιοχή εφαρμογών. Η τεχνική και τα χημικά που χρησιμοποιούνται, συχνά συναρτώνται με τους αεροσυμπιεστές. Το χρησιμοποιούμενο αέριο μπορεί να είναι αέρας ή φυσικό αέριο και εγχύνεται μαζί με αφροτικά χημικά. Μπορεί να προστεθεί νερό ή να παραληφθεί από το σχηματισμό για να σχηματίσει "ομίχλη" σε χαμηλές ποσότητες νερού ή "αφρό" σε υψηλότερες. Σε περιοχές στις οποίες προβλέπονται για τη διάτρηση αέριο ή αφρός, μπορούν να επιτευχθούν πολύ μεγάλοι ρυθμοί διάτρησης.
Είναι ιδανική περίπτωση για τις γεωτρήσεις παραγωγής αερίου χαμηλής πίεσης ή νερού, αφού δεν υπάρχει φθορά στο σχηματισμό ή μόλυνση του ταμιευτήρα από το ρευστό.
Οι περιορισμοί στην εφαρμογή τους οφείλονται στην παντελή έλλειψη ελέγχου της πίεσης του σχηματισμού, στον υψηλό βαθμό διάβρωσης, καθώς και στην πτωχή ψύξη και λίπανση. Η χρήση τους δεν είναι μεγάλη, γιατί καλύτπει μια περιορισμένη και εξειδικευμένη αγορά.
4.2 Ρευστά με βάση τον μπ εντονίτη.
Η τεχνολογία του πολφού γεωτρήσεων αναπτύχθηκε κυρίως με την εκμετάλλευση των ιδιαίτερα καλών ιδιοτήτων του αργιλικού ορυκτού riontmorillonite, δηλ. του κυριότερου συστατικού των αργίλων, το οποίο ονομάζεται μπεντονίτης.
Η αποκλειστική ιδιότητα της αργίλου είναι ότι σχηματίζει λεπτά στρώματα (φύλλα) των 10 -100 Angstroms πάχους και επιφάνειας περίπου 100-1000 Angstroms^, όταν αναμιχθεί με φρέσκο νερό. Αυτά τα λεπτότατα στρώματα δίνουν 5-10 % αιώρημα στο νερό, που είναι ό,τι καλύτερο για τον πολφό από πλευράς ελέγχου του ιξώδους, του κολλοειδούς και των απωλειών ρευστού. Η πλειονότητα των ρευστών μπορούν πλέον να συσταθούν με μπεντονίτη, οπότε αποτελούν τα χαμηλότερου κόστους ρευστά.
Τα πολυμερή προβλέπεται να υπάρχουν στη σύσταση για να επιφέρουν διάφορες μετατροπές στο βασικό αιώρημα. Μια σπουδαία βελτίωση είναι ο συνδιασμός των πολυμερών με τον μπεντονίτη για να δώσει ρευστό με παραπλήσια τα χαρακτηριστικά ιξώδους, αλλά με πολύ μικρότερη περιεκτικότητα σε solids και με υψηλότερο βαθμό διάτρησης ταυτόχρονα. Μερικά παράγωγά τους CMC (carboxy-methyl- cellulose) χρησιμοποιούνται για να βελτιώσουν τον έλεγχο απωλειών ρευστού.
Οι μπεντονιτικοί πολφοί σχηματιζόμενοι με φρέσκο νερό έχουν δύο ουσιαστικά μειονεκτήματα :
Το ένα είναι ότι ο inhibitive (ανασταλτικός) χαρακτήρας είναι πολύ χαμηλός και έτσι τα στερεά solids του σχηματισμού είναι δυνατό να διασπαρθούν. Το δεύτερο είναι ότι σε τυχούσα πρόσμιξη ασβεστίου (συνήθως αυτό γίνεται όταν διατρυπώνται ανυδρίτες π.χ. από θειϊκό ασβέστιο), ο πολφός μπορεί να πήξει σημαντικά και να μεταβληθούν τα ρεολογικά χαρακτηριστικά του με κάποιο απρόβλεπτο τρόπο. Για
να υπάρξει κάποιος έλεγχος στον κίνδυνο πήξης θα πρέπει να προστεθεί διαλύτης για αραίωση ή διασπορά. Οι πρώτες ωστόσο προσπάθειες για χρησιμοποίηση δεψικών ενώσεων ή πολυφωσφορικων ενώσεων, δεν ήταν και τελείως επιτυχημένες εξαιτίας της αστάθειας που έχουν στη θερμοκρασία, καθώς και στο ρΗ ή σε υψηλά επίπεδα ασβεστίου. Τα σχετικά προβλήματα λύθηκαν με την ανάπτυξη των λιγνινοθειϊκών αλάτων σιδηροχρωμίου, όπως π.χ.
