ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΡΕΥΣΤΑ ΙΑΤΡΗΣΗΣ. 4.1 Λειτουργίες και χαρακτηριστικά των ρευστών διάτρησης

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΡΕΥΣΤΑ ΙΑΤΡΗΣΗΣ Τα ρευστά διάτρησης αποτελούν µια από τις πλέον βασικές παραµέτρους που παίζουν καθοριστικό ρόλο στην, χωρίς προβλήµατα, εκτέλεση µιας γεώτρησης, ιδιαίτερα όταν αυτή πραγµατοποιείται µέσα σε προβληµατικούς σχετικά σχηµατισµούς. Τα ρευστά, θεωρούµενα ως παράµετρος της διάτρησης, καλύπτουν ένα πλήθος λειτουργιών και ως εκ τούτου ικανοποιούν κάποιες πολύ συγκεκριµένες προδιαγραφές. Στο Κεφάλαιο αυτό επιχειρείται µια συνοπτική θεώρηση των κύριων λειτουργιών των ρευστών διάτρησης, των ιδιοτήτων τους, των προβληµάτων που τυχόν εµφανίζονται κατά την όρυξη και των υποδείξεων λύσεων αντιµετώπισης, όπου τα προβλήµατα σχετίζονται µε τα ρευστά διάτρησης. 4.1 Λειτουργίες και χαρακτηριστικά των ρευστών διάτρησης Μεταφορά των προϊόντων διάτρησης στην επιφάνεια Με την κυκλοφορία του ρευστού µέσα στη γεώτρηση (αντλία-περιστρεπτός τροφοδότηςδιατρητικά στελέχη-δακτύλιος-επιφάνεια) και την ανύψωσή του µέσα στο δακτύλιο µεταξύ των τοιχωµάτων της γεώτρησης και των διατρητικών στελεχών, τα προϊόντα διάτρησης (θρύµµατα) µεταφέρονται από το µέτωπο της διάτρησης στην επιφάνεια (βλέπε διάγραµµα σχήµατος 4.1). Σχήµα 4.1. ιάγραµµα κυκλοφορίας ρευστού διάτρησης

2 Τρεις παράµετροι επηρεάζουν την αποτελεσµατικότητα του καθαρισµού της περιοχής του δακτυλίου: i) Η ταχύτητα του ρευστού στο δακτύλιο Η ταχύτητα του ρευστού στο δακτύλιο v r εξαρτάται από το ρυθµό ροής του ρευστού και τη διατοµή του δακτυλίου: Q v r = (4.1) V α όπου: v r = ταχύτητα ροής της λάσπης στο δακτύλιο (m/min) Q = παροχή λάσπης (lb/min) V a = όγκος ρευστού/µονάδα µήκους του δακτυλίου (lb/m) Η συνήθης ταχύτητα του ρευστού στο δακτύλιο κυµαίνεται από 25 έως 60 m/min. ii) Το ιξώδες του ρευστού Η ταχύτητα µεταφοράς των θρυµµάτων µπορεί να θεωρηθεί ως η διαφορά µεταξύ της ανυψωτικής ταχύτητας του ρευστού και της ταχύτητας καθίζησης των θρυµµάτων. Η ταχύτητα καθίζησης εξαρτάται από το µέγεθος, το σχήµα και τη µάζα των θρυµµάτων, την ρεολογία του ρευστού και, ειδικότερα, από το ιξώδες του ρευστού. Οι παράµετροι που σχετίζονται µε τα χαρακτηριστικά των θρυµµάτων, δεν µπορούν να µεταβληθούν σηµαντικά, καθώς εξαρτώνται είτε από το χρησιµοποιούµενο διατρητικό εξοπλισµό, είτε από το είδος των διατρυόµενων σχηµατισµών. Το ιξώδες ενός ρευστού δείχνει την αντίσταση του ρευστού στη ροή. Η αντίσταση αυτή οφείλεται, αφ ενός, στη µηχανική τριβή που προκαλούν τα στερεά σωµατίδια που περιέχονται στο ρευστό διάτρησης και, αφ ετέρου, στις ηλεκτροχηµικής φύσεως ελκτικές δυνάµεις που αναπτύσσονται µέσα στα ρευστά. Και οι δύο αυτές συνιστώσες µεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της διάτρησης, λόγω των αλλαγών που επέρχονται στη σύσταση των ρευστών, αλλά και των αλλαγών στις ρεολογικές παραµέτρους των. ύο βασικά µοντέλα έχουν διατυπωθεί για να περιγράψουν τη µεταβολή του ιξώδους µε τη µεταβολή των ρεολογικών παραµέτρων. Το µοντέλο Bingham το οποίο αφορά σε ρευστά µε πλαστικές ιδιότητες και το εκθετικό µοντέλο που αφορά σε ρευστά µε ψευδοπλαστικές ιδιότητες. Σύµφωνα µε το µοντέλο Bingham, η µεταβολή της διατµητικής τάσης τ (shear stress σε dynes/cm 2 ) συναρτήσει του ρυθµού διάτµησης γ (shear rate σε cm/sec/cm ή sec -1 ), εκφράζεται από τη σχέση: τ = YP + PV γ (4.2) όπου: YP = σηµείο διαρροής, PV = πλαστικό ιξώδες Ο ρυθµός διάτµησης εκφράζει τη µεταβολή της ταχύτητας του ρευστού κατά την εγκάρσια διεύθυνση ροής. Η διατµητική τάση εκφράζει τη µεταβολή του πραγµατικού 44

3 ιξώδους µ e (effective viscosity) κάτω από διαφορετικές τιµές του ρυθµού διάτµησης (µ e = τ/γ). Η διατµητική τάση, ως φυσικό µέγεθος, είναι δύναµη ανά µονάδα επιφάνειας διάτµησης. Το σχήµα 4.2, το οποίο απεικονίζει και την ανωτέρω σχέση, δεικνύει ότι το µέγεθος της διατµητικής τάσης, εποµένως και του πραγµατικού ιξώδους του ρευστού, καθορίζεται από δύο συνιστώσες. Σχήµα 4.2. Μεταβολή της διατµητικής τάσης συναρτήσει της µεταβολής του ρυθµού διάτµησης σε ρευστά µε διαφορετική συµπεριφορά Η πρώτη συνιστώσα του ιξώδους, η οποία εκφράζει το µέρος της αντίστασης του ρευστού που οφείλεται στη µηχανική τριβή, είναι το πλαστικό ιξώδες (plastic viscosity) και µετράται σε centi-poise (cp). Αυτό επηρεάζεται κυρίως από την περιεκτικότητα του ρευστού σε στερεά σωµατίδια, από το µέγεθος και το σχήµα αυτών, αλλά και από το ιξώδες της υγρής φάσης του ρευστού διάτρησης. Αύξηση του πλαστικού ιξώδους σηµαίνει γενικά και αύξηση της κατ όγκον περιεκτικότητας του ρευστού σε στερεά. Όσο πιο λεπτοµερή είναι τα στερεά τόσο πιο µεγάλη είναι η ειδική επιφάνειά των και, εποµένως, συµβάλλουν περισσότερο στην αύξηση του πλαστικού ιξώδους, Επίσης, τα στερεά σωµατίδια µε µορφή φυλλαρίων έχουν µεγαλύτερη ειδική επιφάνεια από αυτήν που παρουσιάζουν σωµατίδια αντιστοίχου όγκου αλλά σφαιρικής µορφής. Κατά τη διάτρηση, εποµένως, σχηµατισµών που απελευθερώνουν τέτοιου είδους θρύµµατα ή τη χρήση κοπτικών άκρων (αδαµαντοκορώνες κόνεως) τα οποία παράγουν πολύ λεπτοµερή θρύµµατα, έναντι των χονδροµερών θρυµµάτων που παράγονται από κοπτικά µε βίδια ή τρίκωνα κοπτικά, παρατηρείται αύξηση του πλαστικού ιξώδους των ρευστών διάτρησης. Η δεύτερη συνιστώσα, η οποία εκφράζει το µέρος της αντίστασης του ρευστού που οφείλεται στις ηλεκτροχηµικής φύσεως ελκτικές δυνάµεις, είναι το όριο διαρροής (yield point) και µετράται σε lb/100 ft 2. Πρακτικά, αντανακλά την απαιτούµενη αρχική υδραυλική πίεση προκειµένου να αρχίσει η ροή του ρευστού. Οι δυνάµεις αυτές είναι αποτέλεσµα των θετικών και αρνητικών φορτίων που φέρουν τα σωµατίδια στην επιφάνειά των. Το µέγεθος, εποµένως, της συνιστώσας αυτής εξαρτάται από τις επιφανειακές ιδιότητες του συνόλου των 45

