اطلاعات کلی در مورد حفاری

[P O U R I A]

۱- تکنولوژی‌های حفاری

۱-۱- حفاری دورانی (Rotary Drilling)
2-1حفاری انحرافی (جهت دار)
۱-۳- حفاری چاه باریک
۱-۴- حفاری لوله ­‏گذاری مارپیچ​

۲- سیالات حفاری

۲-۱- گل حفاری
۲-۱-۱- گل‌های پایه آبی
۲-۱-۲- گل پایه روغنی
۲-۱-۳- گل‌های هواداده
۲-۱-۳-۱- گل‌های پایه گازی
۲-۱-۳-۲- کف
۲-۲- سیالات تکمیل چاه
۲-۳- سیال Spacer
2-4- تجهیزات تمیزکاری گل​

۳- تجهیزات حفاری

۳-۱- دکل حفاری
۳-۲- مته حفاری (Drilling Bit)
3-2-1- مته‌های کاجی ROLLER CONE BITS
3-2-2- مته‌های سایشی DRAG BIT (FIXED CUTTER BIT)
3-3- رشته حفاری
۳-۴- لوله‌ جداری
۳-۵- تجهیزات بالابر
۳-۶- جایگذاری لوله جداری و سیمان‌کاری
۳-۷- محرک فوقانی​

۴- تکنولوژی‌های جدید حفاری

۴-۱- حفاری با لیزر
۴-۲- حفاری Through-tube rotary) TTRD)​

این موضوع جزئی از موضوع صنایع بالادستی تأمین انرژی است.
پس از اتمام موفقیت‌آمیز عملیات اکتشاف، عملیات حفاری در طول تمامی مراحل توسعه میدان نفتی و در تمامی محیط‌ها انجام می‌شود. کندن چاه و رسیدن به هدف مورد نظر را حفاری می‌گویند. حفاری یکی از کارهای پیچیده، گران، طاقت‌فرسا و تخصصی در صنعت نفت بشمار می‌رود. هر کاری که قبل از حفاری انجام شده باشد، در صورتی که حفاری بدرستی انجام نگیرد بی‌فایده است. بنابراین به حفاری اهمیت زیادی داده‌ می‌شود. تکمیل موفقیت‌آمیز چاه نفت و هزینه‌های آن به‌شدت به سیال حفاری، سیمان، مته و غیره وابسته است.

 

[P O U R I A]

۱- تکنولوژی‌های حفاری


مسیر حفاری در حفر یک چاه را می‌توان به سه قسمت تقسیم کرد؛ بخش کم‌ عمق، بخش میانی و بخش مخزن. بخش کم عمق که معمولا به عنوان سر چاه نامیده می‌شود، شامل رسوبات ناپایدار است. بنابراین در این بخش استحکام سازند پایین بوده و پارامترهای حفاری و تجهیزات باید بر اساس آن تعیین شوند. بخش مخزن پایداری بیشتری داشته و هدف اصلی حفر چاه است. بنابراین فرایند حفاری باید به گونه‌ای باشد که آسیبی به سازند وارد نشود. حفاری چه در خشکی و چه دریا انجام شود، سیستم حفاری اساسی دکل دوار در هر دو مورد استفاده خواهد شد.


سه عمل اساسی در طول عملیات حفاری دورانی عبارتند از:
-گشتاور از منبع نیرو در سطح از طریق رشته حفاری به مته منتقل می‌شود.
-سیال حفاری به داخل چاه پمپ می‌شود و از طریق مسیر دایره‌ای به سطح زمین برمی‌گردد.
-فشار‌های زیرسطحی و در strata دارای هیدروکربن به وسیله وزن سیال حفاری و از طریق تنظیم دریچه بزرگی در سطح کنترل می‌شود.


حفاری دورانی از یک مته تیز و چرخان برای نفوذ به پوسته زمین استفاده می‌کند. اگرچه مفهوم حفاری دورانی ساده است، اما مکانیک دکل‌های حفاری جدید بسیار پیچیده می‌باشد. سیستم حفاری دورانی از ۴ جزء اصلی تشکیل شده است:
-محرک‌های اصلی
-تجهیزات بالابر
-تجهیزات چرخان
-تجهیزات گردش


ترکیب تمامی این تجهیزات، حفاری دورانی را ممکن می‌سازد.


انواع تکنولوژی‌های حفاری دورانی عبارتند از:
-حفاری عمودی
-حفاری جهت‌دار
-حفاری چاه باریک
-حفاری لوله‌گذاری مارپیچ


۱-۱- حفاری دورانی (Rotary Drilling)


در این نوع حفاری، ابتدا میز دوار (Rotary Table) با کمک نیروی مکانیکی، برقی یا هر دو، به گردش در می‌آید. این چرخش، به لوله شش‌بر یا چهاربر، به نام کِلی (Kelly)، منتقل می‌شود و با چرخش این لوله، تمام لوله‌های حفاری و بالاخره مته حفاری به چرخش در می‌آید و عمل حفر زمین انجام می‌شود. میز دوار تقریباً در پایین دکل حفاری نصب شده و به وسیله موتور دوار به حرکت در می‌آید.


چون اکنون تقریباً تمام چاه‌های نفت با دستگاه‌های حفاری دورانی حفر می‌شوند، به شرح بسیار خلاصه از این دستگاه پرداخته می‌شود. دستگاه‌های حفاری دورانی در طی تاریخ صنعت نفت، به دلیل تجارت وسیع در سراسر جهان و کار در شرایط طبیعی متفاوت، تکامل یافته و به صورت کنونی در آمده‌اند.


دستگاه حفاری خشکی شامل برج و دکل حفاری است که روی سکوی حفاری و زیربنای آن قرار دارد. موتورهای دیزل به طور مستقیم با تولید برق، نیروی مکانیکی لازم برای حفاری را تأمین می‌کنند.


جرثقیل بسیار پرتوانی (Drawworks) که دارای جعبه قرقره ثابت (Crown Block)، جعبه قرقره متحرک (Traveling Block) و کابل بسیار قوی (Wire Line) می‌باشد، برای بالا و پایین بردن لوله‌های حفاری و تحمل بخشی از وزن آن‌ها در زمان حفاری به کار گرفته می‌شود. بدیهی است دکل و جرثقیل باید تحمل وزن لوله‌ها را که با عمق افزایش می‌یابد داشته باشند. بنابراین، هر دکل حفاری دارای توان حداکثری است که بیش از آن قادر به حفاری نخواهد بود. این توان را، سازنده دکل همراه با سایر مشخصات فنی اعلام می‌کند. بخش متحرک دکل از ته چاه به بالا شامل مته، لوله‌هایی با جدار ضخیم و مقاوم (Bit Sub) که هنگام حفاری تحت فشار قرار می‌گیرند و طوق مته (Drill Collars)، می‌باشد.


پس از آن، لوله‌های حفاری (Drill Pipes) که حرکت دورانی را از سر چاه به طوق مته و مته منتقل می‌کنند، قرار دارند. لوله‌های حفاری، از طوق مته نازک‌تر بوده از این رو دارای قطر کم‌تر از آن هستند و هنگام حفاری اغلب تحت کشش قرار دارند. مته، طوق مته و لوله‌های حفاری را رشته حفاری (Drill string) می‌نامند. لوله‌های حفاری از بالا و در سطح زمین به میله‌ای چهاربر یا شش‌بر (Kelly) که توخالی است پیچ می‌شوند. طول میله چندبر در حدود چهل فوت می‌باشد و از داخل حفره‌ای هم اندازه مقطع خود در میز دوار عبور می‌کند. میز دوار (Rotary Table) دستگاهی است که میله چهاربر یا شش‌بر و در نتیجه تمام رشته حفاری را می‌چرخاند. میله چندبر از بالا به هرزگرد یا مفصل دوار (Swivel) متصل می‌گردد. این مفصل دوار دارای یاتاقانی است که بخش متصل به میله چندبر در آن به طور آزاد می‌چرخد. در حالی که بدنه مفصل ثابت بوده و به وسیله قلابی (Hook) به جعبه قرقره متحرک متصل می‌گردد. انتهای لوله خرطومی (Rotary Hose) که لوله بسیار محکمی است و تحمل فشار پمپ‌های حفاری را دارد به مفصل وصل است که از طریق آن، گل حفاری به داخل مفصل دوار، میله چندبر و رشته حفاری پمپ می‌شود.