των FCL (Ferro-chrome salts of lignosulfonates ) στη δεκαετία του 50.
Η τεχνολογία του πολφού μπεντονίτη έκανε ένα μεγάλο βήμα με την εισαγωγή των συστημάτων ασβεστίου που δημιουργούνται με πρόσθετα από ασβεστόλιθο, γύψο και FCL για να ελέγξουν υπερβολικά ιξώδη. Ένα τέτοιο σύστημα είναι φθηνό, σταθερό και έχει μεγάλη ανοχή σε υψηλά επίπεδα solids από διάτρηση. Παρουσιάζει όμως το μειονέκτημα της μικρής μόνο αύξησης των inhibitive ιδιοτήτων, λόγω των συνθηκών υψηλού ρΗ και του χαρακτήρα διασποράς του FCL.
Ο μπεντονίτης δεν διασκορπίζεται στο αλμυρό νερό εξαιτίας της μείωσης της ενέργειας ενυδατώσεως. Συνεπώς, όταν ο μπεντονίτης χρησιμοποιείται στις πλατφόρμες ανοικτής θάλασσας, είναι σκόπιμο προηγουμένως να ενυδατώνεται σε φρέσκο νερό και να
"προστατεύεται" με FCL. Πολυμερή, όπως CMC υψηλού ιξώδους είτε XC πολυμερή, αρχίζουν να έχουν εφαρμογή σε τέτοιες περιοχές.
Η απόδοση του προ-ενυδατωμένου μπεντονίτη σε κορεσμένο αλατόνερο είναι φτωχή και η χρήση του περιορίζεται σαν πρόσθετο για το filter cake. Πολυμερή ή αλατόνερα αργίλων, όπως ο attapulgite ή ο sepiolite χρησιμοποιούνται συχνότερα σε τέτοιες περιπτώσεις.
Ρευστά με βάση τον μπεντονίτη εξακολουθούν να είναι ακόμη τα πλέον χρησιμοποιούμενα. Ωστόσο για εφαρμογές στις πλατφόρμες της θάλασσας και για αργιλικούς υψηλής διασποράς σχιστόλιθους, έχουν ως μειονέκτημά τους τις αρκετά χαμηλές inhibitive ιδιότητες και γιαυτό αντικαθίστανται από συστήματα πολυμερών / αλάτων, καθώς και από συστήματα με βάση το έλαιο.
4.3 Ρευστά με βάση τα ττολυμερή.
Η χρήση του μπεντονίτη για να παρέχει τα χαρακτηριστικά της απαιτούμενης ρεολογίας και των απωλειών ρευστού, μπορεί να αντικατασταθεί με τη χρήση μιας σειράς πολυμερών , όπως τα CMC παράγωγα μεγάλου ιξώδους, τα ξανθογονικά κόμμεα και τα άμυλα
(τροποποιημένα). To pH του συστήματος μπορεί να χαμηλώσει και δεν χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν διαλύτες για αποθρόμβωση και για διασπορά (dispersants). Επίσης τα inhibitive χαρακτηριστικά τους επαυξάνονται σε μεγάλο βαθμό, ενώ προκύπτουν και συστήματα χαμηλών solids για να δώσουν αυξημένους ρυθμούς διάτρησης.
Τα inhibitive συστήματα μπορούν περαιτέρω να επαυξηθούν με τη χρήση αλάτων του χλωριούχου καλίου και των πολυακρυλαμιδών μεγάλου μοριακού βάρους. Το κάλιο αντιδρά με διαστελλόμενους αργίλους και σχηματίζει μια δομή ψευδό - μίκας. Το πολυμερές προσροφάται στις αργιλικές επιφάνειες και παράγει ένα κολλώδες film, που περιορίζει την κινητικότητα του νερού και σταθεροποιεί τους ενυδατωμένους σχηματισμούς.
Υπάρχουν ουσιαστικά δύο ποικιλίες του συστήματος αυτού. Η μια είναι ο τύπος υψηλών αλάτων που χρησιμοποιεί αλατόνερα του χλωριούχου καλίου σε ποσοστό 7-10%. Τελευταίες όμως συνθέσεις χρησιμοποιούν 1-3% άλας καλίου σε φρέσκο νερό και βασίζονται σε ηλεκτρολυμένη πολυακριλαμίδη για ανάπτυξη ικανοτήτων ελέγχου, τόσο του ιξώδους όσο και των απωλειών του ρευστού. Τα ρευστά αυτά αντιπροσωπεύουν, προς το παρόν, το πλέον inhibitive σύστημα με βάση το νερό.