4 σωµατιδίων που υπάρχουν στο ρευστό, τη σύσταση του ρευστού και το ηλεκτροχηµικό περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται τα σωµατίδια (συγκέντρωση, µέγεθος και είδος ιόντων που υπάρχουν στην υδάτινη φάση των ρευστών). Αυξηµένη συγκέντρωση µονοσθενών και δισθενών κατιόντων (αλάτων) στο σύστηµα του ρευστού οδηγεί σε αύξηση των ηλεκτροχηµικής φύσεως ελκτικών δυνάµεων και, εποµένως, σε αύξηση του ορίου διαρροής. Ταυτόχρονα, η αυξηµένη συγκέντρωση, µονοσθενών και δισθενών κατιόντων εξουδετερώνει τα αρνητικά φορτία που υπάρχουν στις εξωτερικές επιφάνειες των αργιλικών τεµαχιδίων, µε αποτέλεσµα την περαιτέρω αύξηση των ελκτικών δυνάµεων που οδηγεί στην κροκίδωση του συστήµατος, µε περαιτέρω έντονη αύξηση του ορίου διαρροής. Το όριο διαρροής µπορεί να ελεγχθεί µε την κατάλληλη χηµική επεξεργασία του ρευστού, ενώ το πλαστικό ιξώδες µπορεί να ελεγχθεί µόνο µε την αποτελεσµατική αποµάκρυνση των θρυµµάτων που εισχωρούν στο σύστηµα κατά τη διάρκεια της διάτρησης των σχηµατισµών. Στο σχήµα 4.3 παρουσιάζεται η µεταβολή του πραγµατικού ιξώδους συναρτήσει της µεταβολής του ρυθµού διάτµησης (shear rate). Σχήµα 4.3. Μεταβολή πραγµατικού ιξώδους συναρτήσει της µεταβολής του ρυθµού διάτµησης σε ρευστά µε διαφορετική συµπεριφορά Το µαθηµατικό µοντέλο του Bingham περιγράφει καλύτερα τα ρευστά διάτρησης που έχουν υψηλό πραγµατικό ιξώδες, τόσο στις χαµηλές όσο και στις υψηλές ταχύτητες ροής. εν παρουσιάζουν, δηλαδή, απότοµη µεταβολή του ιξώδους µε τη µεταβολή της ταχύτητας (αυτό ορίζει και την πλαστική συµπεριφορά). Σύµφωνα µε το εκθετικό µοντέλο, η διατµητική τάση που αναπτύσσεται κατά τη ροή του ρευστού δια µέσου των διόδων κυκλοφορίας, µεταβάλλεται συναρτήσει του ρυθµού διάτµησης, σύµφωνα µε την ακόλουθη σχέση: n τ = K γ (4.3) 46

5 όπου: Κ = σταθερά που εκφράζει το ιξώδες που αποκτά το ρευστό για γ=1 sec -1, δηλαδή σε µηδενική περίπου ταχύτητα ροής n = συντελεστής που για τα περισσότερα ρευστά διάτρησης µεταβάλλεται µεταξύ 0,2 και 1 εδοµένου ότι: τ µ e = (4.4) γ συνεπάγεται ότι: µ e = K γ n 1 (4.5) Το πραγµατικό ιξώδες του ρευστού µειώνεται µε την αύξηση της ταχύτητας ροής του. Τα ρευστά στα οποία δεν υπάρχει µεταβολή του ιξώδους σε αλλαγές της ταχύτητας ροής καλούντα Νευτώνια ρευστά (π.χ. νερό) και ο συντελεστής n έχει την τιµή n=1. Το εκθετικό µοντέλο, εποµένως, περιγράφει καλύτερα τα ρευστά τα οποία αποκτούν συγκριτικά υψηλό ιξώδες στις χαµηλές ταχύτητες ροής και αντιθέτως (εµφανίζουν δηλαδή ψευδοπλαστική συµπεριφορά). Τα περισσότερα ρευστά διάτρησης είναι σύνθετα ρευστά, δεδοµένου ότι στη δοµή τους υπεισέρχονται και τα θρύµµατα της διάτρησης. Εποµένως, εµφανίζουν ενδιάµεση συµπεριφορά. iii) Η ταχύτητα καθίζησης των σωµατιδίων Γενικά, η ταχύτητα ανύψωσης των θρυµµάτων v α είναι η διαφορά µεταξύ της ταχύτητας του ρευστού στο δακτύλιο v r και της ταχύτητας καθίζησης των θρυµµάτων v κ. Για ρευστά που ακολουθούν το εκθετικό µοντέλο, η ταχύτητα καθίζησης v κ δίδεται από την ακόλουθη σχέση: v κ ( ρ ρ ) σ σ 0,333 λ 0,667 λ 0,333 e 175d = (ft/min) (4.6) ρ µ όπου: d σ = διάµετρος θρυµµάτων (in) ρ σ = πυκνότητα θρυµµάτων (lb/gal) ρ λ = πυκνότητα λάσπης (lb/gal) µ e = πραγµατικό ιξώδες λάσπης (cp) Σύµφωνα µε τον ορισµό, η ταχύτητα ανύψωσης θα δίδεται από τη σχέση: v α = v v (4.7) r κ Θιξοτροπική συµπεριφορά ρευστών διάτρησης (αιώρηση τεµαχιδίων µε την διακοπή της κυκλοφορίας) Ορισµένα ρευστά διάτρησης, όταν παύσει η κυκλοφορία τους µέσα στη γεώτρηση, σχηµατίζουν ζελώδη δοµή και απαιτείται η άσκηση υψηλής σχετικά υδραυλικής δύναµης για 47

