مقاله بررسی کمی و کیفی باریت و بنتونیت در صنعت حفاری بخصوص گل حفاری

دانلود مقاله بررسی کمی و کیفی باریت و بنتونیت در صنعت حفاری بخصوص گل حفاری مقاله مقاله

مقدمه
حفاری به معنی نفوذ در سنگ است. نفوذ در سنگها گاهی به منظور خرد کردن آنها انجام می گیرد. برای خرد کردن سنگها باید چالهای انفجاری حفر کرد و در داخل آنها مواد منفجره قرار داد. با منفجرکردن چالها، سنگها خرد می شوند، و با خرد شدن سنگها، استخراج و برداشت آسانتر است و با هزینه کمتری انجام می گیرد. در استخراج کلیه معادن به استثنای موارد نادر، مانند استخراج سنگهای ساختمانی یا برداشت بعضی از سنگهای سست، حفاری جزء عملیات اجتناب ناپذیر محسوب می شود. این نوع حفاری را حفاری استخراجی می گویند. حفاری در معادن تنها به منظور استخراج نیست؛ بلکه قبل از استخراج یا به هنگام استخراج، برای اکتشاف نیز انجام می پذیرد.

حفاری اکتشافی ممکن است به منظور کشف و پی بردن به وجود کانی یا ماده معدنی، ویا به منظور پی بردن به شرایط کیفی سنگها صورت گیرد. با توجه به بالا بودن هزینه حفاری اکتشافی و بعضی مشکلات فنی توصیه می شود که هر دو گروه متخصصانی که به دنبال کشف کانی یا در جستجوی کشف شرایط کیفی سنگها هستند، مطالعات خود را همزمان شروع کنند، علاوه بر حفاری استخراجی و حفاری اکتشافی، حفاری به منظور کارهای تکنیکی مانند حفاری به جهت تزریق سیمان در داخل درزه ها، حفاری جهت خارج کردن گازها از لایه ذغال یا حفاری به منظور منجمدکردن آب در داخل طبقات نیز انجام می گیرد. لذا عملیات حفاری در زمینه های مختلف مهندسی و علوم کاربرد وسیعی دارد. امروزه بیش از۹۵ درصد حفاریها به روش مکانیکی و با ماشینهای ضربه ای، چرخشی و ماشینهای ضربه ای- چرخشی انجام می گیرد. در روش مکانیکی نفوذ در سنگ با انرژی مکانیکی و از طریق اعمال ضربه های پی در پی، یا در اثر تماس انجام می گیرد. قطر چالهایی که با روش مکانیکی حفر می شوند بین۲/۱ اینچ تا۲۴ اینچ و عمق آنها از چند تا سانتیمتر تا چند هزار متر متغیر است. عمق غالب چالهای انفجاری کمتر از۲۰ متر و قطر آنها در معادن زیرزمینی کم است. اما امروزه در معادن روباز، برای پایین نگهداشتن هزینه های حفاری و انفجار و نهایتا کاهش هزینه استخراج قطر چالهای انفجاری را زیاد می گیرند؛ از این رو بین ماشینهایی که چالهای انفجاری در معادن روبار حفر می کنند و ماشینهای حفاری اکتشافی و ماشینهایی که به منظور استخراج نفت، گاز و آب به کار می روند، مشابهت زیادی وجود دارد. به طور مصطلح در حفاریهایی که به منظور دسترسی و استخراج سیالاتی مانند نفت ، گاز و آب انجام می گیرد، و همچنین در حفاری اکتشافی به جاری واژه چال از واژه چاه استفاده می شود. در به کارگیری واژه چال یا چاه صرفنظر از نقش سیال، ژنومتری، بویژه، عمق چال یا چاه نیز موثر است. چالها معمولا عمق کمی دارند؛ درحالی که عمق چاه بیشتر است. درهر صورت، شکل چالها یا چاهها سیلندری است و قطر آنها از عمق کمتر است. غیر از روش حفاری مکانیکی، روشهای دیگر نیز وجود دارد که در دست تحقیق و توسعه اند؛ مانند روشهای حفاری حرارتی، و حفاری لیزری که نفوذ در سنگها تنها به کمک انرژی مکانیکی انجام نمی گیرد؛ بلکه ابتدا از طریق حرارت یا فعل و انفعالات شیمیایی، سنگ را سست می کنند؛ سپس به کمک ماشینهای حفاری عمدتا چرخشی، در سنگ سست نفوذ می کنند تا چال یا چاه ایجاد شود. در این روشها که به انها روشهای پیشرفته حفاری نیز می گویند، هرچند سرعت حفاری۲۰۰ تا۴۰۰ درصد افزایش می یابد،مشکلات فنی متعددی وجود دارد که تا رفع این عیوب به زودی قابل استفاده نخواهد بود.