زیر سکوی حفاری، دستگاه‌های فوران‌گیر (B.O.P) قرار دارند که درحالت عادی، میله چندبر، لوله‌های حفاری، طوق مته و مته به راحتی از داخل آن عبور می‌کنند؛ ولی در موارد خطر و فوران چاه، می‌توانند فاصله چاه با رشته حفاری را که فضای حلقوی (Annulus) نامیده می‌شود مسدود نمو‌ده و از خروج ناخواسته سیال از چاه جلوگیری نمایند. بین میله چندبر و ته مته، دریچه یک طرفه‌ای قرار دارد که گل حفاری از طریق آن به داخل رشته حفاری وارد می‌شود، ولی دریچه در جهت عکس، مانع عبور سیال می‌گردد. این دریچه، شیر اطمینانی است که در هنگام طغیان چاه، ارتباط فضای داخل رشته حفاری را با خارج قطع می‌کند و در اصطلاح Kelly Cock نامیده می‌شود.


دستگاه‌های حفاری دریایی مانند دستگاه‌های دورانی خشکی هستند؛ با این تفاوت که روی سکویی روی آب قرار می‌گیرند. ممکن است پایه‌های سکو در کف دریا قرار گیرد که دکل بالابر نامیده می‌شود. این نوع دکل‌ها در آب‌هایی درحد ارتفاع پایه می‌توانند فعال باشند که آن‌ها را محدود به آب‌های کم‌عمق می‌سازد. دکل‌های دریایی دیگر نیز وجود دارند که روی زیربنای غوطه‌ور یا نیمه غوطه‌ور قرار دارند و قادرند در آب‌های عمیق‌تری نسبت به دکل بالابر، حفاری نمایند. پس از کشف نفت در نفت‌گیرهای زیردریایی، برای توسعه این نوع میدان‌ها اغلب از سطح یک سکوی حفاری، چندین چاه انحرافی حفر می‌نمایند.

شکل ۲-۱- اجزای مختلف حفاری دورانی​

 

[P O U R I A]

۲-۱- حفاری انحرافی (جهت دار)


به طور کلی به جز در حالت‌های خاص که حفاری چاه‌های نفت و گاز به صورت جهت‌دار لازم می‌شود خواست عمومی و مسائل فنی و اقتصادی همگی حکم می‌کنند که هر چاهی به صورت مستقیم و عمودی حفاری شود که در حال حاضر نیز عمده چا ههای حفر شده در حال تولید از این نوع هستند بر همین اساس تنها مسائل فنی و اقتصادی توجیه‌گر هزینه‌های ویژه برای حفاری جهت‌دار برخی چاه‌ها است .به طور کلی هرگاه برای ایجاد محل استقرار دستگاه حفاری و آغاز حفر چاه موانع طبیعی، زمین شناسی، فنی و اقتصادی وجود نداشته باشند‌می‌توان حفاری جهت دار را به عنوان راه حل جایگزین، بررسی و انتخاب کرد و به کار برد. از جمله وجود موانع سطحی مانند دریا، رودخانه، مناطق مسکونی، یا کوهستانی بودن منطقه و هنگفت بودن هزینه ایجاد جاده و محل جاده و همچنین مخارج سنگین ایجاد سکوهای حفاری در دریا عوامل توجیه کننده برای حفر چاه‌های انحرافی هستند.

شکل ۲-۲- حفاری جهت دار به علت وجود موانع طبیعی​

انواع طرح‌های حفاری انحرافی را می‌توان در سه گروه تقسیم کرد:


الف) نقطه شروع انحراف (Kick off point) از نزدیک سطح زمین در نظر گرفته‌می‌شود که پس از رسیدن به حداکثر زاویه انحراف تا رسیدن به مخزن حفظ‌می‌شود.


ب) نقطه شروع انحراف را در عمق پایین‌تری تعیین می‌کنند و سپس با رسیدن به مخزن، حداکثر زاویه انحراف کنترل شده و ادامه خواهد داشت.


ج) از نزدیک سطح زمین نقطه شروع انحراف تعیین‌می‌شود که پس از رسیدن به حداکثر زاویه انحراف تا عمق مطلوب ادامه‌می‌یابد. سپس از عمق دلخواه شروع به کاهش زاویه انحراف نموده تا به صفر برسد یا در نقطه مورد نظر تکمیل شود.


در زیرکاربردهای گوناگون حفاری‌ جهت‌دار مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

• حفاری چندین حلقه چاه روی یک سکوی دریایی
• حفاری انحرافی از خشکی به خشکی و خشکی به دریا
• حفاری انحرافی زیر مناطق مسکونی، فرودگاه، رودخانه و ارتفاعات

دست یابی به نفت‌گیرهای چینه ای ( حفاری گسل): در بخش‌های گسلی حاوی نفت، برای تولید بهتر شاید لازم باشد تا چاه از میان یا به موازات گسل منحرف شود. در شرایطی که حفاری عمودی با دشواری همراه است نظیر وجود شکستگی‌ها با شیب زیاد(نسبت به عمود) و یا قرار گرفتن محل چاه در فرو دیواره(کمر پایین)، برای نفوذ به چینه‌های نفتگیر چاه را زاویه دار حفر می‌کنند و یا شاید چاه از روی فرا دیواره (کمر بالا) صفحه گسل حفاری می‌شود و در عمق مناسب انحراف می‌دهند تا از بروز خطرات و زیان‌های ناشی از زمین لرزه که میتواند باعث حرکت لایه‌های زمین روی سطح گسل شده و لوله‌های جداری یک چاه تکمیل شده را قطع کند، جلوگیری شود. حفاری گسل را نیز می‌توان تحت عنوان ا کتشاف چینه‌های نفتگیر بیان کرد. از این نوع حفاری برای پیدا کردن سطح آب و نفت و تعیین دقیق صفحه شکستگی نیز‌ می‌توان استفاده کرد.

شکل ۲-۳- حفاری انحرافی جهت دستیابی به نفت‌گیرهای چینه‌ای (حفاری گسل).​

 

[P O U R I A]

عبور از کنار مانده‌های درون چاه


حفاری گنبد‌های نمکی: تجمع نفت اغلب در چینه‌های زیر گنبد که کلاهک سختی دارد، یافت‌می‌شود. حفاری این کلاهک بسیار مشکل است و باید خارج از کلاهک نمکی حفاری انجام شود.

شکل ۲-۴- دست‌یابی به نفت زیر گنبد نمکی.​

چاه‌های کمکی جهت خاموش کردن فوران چاه‌ها


حفاری چندین چاه اکتشافی از یک حفره چاه (اکتشاف چاه نفتی یا ذخایر سولفور): اولین چاه در جهت فراشیب (Up Dip)، دومین چاه در جهت فروشیب(Down Dip) و چاه‌های دیگر به موازات (Strike) از یک چاه حفاری می‌شوند. هر چاه پس از حفاری مسدود شده، حفره جدیدی از اولی منشعب شده، سازندها و محل ساختار کشف میشود.سپس آن حفره مسدود شده و حفره جدیدی حفاری‌می‌گردد.

شکل ۲-۵- چاه چند شاخه​

 

[P O U R I A]

عبور از چندین لایه از یک حفره چاه: مخصوص چینه‌های زیر گنبد نمکی، سنگهای دگرشیبی و سنگهای مجاور صفحه گسل است که از یک چاه جهت تکمیل چند منطقه نفت‌ده استفاده می‌شود.

شکل ۲-۶- عبور از چندین لایه.​

حفاری کنار گذر یا Side Tracking و ایجاد یک حفره جدید: این شیوه زمانی به کار برده‌می‌شود که جداری‌ها در برابر سازند پر فشار گچ دچار مچالگی شده باشند، یا اینکه بخواهیم به منظور فرار از تولید آب با گاز ناخواسته سازند مخزن نفتی را بالا یا پائین تر از قبل تولید نماییم.


امروزه به منظور استخراج نفت از مخازنی که به دلایل مختلف دارای توجیه فنی و اقتصادی نمی‌باشند، از روش‌های جایگزین هر چند پر هزینه جهت افزایش تولید بهینه و مدیریت بهتر مخازن نفت و گاز استفاده می‌شود. روش‌هایی که استفاده از آن‌ها نیازمند عوامل مختلفی از جمله برنامه‌ریزی صحیح و در نظر گرفتن پارامترهای مؤثر در طراحی، آگاهی کامل از نحوه استفاده، کارکرد و شناخت معایب و محاسن آن‌ها می‌باشند. یکی از این روش‌ها که این روزها در صنعت حفاری در سطح جهان بیشتر پرداخته می‌شود، حفاری چاه‌های افقی است.