6 την επανακυκλοφορία του ρευστού. Η συµπεριφορά αυτή οφείλεται στην παρουσία ηλεκτροχηµικά φορτισµένων αργιλικών κυρίως σωµατιδίων τα οποία, βρισκόµενα εν ηρεµία, συνδέονται µεταξύ των και σχηµατίζουν τη ζελώδη φάση. Η θιξοτροπική αυτή ιδιότητα του ρευστού συµβάλλει στη διατήρηση των τεµαχιδίων εν αιωρήσει (αποφεύγοντας έτσι την καθίζηση στον πυθµένα της γεώτρησης), όταν η λάσπη παύει να κυκλοφορεί. Ψύξη του κοπτικού και µείωση της τριβής της διατρητικής στήλης Η διατρητική στήλη, κυρίως η κατώτερη συνδεσµολογία αυτής, και το κοπτικό άκρο, θερµαίνονται σηµαντικά όχι µόνο λόγω των θερµοκρασιών που επικρατούν στο υπέδαφος (γεωθερµική βαθµίδα), αλλά κυρίως λόγω της αναπτυσσόµενης µηχανικής τριβής. Το ρευστό διάτρησης λειτουργεί ως ψυκτικό υγρό. Η αναπτυσσόµενη θερµότητα µεταδίδεται στην υγρή φάση του ρευστού και µεταφέρεται στην επιφάνεια απ όπου απάγεται. Επιπλέον, το ρευστό διάτρησης µειώνει το συντελεστή τριβής µεταξύ διατρητικής στήλης και τοιχωµάτων γεώτρησης. Η λειτουργία αυτή µπορεί να ενισχυθεί µε την προσθήκη ψυκτικών και λιπαντικών πρόσθετων. Σταθεροποίηση των τοιχωµάτων της γεώτρησης Η υγρή φάση της λάσπης διάτρησης διηθείται στους περατούς πλευρικούς σχηµατισµούς και εναποθέτει ένα στρώµα κολλοειδών τεµαχιδίων στα τοιχώµατα της γεώτρησης. Από το πάχος και τις ιδιότητες της επίστρωσης αυτής εξαρτώνται προβλήµατα τα οποία πιθανόν να προκύψουν κατά τη διάτρηση ευαίσθητων κυρίως σχηµατισµών. Μεγάλο πάχος επίστρωσης οδηγεί σε καταπτώσεις, µεταβολές των πιέσεων στο πηγάδι ή/και φρακάρισµα της διατρητικής στήλης. Υψηλή διαπερατότητα επίστρωσης σηµαίνει ότι διευκολύνεται η εισχώρηση της υδάτινης φάσης του ρευστού µέσα στους σχηµατισµούς και ταυτοχρόνως επιτρέπεται ο σχηµατισµός επίστρωσης µεγαλύτερου πάχους. Η εισχώρηση της υγρής φάσης µπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήµατα κατά τη διάτρηση ευπαθών σχηµατισµών, όπως π.χ. αργιλικής σύστασης σχηµατισµών, οι οποίοι, ερχόµενοι σε επαφή µε την υγρή φάση, µετατρέπονται σε έντονα ενεργούς σχηµατισµούς και παρουσιάζουν διογκώσεις, καταπτώσεις, κολλήµατα και φρακάρισµα της διατρητικής στήλης. Ανάλογα προβλήµατα συναντώνται και κατά τη διάτρηση τεκτονισµένων ζωνών και ρηγµάτων ή ζωνών µε εκτεταµένες εξαλλοιώσεις. Τα προβλήµατα αυτά επιβάλλουν αντιµετώπιση µε συνεχείς σωληνώσεις, διευρύνσεις της διατοµής του πηγαδιού, νεκρούς χρόνους διάτρησης και, εποµένως, αύξηση του κόστους εκτέλεσης του έργου. Από τα ανωτέρω είναι σαφές ότι η επίστρωση επιθυµείται να είναι λεπτού πάχους και χαµηλής διαπερατότητας. Η χρήση ρευστών διάτρησης µε βάση τα ορυκτά έλαια δίδει πολύ ικανοποιητικά αποτελέσµατα, δεδοµένου ότι η υδατική φάση έχει κατά µεγάλο ποσοστό αντικατασταθεί από τα ορυκτά έλαια. Η µεγαλύτερη τοξικότητα και το µεγαλύτερο κόστος αυτού του τύπου ρευστών επιβάλλει τη χρησιµοποίησή των µόνο σε ειδικές περιπτώσεις. Νεότερες τεχνολογίες που έχουν αναπτυχθεί επιτρέπουν τη χρήση συνδυασµών υλικών όπως µπεντονίτη πολυµερών χηµικών πρόσθετων σε ρευστά διάτρησης µε βάση το νερό, έτσι ώστε να προκύπτουν συστήµατα µε ειδικές ιδιότητες για τη διάτρηση συγκεκριµένων σχηµατισµών. Για παράδειγµα, ο µπεντονίτης, ο οποίος διασκορπίζεται σε πολύ λεπτοµερή, κολλοειδών διαστάσεων, σωµατίδια, σχηµατίζει σχετικά χαµηλής διαπερατότητας επίστρωση. Η εισαγωγή στο σύστηµα µπεντονίτη νερού ορισµένων χηµικών αποκροκιδωτικών πρόσθετων, όπως οι λιγνοσουλφόνες, καθώς και ορισµένων συνθετικών και φυσικών ή µερικώς τροποποιηµένων φυσικών πολυµερών (νατριούχο πολυακρυλονιτρίλιο, κυτταρίνες, µερικώς τροποποιηµένες φυσικές αµυλόκολλες), µπορούν να µειώσουν σηµαντικά τη διαπερατότητα της επίστρωσης. Η βελτίωση αυτή επιτυγχάνεται 48