۱-۲ تاریخچه حفاری
به طور کلی، تاریخچه حفاری مبهم است، اما از زمانهای دور، ملتهای متمدن، به منظور دسترسی به آب و بعضی کریستالها، عملیات حفاری را انجام داده اند. پروفسور« هرمن بائر» در کتاب هیدرولوژی آبهای زیرزمینی و پروفسور«کی.مک گرگر» در کتاب حفاری در سنگ معتقدند که هنوز آثاری از تونل، قنات و چاههای عمیق حفر شده توسط ایرانیان و چینی های قدیم دیده می شود. و مصریان قدیم نیز به وسیله کروندم، درمیان سنگهای پورفیری چالهایی حفر کرده اند. تا چند دهه قبل، سیستم حفاری دستی جهت ایجاد چال برای احداث تونل، خط راه آهن و معدن متداول بود، و بدون شک، در مناطقی که امکان دسترسی به برق نیست. این روش حفاری هنوز کاربرد دارد. روش ابتدایی سیستم حفاری دستی بیشتر برای حفر چال کم عمق در سنگهای با مقاومت ضعیف یا متوسط مورد استفاده داشته است. برای انجام این روش، وجود یک حفاری کافی است. حفار معمولا با یک دست، مته را روی سنگ قرار می دهد. و با دست دیگر، به وسیله ضربه زدن یا چکش حفاری(با وزن۴ پوند یا۸/۱ کیلوگرم)، ضربه ای روی مته جهت نفوذ آن در سنگ وارد می کند. حداکثر سرعت در این روش،۳/۰ متر(یک فوت) در ساعت است و بیشترین حد ممکن برای عمق۶۰ سانتی متر( دو فوت) و برای قطره حدود۳۲ میلیمتر ( اینچ) است. حفاری دستی، بنا به ضرورت، تکامل تدریجی یافت؛ به نحوی که امکان ایجاد چال با عمق بیشتر نیز ممکن گردید. در این مرحله، معمولا یک نفر مته را روی سنگ مورد نظر قرار می دهد و یک یا دو نفر دیگر با وارد کردن ضربه کمک چکشهای حفاری۲/۳ تا۵/۴ کیلوگرمی(۷ تا۱۰ پوندی) موجبات نفوذ در سنگ را فراهم می کردند. برای حفر یک چال با عمق۸/۱ متر(۶فوت) در سنگهای سخت و آذرین، مانند گرانیت، وجود یک گروه دو یا سه نفره حفار با کار مداوم۵ تا۶ ساعته کافی است. البته، بدون شک شرایط حفاری در سرعت حفاری موثر است؛ به عنوان، مثال، سرعت حفاری در سنگهای رسوبی دو برابر سرعت حفاری در سنگهای آذرین است(تاثیر جنس سنگ).با گذشت زمان و افزایش نیاز به حفاریهای عمیق، بویژه برای دسترسی به آب، روش دیگری از حفاری دستی به نام روش کابلی متداول شد که درآن، طول مته بیشتر بود و برای ضربه زدن از کابل فولادی استفاده می شد. در این روش که امکان حفر چالهای تا۱۵ متر(۵۰ فوت) را فراهم آورد، مته فولادی طویلتری به کابل فولادی متصل بود. به طور معمول، سه یا چهار نفر با حرکت کابل به سمت بالا و فرود آوردن آن روی محل مورد نظر، حفاری را انجام می دادند. با این روش، امکان حفر چالهای عمیقتر با قطر بیشتر در زمان کمتر فراهم شد. به عنوان مثال با این روش در سنگهای آهکی نسبتا نرم حفر چالهایی با قطر۵۰ میلیمتر(۲ اینچ) و عمق۷ متر(۲۰ فوت) توسط یک گروه حفار سه نفره طی۳ ساعت عملی گردید. با این روش، فقط چالهای قائم حفر می شود.

