آشنايي با مباني حفاري چاه ‌هاي نفت و گاز

[mim-shimi 25686]

آن‌چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست مقاله‌ي « آشنايي با مباني حفاري چاه‌هاي نفت و گاز» از مجموعه‌ي متون آموزشي مفاهيم مهندسي نفت، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و سياست‌پژوهان بخش بالادستي نفت و اقتصاد انرژي است كه در سرويس مسائل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران، تدوين شده است.

چنان كه در مقاله (مباني شناخت مخزن) گفته شد نفت در سنگ منشاء تشكيل مي‌شود و سپس به سمت سنگ مخزن مهاجرت مي‌كند و در آن تجمع پيدا مي‌كند، روشن است كه براي بهره‌برداري از نفت اين مخازن كه هزاران متر زير زمين هستند،‌ بايد تمام سازند ها و لايه‌هاي بالايي و خود سنگ مخزن مورد حفاري قرار گيرد.

امروزه در صنعت نفت، صنعت حفاري حرف اول را مي‌زند و ملاك قدرت شركت‌هاي نفتي محسوب مي شود.

حفاري به 2 روش انجام مي‌شود:

1- حفاري دوراني (rotational drilling)

2- حفاري ضربه‌اي (Cable tool drilling)

امروزه حفاري ضربه‌اي كاربرد زيادي ندارد و تقريبا تمامي چاه‌ها به روش حفاري دوراني (rotational drilling) حفر مي‌شوند.در اين مقاله به توضيح روش حفاري دوراني و تكنولوژي‌هاي مختلف آن مي پردازيم

 

 

 

 

سيستم هاي مختلف دكل حفاري:

در حفاري به روش دوراني، دكل شامل بخش‌هاي مختلفي است كه هر يك از آن‌ها نيز خود از اجزاي ديگري تشكيل شده است. اين قسمت‌ها شامل:

1- سيستم دوراني (Rotational system)

2- سيستم تعليق (Hoisting)

3- سيستم گردش گل (Circulation system)

4- قسمت‌ تامين كننده انرژي (Power system)

5- قسمت‌ ايمني

6- ديده‌باني Monitoring

I- سيستم دوراني:

 

 

اين سيستم بر دو نوع است يك روش دوراني استفاده از دستگاه topdrive است و روش ديگر به وسيله دستگاه‌ ميزگردان (rotary table) است اجزاء سيستم دوراني عبارتند از: (از بالا به پايين)

1- Kelly

يك لوله استوانه‌اي شكل است كه مقطع آن مربع يا شش ضلعي منتظم است. اين لوله ويژه‌ي روش حفاري با ميزگردان است و در روش topdrive از آن استفاده نمي‌شود.

2- ميزگردان (Rotary Table)

‌ چرخشKelly bushing كه روي ميز گردان قرار دارد باعث چرخش kelly مي‌شود و با چرخش kelly، لوله‌هاي حفاري و در نتيجه مته شروع به چرخش مي‌كند. البته در روش Topdrive بجاي ميزگردان از topdrive استفاده مي‌شود.

3- رشته‌هاي حفاري (drilling pipe) يا (drilling string)

رشته‌هاي حفاري، لوله‌هاي استوانه‌اي شكلي هستند كه داراي طولي در حدود 30 فوت هستند. ابتدا 3 رشته حفاري به هم پيوند مي خورند كه به آن‌ها يك Stand گفته مي‌شود و سپس stand ها به درون چاه فرستاده مي‌شوند.

4- Collar

لوله‌اي استوانه‌اي شكل است كه قطرو وزن آن نسبت به رشته‌هاي حفاري بيشتر است و از آن براي اعمال نيرو بر روي مته استفاده مي‌شود، كاربرد ديگر آن شاقول كردن و يا در اصطلاح مركز كردن(centralize) مته در داخل چاه است.

6- مته (Bit)

براي حفر سازندها از آن استفاده مي‌شود و داراي انواع مختلفي است مانند كاج‌دار، الماس طبيعي و مصنوعي و غيره كه هر كدام كاربردها ، مزيت‌ها و معايب‌ خاص خود را دارند.

عملكرد سيستم:

در سيستم rotary table، يك موتور زير ميز گردان قرار دارد و موجب چرخش آن مي‌شود. چرخش kelly bushing كه روي ميزگردان قرار دارد و درگير شدن دندانه‌هاي آن با دندانه‌هاي Kelly موجب چرخش Kelly مي شود و در نتيجه رشته‌هاي حفاري نيز شروع به چرخش كرده و در پايان چرخش را به مته منتقل مي‌كنند، انتقال چرخش به مته نيز امكان حفاري سازند را مي‌دهد.