4.4 Συστήματα κορεσ μένω ν αλάτω ν.
Τα συστήματα κορεσμένων αλάτων (άλατα ασβεστίου, καλίου, νατρίου, μαγνησίου) απαιτούν ειδικά πρόσθετα για να παραμένουν σταθερά σε υψηλά αλατούχες συνθήκες. Επίσης συνοδεύονται με πρόσθετες διαδικασίες δοκιμών, για την επιβεβαίωση ότι η υδάτινη φάση είναι κορεσμένη, με αναφορά στα solids αλογονιδίων κάτω από τις συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας που επικρατούν στον πυθμένα του πηγαδιού. Με τα δεδομένα αυτά, τα αναφερόμενα συστήματα αποτελούν κάποιες προεκτάσεις των συστημάτων πολυμερών ή των συστημάτων μπεντονίτη / αλατόνερου αργίλου.
Χρησιμοποιούνται συχνά και η τεχνική της περιστροφικής διάτρησης ασχολείται μερικές φορές με τη χρήση τους στην εκμετάλλευση κοιτασμάτων.
4.5 Ρευστά με βάση το έλαιο.
Τα διατρητικά ρευστά με βάση το έλαιο έχουν ανατττυχθεί ως η τελευταία εξέλιξη ενός inhibitive ρευστού, που δεν θα ενυδατώσει ή θα διασκορπίσει έναν ευαίσθητο στο νερό αργιλικό σχιστόλιθο, επειδή τα ελαφρά έλαια που χρησιμοποιούνται ως συνεχής φάση δεν έχουν πολικά (στα μόρια τους) χαρακτηριστικά. Το πιο απλό όμως είναι ότι το ρευστό περιέχει 10-40% νερό ως γαλακτωματοποιό φάση. Το νερό κατεβάζει το κόστος και παράλληλα συμβάλλει στον έλεγχο των ρεολογικών χαρακτηριστικών και των απωλειών του ρευστού.
Οι τελευταίες τεχνικές που αναπτύχθηκαν έχουν απομακρυνθεί από τη χρήση του πετρελαίου ως συνεχή φάση, έναντι ενός αρωματικού άοσμου λαδιού, πολύ πιο διυλισμένου και με χαμηλό ιξώδες. Η μεταστροφή αυτή έγινε για περιβαλλοντικούς λόγους και έχει πολύ βελτιώσει την αποδοχή των διατρητικών ρευστών που έχουν βάση το έλαιο.
Πρόσφατα έχει εισέλθει στην αντίστοιχη αγορά ένα κοτπικό, που χρησιμοποιεί συνθετικά πολυκρυσταλικά διαμάντια στις κεφαλές, και το οποίο είναι πολύ αποτελεσματικό στη διάτρηση τμημάτων από σκληρούς αργιλικούς σχιστόλιθους. Η δράση αυτού του κοτπικού (η κοπή) απαιτεί τη αξιοποίηση των πολύ inhibitive χαρακτηριστικών των ρευστών που έχουν βάση το έλαιο, τα οποία προλαμβάνουν την ενυδάτωση των αποκομμάτων και την επικόλλησή του στις κοτπικές ακμές του.
Ο συνδιασμός των νέων κοπτικών, των υδραυλικών κινητήρων, της καθαρότερης φάσης ελαίου, σε σχέση και με την πολιτική της δυνατότητας μεταπώλησης των ρευστών αυτών, αύξησε κατά πολύ τη χρήση τους στη βόρειο θάλασσα και ειδικότερα στις περιπτώσεις πηγαδιών με μεγάλες αποκλίσεις.
Η υδάτινη φάση του συνήθως υπάρχει ως αλατόνερο χλωριούχου ασβεστίου (περίπου 30% w/v) και τα γαλακτωματώδη συστήματά τους βασίζονται σε σάπωνες ασβεστίου παχέων οργανικών οξέων και άλλων παχέων αμιδικών παραγώγων. Ο έλεγχος των απωλειών του ρευστού επιτυγχάνεται με σβησμένα ασφαλτικά, ενώ με παχέα αμινικά παράγωγα του μπεντονίτη γίνεται ο έλεγχος των ρεολογικών παραμέτρων.
Οι εξαιρετικά καλά αναπτυγμένες inhibitive ιδιότητες του ρευστού, προσδίδουν συνθήκες σταθερότητας στο πηγάδι, ενώ