طی سالیان دراز، تنها منبع تامین انرژی مورد نیاز درحفاری، نیرو انسانی بوده است. به تدریج با رواج یافتن استفاده از ماشین بخار، الکتریسیته، و سوختهای گازی و مایع، ساخت انواع ماشینهای حفاری مکانیکی نیز توسعه یافت؛ به نحوی که امروزه، امکان بیشتری برای افزایش عمق و سرعت در عملیات حفاری وجود دارد. در اینجا به پاره ای از تحولات در زمینه حفاری می پردازیم:
۱-بین سالهای۱۸۲۰-۱۸۱۰، سیستم حفاری چرخشی ساخته شد که منبع انرژی آن، ماشین بخار بود(Trevithick).
۲-بین سالهای۱۸۴۰-۱۸۳۰ سیستم حفاری کابلی توسعه یافت که منبع انرژی آن نیز ماشین بخار بود(Issac Singer).
۳-بین سالهای۱۸۶۰-۱۸۵۰ ، دستگاه حفاری مجهز به الماس(روی مته های آن) ساخته شد(Bullock) و دستگاه ضربه ای نیز که ضربه زدن آن پیستون بود و منبع انرژی آن هوای فشرده در تونل آلپین، در آمریکا مورد استفاده قرار گرفت.
۴- بین سالهای۱۸۸۰-۱۸۷۰، سیستم حفاری مغزه گیر مجهز به الماس(روی مته آن) در آمریکا توسعه یافت؛ به نحوی که تا عمق۶۷۰ متر(۲۲۰۰ فوت) را حفاری می کرد. شرکت ارائه دهنده این سیستم،« اینگرسل» (Ingersoll) نام دارد.
۵-بین سالهای۱۸۹۰-۱۸۸۰، سیستم حفاری مغزه گیر الماسی در آمریکا ارائه شد که امکان حفاری تا عمق۱۷۵۰ متر(۵۷۳۴ فوت) را فراهم کردو
۶-بین سالهای۱۹۰۰-۱۸۹۰، سیستمهای حفاری ضربه ای- چرخشی در آمریکا ساخته شد که منبع انرژی آن، هوای فشرده، بخار و الکتریسیته بود. در این فاصله سیستم حفاری چرخشی که منبع انرژی آن بخار بود، جهت حفر چاههای نفت توسعه داده شد.
۷-بین سالهای۱۹۱۰-۱۹۰۰،مته هایی توسعه یافت که روی آن سه عامل برش دهنده مخروطی شکل یا خردکننده سنگ نصب شده بود.
۸-بین سالهای۱۹۴۰-۱۹۲۰، برای اولین بار، مته هایی از جنس کربور تنگستن درآلمان به کار رفت.
۹- بین سالهای۱۹۶۶-۱۹۴۰، مته های ساخته شده از جنس کربور تنگستن در حفاری بسیار متداول و رایج شد.
۱۰-بین سالهای۱۹۷۵-۱۹۷۰، ماشین حفاری هیدرولیکی به صنعت حفاری معرفی شد که در این ماشین بر خلاف ماشینهای حفاری ضربه ای از روغن تحت فشار به جای فشار هوا در حفاری استفاده می شود.
۱۱-بین سالهای۱۹۸۵-۱۹۷۰، تلاش کشورهای شوروی و آمریکا برای حفر چاههای عمیق با سیستم حفاری چرخشی به منظور دسترسی به نفت و گاز به نتیجه رسید. و در اکلاهمای آمریکا و سیبری شوروی، با استفاده از این روش، چاههای با عمق بیش از۱۰۰۰۰ متر(۳۰۰۰۰ فوت) حفر شد، و متعاقب آنها آلمانیها چاهی با عمق حدد۱۳۰۰۰ متر حفاری کردند.

با توجه به تاریخچه مزبور، سیستمهای حفاری توسعه یافته را می توان به پنج گروه تقسیم کرد:
۱- سیستم حفاری دستی که ضربه زن آن چکش حفاری است و اعمال ضربه به کمک نیروی انسانی صورت می گیرد.
۲- سیستم حفاری چکشی که ضربه زن آن چکش حفاری و مکانیکی است.
۳- سسیستم حفاری کابلی که ضربه زن آن کابل فولادی است.
۴- سیستم حفاری چرخشی که به جای ضربه زدن به مته، با چرخش لوله حفاری و مته، عمل نفوذ پذیری و حفر چال صورت می گیرد.
۵- سیستم حفاری ضربه ای- چرخشی که اساس کار آن ضربه است و عامل چرخش نیز دارد.
۶- سیستم حفاری هیدرولیکی که به جای استفاده از فشار هوا از فشار روغن استفاده می شود. در سالهای اخیر، حفاری مکانیکی به تدریج جایگزین حفاریهای دستی شده و بخار، هوای فشرده، الکتریسیته، و مابع، منبع اصلی انرژی برای دستگاههای حفاری است.