اما در روش Top Drive، هيچ يك از بخش‌هاي ميزگردان، kelly و kelly bushing، وجود ندارند و لوله‌ها ي حفاري به طور مستقيم به موتوري پيوند مي‌خورند كه چرخش آن‌ها توسط اين موتور انجام مي‌گيرد.

از آن‌جا كه با اين روش سرعت تعويض رشته‌هاي حفاري و اضافه و كم كردن آن‌ها بيشتر است، اين روش امكان حفاري با سرعتي بيشتر از روش ميزگردان را به حفار مي‌دهد.

II- سيستم تعليق (Hoisting system)

 

 

اجزاء اين سيستم شامل:

1- اسكلت دكل (derrick)

كه تمام اجزاء دكل روي آن سوار مي‌شوند.

2- تاج دكل Crown block

در واقع جعبه‌اي است كه داخل آن چندين قرقره ثابت قرار مي‌گيرد.

3- جعبه متحرك( traveling block )

اين بخش نيز همانند تاج دكل جعبه‌اي ‌ست كه داخل آن چندين قرقره قرار مي‌گيرد و فرق آن با Crown block در اين است كه Crown block ثابت است اما traveling block متحرك است.

4- موتور متحرك (draw work)

موتوري است كه سيم‌هاي نگهدارنده را دور قرقره كه در داخل خود قرار دارد، جمع يا باز مي‌كند.

5- قرقره ذخيره (storage reel)

قرقره اي است كه سيم‌هاي نگهدارنده ذخيره، بدور آن جمع‌ مي‌شوند.

6- سيم‌هاي نگهدارنده

سيم‌هايي هستند كه نيرو را از draw work به قسمت هاي ديگرمنتقل كرده و باعث بالا و پايين‌ رفتن لوله‌ها داخل چاه مي‌شوند.

به بخشي از سيم كه از draw work خارج مي‌شود و به تاج دكل مي‌رسد fast line گفته مي‌شود.

به بخش آخر سيم‌هاي نگه دارنده dead line گفته مي‌شود.

 

7- قلاب (hook)

از اين ابزار در سيستم‌هاي ميزهاي گردان استفاده مي‌شود و براي آويزان كردن swivel به traveling block مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

8- هرزگرد (swivel)

اين ابزار نيز در سيستم‌ ميزگردان مورد استفاده قرار مي‌گيرد و در واقع هرزگردي است كه باعث مي‌شود kelly براحتي داخل swivel بچرخد.

عملكرد سيستم:

حركت جعبه‌ي متحرك، موجب حركت رشته‌هاي حفاري كه به قلاب متصل به جبعبه‌ي متحرك پيوند خورده اند، مي‌شود. از كاركرد‌هاي سيستم تعليق اين است كه وزن روي مته را تنظيم مي‌كند يعني با معلق نگه داشتن رشته‌هاي حفاري، وزن روي مته را به صفر و با به پايين حركت دادن آن‌ها، وزن روي مته را افزايش مي‌دهد. از كارهاي ديگر آن داخل و خارج كردن لوله‌هاي حفاري جهت مقاصد مختلف مانند اضافه كردن لوله‌هاي حفاري، تعويض مته و مقاصد ديگر است.

عمل‌كرد سيستم اين‌گونه است كه سيم‌هاي نگهدارنده از draw work خارج شده و به داخل Crown block مي‌رود و به‌دور قرقره‌هاي درون traveling block و Crown block مي‌پيچد و سپس به يك قرقره ثابت در سمت ديگر دكل منتقل مي‌شود ودر نهايت به پايه دكل حفاري در همان سمت محكم مي‌شود، انتهاي سيم به دور قرقره ذخيره پيچيده مي شود كه اگر سيم فرسوده شد سيم را تعويض كنند.

III- سيستم گردش گل حفاري (Circulation system)

 

 

اجزاء تشكيل دهنده اين سيستم‌ شامل:

1- پمپ‌هاي گل(pumps)

كه گل را با فشار به داخل رشته‌هاي حفاري و از آنجا به درون چاه پمپ مي‌كند.

2- Stand pipe

لوله‌اي عمودي كه گل از آن به داخل Kelly hose منتقل مي‌شود.

3- Kelly hose

شيلنگ مرتجعي است كه گل حفاري را از stand pipe به Kelly منتقل مي‌كند.

4- Kelly و رشته‌هاي حفاري

كه گل از درون آنها به مته مي‌رسد و سپس وارد فضاي حلقوي بين رشته هاي حفاري و ديواره چاه مي‌شود.

5- فضاي حلقوي (annulus)

گل حفاري به همراه كنده‌هاي حفاري از داخل فضاي حلقوي چاه به سطح مي‌رسند.در واقع به فضاي بين رشته هاي حفاري و ديواره چاه ، فضاي حلقوي گويند.

