مفاهیم مهندسی نفت ـ آشنایی با سیمان‌کاری چاه‌های نفت و گاز ـ بخش اول

۱) Portland cement ( سیمان پورتلند):
این سیمان برای اولین بار در قرن نوزدهم در انگلستان ساخته شد. در آن زمان در جزایر پورتلند در انگلستان سنگی ساختمانی به نام سنگ پورتلند، از معدن استخراج می‌شد. نام سیمان پورتلند به علت تشابه آن با این سنگ، پورتلند گذاشته شد. اگرچه افراد زیادی ادعای ساخت این سیمان را برای بار اول کرده‌اند،اما باور عمومی بر این است که شخصی به نام Wiliam Aspdin در سال ۱۸۴۲ و در انگلستان این سیمان را ساخت.
۲) hydration ( هیدراسیون ):
در اصطلاح عمومی، به جذب آب توسط مواد نمگیر، مثل رس پایلی مر، هیدراسیون گفته می‌شود. در مورد سیمان، هیدراسیون نتیجه یک سری واکنش‌های شیمایی بین سیمان و آب می‌باشد. در ابتدا ذرات سیمان در درون سیستم آب و سیمان به صورت پراکنده هستند ( شکل ۱ ) در طی این مرحله از هیدراسیون، که در ۱۵ دقیقه اول مخلوط شدن سیمان با آب اتفاق می‌افتد، یک واکنش شیمایی گرماده و سریع انجام می‌گیرد که میزان قابل توجهی گرما تولید می‌کند. پس از این مرحله، هیدراسیون ذرات به حالتی غیر فعال درمی‌آید که حدود ۲ تا ۴ ساعت به طول می‌انجامد. پس از آن ذرات سیمان دوباره تحت واکنش‌های هیدارسیون رفته، و محصولاتی تولید می‌کنند که فضای خالی بین‌شان را پر می‌کند. ( شکل ۲ ) تشکیل این محصولات، نهایتا ماده‌ای ستفگر در تمام فضای خالی بین ذرات ایجاد می‌نماید. ( شکل ۳ ) و باید توجه داشت که سرعت هیدارسیون ۴ فاز اصلی سیمان، یکسان نبوده و با سرعت‌های مختلفی انجام می‌گیرد. برای فهم بهتر به شکل شماره ۵ رجوع کنید.
۳) Permeability ( نفوذپذیری):
یک سنگ مخزن خوب باید خصوصیاتی ویژه‌ای داشته باشد. از جمله خصوصیاتی که تا حدودی به هم مرتبط هستند، می‌توان به تخلخل (Porosity) و نفوذپذیری اشاره نمود.
تخلخل معیاری است از میزان فضای خالی در سنگ. در واقع هیدروکربن‌ها تنها در این فضاها می‌توانند وجود داشته باشند. پس تخلخل بالاتر، پتانسیل بزرگتر بودن ذخیره هیدروکربنی را بالاتر می‌برد. اگرچه یک سنگ در نگاه اول و با چشم غیر مسلح، ممکن است توپر به نظر برسد، اما بررسی میکروسکوپی آن نشان دهنده فضاهای خالی بسیار ریز در درون آن است . این فضاهای خالی Pores ( خلل و فرج) نامیده شده و سنگی که دارای آن‌ها باشد Porous( متخلخل ) می‌باشد.
خصوصیت مهم دیگر، نفوذپذیری است. به این معنی که خلل و فرج یک سنگ باید به هم مرتبط باشند تا هیدروکربن‌ها بتوانند از یک فضای خالی، به فضای دیگری جریان یابند. در غیر این صورت هیدروکربن‌ها به نوعی در درون سنگ حبس می‌شوند. نفوذ پذیری در واقع توانایی یک سنگ برای انتقال سیالات می‌باشد. واحد این کمیت دارسی یا میلی دارسی است. سنگ‌های نفوذناپذیر نظیر شیل، دارای دانه‌هایی ریز و با اندازه‌های مختلف هستند. برای فهم بهتر به شکل شماره ۶ رجوع کنید.
