آموزش تجهیزات حفاری چرخشی

[DiDaX 105]

1- دکل حفاری

دكل حفاری چرخشی، صرف نظر از مورد استفادة آن در خشكی یا دریا، در واقع كارخانه ای است كه فقط جهت تولید یك محصول یعنی چاه نفت طراحی شده است. این چاه در واقع یك مسیر عبوری كاملاً مشخص از سطح زمین به طبقات زیرین آن می باشد كه ممكن است دارای ذخایر هیدروكربنی باشند. عملكرد یك دكل حفاری در مقایسه با دیگر تسهیلات ساخت و تولید متفاوت است چرا كه بعد از حفر چاه و استخراج نفت یا گاز نیازی به استفاده از آن نمی باشد. بعد از حفر چاه، دكل و متعلقات آن می توانند از هم جدا شده و جهت حفاری مجدد در یك منطقة دیگر دوباره به هم متصل گردند.

قابلیت حمل دكل حفاری، در عملكرد آن جهت حفاری تأثیر زیادی ندارد و در واقع این قابلیت و امكان استفادة مجدد از دكل جهت حفاری، كاربرد آن را مقرون به صرفه می نماید. همچنین با توجه به قابلیت حمل یك دكل حفاری، می توان اجزاء آن را به مجموعه های كوچكتر تقسیم كرده و به وسیلة‌ كامیون یا هلیكوپتر در روی خشكی و یا با یدك كشیدن در دریا، جهت حفاری به محل جدید منتقل نمود.

معمولاً دکلها دارای تعدادی جزء اصلی هستند که عمده ترین آنها عبارت است از: سیستم خرک، سیستم قدرت، سیستم بالابر، سیستم دورانی، سیستم گردش سیال حفاری، تجهیزات کنترل چاه، لوله های حفاری، لوله های جداره گذاری،ژنراتورهای الکتریکی، کمپرسورهای هوا و سایر ابزارها و تجهیزات کمکی.

2- سیستم قدرت

قدرت عبارتست از انرژی مورد نیاز جهت راه اندازی یك ماشین. تقریباً در تمامی دكلهای حفاری قدرت مورد نیاز جهت حفاری چاهها از طریق موتورهای احتراق داخلی كه از سوخت دیزلی استفاده می كنند تأمین می شود.اخیراً استفاده از موتورهای سوخت گازی نیز در حال رواج است. بسته به عمق چاه مورد حفاری، یك دكل ممكن است به دو تا چهار موتور نیاز داشته باشد. قدرت فراهم شده به وسیلة دو نوع محرك به اجزاء دكل منتقل می شود كه عبارتند از: محركهای مكانیكی و محركهای الكتریكی. دریك دكل مكانیكی، قدرت موتور توسط مجموعه ای از تسمه ها، پولی ها، زنجیر و چرخ زنجیرها به اجزاء دكل منتقل می شود. در دكلهای الكتریكی نیازی به استفاده از تسمه و زنجیر جهت انتقال قدرت نیست و قدرت الكتریكی از مولدهای اولیه به موتورهای الكتریكی هر جزء انتقال می یابد. اكثر دكلهای مورد استفاده در حفاری چاههای عمیق و نیمه عمیق الكتریكی هستند و این بدان دلیل است كه نگهداری و نصب این نوع دكلها ساده تر از دكلهای مكانیكی می باشد.

3- سیستم بالابر

سیستم بالابر، رشته لولة حفاری را در طول حفاری به داخل چاه هدایت و یا از آن خارج می كند و همچنین وظیفة لوله گذاری در چاه را نیز بر عهده دارد. سیستم بالابر شامل زیرسازه های دكل (سازة فولادی)، منجنیق حفاری (كه گاهی اوقات بالابر نیز نامیده می شود) جعبه قرقرة سر دكل (Crown Block) ، جعبه قرقرة متحرك و قلاب و کابل حفاری می باشد.

زیرسازه (Substructure) ، تكیه گاه لازم را برای سازة دكل و میزدوار (Rotary Table) فراهم می آورد تا این دو بتوانند بار اعمالی از طرف رشته لولة حفاری را چه در حالت معلق در چاه و چه به هنگام استقرار آن روی سازة دكل تحمل کنند. علاوه بر این، ارتفاع زیر سازه طوری تنظیم می شود که فضای لازم در زیر دكل حفاری جهت شیرهای بزرگ كنترل فوران (Blow Out Valve) فراهم آید. منجنیق حفاری، پانل كنترل حفاری، اتاقك خدمه حفاری وتجهیزات دیگر در كف دكل حفاری كه با توجه به ارتفاع زیرسازه در فاصلة مناسبی از سطح زمین واقع است، قرار می گیرند. سازة دكل و زیرسازة آن وزن رشته لولة حفاری را چه در زمان تعلیق آن از قرقرة سر دكل، چه در حالت ساكن روی میز دوار و یا در حالتی كه بدون حركت در روی دكل واقع است تحمل می نمایند.

منجنیق حفاری كه گاهی اوقات بالابر(Hoist) نیز نامیده می شود در واقع یك وینچ (Winch) بسیار بزرگ است كه با پیچاندن رشته سیم حفاری باعث حركت رو به بالا یا پایین رشته لولة حفاری و مته می گردد. از منجنیق حفاری به هنگام برپاداشتن یا پایین آوردن سازة دكل نیز استفاده می شود. تجهیزات ویژه ای (معروف به طبلك فرعیCathead) جهت پیچ كردن یا باز كردن لوله های دارای رزوه روی منجنیق حفاری نصب می شوند. معمولاً منجنیق حفاری بزرگترین، سنگینترین و گران ترین قسمت یك مجموعة حفاری چرخشی می باشد.