6- Shale shaker

غربالي است با مِش‌هاي مختلف كه هر كدام كنده‌هاي حفاري با سايز‌هاي مختلف (در حد بزرگ‌تر از ماسه و رس) را از گل جدا مي‌كنند.

7- Desilter و desander

قسمت‌هاي ريز كنده‌هاي حفاري، در سايزهاي رس و شن كه توسط shale shaker قابل جدا شدن نيستند، را جدا مي‌كنند.

عملكرد سيستم:

در هر دكل به طور معمول 3 پمپ وجود دارد، معمولا 1 پمپ آن standby (خاموش، اما آماده براي استفاده) و 2 پمپ آن روشن است. با پمپ‌ كردن گل حفاري از محفظه گل، گل بداخل Stand pipe منتقل مي‌شود و سپس از طريق آن به Kelly hose كه يك شلنگ مرتجع است، منتقل مي شود. به دليل ارتجاعي بودن اين شلنگ از نوسان swivel جلوگيري مي‌شود. گل حفاري بعد از Kelly hose بداخل Kelly و از آن جا به رشته‌هاي حفاري و مته منتقل مي‌شود. گل خارج شده از مته به همراه كنده‌هاي حفاري از داخل فضاي حلقوي (annulus) به سطح مي‌رسد و از آن‌جا كه گل حفاري ما به كنده‌هاي حفاري آلوده شده است، اين كنده‌ها توسط shale shaker ,desander و desilter جدا شده و گل حفاري دوباره توسط پمپ به داخل چاه فرستاده مي‌شود.

IV- سيستم قدرت

اين سيستم برق و نيروي محركه مورد نيازبراي حفاري را فراهم مي‌كند كه شامل ترانزيستورهاي مختلفي با توان‌هاي متفاوت است.

V- سيستم كنترل كننده (Controlling system)

 

 

اجزاي اين سيستم شامل:

1- لوله‌هاي جداري (Casing)

لوله‌هاي جداري وظايف مختلفي را برعهده دارند به عنوان مثال جدا كردن سازندهاي مختلف از يكديگر، جلوگيري از امتزاج سيالات سازندهاي مختلف و غيره. اين لوله‌هاي جداري توسط سيمان به ديواره چاه مي‌چسبند و از بالا نيز نگه داشته مي‌شوند.

انواع لوله‌هاي جداري عبارتند از:

. لوله‌ هادي Conductor pipe: كه دكل‌ حفاري روي آن سوار مي‌شود.

. لوله‌ جداري سطحي surface casing: كه مانع از امتزاج نفت و سيالات حفاري با سفره‌ي آب‌هاي زيرزميني و آلوده شدن اين آب‌ها مي‌شود.

. لوله‌هاي جداري ميانه (Intermediate): اگر خواستيم در مسير حفاري سازندي را از سازندهاي ديگر جدا كنيم از آن استفاده مي‌كنيم.

. لوله جداري توليدي (production casing): كه درقسمت مخزني چاه نصب مي‌شود و هنگام بهر‌ه‌برداري آن را سوراخ مي‌كنند و از آن بهره‌برداري مي‌كنند.

. آستري: (Liner): اين نوع لوله‌هاي جداري تا سطح كشيده نمي‌شوند بلكه تا پايين‌ترين قسمتي كه لوله جداري قبلي گذاشته شده است ادامه دارد.

2- فوران گيرها (BOP) (blow out preventor)

فوران گير ابزاري است كه از يك بدنه اصلي و تعدادي شير كنترل تشكيل شده است و طي عمليات حفاري روي سرآخرين لوله جداري كه در چاه رانده شده بسته مي‌شود. بخش‌هاي مختلف فوران گير شامل شيرهاي ورودي و خروجي گل، شير ورودي سيمان، shear rams و Blind rams و annulus preventor است.

shear rams وسيله‌اي است كه هر گاه چاه دچار فوران شد و نتوانند فوران آن را كنترل كنند، اين ابزار از سر چاه لوله ها را مي‌برد و دهانه چاه را به طور كامل مي بندد. اين ابزار بيشتر در چاه هاي مخازن گازي كاربرد دارد.

Blind rams هر گاه فوراني صورت گيرد و سيالي از داخل لوله هاي حفاري به خارج چاه فوران كند اين ابزار قسمت دهانه لوله حفاري را مچاله مي‌كند و مانع خارج شدن سيال از اين طرق مي‌شود‌.

annulus preventor هر گاه فوران از طريق فضاي حلقوي صورت گيرد اين ابزار به اطراف لوله هاي حفاري محكم مي شود و فضاي حلقوي بين لوله هاي حفاري و ديواره چاه را مي بندد.