7 λόγω του µεγέθους των µακροµορίων των ενώσεων αυτών όπου, ένα τµήµα τους καλύπτει τα αργιλικά κολλοειδή σωµατίδια, ενώ το υπόλοιπο τµήµα των φράζει τα κενά που αφήνουν τα κολλοειδή σωµατίδια µεταξύ των. Αποτροπή τυχόν εισροής ρευστών από τους διατρυόµενους σχηµατισµούς στη γεώτρηση Εάν η υδροστατική πίεση που ασκεί η στήλη του ρευστού διάτρησης µέσα στη γεώτρηση (P h ) παραµένει µεγαλύτερη από την πίεση των ρευστών που µπορεί να περιέχουν οι διατρυόµενοι σχηµατισµοί (νερό, αέριο ή πετρέλαιο), η εισροή των ρευστών αυτών στη γεώτρηση εµποδίζεται. Με τον τρόπο αυτό µειώνεται ο κίνδυνος να προκληθούν ανεξέλεγκτες µεταβολές στις πιέσεις που επικρατούν µέσα στη γεώτρηση και να προκληθούν εκτινάξεις (kicks) ή εκρήξεις (blowouts). Η λάσπη διάτρησης θεωρείται ως ο πρώτος φυσικός αντιεκρηκτικός µηχανισµός ασφάλειας (blowout preventer) για τον έλεγχο των πιέσεων στον πυθµένα της γεώτρησης. Η λειτουργία του ρευστού στη αποτελεσµατικότητα της διάτρησης Η επιλογή του τύπου και των ιδιοτήτων του ρευστού διάτρησης επηρεάζει άµεσα το ρυθµό προχώρησης, µέσω της ικανότητας της λάσπης διάτρησης να καθαρίζει από τα θρύµµατα την περιοχή προσβολής από το κοπτικό άκρο. Η δράση αυτή σχετίζεται µε πολλές παραµέτρους οι οποίες επιδρούν µε διαφορετικό τρόπο και, µάλιστα, µε αντίστροφα (αντικρουόµενα µεταξύ τους) αποτελέσµατα. Για παράδειγµα, ενώ η αύξηση της πυκνότητας της λάσπης συµβάλλει θετικά στην καλύτερη αποκοµιδή των θρυµµάτων, η εξ αυτής προκύπτουσα αύξηση της υδροστατικής πίεσης στον πυθµένα της γεώτρησης προκαλεί αργούς ρυθµούς προχώρησης. Εποµένως, η σχέση δεν είναι µονοσήµαντη και επιβάλλεται ο συσχετισµός των επιδράσεων για να προκύψει το βέλτιστο αποτέλεσµα. Μετάδοση ενέργειας στον κινητήρα πυθµένα Σε περιπτώσεις όπως στην κατευθυνόµενη και στην οριζόντια διάτρηση ή στη διάτρηση µε χρήση αδαµαντοκορώνων χρησιµοποιείται ενίοτε κινητήρας πυθµένα, ο οποίος προσαρµόζεται στο κάτω µέρος της διατρητικής στήλης, έτσι ώστε να περιστρέφεται µόνο το κοπτικό άκρο. Η ταχύτητα ροής της λάσπης εξασφαλίζει την περιστροφή και του κινητήρα. Η πτώση πίεσης λόγω της λειτουργίας του κινητήρα προστίθεται στις απώλειες πιέσεων από τη κυκλοφορία του ρευστού σε όλο το σύστηµα του πηγαδιού. Παροχή χρήσιµων γεωλογικών πληροφοριών Η συνεχής κυκλοφορία του ρευστού διάτρησης παρέχει χρήσιµες γεωλογικές πληροφορίες. Για παράδειγµα, τα θρύµµατα τα οποία ανέρχονται στην επιφάνεια αναλύονται και αξιολογούνται. Τυχόν εισροές ρευστών ή αερίων από τους διατρυόµενους σχηµατισµούς ανιχνεύονται από εγκατεστηµένους αισθητήρες στην επιφάνεια. Οι φυσικοχηµικές αλλαγές στο ρευστό επιστροφής (θερµοκρασία, ph, περιεκτικότητα σε χλώριο κ.λπ.), σε συνδυασµό µε τις ενδοσκοπικές καταγραφές που πραγµατοποιούνται κατά τη διάρκεια της διάτρησης, παρέχουν συστηµατικές πληροφορίες για την εξέλιξη των εργασιών. 49

8 4.2 Τύποι ρευστών διάτρησης Λάσπη µε βάση το νερό (water-based mud) Οι λάσπες διάτρησης συνίστανται από µια υγρή φάση και στερεά εν αιωρήσει. Η υγρή φάση µπορεί να είναι απλώς φρέσκο ή θαλασσινό νερό ή µπορεί να είναι µίγµα υγρών. Τα στερεά ποικίλουν και συνήθως εισάγονται και χηµικά πρόσθετα. Το φρέσκο νερό είναι η βάση στις περισσότερες λάσπες. Είναι προσβάσιµο, φθηνό, εύκολα ελεγχόµενο κατά την προσθήκη στερεών και αποτελεί το καλύτερο µέσο για την αξιολόγηση των σχηµατισµών. Το θαλασσινό νερό είναι βεβαίως ευκολότερα διαθέσιµο στις περιπτώσεις υποθαλάσσιων ερευνητικών ή παραγωγικών εργασιών. Τα ρευστά διάτρησης µε βάση το νερό αποτελούνται από 4 µέρη: (1) νερό, το οποίο είναι η συνεχής φάση και παρέχει το αρχικό ιξώδες (φρέσκο ή θαλασσινό), (2) ενεργά στερεά για την ενίσχυση του ιξώδους και του σηµείου διαρροής (µπεντονίτης, που συνιστάται στην περίπτωση του φρέσκου νερού και ατταπουλγίτης, αµίαντος ή σιπιόλιθος, που συνιστώνται στην περίπτωση του θαλασσινού νερού), (3) αδρανή στερεά για την επίτευξη της απαιτούµενης πυκνότητας (βαρύτης, θειούχος µόλυβδος, σιδηροµεταλλεύµατα ή χαλαζιακά υλικά). Τα (2) και (3) αντιπροσωπεύουν το συνολικό κλάσµα των στερεών στο σύστηµα της λάσπης. Ο µπεντονίτης είναι µίγµα ένυδρων αργιλοπυριτικών ορυκτών που ανήκουν κυρίως στην οµάδα του µαντµοριλλονίτη. Η δοµική του µονάδα αποτελείται από ένα φύλλο αλλούµινας [Al(ήMg)-O-OH] τοποθετηµένου µεταξύ δύο φύλλων πυριτίας [Si-O]. Μεταξύ των δοµικών µονάδων και των πλατειών επιφανειών αυτών συγκρατούνται διάφορα κατιόντα όπως Na +, Mg ++, Ca ++, H +. Επειδή τα κατιόντα αυτά µπορούν να αντικατασταθούν, ονοµάζονται και ανταλλάξιµα κατιόντα. Ανάλογα µε τον τύπο των κατιόντων διαφοροποιούνται και οι ιδιότητες, ιδιαίτερα ο βαθµός διόγκωσης του µπεντονίτη. Γενικά, οι πλατειές επιφάνειες των αργιλικών σωµατιδίων είναι υδροφιλικές, προσροφώνται δηλαδή σε αυτές µόρια νερού µε ισχυρότερες ελκτικές δυνάµεις έναντι αυτών που συγκρατούν τα µόρια νερού µεταξύ των. Όταν κόκκοι µπεντονίτη έλθουν σε επαφή µε το νερό, µόρια νερού προσροφώνται, εισχωρούν στο κενό που υπάρχει µεταξύ των πλατειών επιφανειών των δοµικών µονάδων, µε αποτέλεσµα τη διόγκωση των αργιλικών σωµατιδίων. Με τη διόγκωση εξασθενούν σηµαντικά οι ελκτικές δυνάµεις που συγκρατούν τις δοµικές µονάδες, γεγονός που οδηγεί στην αποσύνθεση και το διασκορπισµό των αργιλικών σωµατιδίων στην υδάτινη φάση, καθώς και τον σχηµατισµό πολύ λεπτοµερών σωµατιδίων κολλοειδών διαστάσεων (σχήµα 4.4). Η κύρια αιτία καταστροφής ενός σταθερού κολλοειδούς συστήµατος νερού- µπεντονίτη είναι η εισαγωγή σε αυτό κάποιου ηλεκτρολύτη. Η εισαγωγή, για παράδειγµα, κατιόντων νατρίου Na + ή Ca ++ στο σύστηµα νερού-µπεντονίτη προκαλεί τα παρακάτω φαινόµενα: Οι ηλεκτρολύτες απαιτούν µεγάλες ποσότητες νερού και αποµακρύνουν από τα αργιλικά σωµατίδια τα µόρια νερού που έχουν προσροφηθεί επ αυτών, προκαλώντας ένα είδος εξαλάτωσης. Εξουδετερώνουν τα αρνητικά φορτία επί των πλατειών επιφανειών των αργιλικών σωµατιδίων, µε αποτέλεσµα να ενισχύονται οι τάσεις προσέγγισης των σωµατιδίων, να επικρατούν οι δυνάµεις συνοχής της ύλης και να επέρχεται συσσωµάτωση (σχήµα 4.5). 50