منجنیق حفاری شامل یك طبلك قرقره مانند است كه رشته کابل حفاری به دور آن پیچیده می شود. زمانی كه منجنیق به كار می افتد این طبلك چرخیده و بسته به جهت دوران آن باعث جمع شدن رشته کابل حفاری به منظور بالا بردن جعبة قرقره متحرك و یا باعث آزاد شدن رشته کابل جهت پایین آوردن آن می گردد. با توجه به اینكه رشته لولة حفاری به جعبه قرقرة متحرك متصل است لذا چرخش این طبلك باعث بالا و یا پایین رفتن رشته لولة حفاری خواهد شد.

كابل حفاری كه اصطلاحاً كابل یا طناب سیمی نامیده می شود با تاباندن چندین سیم فولادی بوجود می آید. این كابل برای تحمل بارهای سنگین در دكل حفاری طراحی شده است. رشته سیم یا كابل حفاری میبایست حول یك قرقره واقع در روی دكل پیچیده شوند لذا لازم است تا عملیات كابل كشی (Stringing- Up) انجام شود.

4- سیستم دورانی

سیستم دورانی رشته لوله و متة حفاری را جهت حفر چاه به گردش در می آورد. تجهیزات دوران از بالا به پایین شامل هرزگرد یا تاپ درایو (Swivelor Top Drive) ، میلة چهاربر (Kelly) ، طوق محافظ میلة چهاربر (Kelly Saver Sub) ، میز دورانی، رشته لولة حفاری، مفصل ساقه (Tool Joints) ، طوق مته و متة حفاری می باشد. تجهیزات به هم متصل شدة بین هرزه گرد و مته كه شامل میلة چهاربر، لولة حفاری و طوق مته می باشد مجموعة رشته لولة حفاری (Drilling Stem) را تشكیل می دهند.

5- لوله های جداره گذاری

خدمة حفاری نمی توانند چاه را به طور كامل و تا عمق نهایی آن در یك مرحله حفاری نمایند. لذا آنها ابتدا با مته هایی بزرگ، سوراخی به عمق كافی و با قطر بزرگ حفر می نمایند تا سنگهای سست و كثافات را كه در داخل سوراخ بوده و می توانند باعث بروز مشكلاتی در طول عملیات حفاری شوند، همراه با آب موجود در طبقات آب دار (Water–Bearing Formations) نزدیك سطح زمین از داخل چاه خارج نمایند. طبقات خاكی نزدیك به سطح زمین معمولاً ‌دارای آب تازه می باشند. از این منابع آب می توان جهت شرب شهروندان یك شهر استفاده نمود. عدم دقت گروه حفاری در طول عملیات حفاری باعث آلود شدن این منابع آب توسط گل حفاری و سایر سیالات خواهد شد.

بعد از حفر اولین مرحله از چاه آن را جداره گذاری و سیمانکاری می كنند كه این امر باعث كاهش قطر چاه می گردد ولی از ریزش طبقات خاك به داخل جلوگیری می كند. عمق اوّلین مرحلة‌ حفاری حداکثر ممكن است 60 متر باشد. در حقیقت بستگی به عمق سازندهای واقع در نزدیكی سطح زمین دارد و به ندرت ممکن است از 60 متر تجاوز کند.

در بعضی موارد گروه حفاری می تواند در مرحلة دوّم قسمت باقی ماندة چاه را تا عمق نهایی آن حفاری كند. در موارد دیگر، به ویژه در چاههایی با عمق 3000 متر یا بیشتر گروه حفاری می بایستی كه همانند مرحلة اوّل سوراخی با عمق مشخص حفر نموده و سپس آن را جداره گذاری و سیمانکاری نمایند. بار دیگر قطر سوراخ با عمل جداره گذاری و سیمانکاری كردن كمتر شده و لذا قسمت سوّم چاه دارای قطری كمتر از قطر مرحلة قبل خواهد بود.

6- سیستم گردش مجدد سیال حفاری (RecirculationSystem)

سیستم گردش مجدد، سیال حفاری را به سمت مته به گردش در آورده و سپس آنرا جهت تصفیه و استفاده مجدد به سطح زمین منتقل می كند. جهت عملیات حفاری چرخشی، سیال می بایست به طرف پایین و از طریق رشته لولة حفاری، حول مته گردش نموده و سپس از طریق فضای حلقوی بین رشته لولة حفاری و جدارة چاه به طرف بالا جریان یابد. گل حفاری پس از عبور از میان رشته لوله حفاری از نازلهای مته خارج شده و از فضای حلقوی به سمت دهانه چاه حرکت می کند.

سیستم گردش مجدد تجهیزات زیر را جهت گردش (Circulate) سیال، تصفیه (Clean) و گردش مجدد آن به كار می برد: 1) ‌پمپهای گل حفاری 2) (MudPums) ‌لولة خرطومی دوار 3) (Rotary Hose) هرز گرد یا تاپ درایو 4) رشته لولة حفاری 5) مته 6)‌ مسیر بازگشت گل حفاری و 7) مخازن گل حفاری (Mud Tanks) اگر سیستم بازیافت از هوا یا گاز جهت گردش سیال استفاده كند بایستی كمپرسور را نیز به مجموعة تجهیزات فوق اضافه كرد.

اصلی ترین هدف استفاده از سیستم گردش سیال حفاری عبارت است از 1) تمیز كردن انتهای چاه حفرشده 2) خنك كاری و روغنكاری مته و رشته لولة‌حفاری 3) خارج كردن خرده سنگها از چاه 4) جلوگیری از ایجاد حفره در دیوارة چاه و 5) جلوگیری از ورودی سیال موجود در سازندها به داخل چاه و فوران آن.