فهرست مطالب
فصل اول: کلیاتی در مورد حفاری
۱-۱ مقدمه ۱
۱-۲ تاریخچه حفاری ۳
۱-۳ واژه های اصلی مورد استفاده در حفاری ۸
فصل دوم: گل حفاری
۲-۱ تاریخچه مختصری از گل حفاری ۱۷
۲-۲ گل حفاری ۲۳
۲-۳کاربرد و وظایف گل حفاری ۲۹
۲-۴ خواص گل حفاری و نحوه اندازه گیری آنها ۴۳
۲-۵ ترکیب گل حفاری ۵۳
۲-۶ روابط بین حجم و وزن مخصوص گل حفاری ۶۳
۲-۷ تعداد بشکه گل حفاری حاصله از تعلیق رس درآب ۶۵
فصل سوم: شناسایی موادشیمیایی و موارد استفاده آنها درگل حفاری
۳-۱ مواد وزن افزای گل حفاری ۶۸
۳-۲ مواد گرانروی زا ۷۴
۳-۳ مواد کنترل کننده صافاب گل ۷۶
۳-۴ مواد کنترل کنندهPH 77
۳-۵ موادیکه جلوگیری از خورندگی می کنند ۸۳
۳-۶ سایر مواد مصرفی گل حفاری ۸۴
فصل چهارم: محاسبات مهندسی گل حفاری
۴-۱ محاسبه بالا آمدن گل از مته(ته چاه) تا سطح ۹۰
۴-۲محاسبه زمان کامل گردش گل ۹۱
۴-۳ محاسبه تهیه گل های اولیه
۴-۴ محاسبه کشتن چاه در هنگام وقوع جریان
۴-۵ اندازه گیریPH یا غلظت یون هیدروژن گل ۹۲
۴-۶ اندازگیری قلیائیت ۱۰۱
فصل پنجم: سیمان حفاری
۵-۱ آزمایش هایی که بر روی سیمان حفاری انجام می شود ۱۰۵
۵-۲ سیمانه کردن چاهها ۱۰۹
۵-۳ ترکیب سیمان چاههای حفاری ۱۱۰
۵-۴ تاثیرات حرارت وفشار بر روی خواص سیمانها ۱۱۳
۵-۵ انواع سیمانهای مورد استفاده در چاههای حفاری ۱۱۵
۵-۶ اضافات سیمان ۱۱۸
۵-۷ مواد تقدم دهنده بندش سیمان ۱۱۸
۵-۸ مواد حجم افزا ۱۲۳
۵-۹ آب آزاد ۱۲۶
۵-۱۰ مصرف بنتونایت آبدیده در دوغاب سیمان ۱۳۰
۵-۱۱ مواد وزن افزا ۱۳۱
۵-۱۲ زمان نیم بند شدن سیمان ۱۳۴
۵-۱۳ قوانین سرانگشتی ۱۳۷
۵-۱۴ مهارآب روی ۱۳۸
۵-۱۵ گرانروی ۱۳۹
۵-۱۶ تولیدات شرکت هالیبورتون ۱۴۰
۵-۱۷ مواد تاخردهنده شرکت هالیبورتون ۱۴۳
۵-۱۸ مواد ضدکف ۱۴۷
۵-۱۹ محاسبه مواد افزودنی به دوغاب سیمان ۱۴۹
۵-۲۰ روشهای متداول برای سبک کردن وزن دوغاب سیمانهای حفاری ۱۵۳
۵-۲۱ بنتونیت و روش افزودن آن به سیمان ۱۵۳
۵-۲۲ مشخصات فیزیکی گیلسونیت و اثر آن بر روی خواص سیمان های کلاسA,D 155
۵-۲۳ اثر بنتونیت بر روی خواص سیمان های کلاسD,A 156
۵-۲۴ نتیجه گیری ۱۵۷
فصل ششم:بنتونیت
۶-۱ مقدمه ۱۶۱
۶-۲ ژئوشیمی ۱۶۳
۶-۳ کانی های مهم بنتونیت ۱۶۴
۶-۴ انواع بنتونیت ها از دیدگاه صنعتی ۱۶۴
۶-۵ ژنزبنتونیت ۱۶۴
۶-۶ روشهای فرآوری ۱۶۵
۶-۷ موارد استفاده ۱۶۶
۶-۸ وضعیت تولید و فرآوری بنتونیت در ایران ۱۷۸
۶-۹ معادن عمده بنتونیت ۱۸۱
فصل هفتم: باریت
۷-۱ مقدمه ۱۸۳
۷-۲ تاریخچه باریت ۱۸۴
۷-۳ مشخصات عمومی باریت ۱۸۷
۷-۴ معادن عمده باریت ۱۸۸
۷-۵ موارد استفاده ۱۸۹
۷-۶ بازیافت باریت ۲۰۵
۷-۷ جایگزین ها ۲۰۵
۷-۸ ذخایر باریت ۲۰۶
منابع و ماخذ ۲۱۰