9 Σχήµα 4.4. Σχηµατική απόδοση της διασποράς και αποσύνθεσης του µπεντονίτη Σχήµα 4.5. Επίδραση των κατιόντων Na + επί των αργιλικών σωµατιδίων Για την αποφυγή της κροκίδωσης εισάγονται στο σύστηµα της λάσπης χηµικά πρόσθετα που έχουν την τάση να αποσυντίθενται και να παράγουν µεγάλο αριθµό ανιόντων που επικάθονται επί των αργιλικών σωµατιδίων ενισχύοντας, κατ αυτόν τον τρόπο, τις απωστικές δυνάµεις µεταξύ των. Τέτοια αποκροκιδωτικά είναι διάφορα πολυφωσφορικά άλατα (σε χαµηλές συγκεντρώσεις), λιγνίνες (χουµικά οξέα), φυσικές ταννίνες (ενδιάµεση σύσταση λιγνινών και κυτταρίνης), καθώς και λιγνοσουλφόνες. Η απ ευθείας ανάµιξη µπεντονίτη σε νερό που περιέχει µεγάλες ποσότητες NaCl δηµιουργεί σοβαρότατα προβλήµατα στη διόγκωσή του, η οποία, στο θαλασσινό νερό για παράδειγµα γίνεται ασήµαντη. Στην περίπτωση αυτή αντί του µπεντονίτη µπορεί να χρησιµοποιηθεί ατταπουλγίτης, ο οποίος, κατά τη διάλυσή του υπό παρουσία NaCl αναπτύσσει ρεολογικές ιδιότητες ανάλογες αυτών του µπεντονίτη σε καθαρό νερό. Τα πλεονεκτήµατα της χρησιµοποίησης λασπών διάτρησης που έχουν ως βάση το θαλασσινό νερό εντοπίζονται στη σηµαντική µείωση της διόγκωσης των αργιλικής σύστασης διατρυόµενων σχηµατισµών, µε την αύξηση της αναλογίας σε αλάτι. Κατά συνέπεια, 51

10 αργιλούχοι σχηµατισµοί θα επιβαρύνονται λιγότερο κατά την εισχώρηση καθαρού νερού. Εναλλακτικά µπορεί να χρησιµοποιηθεί η µέθοδος της προενυδάτωσης του µπεντονίτη σε καθαρό νερό πριν τη διάλυσή του στο θαλασσινό νερό. Η πρόσθεση ασβεστίου στο σύστηµα νερού-µπεντονίτη συνιστάται κατά τη διάτρηση ευαίσθητων σχηµατισµών µε αργιλικές ενστρώσεις, λόγω της ανταλλαγής κατιόντων που λαµβάνει χώρα στο σύστηµα λάσπης-σχηµατισµού. Κατιόντα Na + των αργίλων αντικαθίστανται από κατιόντα Ca ++ της λάσπης, τα οποία αναπτύσσουν ισχυρότερους δεσµούς µεταξύ των πλατειών επιφανειών και των δοµικών µονάδων των αργιλικών σωµατιδίων των σχηµατισµών, µειώνοντας δραστικά το φαινόµενο της διόγκωσής των (εκτιµάται ότι η µείωση της διόγκωσης µπορεί να είναι της τάξης του 50%, όταν η συγκέντρωση ασβεστίου στο σύστηµα είναι 150 ppm). Ρευστά τέτοιου τύπου είναι πολύ αποτελεσµατικά στη διάτρηση εκτεταµένων τµηµάτων γύψου ή ανυδριτών. Σε ιδιαίτερα προβληµατικές περιπτώσεις αργιλικών σχηµατισµών, η πρόσθεση KCl στο σύστηµα νερού-µπεντονίτη είναι περισσότερο αποτελεσµατική δεδοµένου ότι η δράση των κατιόντων καλίου είναι ακόµα ισχυρότερη στη µείωση της διόγκωσης των σχηµατισµών αυτών. Η χρήση αυτού του τύπου των ρευστών συνιστάται και κατά τη διάτρηση παραγωγικών ζωνών οι οποίες εύκολα υπόκεινται σε φθορά της διαπερατότητας από τα ρευστά διάτρησης. Ρευστά κορεσµένα σε αλάτι συνιστώνται κατά τη διάτρηση δόµων άλατος. Κατ αυτόν τον τρόπο αποφεύγονται διευρύνσεις στη γεωµετρία της γεώτρησης που µπορεί να προκληθούν από τη διάλυση τµηµάτων των διατρυόµενων σχηµατισµών στο ρευστό διάτρησης. Εναλλακτική λύση για τη διάτρηση αλατούχων στρωµάτων είναι η χρήση λασπών διάτρησης που έχουν ως βάση το πετρέλαιο. Όπου η λάσπη διάτρησης µε βάση το νερό επιβάλλεται να αντικατασταθεί από λάσπη διάτρησης µε βάση το πετρέλαιο (περιπτώσεις βαθιών γεωτρήσεων), η αντικατάσταση θα πρέπει να γίνει σε σωληνωµένο τµήµα της γεώτρησης Λάσπη µε βάση το πετρέλαιο (oil based mud) Τα ρευστά αυτά είναι συστήµατα όπου η υδάτινη φάση έχει σχεδόν αντικατασταθεί από πετρέλαιο ή ραφιναρισµένα πετρελαιοειδή. Αποτελούνται, κατ όγκον, από 95-98% πετρέλαιο, 2-5% νερό, βαρύτη ή θειούχο µόλυβδο για τη ρύθµιση της πυκνότητας, καθώς και πρόσθετα για τη ρύθµιση των ρεολογικών ιδιοτήτων, όπως έχει αναφερθεί και ανωτέρω. Οι συγκεκριµένες λάσπες διάτρησης έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Προκαλούν µικρότερη φθορά στη διαπερατότητα της παραγωγικής ζώνης. Έχουν τις απαιτούµενες ιδιότητες για διάτρηση υπό καλές συνθήκες. Το πετρέλαιο δεν εισχωρεί (διηθείται) στους διατρυόµενους σχηµατισµούς. Εφαρµογές: ιάτρηση και πυρηνοληψία των παραγωγικών ζωνών. Επισκευή και συντήρηση των παραγωγικών γεωτρήσεων. Σε τµήµατα όπου οι λάσπες µε βάση το νερό δηµιουργούν προβλήµατα (διόγκωση αργίλων, παγίδευση και κόλληµα διατρητικής στήλης κ.λπ.). Πλεονεκτήµατα: Τα χαρακτηριστικά τους ελέγχονται εύκολα, ιδιαίτερα όταν δεν υπάρχει εισροή νερού ή πετρελαίου από τους διατρυόµενους σχηµατισµούς. εν είναι ευαίσθητες σε ρυπαντές που συναντώνται στις λάσπες διάτρησης µε βάση το νερό ( NaCl, CaSO 4, αργίλους, τσιµέντο). 52