سیال مورد استفاده معمولاً مایع و گاهی اوقات نیز هوا یا گاز می باشد. قسمت اعظم سیال مایع را آب همراه با روغن (معمولاً سوخت دیزلی) تشكیل می دهد. سیال حفاری را با توجه به اینكه بسیار به گل شبیه است، گل حفاری نیز می نامند. پمپ گل حفاری از ضروری ترین اجزاء یك سیستم گردش سیال می باشد. فشار پمپ، سیال را از داخل محفظه سیال و از طریق رشته لولة حفاری به مته و عمق چاه و سپس از طریق فضای خالی بین جداره چاه و رشته لولة حفاری به داخل پیت باز می گرداند.

7- تجهیزات كنترل چاه

تجهیزات كنترل چاه جهت جلوگیری از فوران ‌مورد استفاده قرار می گیرند. فوران چاه در واقع یك جریان كنترل نشده گاز، نفت یا دیگر سیالات موجود در چاه به فضای بیرون چاه یا طبقات خاكی زیرزمینی می باشد. این حالت زمانی اتفاق می افتد كه فشار درون سازند از فشار اعمال شده به آن توسط ستون گل حفاری بیشتر باشد. فوران می تواند باعث به خطر افتادن جان خدمة حفاری، نابودی دكل حفاری كه دارای ارزشی معادل میلیونها دلار است، اتلاف نفت مورد نیاز و احتمالاً خسارت به محیط زیست شود. اگر چه این اتفاق نسبتاً نادر است اما در صورت وقوع، منظره ای بسیار دهشتناك دارد. سیال (نفت، گاز یا آب نمك) با فشار بسیار زیاد از دهانة چاه فوران نموده و اغلب اوقات به ویژه در مواردی كه سیال حاوی گاز می باشد مشتعل شده و به صورت یك آتش غرنده در می آید.

تجهیزات کنترل چاه شامل اجزاء زیر می باشد: شیرهای فورانگیر،انباره ها (Accumulators) شیرهای خفانشی (Chokes) مانیفولدهای خفانش (Choke Manifolds).

8- تجهیزات كمكی

علاوه بر تجهیزات اصلی تشكیل دهندة یك دكل حفاری، وجود تجهیزات دیگری نیز مورد نیاز است. سیستمهای قدرت، بالا برنده، دورانی، بازیافت و كنترل چاه دارای تجهیزات اضافه تری هستند كه به تجهیزات اصلی اضافه شده و دكل حفاری را جهت عملیات حفاری آماده می سازند. تعداد و نوع این تجهیزات اضافی بستگی به نوع استفاده از دكل حفاری دارد. علاوه بر این اثرات، عوامل دیگری مانند عوارض زمین، آب و هوا، دوری از مراكز خدماتی و حمل و نقل نیز بایستی در نظر گرفته شوند.

9- ژنراتورهای الكتریكی

جهت شروع عملیات دكلهای حفاری مدرن از ژنراتورهای AC كه اكثراً به كمك سوختهای دیزلی و یا گاز طبیعی كار می كنند استفاده می شود. این مجموعة موتور- ژنراتور فقط برای تولید قدرت مورد نیاز منجنیق حفاری، میز دوار و پمپهای گل حفاری بکار نمی رود، بلکه انرژی تولیدی توسط این مجموعه جهت برپا كردن دكل، موتورهای لرزانندة شیل(Shale Shaker Motors) ، محركهای پیت گل حفاری (Mud pitAgitators) ، پمپهای گریز از مركز (Centrifugal Pumps) ، فن های خنك كنندة موتور و سیستم تهویه آسایشگاه خدمة حفاری نیز مصرف می شود.

اغلب این ژنراتورها توانایی تولید 50 تا 350 كیلو وات انرژی را دارند. البته در بعضی موارد از واحدهای بزرگتر با توان بیشتر نیز استفاده می شود. به طور كلی یك واحد از ژنراتورهای مذکور توان تولید قدرت مورد نیاز یك دكل حفاری را بدون در نظر گرفتن انرژی لازم برای سیستم بالا بر، دوران و پمپاژ دارا می باشند. واحد دوّم سیستم موتور –ژنراتور بعنوان ذخیرة مجموعة اول استفاده می شود.

10- كمپرسورهای هوا

در دكلهای مكانیكی (دكلهایی كه به وسیلة یك یا چند موتور احتراق داخلی فعال می شوند و قدرت از طریق تجهیزات مكانیكی مانند زنجیر، چرخ زنجیر، كلاچ و شفت منتقل می شود.) یك كمپرسور كوچك تولید کننده هوای فشرده، هوای مورد نیاز كلاچها و كنترلهای پنوماتیكی را فراهم می كند. كمپرسور دارای مخزنی جهت ذخیرة هوای فشرده می باشد. دكلهای حفاری دیزل- الكتریك دكلهایی هستند كه قدرت مورد نیاز خود را از طریق موتورهای دیزلی كه محرك ژنراتورهای الكتریكی هستند تأمین می کنند). در این دکلها از كمپرسور الكتریكی جهت تولید هوای فشرده با فشار 650 تا 1000 کیلو پاسکال استفاده می شود. هوای فشرده برای راه اندازی كنترلهای پنوماتیكی، راه اندازی موتورهای اصلی و بالابرهای پنوماتیكی، پمپهای هوای روی واحد BOP و همانند اینها بکار برده می شود.

11- سیستم ابزار دقیق حفاری

سیستم ابزار دقیق كلیدی ترین قسمت یك دكل حفاری به شمارمی رود.در یك سیستم ابزار دقیق وزن رشته لولة حفاری، سطح پیت گل حفاری، فشار پمپ، سرعت دورانی و متغیرهای دیگر مورد اندازه گیری می شود . ممكن است از یك واحد نمودارگیری گل حفاری جهت مشاهدة هر گونه آثار نفت و گاز در سیال در گردش حفاری استفاده شود. این كار معمولاً توسط یك شركت پیمانكار خدماتی انجام می گردد.