الف- حفاری افقی


با توجه به گسترش جانبی سنگ مخزن یا سیالات مخزن، حفاری افقی بهینه‌ترین نوع حفاری می‌باشد. شکل ۲-۷ انواع چاه‌های حفرشده افقی را نشان می‌دهد. چاه‌های شعاع میانه از جهت حفاری، پیمایش و تکمیل با تجهیزات استاندارد، مطلوب هستند.

شکل۲-۷- شعاع چاه افقی.​

موفقیت چاه‌های افقی به شدت به توسعه تجهیزاتی که براساس آن بتوان موقعیت مته را در سطح تعیین کرد، بستگی دارد. با پیشرفت این تکنولوژی، دقت روش به مقدار بسیار زیاد بهبود یافته است. اندازه‌گیری حین حفاری[۱] از طریق نفوذ یک ردیاب به داخل رشته حفاری نزدیک به مته امکان‌پذیر است.


ب- حفاری اکستندد ریچ[۲]


یک چاه اکستندد ریچ دست‌کم جابه‌جایی افقی دو برابر عمق عمودی دارد. چاه‌های ERD از نظر تکنیکی چاه‌های سختی برای حفاری هستند. ERD زمانی استفاده می‌شود که:

• محدودیت‌های سطحی وجود داشته باشد.
• مرز مخزن چندین مایل از سکو‌های موجود فاصله دارد.
• با استفاده از ERD کاهشی در تعداد سکوهای لازم ایجاد شود.

 

[P O U R I A]

۳-۱- حفاری چاه باریک


حفاری چاه باریک چندین سال است که توسط صنایع معدنی انجام می‌شود. اخیرا صنایع نفتی، تجهیزاتی را فراهم کرده‌اند که حفر چاه‌های باریک امکان‌پذیر شده است. حفاری چاه باریک می‌تواند هزینه حفاری را به شکل قابل ملاحظه‌ای کم کند. جدول ۲-۱ پتانسیل چاه‌های باریک را نشان می‌دهد. قطر باریک چاه‌ها در این تکنولوژی در شرایطی که شاری به وجود آید مشکل‌ساز می‌شود. بیشترین عمق قابل حفاری نیز یکی دیگر از محدودیت‌های این تکنولوژی است[۱].

جدول ۲-۱- پتانسیل چاه‌های باریک نسبت به چاه‌های متداول
​

۴-۱- حفاری لوله­‏گذاری مارپیچ


این نوع حفاری، گونه خاصی از حفاری چاه باریک می‌باشد که در سال‌های اخیر توسعه یافته است. در حالیکه عملیات‌ حفاری استاندارد با استفاده از اتصالات لوله حفاری انجام می‌شود، CTD لوله‌ای یکپارچه از جنس فولاد با گرید بالا را به کار می‌برد. برخی از مزایای این نوع حفاری عبارتند از:

• عدم نیاز به حمل لوله
• کنترل بهتر چاه در حفاری تعادلی(Balance) و یا حتی فروتعادلی(Underbalance)
• اثرات زیست محیطی کمتر، هزینه کمتر آماده‌سازی مکان
• تکمیل راحت‌تر
• به هرحال باید توجه شود که CTD‌ تنها به چاه‌های باریک محدود می‌شود[۱].

 

[P O U R I A]

۲- سیالات حفاری

۱-۲- گل حفاری

گل‌های حفاری گروه ویژه‌ای از سیالات حفاری هستند که اغلب برای حفر چاه‌های عمیق استفاده می‌شوند. عبارت گل به غلظت زیاد سیال پس از افزودن مواد مناسب به مایع پایه آبی یا پایه نفتی اشاره دارد. عملکردها‌ی زیادی برای سیال حفاری در نظر گرفته شده است. از نظر تاریخی، اولین هدف برای سیال حفاری، استفاده از آن به عنوان ماشین برای انتقال ذرات حاصل از برش به سر چاه است؛ اما امروزه کاربردهای متنوع و متفاوتی برای آن متصور است.


وظایف اصلی گل حفاری عبارتند از:

الف) تمیزکاری ته چاه و انتقال کنده‌ها‌ی حاصل از برش به سطح و امکان جداسازی آن‌ها در سطح
ب) کاهش اصطکاک بین رشته حفاری و دیواره‌های چاه و خنک‌سازی و روان‌کاری رشته حفاری و مته حفاری
ج) حفظ پایداری بخش‌های بدون پوشش دهانه چاه
د) جلوگیری از ریزش درونی(Inflow) سیالات مخزن، نفت، گاز، یا آب از صخره‌های نفوذپذیر حفرشده
ه) تشکیل اندود گل[۳] نازک با نفوذپذیری پایین به منظور بستن حفرات و سوراخ‌ها در سازندی که مته به آن نفوذ کرده است.
و) حمایت و حفاظت از دیواره‌های چاه
ز) جلوگیری از آسیب در سازند تولیدی
ح) جلوگیری از خوردگی لوله حفاری
ط) کسب داده در مورد سازندی که تحت عمل حفاری قرار گرفته است
ی) تعلیق کنده‌های حفاری در هنگام توقف حفاری
ک) کنترل فشار زیرسطحی
ل) تحمل وزن رشته و تجهیزات حفاری

برای دستیابی به عملکردهای بالا، لازم است که اثرات جانبی زیر کمینه شوند:
الف) آسیب سازند‌ زیرسطحی، به ویژه آنهایی که تولیدی هستند
ب) کاهش سرعت نفوذ
ج) مشکلات فشار سواب[۴] و گردش
د) هرزروی گل[۵]
ه) سایش چاه[۶]
و) ورم دیواره‌های کناری چاه و ایجاد فضای سفت
ز) گیر لوله حفاری به دیواره‌های چاه
ح) نگهداری جامدات نامطلوب در سیال حفاری
ط) اثرات زیست محیطی
ک) خوردگی و سایش تجهیزات حفاری

خواص سیال حفاری عبارت است از:
الف) روان‌کاری
ب) سرعت
ج) ویسکوزیته
د) دانسیته
ه) استحکام ژل
و) کنترل فیلتریت[۷]


فاکتور معرف هر یک از خواص سیال حفاری به همراه بازه‌های مطلوب آن‌ها در جدول ۲-۲ ارائه شده‌اند.

۱-۱-۲- گل‌های پایه آبی

گل‌های پایه آبی[۸]، متداول‌ترین نوع سیال حفاری است که خود به دو دسته پخش شده[۹] و پخش نشده[۱۰] تقسیم می‌شود. گل حفاری با پایه آب شامل خاک بنتونیت (gel) با افزودنی‌هایی مانند سولفات باریم (باریت) کلسیم کربنات (چالک[۱۱]) یا هماتیت می‌باشد. تغلیظ‌کننده‌های گوناگونی برای تاثیر بر ویسکوزیته سیال مانند صمغ زنتان، صمغ گوار، کربوکسی متیل سلولز، سلولز چند آنیونی(PAC) و نشاسته استفاده می‌شوند. ضد انعقادها برای کاهش ویسکوزیته گل‌های پایه رسی استفاده می‌گردند که از نمونه‌های این مواد می‌توان به پلی‌الکترولیت‌های آنیونی (مانند اکریلات، پلی فسفات، لیگنوسولفونات[۱۲] یا مشتق‌های اسید‌تانیک[۱۳] مانند کوبراچو[۱۴]) اشاره کرد. گل قرمز به مخلوط با پایه کوبراچو اشاره دارد که در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ معمول بود. اما با پیدایش لیگنوسولفونات از رده خارج شد[۷،۸]. برخی منابع، گل­های پایه آبی را به دسته­های ریزتری تقسیم کرده­اند. نمایی از این تقسیم بندی در شکل ۲-۸ نشان داده شده است.


نوعی از سیال حفاری پایه آبی به گل امولسیونی معروف است. این گل حاوی روغن یا هیدروکربن سنتزی به عنوان فاز داخلی است. گل­های امولسیون اولیه از دیزل یا نفت خام پخش شده در گل­های پایه آبی قلیایی تشکیل شده بودند. امروزه مایعات سنتزی جایگزین نفت در گل‌های امولسیونی شده­اند. گل­های پایه آبی حاوی مایعات سنتزی معینی هستند که از لحاظ زیست محیطی بی­خطرند.