نفوذپذیری مطلق ( Absolute Permeability) برای نفوذ‌پذیری سنگ در زمانی که تنها حاوی یک نوع سیال است گفته می‌شود. اما اگر چند سیال غر قابل امتزاج ( نظیر آب، نفت و گاز) در درون سنگ حضور داشته باشند، میزان توانایی سنگ برای عبور دادن هر یک از آن‌ها متفاوت خواهد بود. به نفوذپذیری سنگ در این حالت، (effective permeability) نفوذپذیری موثر گفته می‌شود. نفوذپذیری موثر هر سیال درون سنگ متفاوت از دیگری است. نوع سوم نفوذپذیری، نفوذپذیری نسبی(Relative Permeability) نام دارد که برابر است با نسبت نفوذ پذیری موثر به نفوذ پذیری مطلق.
۴) API :
مخفف کلمه American Petroleum Institute می‌باشد. موسسه‌ای است که در سال ۱۹۱۹ با دفاتری در واشنگتون آمریکا بنیان‌گذاری شد. این موسسه توسط صنعت نفت و گاز حمایت شده و در کل جهان شناخته شده‌است. از جمله کارهای فراوان این موسسه می‌توان به ایجاد روش‌های آزمایش استاندارد در زمینه‌ تجهیزات حفاری، سیالات حفاری و سیمان اشاره کرد. این استانداردها API Recommended practice یا " RP" نامیده می‌شوند. API استانداردهایی را نیز برای مواد دارای کاربرد در حفاری تعیین نموده که API Specification یا "Spec" نامیده می‌شوند.
۵) ASTM :
مخفف کلمه American society for testing and materials می‌باشد. این موسسه یک پایگاه استانداردسازی برای گستره‌ی وسیعی از مواد، محصولات، سیستم‌ها و سرویس‌ها می‌باشد. استانداردهای این موسسه به ۶ کلاس کلی طبقه‌بندی می‌شوند:
۱) Standard specification
۲) Standard Test method
۳) Standard Practice
۴) Standard Guide
۵) Standard classification
۶) Terminology standard
کتاب سالانه استانداردهای ASTM حاوی ۱۵ بخش اصلی و یک بخش فهرست می‌باشد:
۱) تولیدات آهن و فولاد
۲) تولیدات فلزی غیر آهنی
۳) روش‌های آزمایش فلزات و روش‌های کار تحلیلی
۴) ساختمان
۵) محصولات نفتی، روانکارها و سوخت‌های فسیلی
۶) رنگ‌ها، پوشنده‌های مرتبط و آروماتیک‌ها
۷) منسوجات
۸) پلاستیک‌ها
۹) لاستیک‌ها
۱۰) عایق بندی الکتریکی و الکترونیک
۱۱) تکنولوژی آب و محیط زیست
۱۲) انرژی هسته‌ای، خورشیدی و زمین‌گرمایی
۱۳) تجهیزات و خدمات پزشکی
۱۴) روش‌ها و تجهیزات عمومی
۱۵) محصولات عمومی، موارد خاص شیمیایی و محصولات نهایی
۱۶) فهرست همه بخش‌ها و جلدها
۶) Cement Accelerators ( شتابگرهای سیمان )
افزاینده‌های شیمایی‌ای هستند که با دوغاب سیمان مخلوط شده و زمان موردنیاز برای بستن سیمان و ایجاد استحکام تراکمی در آن را کاهش می‌دهند. به عبارت ساده‌تر باعث می‌شود که سیمان سریع‌تر محکم شود. این افزاینده‌ها معمولا در حفاری مناطق نزدیک سطح زمین که دمای آن‌ها پایین بوده و در نتیجه سیمان دیر بسته می‌شود به کار می‌روند.
۷) Cement Retarders ( کندگرهای سیمان)
افزاینده‌های شیمیایی هستند که زمان غلیظ شدن سیمان را کاهش می‌دهند تا بتوان سیمان را قبل از بسته شدن و غیر قابل پمپ شدن، در مکان مورد نظر در چاه قرار داد. از آنجا که با افزایش عمق چاه، مدت زمان زیادتری نیاز است تا عملیات سیمانکاری را به انجام رسد و همچنین از آنجا که با افزایش عمق دما و به‌دنبال آن سرعت غلیظ شدن سیمان افزایش می‌یابد، کاربرد این افزاینده‌ها با افزایش عمق، زیادتر می‌گردد.

تدوین: مهندس مرتضی روستایی
دانشجوی کارشناسی ‌ارشد مهندسی حفاری -‌ بهره‌برداری، دانشگاه صنعتی امیرکبیر
خبرنگار مهندسی نفت سرویس مسایل راهبردی دفتر مطالعات خبرگزاری دانشجویان ایران(ISNA)

منبع : خبرگزاری ایسنا