12- سایر امكانات

دكلهای حفاری علاوه بر تجهیزات فوق الذكر دارای تأسیسات ذخیرة سوخت، رختكن جهت تعویض لباس خدمة حفاری، اتاقك حفار (Doghouse) که در واقع یك سازة كوچك واقع در كف دكل است كه دفتر كار حفار و محل ذخیرة ابزار آلات كوچك می باشد، اتاقك ابزار برای نگهداری قطعات یدكی پمپ و دیگر تجهیزات نیز می باشند. دكلهای حفاری واقع در مكانهای دور دست دارای یك اردو جهت اسكان پرسنل حفاری به هنگام انجام وظیفه نیز هستند. دفتر مسئول دكل حفاری كه معمولاً توسط یك یدك كش به محل آورده می شود دارای یك تلقن، یك رادیو و یك كامپیوتر جهت ارتباط با دفتر مركزی و مناطق مسكونی می باشد.

دكلهای حفاری فراساحلی دارای خوابگاه، وسایل پخت و پز، مولدهای الكتریكی، ذخیرة آب و سیستم فاضلاب و همچنین ذخیرة كافی از گل خشك، مواد شیمیایی، سیمان، روغن و دیگر مواد مورد نیاز جهت حفاری به مدت چندین روز می باشد. اغلب دكلهای حفاری امكان ارسال اطلاعات عملیات حفاری به دفتر مركزی را از طریق یك مودم دارا هستند.

تنظیم مقاله PDF :

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[DiDaX 105]

حفاری چرخشی رایجترین و پرکاربردترین روش حفاری در صنعت نفت و گاز می باشد. هرچند اولین چاههای نفت به روش کابلی حفر شدند ولی از اوایل قرن بیستم برتری حفاری چرخشی آشکار شد. تحقیقات فراوانی در این مدت صورت گرفت و پیشرفتهایی که مخصوصاً در زمینه طراحی و ساخت مته های حفاری چرخشی بوجود آمد، سبب افزایش کارایی و بهینه شدن این روش شد. تجهیزات این روش از زمان رواج آن تاکنون متحول شده و تغییرات فراوانی کرده است. بوجود آمدن شرایط ویژه حفاری مانند لزوم حفاری در آبهای عمیق، سبب شده تغیراتی در روش داده شود و تجهیزات خاصی نیز ابداع گردد ولی اصول کلی روش همچنان ثابت است. در این روش مانند سوراخکاری در فلزات، از یک ابزار برنده در حال دوران برای سوراخ کردن و شکافتن زمین استفاده می شود. دوران ابزار که به آن مته گویند و حرکت رو به پایین آن باعث جدا شدن سنگها و سازندها می شود. مواد خرد شده نیز از طریق حرکت سیال مخصوص حفاری از اطراف مته دور شده و به سطح زمین آورده می شوند.

اجزاء دکل حفاری چرخشی بطور کامل در شکل مشخص شده اند. در اینجا مشاهده می شود رشته حفاری حرکت رفت و برگشتی ندارد، بلکه دوران موتور محرک به رشته حفاری اعمال شده و سبب حرکت دورانی آن می شود. سیستم گردش سیال حفاری باعث می شود به صورت پیوسته مواد خرد شده از داخل چاه به بیرون منتقل شود. مزیت استفاده از این روش، پمپاژ دائمی و پیوستة سیال حفاری به داخل چاه می باشد كه باعث خردشدن سازند های صخره ای و حمل قطعات خرد شده به بیرون از چاه به وسیلة جریان سیال می شود. به این ترتیب ، روش حفاری چرخشی شبیه خط تولید پیوسته می باشد که به صورت دایمی با چرخش مته، زمین حفر شده و قطعات خرد شده به بالا منتقل می شوند.

نیروی عمودی یا وزن مورد نیاز جهت اعمال به مته، توسط طوق مته كه به قسمت تحتانی لولة حفاری درست در بالای متة حفاری پیچ می شود تأمین می گردد. طوق مته به اتفاق لولة حفاری و متة حفاری، رشته لولة حفاری را تشكیل می دهند كه توسط میز دوران (Rotary Table) و میلة چهاربر (Kelly) و یا سیستم تاپ درایو (Top Drive) به چرخش در می آید. اجزاء رشته لولة حفاری توخالی بوده و امكان جریان یافتن سیال از طریق آنها به متة حفاری وجود دارد. یك مفصل آب بند، هرزه گرد (Swivel) در قسمت فوقانی میلة چهاربر قرار داده می شود و باعث اتصال لولة تخلیة پمپ گل حفاری و قسمت داخلی، رشته لولة حفاری می گردد. یك سیستم بالاب(Hoisting System) جهت داخل كردن یا بیرون كشیدن رشته لولة حفاری از داخل چاه مورد نیاز است. این وظیفه برعهدة سازة دكل حفاری (Derrick)، قلاب و منجنیق حفاری می باشد. وجود امكانات بازیافت گل حفاری، به هنگام بازگشت آن به سطح زمین، منطقه ای جهت نگهداری لوله آلات (Tubular Goods) چندین پناهگاه و دفتر كار در سایت، مجموعه دكل حفاری را كامل می نماید.

علاوه بر این همزمان با حفرچاه، آن را جداره گذاری می نمایند. جداره گذاری با لوله های فولادی كه قطر آنها با افزایش عمق چاه نسبت عكس دارد و هر چه چاه عمیق تر گردد این قطر كاهش می یابد، انجام می شود. به محض خاتمة حفاری در اوّلین سازند، اولین قسمت از این لوله ها به داخل چاه فرستاده می شوند و سپس چاه سیمانکاری می گردد. یك محفظة جداره گذار (Casing housing) در قسمت فوقانی اولین قسمت لوله های جداره گذاری قرار دارد. تمامی قسمتهای بعدی لوله های جداره گذاری از این محفظه آویزان شده و در تكیه گاه خود به دیوارة چاه سیمانه می شوند.