شکل ۲-۸- انواع گل پایه آبی.​

از جمله مزایای این دسته از گل‌های می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• ویسکوزیته بالا
• وجود مقدار کم مواد جامد
• تعلیق کنده‌ها
• کنترل اتلاف سیال
• پایدارسازی چاه
• کمک در جلوگیری از هرزروی گل.

در مورد معایب این گل‌ها می‌توان نکات زیر را مد نظر قرار داد:

• کندی در رهایی کنده‌ها از جمله معایب این دسته از گل‌ها می‌باشد. خواص استحکام ژل و ویسکوزیته کلای بنتونیت توانایی تعلیق و حذف کنده‌ها را ایجاد می‌کند. این مزیت کلای بنتونیت، در سطح تبدیل به یک عیب شده و جدایی کنده‌ها از گل دچار مشکل می‌شود.
• در سازند‌های رسی و با کلای با قابلیت تورم بالا، استفاده از کلای بنتونیت به تنهایی برای جلوگیری از آبدارشدن و تورم سازند کافی نیست.
• بنتونیت به آلودگی آب حساس است. آب سخت و آب نمک اثرات مخربی بر بنتونیت دارند. آب با pH پایین و بسیار بالا نیز بر عملکرد بنتونیت تاثیر می‌گذارد.
• ناپایداری دهانه چاه که در حفاری سازندهای رسی[۱۵] با سیالات پایه آبی رخ می‌دهد در اثر علل مختلفی بروز می‌کند. شیل به لحاظ مکانیکی مقاومت کمی دارد و با جذب آب متورم شده و ناپایداری آن افزایش می‌یابد. به دلیل پایین بودن نفوذپذیری رس، اندود گل به طور موثر در جداره چاه تشکیل نمی‌شود؛ بنابراین سازند محافظ مناسبی در مقابل فشار هیدرولیکی چاه ندارد. از سوی دیگر فشارهای هیدرولیکی القا شده به دلیل پایین بودن نفوذپذیری قادر به انتشار سریع درون سازند نیست تا بتواند تنش‌های موثر را کاهش دهد. مجموع این عوامل سبب می‌گردد تا ناپایداری ناحیه مجاور چاه افزایش یابد.

 

[P O U R I A]

۲-۱-۲- گل پایه روغنی


این نوع گل به گل‌های پایه غیرآبی تعلق دارد (شکل ۲-۹) و از یک امولسیون معکوس یا امولسیون که فاز پیوسته آن روغنی است، تشکیل شده است. اغلب گل‌های روغنی[۱۶] حاوی گازوئیل ( ۹۵٪ تا ٩۸٪ ) و آب نمک و دیگر افزودنی‌ها می‌باشند.


به چند دلیل در حفاری‌ها از گل پایه روغنی استفاده می‌شود.

• جلوگیری از ریزش چاه
• جلوگیری از ریزش سازندهای رسی و عدم نفوذ زیاد گل به درون سازند.

گل‌‌های پایه روغنی مزایای زیادی نسبت به گل‌های پایه آبی دارند. برخی از مزایای این دسته از گل‌ها نسبت به مشابه پایه آبی عبارتند از:


پایداری سنگ رسی: گل‌های روغنی برای حفاری سازند‌های رسی حساس به آب مناسبند. اگرچه آب در فاز نفت پخش است، اما جهت جلوگیری از مهاجرت آب به داخل سنگ رسی میزان شوری کافی از اهمیت بالایی برخوردار است.


نرخ نفوذ[۱۷]: معمولا سرعت حفاری با گل‌های روغنی بیشتر است.


دما‌ی بالا: گل‌های روغنی برای حفاری در سازند‌هایی که دمای ته چاه از محدوده دمای کاری گل‌های آبی تجاوز می‌کند، استفاده می‌شوند.


نمک‌های حفاری: گل‌های روغنی معکوس نمک‌های سازند را نمی‌شویند. افزودن نمک به فاز آبی از حل‌شدن نمک‌های سازند در فاز آب امولسیون جلوگیری می‌کند.


روان‌سازی: گل پایه روغنی فیلتر کیک نازکی داشته و اصطکاک بین لوله و چاه کمینه است. بنابراین خطر گیر تفاضلی(Differential sticking)کاهش می‌یابد. این نوع گل برای چاه‌های انحرافی و افقی بسیار مناسب است.


سازند‌های با فشار تخلخل پایین[۱۸]: توانایی حفاری در سازند‌های با فشار تخلخل کم از زمانی انجام شده که وزن گل می‌تواند در محدوده وزنی کمتر از گل آبی تنظیم شود.


کنترل خوردگی: از آنجایی که فاز خارجی روغنی است، خوردگی لوله کنترل می‌شود. خواص مطلوب در کنترل خوردگی عبارتند از عدم رسانایی روغن، پایداری گرمایی افزودنی‌ها، عدم تشکیل محصولات خورنده و عدم پیشرفت باکتری‌ها در گل‌های روغنی.


استفاده مجدد: گل‌های روغنی قابلیت بارها و بارها استفاده مجدد را دارند. آن‌ها می‌توانند برای زمان‌های طولانی ذخیره شوند.


سیالات توپک[۱۹]: سیالات توپک روغنی به ‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که برای مدت زمان طولانی حتی در دمای بالا پایدار باشند. گل‌های روغنی با پایداری طولانی مدت برای این منظور مناسب هستند. از آنجایی که فاز پیوسته روغن است، اغلب خوردگی در مقایسه با گل‌های پایه آبی ناچیز است.


۳-۱-۲- گل‌های هواداده


[۲۰]


۱-۳-۱-۲- گل‌های پایه گازی


این نوع گل در لایه‌های ضعیف و با شکستگی زیاد استفاده می‌شود که امکان حفاری در آن‌ها با روش‌های معمولی وجود ندارد و ضرورت بکارگیری هوا به عنوان سیال حفاری وجود دارد. این روش حفاری تقریبا تنها وسیله برای گذر از این لایه‌ها است. این گل از کف هوا یا نیتروژن تشکیل شده است. برخی از مزایای حفاری با هوا عبارتند از: افزایش سرعت حفاری و کاهش زمان حفاری، کاهش آسیب به لایه، کارایی بهتر مته و افزایش عمر مته، کنترل هرزروی گل و کاهش هزینه حفاری.


۲-۳-۱-۲- کف


موقع حفاری در سازند پایدار از این نوع گل استفاده می‌شود. سیستم حفاری با هوا سرعت برش را با حمل و جداسازی کنده‌ها از مته حفاری و انتقال به سطح افزایش می‌دهد. سازندی که حفاری در آن انجام می‌شود به طور طبیعی پایدار است و هدف سیستم‌های سیال حفاری کف، حفظ گردش گل، فشار هیدرواستاتیک کمتر و حذف کنده‌ها با کمترین حجم از آب و هوای فشرده لازم است. این فرایند بسته به نوع سازند، عمق چاه، قطر چاه و اندازه کنده‌ها، توسط هوا، آب، کف، و کف پایدار[۲۱] انجام می‌شود. در حفاری با کف، مخلوط کف/ آب به داخل جریان هوا تزریق می‌گردد. کف تولید‌شده از قسمت‌های مختلف در مته عبور‌کرده و به همراه کنده‌های معلق به سطح بازمی‌گردد. اگر کف پایدار استفاده شود، افزودن Insta Pac-425 در مقادیر کوچک به پایداری گل کمک خواهد کرد.

 

[P O U R I A]

۲-۲- سیالات تکمیل چاه
[۲۲]

پس از اینکه عملیات حفاری به اتمام رسید، اغلب قبل از راه‌اندازی رشته تکمیل، چاه را تمیز می‌کنند. تمیز‌کاری برای حذف باقیمانده گل از چاه و لوله‌جداری انجام می‌شود. سیال مورد استفاده یک مایع بدون جامد است که برای تکمیل چاه استفاده می‌گردد. این سیال در چاه قرار داده می‌شود تا عملیات پایانی قبل از آغاز تولید را تسهیل کند. نوعاً سیالات تکمیل چاه، آب شور (کلریدها، برمید‌ها، و فرمات‌ها) هستند، اما از نظر تئوری هر سیالی با دانسیته و جریان مناسب می‌تواند این نقش را ایفا کند. سیال باید با سیالات و سازند مخزن سازگار باشد و تا حد زیادی فیلتر شده تا از ورود جامدات به ناحیه نزدیک چاه جلوگیری کند.