11 ηµιουργούν πολύ καλό επίστρωµα στα τοιχώµατα της γεώτρησης, χωρίς να επηρεάζεται από τη θερµοκρασία και τη πίεση σε βαθιές γεωτρήσεις. Η πυκνότητά των µπορεί να προσεγγίζει και τη µονάδα. Μειώνουν την τριβή της διατρητικής στήλης µέσα στη γεώτρηση και εποµένως µειώνεται η φθορά της. Ο χρόνος ζωής των κοπτικών άκρων αυξάνει λόγω της ενισχυµένης λιπαντικής λειτουργίας των. Επιτρέπουν καλύτερη πυρηνοληψία. Προκαλούν µικρότερη φθορά στα χαρακτηριστικά των διατρυόµενων των σχηµατισµών. Μειονεκτήµατα: Ευαισθησία στο νερό. Πιθανότητα ανάφλεξης. Ορισµένες µέθοδοι ενδοσκοπικών καταγραφών δεν είναι εύκολο να εφαρµοστούν. Το κόστος ανά κυβικό µέτρο είναι υψηλότερο από αυτό που αντιστοιχεί στις λάσπες µε βάση το νερό. Μεγαλύτερη περιβαλλοντική επιβάρυνση. Τα αποκοµιζόµενα στην επιφάνεια θρύµµατα φέρουν επικολληµένες σταγόνες πετρελαίου, εποµένως χρήζουν συστηµατικής διαχείρισης (καθαρισµό και απόθεση). Για τη µείωση του κόστους και τον περιορισµό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων µπορεί εναλλακτικά να χρησιµοποιηθεί ρευστό µε πετρέλαιο και νερό σε αναλογία όγκου 50% έκαστο (invert muds) ιάτρηση µε αέρα, αφρό ή µε λάσπη ενισχυµένη µε αέρα (aerated mud) ιάτρηση µε αέρα Συµπιεσµένος αέρας εισπιέζεται στη διατρητική στήλη, αντί λάσπης διάτρησης, ικανοποιώντας όλες τις λειτουργίες της διάτρησης. Τα προβλήµατα που σχετίζονται µε τη διάτρηση χρησιµοποιώντας αέρα αφορούν, πολλές φορές, στον ανεπαρκή όγκο αέρα για την αποµάκρυνση των θρυµµάτων. Ταχύτητες στο δακτύλιο µικρότερες από 2500 ft/min ίσως δεν είναι αποτελεσµατικές για τη µεταφορά των θρυµµάτων. Επί πλέον, ρευστά σε τέτοιες υψηλές ταχύτητες διαβρώσκουν και διευρύνουν τα τοιχώµατα της γεώτρησης, µε αποτέλεσµα διαθέσιµοι όγκοι ρευστού οι οποίοι ήταν επαρκείς προηγουµένως, να είναι ανεπαρκείς µετά την αλλαγή της γεωµετρίας του πηγαδιού. Η απαιτούµενη παροχή αέρα µπορεί να προσεγγιστεί µέσω της σχέσης: ( d d ) + R D Q = 51, π (4.8) h dp όπου: Q = παροχή (ft 3 /min) d h = διάµετρος γεώτρησης (in) d dp = διάµετρος διατρητικών στελεχών (in) D = βάθος γεώτρησης (ft/1000) R = εκτιµούµενη ταχύτητα διάτρησης (ft/hr) Οι βασικές διαφορές µεταξύ λάσπης και αέρα ως ρευστών διάτρησης αφορούν στις υψηλές ταχύτητες ροής στο δακτύλιο, στη χαµηλή υδροστατική πίεση στον πυθµένα της 53

12 γεώτρησης και ως εκ τούτου στη µεγάλη ταχύτητα διάτρησης. Επιβάλλεται βέβαια η ενσωµάτωση ισχυρού περιστρεπτού συστήµατος αποτροπέα εκτινάξεων και εκρήξεων (blowout preventer), λόγω της µικρής πίεσης που διαµορφώνεται στο εσωτερικό της γεώτρησης. Όταν υπάρχουν εισροές νερού δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί. ιάτρηση µε αφρό Επιχειρείται η διατήρηση των πλεονεκτηµάτων που εµφανίζει η διάτρηση µε αέρα, παράλληλα όµως αντιµετωπίζονται τα προβλήµατα εισροών νερού. Ο αφρός που κυκλοφορεί είναι το αποτέλεσµα της ανάµιξης αέρα, νερού και αφριστικών πρόσθετων. Τα πλεονεκτήµατα της διάτρησης µε αφρό εντοπίζονται, αφ ενός, στη µεγαλύτερη ικανότητα καθαρισµού του πηγαδιού (η ταχύτητα ροής στο δακτύλιο δεν χρειάζεται να είναι τόσο υψηλή όσο στην περίπτωση του αέρα ενδεικτικά, είναι περίπου δέκα φορές µικρότερη) και, αφ ετέρου, στη σταθερότητα που επιδεικνύει σε περιπτώσεις µικρών εισροών νερού. Το βασικό µειονέκτηµα της διάτρησης µε αφρό εντοπίζεται στο δύσκολο διαχωρισµό και καθαρισµό στην επιφάνεια, µε αποτέλεσµα να γίνεται δυσχερής η συνεχής λειτουργία του κυκλώµατος εισόδου-επεξεργασίας-εισπίεσης ρευστού. ιάτρηση µε λάσπη ενισχυµένη µε αέρα (aerated muds) Λάσπη ενισχυµένη µε αέρα χρησιµοποιείται στην περίπτωση όπου απαιτείται µεγάλη ανυψωτική ικανότητα, σε συνδυασµό µε µειωµένη υδροστατική πίεση στο δακτύλιο. Αέρας υπό πίεση εισέρχεται στο σύστηµα της λάσπης µέσω του σωλήνα που συνδέει τις αντλίες µε τη διατρητική στήλη. Το µίγµα λάσπης/αέρα διοχετεύεται στη διατρητική στήλη και στη συνέχεια στο δακτύλιο, όπου ο αέρας εκτονούµενος µειώνει την υδροστατική πίεση. Επιτυγχάνονται µεγαλύτερες ταχύτητες προχώρησης, µικρότερη φθορά των κοπτικών άκρων και καλύτερος έλεγχος των εισερχόµενων υδάτων. Σηµαντική εφαρµογή έχει στην περίπτωση όπου η συνάντηση ζωνών χαµηλών πιέσεων επιβάλλει τη µείωση της πυκνότητας της χρησιµοποιούµενης λάσπης διάτρησης. Ο απαιτούµενος όγκος αέρα προσδιορίζεται από τη σχέση: n 100 2,3 log = n 3, ( 3,53 10 D d + 1) 3 D (d 1 2 d όπου: n = κατ όγκον περιεκτικότητα αέρα στο µίγµα αέρα/λάσπης (%) D = το βάθος όπου θα χρησιµοποιηθεί το µίγµα αέρα/λάσπης (ft) d 1 = πυκνότητα αρχικά χρησιµοποιούµενης λάσπης (lb/gal) d 2 = επιθυµητή νέα πυκνότητα λάσπης (lb/gal) 2 ) (4.9) Ο λόγος n/(100-n), πρακτικά, παρέχει τον όγκο αέρα στη µονάδα όγκου λάσπης (ft 3 /ft 3 ) στο επιφανειακό τµήµα του κυκλώµατος λάσπης Συστήµατα ρευστών διάτρησης µε πολυµερή Η χρησιµοποίηση πολυµερών για την παρασκευή ρευστών διάτρησης χρονολογείται εδώ και 35 περίπου χρόνια. Αρχικά η χρήση τους περιοριζόταν κυρίως στην προσθήκη τους στα βασικά συστήµατα ρευστών διάτρησης µε βάση το µπεντονίτη, προκειµένου να βελτιωθούν 54