بعد از آنكه اوّلین فاز از چاه حفاری شده جداره گذاری شد، حفاری با مته ای كه قطر آن كوچكتر از قطر داخلی لولة جداره گذاری می باشد ادامه می یابد. هر چه عمق چاه بیشتر شده و قسمت جداره گذاری شدة آن بیشتر شود قطر متة مورد استفاده كوچكتر خواهد شد. از محفظة جداره گذاری جهت نگهداری تجهیزات ایمنی مانند شیرهای فوران گیر نیز استفاده می شود.

1- عملیات اصلی

اگر چه عمل حفاری، اصلی ترین عملیات انجام شده در پروسه حفاری می باشد ولی در مقایسه با سایر عملیات به نیروی انسانی كمتری در این عملیات نیاز است. چرخش میز دوران باعث رانش مته حفاری توسط میلة چهاربر و رشته لولة حفاری می گردد. حفار حركت رو به بالا و پایین قلاب را توسط یك اهرم ترمز كنترل می نماید. براساس اصل حفاری چرخشی، وزنة اعمالی به مته های حفاری بایستی ثابت باشد. وزن تمامی قطعاتی كه از قلاب آویزان می شوند ثابت بوده و حفار این اطلاعات را از طریق خواندن وزن اعمالی به مته در زمانی كه مته در ته چاه قرار دارد به دست می آورد.

دو پارامتر دیگر، یعنی سرعت دوران و نرخ جریان سیال معمولاً از قبل تنظیم می شوند. حفار این مقادیر را با توجه به برنامة ارائه شده چك كرده و تنظیم می نماید و مراقب است تا فشار تخلیة پمپ مطابق برنامه بوده و طبق آن پیش رود. حرکت چرخشی توسط رشته لوله حفاری به مته منتقل می شود. رشته حفاری یك لولة تو خالی طویل می باشد که دو وظیفه مهم برعهده دارد: 1- وزن مورد نیاز مته جهت سازندها را فراهم می نماید. 2- مسیر مورد نیاز جهت گردش گل حفاری به هنگام چرخش مته را فراهم می نماید. از گل یا سیال حفاری جهت خنك كاری مته و انتقال ذرات خرد شدة سنگ از ته چاه به سطح زمین استفاده می شود.

تجهیزات مستقر در سطح زمین ذرات خرد شده را از سیال جدا می نمایند و سیال تصفیه شده جهت استفادة مجدد در داخل چاه توسط یك پمپ به داخل چاه فرستاده می شود. چرخانیدن مته، اضافه كردن لوله جهت طویل تر كردن رشته لولة حفاری و داخل یا خارج نمودن آنها در چاه و تصفیه و استفادة مجدد از سیال حفاری اصلیترین و مهمترین پروسه ها در حفاری یك چاه می باشند. تجهیزات لازم جهت انجام موارد مذكور شامل سیستم بالابر(Hoisting)، سیستم گردش مجدد (Recycling) و اجزاء چرخشی و یك سازة فولادی (دكل) جهت ایجاد تكیه گاه مناسب برای این مجموعه و قدرت مورد نیاز جهت به راه انداختن آنها می باشد.

2- افزودن لوله حفاری

بعد از حفاری چاه به اندازة طول یك لولة حفاری توسط مته، بایستی لولة حفاری جدید به رشته لولة حفاری پیچ گردد تا طول آن افزایش یابد. این لوله به قسمت تحتانی میلة چهاربر متصل می گردد.

در طول پروسة حفاری، خدمة حفاری یک لولة جدید را در داخل یك غلاف كه غلاف لانه موشی (Mouse Hole) نامیده می شود و در نزدیكی میز دورانی واقع است قرار می دهند سپس، رشته لولة حفاری را به كمك منجنیق به قدری بالا می کشند بطوریکه کل میله چهاربر بالاتر از سطح میز دوار قرار گیرد. سپس لوله گیر (Slips) در محل خود و در بالای اولین لوله كارگذاشته می شود. بدین ترتیب وزن رشته لولة حفاری توسط میز دورانی تحمل می گردد و در نتیجه امكان بازكردن میلة چهاربر فراهم می شود. واضح است كه در این حالت گردش گل حفاری متوقف شده است. سپس خدمه حفاری میله چهاربر را به انتهای لولة جدید حفاری که در داخل غلاف لانه موشی آماده بهره برداری است، پیچ می کنند.

در مرحله آخر،خدمة حفاری میلة چهاربر و لولة حفاری را به كمك منجنیق بادی بالا می كشند. سپس مجموعه میله چهاربر و لوله جدید که به هم پیچ شده اند، به بالای رشته لوله حفاری معلق آورده می شوند و لولة جدید به رشته لولة حفاری پیچ می شود. حال مجموعه آمادة بهره برداری است. خدمة حفاری جریان سیال حفاری را مجدداً برقرار می كنند. سپس میلة چهاربر به میز دوران متصل شده و حفاری ادامه می یابد.

3- پیمایش (Round Trip)

زمانی كه مته ساییده می شود یا چاه به طور كامل تا عمق مورد نظر حفاری می گردد رشته لولة حفاری می بایست از چاه خارج شود تا امكان تعویض مته یا جداره گذاری چاه فراهم شود. خارج کردن رشته حفاری از چاه و یا وارد کردن آن به داخل چاه را پیمایش گویند. اوّلین قدم جهت انجام این كار، جدا كردن هرزه گرد از قلاب و قرار دادن میلة چهاربر و هرزه گرد كه هنوز توسط شلنگ به پمپهای گل حفاری متصل است در غلاف لانه خرگوشی (Rat Hole) می باشد.