۳-۲- سیال Spacer


هر مایعی که برای جداسازی یک مایع ویژه از دیگر مایعات استفاده شود، به این نام معروف است. مایعات مدنظر تمایل به آلوده‌سازی دارند، بنابراین سیال spacer با هر یک از سیالاتی که بین آن دو قرار دارد سازگار است. سیال spacer متداول آب است. به هر حال، مواد شیمیایی مخصوصی برای افزایش بهره‌وری به آن اضافه می‌شوند. Spacerها اولین‌بار برای تغییر نوع گل و جداسازی گل از سیمان در حین سیمان‌کاری استفاده شدند. علاوه بر این، سیال spacer اغلب در سر دوغاب سیمان پمپ می‌شود تا اندود گل را از چاه پاک کرده و اتصال بهتری بین سیمان و سازند برقرار شود.


سیال spacer مناسب سیمان‌کاری باید دارای خواص زیر باشد:


سازگار با گل‌های پایه روغنی، پایه آبی، گل‌های امولسیون معکوس، گل‌های ژل شیمیایی و گل‌های پلیمری
عدم تغییر ویسکوزیته سیمان به ویژه در دمای بالا
عدم ایجاد تغییر قابل توجه در زمان پمپاژ دوغاب سیمان
تغییر دانسیته آن بسته به شرایط
توانایی تحمل مقدار زیاد جامدات (شکل ۲-۱۰)
تحمل افزایش مواد ترکننده، پخش‌کننده‌ها، کاهش‌دهنده‌های اصطکاک و بازدارنده‌ها در موقع لزوم
جلوگیری از آلودگی دوغاب سیمان با کلسیم در گل‌های پایه آبی و به ویژه گل‌های پلیمری
اتلاف سیال کم
قابلیت کاربرد بین چندین سیال حفاری ناسازگار در طول جابه‌جایی
آسانی حمل و مخلوط شدن در میدان
همچنین باید خواص جریان آن به گونه‌ای باشد که اجازه جریان آشفته در سرعت‌های کم پمپاژ وجود داشته باشد.

شکل ۲-۱۰- حمل جامدات توسط سیال spacer​

4-2- تجهیزات تمیزکاری گل


[۲۳] گل حفاری وظیفه خنک‌سازی مته و انتقال کنده‌ها را به سطح دارد. سیستم گردش مجدد گل حفاری[۲۴]، سیال را به سمت مته به گردش در آورده و سپس آن‌ را جهت تصفیه و استفاده مجدد به سطح زمین منتقل می‌کند. جهت عملیات حفاری دورانی، سیال باید به طرف پایین و از طریق رشته لوله حفاری، حول مته گردش نموده و سپس از طریق فضای حلقوی بین رشته لوله حفاری و جداره 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 می‌کند.


سیستم گردش مجدد تجهیزاتی مانند پمپ‌های گل حفاری، لوله خرطومی دوار، هرزگرد یا تاپ درایو، رشته لوله حفاری، مته، مسیر بازگشت گل حفاری و مخازن گل حفاری را جهت گردش سیال، تصفیه و گردش مجدد آن به کار می‌برد. اگر سیستم بازیافت از هوا یا گاز جهت گردش سیال استفاده کند بایستی کمپرسور را نیز به مجموعه تجهیزات فوق اضافه کرد. در سطح، گل پس از طی مراحلی (الک لرزان[۲۵]، ماسه­زداها، لای­زداها[۲۶]) دوباره استفاده می‌شود. الک‌های لرزان، کنده‌ها را جدا می‌کنند. ذرات ریز نیز توسط ماسه­‏زداها و لای‏­زداها حذف می‌شوند. در نهایت پس از تمیزکاری، گل به مخزن گل[۲۷] منتقل می‌شود[۱].

 

[P O U R I A]

۳- تجهیزات حفاری


تجهیزات حفاری دورانی از بالا به پایین شامل هرزگرد یا تاپ درایو[۲۸]، میله چهارپر[۲۹]، طوق محافظ میله چهارپر[۳۰]، میز دورانی، رشته لوله حفاری، مفصل ساقه[۳۱]، طوق مته و مته حفاری می‌باشد. تجهیزات به هم متصل شده بین هرز‌گرد و مته که شامل میله چهارپر، لوله حفاری و طوق مته است، مجموعة رشته لوله حفاری را تشکیل می‌دهند.


۱-۳- دکل حفاری


انواع دکل‌های حفاری


مجموعه وسایل موجود در یک مجتمع حفاری شامل برج حفاری، موتور، تلمبه و مخزن گل حفاری و سایر تأسیسات لازم را دکل (Rig) می‌نامند. از دکل حفاری برای حفر چاه‌های اکتشافی یا تولیدی در دریا و خشکی استفاده می‌شود.

جدول ۱- انواع دکل‌های حفاری.​

دکل‌های خشکی


دکل ثابت یا استاندارد[۳۲]: این نوع دکل در زمان حفاری ساخته می‌شود و سر چاه می‌ماند و قابل حرکت دادن نیست.


دکل‌های متحرک[۳۳]: این دکل‌ها به دو گروه اصلی تقسیم‌می‌شوند:


دکل خود فراز یا چاقویی[۳۴]: اجزای این نوع دکل‌ها تکه تکه می‌شوند. حفاری در خشکی بیشتر توسط این نوع دکل صورت می‌گیرد.


دکل قابل حمل[۳۵]: این دکل روی ماشین سر چاه آمده و مثل آنتن و توسط پمپ‌های هیدرولیکی باز می‌شود. بیشتر برای حفاری چاه‌های کم عمق یا تعمیراتی[۳۶] به کار می‌رود.



دکل‌های دریایی


خصوصیات منحصر به فرد حفاری فراساحلی


حفاری فراساحلی به تجهیزات شناور یا حفاظت‌شده نیاز دارد. در تجهیزات حفاری فراساحلی، تجهیزاتی که ویژه عملیات فراساحلی هستند و تجهیزات دیگری که شبیه به حفاری ساحلی هستند، استفاده‌می‌شوند. به دلیل کنترل از راه دور زیربنا، تجهیزات حفاری بسیاری از سیستم‌های سرویس مانند سیمان کاری، عملیات ژئوفیزیکی و .. را روی برد انجام می‌دهند. سرویس‌های ویژه بسیاری مانند هلیکوپتر، غواصی‌ها، … وجود دارند. تمامی این عوامل عملیات حفاری فراساحلی را بسیار پیچیده می‌کنند و در نتیجه هزینه‌های حفاری چاه‌های فراساحلی بسیار بیشتر از چاه‌های زمینی است.


۲ دسته تجهیزات در صنایع فراساحلی استفاده می‌شوند:


تجهیزات شناور و حفاظت شده (از پایین) سیار


تجهیزات Jack-up


تجهیزات زیر آبی[۳۷]


تجهیزات نیمه شناور[۳۸] که دینامیک‌اند یا با لنگر ثابت شده‌اند.


کشتی‌های حفاری دینامیک یا لنگر گرفته


ساختمان‌های تولید ثابت که منحصراًٌ برای توسعه چاه‌ها استفاده می‌شوند.


سکوهای جامع[۳۹]


جاکت[۴۰]‌های محافظت کنده چاه یا سکوهای همراه Jack-up


دکل Jack-up


کشتی در جای عمیق‌تر قرار گرفته و پاهای آن به صورت هیدرولیکی، به کف دریا می‌چسبند که ممکن است یک پایه (بزرگ برای جای مسطح) یا سه پایه (برای جاهایی که دریا پستی و بلندی دارد) باشد. این دکل جهت حفاری اعماق دریا از ۱۵ تا ۳۵۰ فوت استفاده‌می‌شود.

شکل ۲-۱۱- تجهیزات حفاری Jack-up با سه پایه مثلثی.​

 

[P O U R I A]

۲-۳- مته حفاری (Drilling Bit)


مته حفاری اولین ابزاری است که جهت حفر چاه‌های نفت و گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این وسیله در اثر چرخش رشته حفاری به حرکت درآمده و باعث سوراخ کردن زمین می‌شود. طیف وسیعی از مته‌های حفاری در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند که به شرح آنها می‌پردازیم:

شکل ۲-۱۲- نمونه­ای از مته‏‏­های چرخشی.​

انواع مته‌های حفاری

مته‌های حفاری به دو گروه عمده مته‌های کاجی یا چرخشی (ROLLER CONE BIT) و مته‌های سایشی (FIXED CUTTER BITS) تقسیم می‌شوند ولی در کنار این دو گروه می‌توان مته‌های مغزه‌گیری (CORE HEAD) را که در عملیات مغزه‌گیری چاه (CORING)‌ مورد استفاده قرار گیرند، قرار داد.