13 ορισµένες από τις ρεολογικές τους ιδιότητες, όπως έχει ήδη αναφερθεί. Τα τελευταία 15 περίπου χρόνια µε την ανάπτυξη νέων, διαλυτών στο νερό, πολυµερών και βιοπολυµερών προϊόντων, η χρησιµοποίησή τους έχει επεκταθεί σηµαντικά και έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα συστήµατα ρευστών διάτρησης που χρησιµοποιούνται σήµερα ευρέως για τη διάτρηση έντονα προβληµατικών σχηµατισµών. Πολυµερή είναι οργανικές ενώσεις µεγάλου σχετικά µοριακού βάρους που η δοµή τους συνίσταται από πολλές επαναλαµβανόµενες δοµικές µονάδες (µονοµερείς χηµικές ενώσεις). Η διάταξη των δοµικών µονάδων µπορεί να είναι γραµµική, διακλαδιζόµενη ή διασταυρούµενη, προσδίδοντας διαφορετικές ιδιότητες στα παραγόµενα κάθε φορά πολυµερή. Όταν οι δοµικές µονάδες (µονοµερή) που λαµβάνουν χώρα στον σχηµατισµό ενός πολυµερούς είναι ενός είδους, τα πολυµερή αυτά ονοµάζονται οµοπολυµερή, ενώ εάν αυτές είναι περισσότερες τα πολυµερή αυτά ονοµάζονται συµπολυµερή. Τα περισσότερα πολυµερή που χρησιµοποιούνται για την παρασκευή ρευστών διάτρησης ανήκουν στην κατηγορία των συµπολυµερών. Ανάλογα µε τον τρόπο µε τον οποίο έχουν προέλθει, τα πολυµερή κατατάσσονται σε τρεις βασικές κατηγορίες: α) Συνθετικά πολυµερή (παρασκευάζονται µε χηµικές διεργασίες από απλές χηµικές ενώσεις, οργανικές και ανόργανες). Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν τα ακρυλικού τύπου πολυµερή (ακρυλονιτρίλιο, ακρυλαµίδη, ακρυλικό οξύ), τα οποία είναι διαλυτά στο νερό. β) Φυσικά ή µερικώς τροποποιηµένα φυσικά πολυµερή (η γλυκόζη είναι το φυσικό µονοµερές το οποίο αποτελεί τη βάση για την παραγωγή των φυσικών πολυµερών κυτταρίνης και αµύλου µέσω φυσικών διεργασιών), Στην κατηγορία των πολυµερών που προέρχονται από την κυτταρίνη και τροποποιούνται κατάλληλα για να γίνουν διαλυτά στο νερό, ανήκουν η νατριούχος καρβοξυµεθυλική κυτταρίνη, η υδροξυαιθυλική κυτταρίνη και η καρβοξυµεθυλική-υδροξυαιθυλική κυτταρίνη. Στην κατηγορία των πολυµερών που προέρχονται από το άµυλο ανήκουν οι αµυλόκολλες (starch) και οι φυσικές κόλλες που προέρχονται από τους σπόρους του φυτού guar που ευδοκιµεί στο Πακιστάν, Ινδία και εν µέρει στο Τέξας. γ) Βιοπολυµερή (παράγονται από τα φυσικά πολυµερή µε µικροβιακή δράση επί αυτών). Για παράδειγµα, το βιοπολυµερές xanthan gum γνωστό και ως βιοπολυµερές XC, προέρχεται από τη δράση των βακτηριδίων xanthomonas campestis πάνω σε υδατάνθρακες. Θα πρέπει να επισηµανθεί ότι από την τεράστια γκάµα των πολυµερών που κυκλοφορούν σήµερα στην αγορά, τα πολυµερή που µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την παρασκευή ρευστών διάτρησης περιορίζονται σε εκείνα µόνο που είναι διαλυτά στο νερό. Με τη χρησιµοποίηση διαφόρων διαλυτών στο νερό πολυµερών ή βιοπολυµερών, εκείνο που επιδιώκεται είναι, αφ ενός, η βελτίωση των ρεολογικών ιδιοτήτων των ρευστών διάτρησης και, αφ ετέρου, η καλύτερη σταθεροποίηση των διατρυόµενων σχηµατισµών. Και τα δύο αυτά συµβάλλουν σηµαντικά τόσο στην αύξηση της ταχύτητας προχώρησης και στη βελτίωση της πυρηνοληψίας, όσο και στην αποφυγή σοβαρών προβληµάτων που θα επιφέρουν σηµαντικές καθυστερήσεις και που έχουν σαν τελικό αποτέλεσµα το αυξηµένο κόστος. Τα πολυµερή έχουν πολύ καλές λιπαντικές ιδιότητες µε αποτέλεσµα ο συντελεστής τριβής µεταξύ της διατρητικής στήλης και των τοιχωµάτων της γεώτρησης να είναι σχετικά µικρός. Έτσι η απαιτούµενη ροπή στρέψης της διατρητικής στήλης είναι πολύ µικρότερη από αυτήν που εφαρµόζεται όταν τα ρευστά διάτρησης είναι κοινά µίγµατα νερού µπεντονίτη. Αυτή η ιδιότητα των πολυµερών είναι πολύ σηµαντική, ιδιαίτερα σε ορισµένες περιπτώσεις όπου η δειγµατοληψία γίνεται µε το σύστηµα wireline και η διαφορά της διαµέτρου της γεώτρησης από τη διάµετρο της διατρητικής στήλης είναι πολύ µικρή. Έχει παρατηρηθεί αρκετές φορές ότι όταν η διάτρηση γίνεται µε µίγµα νερού µπεντονίτη και η γεώτρηση βρίσκεται σε κάποιο σχετικά µεγάλο βάθος καθίσταται αδύνατη η περιστροφή της στήλης µε υψηλές ταχύτητες περιστροφής. Κάτι τέτοιο δηµιουργεί σοβαρά προβλήµατα στη διάτρηση 55