سپس رشته لوله حفاری را تا ارتفاعی معادل سه برابر طول یك لولة حفاری، توسط منجنیق بالا می كشند. لولة چهارم به كمك لوله گیر به میزدوران متصل و محکم می شود و به كمك آچار لوله (Tongs) سه لوله بالایی از بقیة رشته لولة حفاری جدا می شود. سپس این سه لولة جدا شده از بالابر آویزان می شود. خدمة حفاری انتهای پایینی این مجموعة سه لوله را هل می دهند تا از محل اتصال خود جدا شود. سپس مسئول دكل (Derrick Man) كه در روی سكوی ایمنی(Monkey Board) ایستاده است، بالابر را جدا نموده و انتهای فوقانی مجموعة سه لوله را در داخل خرك (Pipe Rack) قرار می دهد. جهت وارد كردن مجموعه به داخل چاه نیز همانند روش مذكور عمل می شود. واضح است که در طول عملیات پیمایش، چرخش مته و گردش جریان سیال متوقف می شوند.

4- جداره گذاری

بعد از آنكه چاه تا عمق مورد نظر حفاری شد، عملیات جداره گذاری آغاز می گردد. هدف از جداره گذاری، جلوگیری از انسداد و فروپاشی دیواره چاه و نگهداری آن برای سالهای متمادی است. برای این کار ابتدا می بایست لوله های جداره گذاری را وارد چاه نمود. معمولا قطر لوله های جداره گذاری کمی کمتر از قطر چاه انتخاب می شود. به همین دلیل فاصلة بین جداره ها و دیوارة چاه بسیار كم بوده و این عملیات بسیار حساس و مشکل می گردد. لوله های جداره گذاری یك به یك در داخل چاه قرارداده می شوند. بعد از استقرار لوله ها در داخل چاه دوغاب سیمان همانند گل حفاری به داخل لوله های جداره گذاری پمپ می شود. دوغاب سیمان پس از عبور از داخل لوله های جداره گذاری وارد فضای حلقوی می شود و بالا می آید و پس از گذشت زمان مشخصی سخت می گردد. به این ترتیب کل فضای بین لوله جداره گذاری و دیواره چاه از یک لایه سیمان با عمر و دوام بسیار زیاد پر می شود. این عملیات یکی از مهمترین بخشهای حفاری است .

5- نصب تجهیزات سرچاهی

بعد از اتمام عملیات جداره گذاری و سیمانه كردن چاه باید تجهیزات مورد نیاز آببندی در قسمت فوقانی چاه نصب شود. در صورتیكه تجهیزات سرچاهی در مكانی بالاتر از سطح زمین یا سطح ساحل دریا قرار دارند این عملیات به طور دستی انجام می شود. تجهیزات سرچاهی شامل یك شیر فورانگیر ( Blow Out Preventer (BOP)) می باشد كه دارای یك سیستم پرفشار به نام لوله مهار(Kill Line) و لولة خفانشی (Choke Line) است.

6- تكمیل سازی چاه

تکمیل سازی چاه آخرین بخش از کار است که پس از اتمام جداره گذاری صورت می گیرد. در این مرحله تجهیزات بهره برداری مانند توپك مجرا بند(Packer) ، لولة استخراج (Tubing) و شیرهای ایمنی(Safety Valves) و غیره در داخل چاه قرارداده می شوند. ارتباط بین سازند مولد و چاه بایستی توسط حفاری، مشبك سازی (Perforation) اسیدكاری (Acidizing) و شكاف برداری (Fracturing) بیشتر گردد.

[DiDaX 105]

كاربردهای حفاری جهت دار

پارامترهای طراحی چاه جهت دار

مونیتورینگ و اندازه گیری مسیر چاه (Monitoring the Well Courser)

روشها و ابزارهای انحراف

موتور های درون چاهی

استفاده از حفاری جهت دار كه امروزه جزء لاینفك روشهای مرسوم حفاری به شمار می رود، جهت توسعة میادین نفتی بسیار معمول است. برخلاف حفاری عمودی كه در آن تنها انتخاب و طراحی طول چاه مهم است، در روش حفاری جهت دار می بایست مواردی از قبیل سیستم اندازه گیری، ابزار دقیق، ابزار آلات انحراف (Deflection Tools) پارامترهای مناسب حفاری، سازگاری معماری چاه با طول آن، روش سیمانکاری موثر در نظر گرفته شود.

1- كاربردهای حفاری جهت دار

حفاری جهت دار در موارد زیر دارای اهمیت می باشد :

1- مكانهای دور از دسترس: ممكن است نقطة مورد نظر حفاری در محلی كه دسترسی به آن بسیار مشكل بوده (مانند دریا، دریاچه، رودخانه، كوه و غیره) و یا در یك منطقة مسكونی واقع باشد. (شکل 1)

2- حفر چاههای متعدد یا مجموعه ای از چاهها (Well Cluster) فقط در مكانهایی كه جهت بهره برداری آماده شده اند، توجیه اقتصادی دارد. بارزترین نمونه از این مورد در حفاری فراساحلی اتفاق می افتد كه در آن ساخت یك سكوی ثابت جهت حفر چندین چاه بهره برداری توجیه اقتصادی دارد.

3- احداث کنار گذر (Side Tracking):كنارگذرها معمولاً به هنگام مانده گیری(Fishing) جهت خارج كردن رشته لولة از كار افتاده و واقع در قسمت تحتانی چاه، حفر می شود.

4- چاههای فشار شکن: چاههای فشار شکن در نزدیکی چاه دیگر برای کنترل فوران حفر می شوند. با توجه به اینكه دقت بالایی جهت حفر این چاهها در فاصلة نزدیك به چاهی كه در حال فوران است مورد نیاز است، حفر این چاهها را می توان مهمترین و پیچیده ترین كاربرد حفاری جهت دار قلمداد كرد.