۱-۲-۳- مته‌های کاجی ROLLER CONE BITS

در این مته‌ها هنگام چرخش رشته حفاری، کاج‌های مته (CONES) حول محور خود به چرخش در آمده و سپس در اثر وزن اعمالی روی مته (W.O.B)، دندانه‌های مته در سنگ فرو رفته و باعث خرد شدن سنگ می‌شود. این گونه مته‌ها در طیف وسیعی تولید شده که به آنها مته‌های صخره‌ای (ROCK BITS) هم می‌گویند. مته‌های صخره‌ای به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند.


الف- مته‌های دندانه فولادی MILL TOOTH BITS

مته‌های کاجی دندانه فولادی اولین مته‌هایی هستند که در حفاری یک چاه مورد اسفاده قرار می‌گیرند. در این مته‌ها، دندانه‌های مته از جنس کاج مته بوده و کاج و دندانه‌ها بصورت یک تکه در عملیات تراشکاری، ساخته می‌شوند. سپس جهت افزایش مقاومت دندانه‌های مته، سطح آنرا توسط پودر تنگستن کارباید رو سخت‌کاری (HARD FACING) می‌کنند. مته‌های کاجی دندانه فولادی ممکن است براساس شرایط کاربردی به شکل‌های زیر تولید شوند.

• مته‌های یک کاجه SINGLE CONE
• مته‌های دو کاجه DUBBLE CONE
• مته‌های سه کاجه THREE CONE
• مته‌های چهار کاجه FOUR CONE

ب- مته‌های دکمه‌ایی (TUNGESTAN CARBIDE INSERT) BUTTON BIT

در این گروه از مته‌ها، دندانه‌های مته بصورت دکمه‌هایی از جنس تنگستن کارباید بوده که در سطح کاج مته، نصب می‌شوند. این نوع مته‌ها معمولاً در سازندهای نیمه سخت و سخت (اعماق پایین) مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع از مته‌ها مانند مته‌های دندانه فولادی با توجه به نوع کاربردشان به شکل‌های زیر وجود دارند.

• مته‌های یک کاجه SINGLE CONE
• مته‌های دو کاجه DUBBLE CONE
• مته‌های سه کاجه THREE CONE
• مته‌های چهار کاجه FOUR CONE

2-2-3- مته‌های سایشی DRAG BIT (FIXED CUTTER BIT)

مته‌های سایشی (DRAG BIT) اولین نوع مته‌های قابل استفاده در صنعت حفاری بوده‌اند. این مته‌ها دارای تغذیه (BLADE) بوده و فاقد کاج (CONE) می‌باشند. مته‌های مذکور جهت حفاری طبقات نرم مورد استفاده قرار می‌گرفته‌اند. امروزه نوع پیشرفته مته‌های سایشی تحت نام FIXED CUTTER BITS در صنعت حفاری کاربرد بسیار زیادی دارند. این نوع مته (FIUXED CUTTER) به انواع زیر تقسیم‌ می‌گردند.

• NATURAL DIAMOND BIT
• POLYCHRYSTALINE DIAMOND COMPACT - PDC BIT
• TERMALLY STABLE PDC - T.S.P BIT
• BI- CENTER BIT

مته‌های FIXED CUTTER بصورت یک تکه بوده و فاقد هر گونه قطعه متحرک (CONE) می‌باشند در این نوع مته‌ها، دانه‌های الماس طبیعی و یا مصنوعی بر روی سطح مته نصب می‌گردند.


مته‌های مغزه‌گیری COREHEAD

این نوع مته‌ها جهت عملیات مغزه‌گیری از سازند مورد استفاده قرار می‌گیرند و به دو شکل زیر وجود دارند.

• FIXED CUTTER COREHEAD
• POLLER CONE COREHEAD

الف- FIXED CUTTER COREHEAD

این نوع مته‌های مغزه‌گیری بصورت یک تکه بوده و دانه‌های الماس مصنوعی و یا PDC بر سطح آن نصب شده است. امروزه معمولاً در کلیه عملات مغزه‌گیری مته مغزه‌گیری PDC استفاده می‌شود.


ب- POLLER CONE COREHEAD

نسل اولیه و قدیمی مته‌های مغزه‌گیری مته‌های چهارکاجه می‌باشند در این نوع مته‌ها چهار کاج مته بصورت دو به دو روبروی هم قرار داشته و ضمن حفاری سازند، نمونه سازند بصورت مغزه (CORE) وارد مته می‌شود.


قسمت‌های اصلی یک مته کاجی

قسمت‌های اصلی یک مته کاجی عبارتند از:

• Cone
• Shirttail
• Shank (Pin)
• Bearings (Sealed Or Open System)
• Nozzle Ports
• Tooth

Bit Cone: قسمتی از مته را Cone گویند که بر سطح آن دندانه‌های مته قرار دارد و در قسمت داخل آن اجزاء لازم جهت چرخش Cone بر روی Pilot Pin جای می‌گیرد.

در مته‌های دندانه فولادی، دندانه‌ها جزء اصلی Cone می‌باشد ولی در مته‌های دکمه‌ای (Tungsten Carbide Insert)، دندانه‌های مته بر سطح بیرونی Cone نصب شده‌اند.

Shirttail: قسمت پایین Leg مته را که باعث محافظت Cone و مانع از خروج اجزاء Bearing‌ از داخل Cone به بیرون می‌گردد، Shirttail می‌گویند.


Shank: قسمت بالایی مته، که بر روی آن روزه استاندارد وجود دارد و محل اتصال مته با لوله‌های حفاری می‌باشد، Shank نامیده می‌شود. در این قسمت، مشخصات هر مته نوشته شده است (Bit Size, Bit Type, Serial Number).


Bearing: اجزایی که باعث چرخش Cone مته روی Pilot Pine می‌شود را بیرینگ گویند. بیرینگ‌ها به اشکال مختلف در مته وجود دارند.

Roller-Ball-Roller (R.B.R) Bit>9″

Roller-Ball-Friction (R.B.F) ۶″<9″

Friction-Ball-Friction (F.B.F) Bit<6″

Friction-Friction-Friction (F.F.F) Bit<6″


Nozzle Ports: محل قرار گرفتن نازک در مته را Nozzle Port می‌گویند. چگونگی نصب نازل مته‌های شرکت‌های مختلف با یکدگیر متفاوت می‌باشد.

اتصال نازک بر روی مته ممکن است به یکی از سه روش زیر باشد:
رزوه (نازل‌پیچی، شرکت اسمیت): این نوع نازک، رد محل نصب نازل، پیچ می‌شود.
میخ (Nail، شرکت سکوریتی): این نوع نازل توسط میخ آلومینیومی در مقر نازل نصب می‌گردد.

رینگ نگهدرانده (Snap Ring، شرکت هیوز-ورال-چینی): این نوع نازل توسط رینگ نگهدارنده در محل نصب نازل نگهداشته می‌شود.

نازل ممکن است دارای ارتفاع معمولی (Normal) و یا بصورت کشیده (Extend) باشد. هنگام حفاری در سازندهای چسبناک (Stick)، بکارگیری نازل نوع کشیده (Extended Nozzle) مناسب‌تر از نازل معمولی است.

Bit Tooth: برآمدگی سطح بیرون Cone (کاج) را دندانه‌های مته می‌گوییم.

در مته‌های دندانه فولادی، این دندانه‌ها بصورت Uniform‌ از جنس Cone‌می‌باشند ولی در مته‌های دارای دندانه‌های Tungestan Corbide این دندانه‌ها از جنس تنگستن کارباید بوده که در سطح Cone، توسط Press در محل‌هایی که قبلاً بر روی Copne بوجود آمده‌اند (Insert Poket) تعبیه شده‌اند.