14 (µείωση της ταχύτητας προχώρησης, ιδιαίτερα όταν οι εξορυσσόµενοι σχηµατισµοί είναι σκληροί), καθώς και µεγαλύτερη καταπόνηση του εξοπλισµού. Η χρησιµοποίηση πολυµερών ρευστών διάτρησης κάτω από τις ίδιες ακριβώς συνθήκες διάτρησης έχει δώσει εντυπωσιακά αποτελέσµατα. Μια άλλη ιδιότητα που µπορεί να βελτιωθεί σηµαντικά µε τη χρησιµοποίηση πολυµερών είναι η δηµιουργία επίστρωσης επί των τοιχωµάτων της γεώτρησης µε πολύ µικρή διαπερατότητα. Η µικρή διαπερατότητα διευκολύνει στο να σχηµατιστεί επί των τοιχωµάτων της γεώτρησης επίστρωση µικρού πάχους, συµβάλλοντας σηµαντικά στην οµαλή πορεία της διάτρησης. Τα περισσότερα από τα πολυµερή βελτιώνουν σηµαντικά τις ιδιότητες αυτής της επίστρωσης. Σχεδόν όλα τα πολυµερή που χρησιµοποιούνται σήµερα για την παρασκευή ρευστών διάτρησης έχουν την ιδιότητα να προσροφώνται επί των αργιλικών σωµατιδίων και να δηµιουργούν ένα προστατευτικό περίβληµα γύρω από αυτά. Η παραπάνω αναφερόµενη ιδιότητα των πολυµερών τα καθιστά πολύ αποτελεσµατικά στη διάτρηση πολύ ευαίσθητων αργιλικής σύστασης σχηµατισµών. Ταυτόχρονα, τα πολυµερή καλύπτουν τα αργιλικά σωµατίδια και τα προστατεύουν, παρεµποδίζοντας την αποσύνθεση των αργιλικής σύνθεσης θρυµµάτων της διάτρησης. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την αποτροπή της υπερβολικής αύξησης του ιξώδους των επιστρεφοµένων ρευστών διάτρησης και την αποφυγή εισαγωγής χηµικών πρόσθετων για µείωση του ιξώδους των. Η µη αποσύνθεση των αργιλικών σύνθεσης θρυµµάτων διευκολύνει σηµαντικά την καταβύθιση των λεπτοµερών θρυµµάτων στις δεξαµενές καθίζησης και την απαλλαγή έτσι των ανακυκλωµένων ρευστών από τα στερεά σωµατίδια. Η µειωµένη σχετικά τιµή του συντελεστή τριβής που παρουσιάζουν τα πολυµερή ρευστά διάτρησης, σε συνδυασµό µε τον τρόπο που µεταβάλλεται το ιξώδες αυτών, δηµιουργούν χαµηλές σχετικά πτώσεις πίεσης κατά την κυκλοφορία των ρευστών µέσω της αντλίας, της διατρητικής στήλης και του δακτυλίου της γεώτρησης. Η χαµηλή αυτή πτώση πίεσης εκφράζεται µε την µικρότερη συγκριτικά πίεση (υδραυλική ενέργεια) που απαιτείται να καταβληθεί από την αντλία προκειµένου να εξαναγκαστούν σε κυκλοφορία τα ρευστά διάτρησης. Όσο βέβαια πιο χαµηλή είναι η πίεση αυτή τόσο καλύτερες είναι οι συνθήκες διάτρησης, ιδιαίτερα όταν οι διατρυόµενοι σχηµατισµοί είναι έντονα προβληµατικοί. Όλες αυτές οι διαφορετικές κάθε φορά ιδιότητες των διαφόρων τύπων, διαλυτών στο νερό, πολυµερών και βιοπολυµερών, έχουν οδηγήσει στην δηµιουργία ειδικών συστηµάτων ρευστών διάτρησης, που περιέχουν ένα ή περισσότερα είδη πολυµερών, καθώς και άλλων χηµικών ή µη πρόσθετων, ανάλογα µε τις ανάγκες. Εποµένως, µε την επιλογή και τη χρησιµοποίηση των κατάλληλων, κάθε φορά, πολυµερών ρευστών διάτρησης, είναι δυνατό να διατρυθούν ταχύτατα και µε υψηλό βαθµό πυρηνοληψίας και οι πλέον προβληµατικοί σχηµατισµοί. Σε πολλές περιπτώσεις η διάτρηση των σχηµατισµών αυτών µπορεί να γίνει χωρίς τη χρησιµοποίηση σωλήνωσης. Αυτό είναι πολύ σηµαντικό όχι µόνο γιατί έτσι µειώνονται οι πολλές καθυστερήσεις που οφείλονται στις σωληνώσεις των γεωτρήσεων, αλλά κυρίως γιατί αποφεύγεται η µείωση της διαµέτρου της γεώτρησης. Το δεύτερο αυτό µπορεί να δηµιουργήσει πολύ σοβαρά προβλήµατα στην γεώτρηση, που ορισµένες φορές, µπορεί να οδηγήσει ακόµη και στη διακοπή της συνέχισής της. 4.3 Μηχανική επεξεργασία (καθαρισµός) επιστρεφόµενων ρευστών Τα θρύµµατα της διάτρησης (στερεά) αποτελούν τους βασικούς ρυπαντές των ρευστών διάτρησης. Οι ιδιότητες που κυρίως επηρεάζονται από τα στερεά είναι η πυκνότητα, η ρεολογία και η διηθητική ικανότητα. 56

15 Το ρευστό διάτρησης επιστρέφοντας από τη γεώτρηση ακολουθεί ένα σύστηµα καθαρισµού και σταθεροποίησης, το οποίο περιλαµβάνει δονούµενα κόσκινα, υδροκυκλώνες και φυγοκεντρικούς διαχωριστές. Τα δονούµενα κόσκινα αποτελούν το πρώτο στάδιο καθαρισµού. Επιτρέπουν το πέρασµα του ρευστού µε τα χρήσιµα στερεά του (µπεντονίτη, βαρύτη κ.λπ.) και διαχωρίζουν κατ αρχήν τα θρύµµατα. Μπορεί να είναι βαθµωτά, δύο ή τριών επιπέδων. ειγµατοληψία θρυµµάτων πραγµατοποιείται στα κόσκινα σε πολύ τακτά χρονικά διαστήµατα και τα θρύµµατα που συλλέγονται αποστέλλονται για γεωλογική ανάλυση. Τα υπόλοιπα θρύµµατα συλλέγονται σε δεξαµενή από την οποία οδηγούνται σε ειδικά διαµορφωµένους χώρους. Η λάσπη µετά τα κόσκινα πίπτει σε επικλινή αγωγό όπου τα µεγαλύτερου µεγέθους στερεά διαχωρίζονται µε τη βαρύτητα. Σχήµα 4.6. Κατακόρυφος υδροκυκλώνας Στη συνέχεια, η επιστρεφόµενη λάσπη ακολουθεί το δεύτερο στάδιο καθαρισµού (υδροκυκλώνες) όπου διοχετεύεται µέσω µικρής φυγοκεντρικής αντλίας. Το ρευστό φυγοκεντρείται ταχύτατα, τα στερεά εκτοξεύονται στα πλευρικά τοιχώµατα του κώνου, ενώ το ρευστό ανέρχεται καθαρότερο κατά τον άξονα του κώνου (σχήµα 4.6). Το µέγεθος των τεµαχιδίων που διαχωρίζονται εξαρτάται από τις διαστάσεις του κώνου (κυρίως την εσωτερική διάµετρό του). Οι κυκλώνες τοποθετούνται εν σειρά έτσι ώστε κάθε ένας να συµβάλλει στο διαχωρισµό συγκεκριµένου εύρους µεγέθους τεµαχιδίων. Στην περίπτωση που το ρευστό διάτρησης περιέχει στερεά για την αύξηση της πυκνότητάς του (π.χ. βαρύτης) δεν µπορεί να ακολουθηθεί το στάδιο των υδροκυκλώνων, διότι θα υπάρξει απώλεια και των τεµαχιδίων βαρύτη. Εφαρµόζεται τότε µια διάταξη µικρών υδροκυκλώνων, η οποία τοποθετείται επάνω σε ένα έντονα δονού- µενο κόσκινο (σχήµα 4.7). Τα στερεά διαχωρίζονται στους κυκλώνες και πίπτουν στο κόσκινο όπου, τα µεν τεµαχίδια βαρύτη περνούν µέσω των ανοιγµάτων του, τα δε θρύµµατα απορρίπτονται. Σχήµα 4.7. Σύστηµα καθαρισµού µε χρήση πολλαπλών υδροκυκλώνων 57