5- چاههای زمین گرمایی دو گانه (Paired Geothermal Wells):جهت دستیابی و بهره برداری از منابع زمین گرمایی، دو چاه نزدیک به هم حفر می شود. چاه تولید كه آب گرم را از منبع به طرف بالا هدایت می كند و چاه تزریق كه جهت انتقال مجدد آب به داخل لایه های زمین از آن استفاده می شود.

6- حفاری افقی :در این كاربرد از روش حفاری جهت دار جهت حفر چاه با زاویة حداكثر 90 درجه استفاده می شود و معمولاً به منظور افزایش میزان تولید در چاهها کاربرد دارد.

2- پارامترهای طراحی چاه جهت دار

طراحی و آماده سازی یك چاه جهت دار با مكان یابی هدف مورد نظر و استقرار دكل حفاری شروع می شود. مكان هدف معمولاً به شکل کره ای که مرکز آن محل ضربه است، مشخص می شود. معمولاً انتخاب 20/1 زاویة انحراف بعنوان شعاع هدف از نظر اقتصادی ممكن و مقرون به صرفه می باشد.

بعد از آنكه نقاط آغازین و انتها مشخص شدند مسیر حفر چاه نیز بایستی مشخص گردد. معمول ترین و اقتصادی ترین مسیر برای حفر چاه، مسیر J شكل می باشد. جهت حفر این گونه چاهها، گروه حفاری در ابتدا یك چاه عمودی تا عمق مشخصی كه تحت عنوان نقطة انحراف(Kick off Point -(KOP شناخته می شود، حفر می كنند. نقطة انحراف نقطه ای است كه در آن انحراف چاه از مسیر عمودی آغاز می شود. مرحلة بعدی حفاری همراه با افزایش زاویة شیب می باشد و حفر آن به رشته لولة حفاری ویژه ای نیازمند است. به این ناحیه، ناحیه انحراف (Build Up) گویند.

در مواقعی كه حفر چاه به صورت J شكل یا S شكل جهت دسترسی به هدف مورد نظر غیر ممكن بوده، یا نقطة انحراف بسیار عمیق بوده و یا گرادیان انحراف بسیار كوچك باشد، می توان چاه را به كمك لوله های مورب یا مایل حفر نمود

3- مونیتورینگ و اندازه گیری مسیر چاه (Monitoring the Well Courser )

مسیر مورد حفاری توسط مته در حفاری جهت دار بنا به دلایل زیر می بایست با دقت كافی مونیتور گردد.

الف- تعیین موقعیت سگ پا یا زانویی در محلهایی كه با توجه به گرادیان انحراف، خمیدگی زیادی دارندسگ پا محلی است که چاه به دلیل منحرف شدن از مسیر قبلی، گشاد تر می شود.

ب- جهت بازبینی مسیر چاه به صورت تئوریك و رسیدن به هدف مورد نظر.

ج- جهت رسم موقعیت چاه با بالاترین دقت ممكن كه به مهار چاه توسط چاههای فشار شكن (Relief Wells) به هنگام فوران كمك می نماید.

مسیر حفاری شده توسط متة حفاری را می توان بر اساس اندازه های زاویة انحراف، قوس و طول مسیر حفاری مشخص نمود. که در زیر توضییح داده می شود .

اندازه گیری طول: در طول پروسة حفاری، مفصلهای لولة حفاری به مجموعه رشته لوله اضافه می شوند و در نتیجه باعث می شوند طول چاه با دقت میلیمتری اندازه گیری شود. بعد از متوقف شدن عملیات حفاری نیز می توان طول چاه را اندازه گیری کرد. معمول ترین روش اندازه گیری طول چاه، اندازه گیری مقدار کابلی از الکترود نمودار گیری است که به چاه وارد می شود.

اندازه گیری انحراف: انحراف، زاویة بین خط عمود و محور چاه می باشد. اندازه گیری بر اساس آشكارسازی زاویة انحراف به کمک میدان جاذبه و به وسیلة ابزار پاندولی یا یك شتاب سنج انجام می گردد.

اندازه گیری قوس مغناطیسی(Magnetic Azimuth) : قوس مغناطیسی زاویة بین صفحة عمودی گذرنده از محور چاه و صفحة عمودی گذرنده از شمال مغناطیسی می باشد. این اندازه گیری توسط یك سوزن مغناطیسی یا بوسیلة یك قطب نمای شناور كه به راستای جریان مغناطیسی زمین اشاره می كند، انجام می پذیرد. این اندازه گیری را می توان توسط یك مغناطیس سنج كه سه تصویرِ بُردار میدان مغناطیسی را اندازه می گیرد، انجام داد

اندازه گیری جهت دار ابزار: این اندازه گیری زمانی لازم است که بخواهند ابزار انحراف چاه را در جهت مناسب قرار دهند. در هنگام استفاده از ابزار های انحراف لازم است زاویه بین محور رشته حفاری وجهت قوس مشخص شود.

4- روشها و ابزارهای انحراف

همانطور که در گفته شد، حفاری جهت دار از چندین بخش تشکیل شده است. نقطه انحراف، ناحیه انحراف، ناحیه پایدار واحتمالاً ناحیه خوابیده. حفاری هر یک از این بخشها نیازمند ابزارآلات و تکنیکهای ویژه ای است. در حالت کلی سه روش عمده برای ایجاد نیروی جانبی و انحرف دادن به چاه از جهت عمودی وجود دارد که در این بخش توضیح داده می شود.