ارتفاع و شکل دندانه‌های مته با توجه به نوع سازند قابل حفاری، متغییر خواهد بود. مته‌های با دندانه بلند برای حفاری سازند نرم مورد استفاده قرار می‌گیرند و با توجه به افزایش مقاومت استحکامی سازند، دندانه‌های مته کوتاه‌تر و تعداد آنها بر سطح کاج مته بیشتر می‌شود.

 

[P O U R I A]

۳-۳- رشته حفاری


بین مته و سطح، جایی که گشتاور تولید می‌شود، رشته حفاری مشاهده می‌شود. در حالیکه رشته حفاری وسیله‌ای برای انتقال نیرو است، عملکردهای دیگری نیز دارد. در شکل ۲-۱۳ شمایی از رشته حفاری مشاهده می‌شود.

شکل ۲-۱۳- رشته حفاری.​

طوقه مته لوله‌ای با دیواره ضخیم و سنگین بوده و وظیفه آن نگهداری رشته حفاری در فشار (جلوگیری از خمش) و فراهم آوردن وزن برای مته است. پایدار‌کننده‌ها در فواصل میانی به رشته حفاری اضافه می‌شوند و افزایش یا کاهش زاویه چاه را به عهده دارند.

 

[P O U R I A]

۴-۳- لوله‌ جداری


لوله جداری[۴۱]، لوله با قطر بزرگی است که به داخل چاه فرستاده شده و از طریق سیمان‌کاری در جای خود تثبیت می‌شود (شکل ۲-۱۴). اغلب اتصالات لوله‌ جداری به صورت نرگی تعبیه شده‌اند. از اتصالات نرگی و مادگی برای پیوستن لوله‌های جداری با طول کم استفاده می‌شود. عملیاتی که در حین آن لوله‌ جداری وارد چاه می‌شود به لوله‌رانی[۴۲] معروف است. لوله‌جداری معمولا از فولاد کربنی عملیات حرارتی شده با استحکام‌های متفاوت ساخته می‌شود. در برخی شرایط ممکن است از استیل، آلومینیم، تیتانیم، فایبر‌گلاس یا مواد دیگر نیز در ساخت آن استفاده شود.

شکل ۲-۱۴- نمایی از لوله جداری.​

۵-۳- تجهیزات بالابر


تجهیزات بالابر روی دکل دوار شامل وسایلی برای بالا و پایین بردن تجهیزاتی است که به داخل چاه می‌روند. قسمت قابل مشاهده تجهیزات بالابر، دکل[۴۳] است. دکل ساختار بلند و شبیه به برج دارد که به صورت عمودی از سوراخ چاه گسترش یافته است. این ساختار به عنوان تکیه‌گاهی برای کابل‌ها و پولی‌ها که وظیفه پایین و بالا کردن تجهیزات در چاه را دارند عمل می‌کند. برای نمونه، اگر نیاز به تعویض مته حفاری باشد، تمام رشته حفاری باید به سطح منتقل شود. در چاه‌های عمیق وزن ترکیبی لوله، مته و طوقه‌های حفاری ممکن است بیش از چندین هزار پوند باشد. تجهیزات بالابر برای بالا آوردن وسایل به سطح استفاده می‌شوند. پس از تعویض مته حفاری، دوباره وسایل توسط تجهیزات بالابر به درون چاه منتقل می‌شوند.


۶-۳- جایگذاری لوله جداری و سیمان‌کاری


در حین حفاری، برای جلوگیری از ریزش چاه نیاز به پوشش‌دهی دیواره چاه با یک لوله فولادی است. بعد از حفر اولین مرحله از چاه آن را جداره‌گذاری و سیمان‌کاری می‌کنند که این امر باعث کاهش قطر چاه می‌گردد ولی در عوض از ریزش طبقات خاک به داخل جلوگیری می‌کند. معمولا عمق اولین مرحلة‌ حفاری ۶۰ متر است و در حقیقت بستگی به عمق سازندهای واقع در نزدیکی سطح زمین دارد و به ندرت ممکن است از ۶۰ متر تجاوز کند. در بعضی موارد گروه حفاری می‌تواند در مرحلة دوّم قسمت باقی مانده چاه را تا عمق نهایی آن حفاری کند. در موارد دیگر، به ویژه در چاه‌هایی با عمق ۳۰۰۰ متر یا بیشتر گروه حفاری باید همانند مرحله اول سوراخی با عمق مشخص حفر نموده و سپس آن را جداره‌گذاری و سیمان‌کاری نمایند. بار دیگر قطر سوراخ با عمل جداره‌گذاری و سیمان‌کاری کمتر شده و لذا قسمت سوم چاه دارای قطری کمتر از قطر مرحلة قبل خواهد بود. در این روش چاه تا عمق پیش‌بینی شده شبیه به یک تلسکوپ حفر می‌شود.


مهمترین شاخصه‌‌ها برای انتخاب پوشش عبارتند از:


بار فروریختگی[۴۴]: ناشی از فشار هیدرواستاتیک سیال حفاری، دوغاب سیمان بیرون لوله جداری و در نهایت سازند‌های متحرک نظیر نمک.
بار انفجار[۴۵]: فشار داخلی لوله جداری که در طول عملیات به آن وارد خواهد شد.
بار کششی[۴۶]: ناشی از وزن رشته در طول عملیات که در اتصالات بالا بیشترین مقدار است.
خوردگی[۴۷]: دی‌اکسیدکربن و هیدروژن سولفید در سیالات سازند باعث خوردگی سریع فولاد کربن استاندارد می‌شود و ممکن است که به نوع خاصی فولاد نیاز باشد.
مقاومت کمانش[۴۸]: باری که تحت تراکم به لوله جداری وارد می‌شود.
همچنین لوله جداری باید ممانعت‌کننده‌های فوران[۴۹] را حمل کند.

 

[P O U R I A]

۷-۳- محرک فوقانی

اغلب دکل‌ها به سیستمی مجهز هستند که رشته حفاری به وسیله مکانیسم رانش در mast به چرخش در می‌آید و از طریق میز دوار[۵۱] در کف دکل، به چرخش در نمی‌آید. این سیستم که سرعت عملیات را افزایش می‌دهد به محرک فوقانی[۵۰] معروف است (شکل ۲-۱۵).

شکل ۲-۱۵- سیستم محرک فوقانی.​

۴- تکنولوژی‌های جدید حفاری

۱-۴- حفاری با لیزر

آزمایشگاه ملی آرگون[۵۲] و گروهی از شرکا در حال بررسی امکان‌پذیری کاربرد تکنولوژی لیزر با توان بالا برای حفاری در صنایع نفت و گاز است. فاز اول برای ایجاد یک پایه علمی برای توسعه سیستم حفاری لیزر تجاری و تعیین میزان علاقه صنعت گاز برای ادامه تحقیقات آینده طراحی شده است. استفاده از لیزرها برای حفر چاه یک رویکرد کاملا جدید است. سیستم حفاری جدید، انرژی نور را از لیزر در سطح توسط فیبرهای نوری به داخل چاه انتقال می‌دهد. محققان اعتقاد دارند با چنین تکنولوژی، سرعت حفاری ۱۰-۱۰۰ برابر افزایش خواهد یافت. بنابراین هزینه عملیات حفاری به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. علاوه بر این، محققان اعتقاد دارند که لیزر قادر به ذوب صخره‌ها است که در این صورت با تشکیل یک پوشش سرامیکی، نیاز به لوله‌ جداری وجود نخواهد داشت.


۲-۴- حفاری Through-tube rotary) TTRD)

این تکنیک حفاری شامل حفر چاه از طریق لوله تولید یک چاه قدیمی‌تر است. به دلیل اینکه نیازی به بیرون کشیدن لوله‌گذاری قدیمی از داخل زمین نیست، این تکنیک قابلیت صرفه‌جویی قابل توجهی را در هزینه حفاری دارد. پیش‌بینی شده است که این تکنیک تا ۱ میلیون دلار صرفه‌جویی اقتصادی به همراه دارد. این تکنولوژی توسط شرکت‌های ARCO و BP در میدان‌های نفتی North Slope روی چهار چاه انجام شده است.