گوه یا زانویی انحراف (whip stock)

همانطور که در شکل( 5) دیده می شود، این ابزار به شکل گوه است و از انتهای چاه تا سطح زمین حالت مخروطی دارد. گوه پس از وارد شدن به چاه در جهت مورد نظر ثابت می شود. در این حالت با اعمال نیروی رو به پایین به گوه بوسیله قرار دادن وزنه روی آن از حرکت گوه و دوران آن جلوگیری می شود. سپس مته ای با قطر کوچک وارد چاه شده و با احتیاط شروع به حفاری می کند. نرخ نفوذ در این حالت به دقت کنترل می شود. پس از 6 یا 7 متر حفاری و نفوذ در بستر، مجموعه رشته لوله حفاری و گوه انحراف از چاه خارج شده و به دنبال آن مجموعه مته گشادکاری که قطر مته آن به اندازه قطر نامی چاه است، وارد چاه می شود و حفاری را ادامه می دهد.

گل پاشی(Jetting )

این روش از نظر اقتصادی بسیار به صرفه می باشد. مخصوصاً در سازندهای نرم و سازندهایی که قابلیت حفاری بالایی دارند. مثلاً نرخ حفر چاه بیشتر از 20 متر در ساعت باشد. رشته حفاری در این عملیات باید از نوع رشته حفاری زاویه ساز (Angle Building Type) باشد. این نوع رشته لوله حفاری دارای اجزا زیر است:

• مته حفاری با یک، دو یا سه نازل که یکی از نازلها قطر بیشتری داشته و به نام نازل اصلی شناخته می شود.

• ابزار تثبیت کننده پشت مته (Near Bit Stabilizer) که قطر آن برابر با قطر مته است.

• طوق مته از جنس مواد غیر مغناطیس.

روش ایجاد انحراف درمراحل شکل (6) دیده می شود. در حالت اول عمل گل پاشی برای ایجاد حفره خارج از مرکز صورت می گیرد. در حالت دوم حرکت بالا و پایین مته سبب می شود رشته حفاری از جهت عمودی منحرف شود و در نهایت در حالت سوم دوران مته باعث ادامه حفاری در جهت جدید می گردد.

روش کار ساده و تاحدی شبیه گوه انحراف است. مته حفاری باید توسط نیروی جانبی در جهت مورد نظر منحرف شود. خم کن وزن موجود روی مته را که توسط طوق مته ایجاد شده از مرکز مته به سمت خارج منحرف می کند. شکل زیر نوعی اتصال خم کن را نشان می دهد که چاه عمودی را منحرف کرده است.

5- موتور های درون چاهی

در حفاری جهت دار مخصوصاً در صورتی که زاویه انحراف زیاد باشد، نمی توان از سیستم حفاری سنتی که در آن کل رشته حفاری حرکت چرخشی دارد استفاده کرد. در این گونه موارد از موتورهای درون چاهی استفاده می شود. این نوع موتورها به انتهای رشته حفاری و قبل از مته حفاری متصل می شوند. بنابر این رشته حفاری در حین کار ثابت است و دوران نمی کند. موتورهای درون چاهی از سیال تحت فشار برای دوران استفاده می کنند. دو نوع موتور درون چاهی در صنعت حفاری کاربرد دارد که عبارتند از: موتورهای توربینی و موتورهای جابجایی مثبت.

موتورهای توربینی یا توربینهای حفاری، همانطور که از نامشان پیداست دارای پره هایی هستند که در اثر برخورد سیال به آنها سبب دوران روتور می شوند. گشتاور ایجاد شده در روتور از طریق شفتی که به طوق مته متصل است، به مته منتقل می شود. سرعت دورانی در محدوده 500 الی 1000 دور بر دقیقه می باشد. برای بالا بردن بازدهی لازم است سیال با قدرت زیادی پمپ شود. به همین دلیل پمپهای دکل حفاری باید قویتر از معمول باشند. موتورهای توربینی می توانند سرعتهای دورانی بالاتر از حد معمول در حفاری چرخشی ارائه دهند. در واقع اولین کاربرد این موتورها در حفاری با سرعت بالا بود اما اکنون جایگاه خود را در حفاری جهت دار و افقی به دست آورده اند. شکل (8) نمایی از موتورهای درون چاهی توربینی را نشان می دهد.

موتورهای جابجایی مثبت در صنایع نفت و گاز برای انتقال سیالات ویسکوز و سنگین و یا بعنوان پمپهای درون چاهی برای پمپاژ هیدروکربنها استفاده می شود. پمپهای غیر جابجایی مثبت مانند انواع پمپهای آب، از توع پمپهای دورانی هستند که در صورت بالا بودن نیروی مقاوم نمی توانند سیال را پمپ کنند و روتور پمپ هرز می گردد و یا اصطلاحاً پس می زند. در صورتی که در پمپهای جابجایی مثبت این اتفاق نمی افتد و تا زمانی که نیروی پمپ بیشتر از نیروی مقاوم باشد عمل پمپاژ ادامه پیدا می کند. موتورهای جابجایی مثبت در واقع همین پمپها هستند که در جهت عکس استفاده می شوند. به این ترتیب که سیال با فشار وارد موتور می شود و سبب حرکت دورانی روتور حلزونی می شود. زمانی که سیال با فشار تخلیه پمپ به سمت پایین حرکت می کند به روتور حلزونی گشتاور وارد می شود. بدون در نظر گرفتن مقدار بازدهی، گشتاور ایجاد شده متناسب بافشار سیال و سرعت دورانی متناسب با نرخ جریان می باشد.

مشکل عمده موتورهای جابجایی مثبت، عدم مقاومت موتور در دماهای بالای درون چاه و همچنین حساسیت زیاد موتور بوجود گاز در داخل گل حفاری است. مزیت عمده موتورهای مذکور در این است که برعکس موتورهای توربینی نیازی به تجهیزات خاص هیدرولیکی ندارند و با همان سیستم رایج دکلهای حفاری کار می کنند.