---

[۱] Measurement while drilling (MWD)
[2] Extended Reach Drilling (ERD)
[3]Filter cake
[4] Swab
[5] Loss of circulation
[6] Erosion of the borehole
[7] Filtrate control
[8] Water-based muds
[9] Disperesed
[10] Non-dispersed
[11] Chalk
[12] Lignosulfonate
[13] Tannic acid
[14] Quebracho
[15] Shale formations
[16] Oil-based muds
[17] Penetration rate
[18] Low pore pressure formations
[19] Packer fluids
[20] Aerated muds
[21] Stiff foam
[22] Completion fluids
[23] Mud clean-up equipment
[24] Recirculation System
[25] Shale shakers
[26] Desilters
[27] Mud tank
[28] Swivel or Top Drive
[29] Kelly
[30] Kelly Saver Sub
[31] Tool Joints
[32] conventional
[33] Mobile rigs
[34] Jack Knife
[35] Portable Mast
[36] Work over
[37] submersible
[38] semisubmersible
[39] Self-contained platform
[40] jacket
[41] Casing
[42] Running pipe
[43] Derrick
[44] Collapse load
[45] Burst load
[46] Tension load
[47] Corrosion
[48] Buckling resistance
[49] Blowout preventers
[50] Top drive
[51] Rotary table‌
[۵۲] Argonne National Laboratory

 

[P O U R I A]

انیمیشن بسیار مفید و دیدنی از حفاری

 

[P O U R I A]

حــفــاری چــاه-Drilling

حــفــاری چــاه-Drilling

پس از مطالعات مختلف زمین شناسی و انجام آزمایشهای متفاوت بر روی نمونه های سنگهای رسوبی و اعمالی نظیر لزره نگاری ، زمین شناسان به وجود نفت و یا گاز در یک محل پی می برند (امروزه تقریباً ثابت شده است که نفت از بقایای جاندارانی که میلیونها سال قبل بر روی زمین میزیسته اند به وجود آمده است ) . سپس با توجه به موقعیت محل و بررسی تمام جوانب حفاری در آن منطقه شروع می گردد . بدیهی است در حوزه های شناخته شده با در نظر گرفتن برنامه توسعه ای و حدود مخزن نفتی (یا گاز) زیرزمینی و اینکه بهرحال بایستی نفت وگاز زیرزمین را استخراج نمود ، اقدام به حفر چاههای جدید می گردد .
بحث راجع به حفاری به هیچ وجه در این اندک نمی گنجد و احتیاج به تبحر کامل و اطلاعات وسیع و فرصت لازم دارد ، لذا در چند جمله آینده فقط اشاره ای به مختصری از کلیات می گردد . خوشبختانه کتب و جزوه های بسیار و افراد مطلع وجود دارند که جهت آشنائی با تکنیک حفاری بایستی بدانها مراجعه نمود .
معمولاً چاههائیکه قبل از تثبیت وجود نفت یا گاز حفر می گردند به نام چاههای اکتشافی معروفند (Exploration well) (در مناطق شناخته شده نیز چاه اکتشافی به دنبال هدف به خصوصی نیز ممکن است نظیر چاه شماره ۱۰۱ در میدان نفتی اهواز که جهت بررسی وضع مخزن نفتی جدیدی که در زیر مخزن مورد استفاده فعلی موجود است حفرگردید ). حفاری چاههای اکتشافی معمولاً با دقت بیشتری نسبت به حفر یک چاه در محل شناخته شده صورت میگیرد و خود دلایل بسیار دارد که مهمترین آن ناشناس بودن وضع لایه های زیرزمینی در حوزه جدید می باشد . در حین حفر این نمونه چاهها و حتی پس از اتمام حفاری سعی می گردد که حتی الامکان اطلاعات بیشتری (وبادقت بیشتر) کسب گردد چرا که اعمال بعدی که در این چنین حوزه هائی صورت می گردد این اطلاعات را به عنوان مبنا در پیش خود دارد .
پس از کسب اطلاعات و به نتیجه رسیدن حفاری های اولیه و در جهت مشخص کردن محدوده مخزن نفتی و بررسی بیشتر بر روی لایه های زیرزمینی حوزه جدید ، چاههای توصیفی(Deleneation well) در محلهای محاسبه شده ای حفر می گردند .
سپس با توجه به وسعت میدان نفتی و پیش بینی حجم مورد بهره برداری طی محاسبات دقیق وسایل لازم برای تولیداز منطقه تأسیس گردیده و با برنامه ریزی حساب شده ای در حفر چاههای توسعه ای (Development well) اقدام می گردد .
لازم به یادآوری است که تمامی چاههائی که حفر می گردند در جهت استخراج نفت و یا گاز نمی باشد . بلکه با هداف متفاوت دیگری نیز چاه حفر میگردد . (چاههای دفعی Disposal well چاههای تزریقی آب و یا گاز Injection well ، و حتی در بعضی موارد چاههای مشاهده ای Observation well و غیره ) .
حفاری خود تاریخچه مفصلی دارد و همانطور که در بالا اشاره شد هیچ جای بحثی در این مقوله ندارد . آنچه مسلم است اعمال حفاری از ابتدا به یک صورت نبوده و این تکنیک مانند سایر علوم توسعه یافته و همچنان رو به توسعه است .
در حال حاضر اکثراً عمل حفاری بامته Drilling Bit صورت می گیرد و قطعات جدا شده از لایه های در تماس با مته توسط سیالی که در چاه به دوران آورده می شود از چاه خارج می گردند . (بدیهی است طرز عمل به هیچ وجه باین سادگی که در یک جمله خلاصه شود نیست .) سیستم های جدیدتر حفاری نیز ابداع گردیده است لیکن هنوز چندان عمومیت ندارند و اکثراً در مراحل آزمایشی می باشند .
با مشخص کردن محل برای حفاری ، دکل حفاری (Drilling Rig) با تمامی تجهیزات اعم از پمپها ، لوله های حفاری و غیره به آن مکان انتقال داده می شود . دکل و کلیه وسایل بطریقی که جهت حفاری لازم است در محل تعبیه می گردند و سپس حفاری آغاز می گردد .
در شروع حفاری از مته های بزرگتر (با توجه به موقعیت محل در نظر گرفته می شود معمولاً با قطر بیش از ۱۸ اینچ) استفاده می گردد و به مرور که عمق چاه افزوده می گردد با در نظر گرفتن وضع لایه ها و موقعیت چاه از مته های با اندازه کوچکتر نیز استفاده می گردد . (به کوچکی حتی ۲/۱ ۳ اینچ) جهت انجام عمل مته به انتهای لوله حفاری (Drill pipe) بسته شده و تحت فشار بدوران آورده می شود . این فشار و دوران باعث می شود که سنگهای موجود در زیر مته خرد و کنده شوند . (لازم به ذکر است که مته ها خود نیز انواع متفاوت دارند که با توجه به جنس سنگ و موقعیت محل حفاری مورد نظر و اینکه کدامیک بهتر جوابگو خواهد بود مورد استفاده قرار می گیرند ) . ذرات کنده شده توسط گل حفار (Drilling mud) که در حین عمل دائماً در چاه در حال دوران و گردش است Circulstion به خارج از چاه آورده می شود . این گل حفاری از بالای چاه وازدرون لوله حفاری به داخل چاه به طور مدام پمپ می گردد و از مجرای موجود درمته عبور کرده و از مسیر پشت لوله حفار و دیواره چاه مجدداً به بالای چاه برمی گردد که در این بالا آمدن ذرات کنده شده را نیزبه همراه خودمی آورد . (گل حفاری فقط این مصرف را ندارد ، بلکه در سرد کردن خود مته ونیز کنترل فشار چاه نقش عمده ای را دارد .) به مرورکه چاه عمیق می شود به طول لوله حفاری افزوده می گردد و عمل ادامه می یابد . (گل حفاری همچنین در ثابت نگهداشتن دیواره چاه بی تأثیر نیست ).
همزمان با ادامه حفاری بر روی دیواره چاه نیز پوشش فلزی (Casing) تعبیه می گردد . این عمل با توجه به موقعیت لایه در حین حفاری وضع چاه نیز صورت می گیرد و برای انجام آن لازم است که موقتاً عمل حفاری قطع گردیده و پوشش مورد نظر کار گذاشته شده و سپس حفاری ادامه یابد . به پشت این لوله پوششی نیز سیمان پمپ می گردد و جنس و اندازه آن بستگی به موقعیت چاه و قطر آن در همان شرایط به خصوص دارد . (این لوله برای جلوگیری از ریزش دیواره چاه ، قطع ارتباط بین لایه ها از داخل چاه و همچنین بهتر به کنترل در آوردن چاه تعبیه می شود .)
درحین‌حفاری‌از سنگ لایه ها برای مشخص کردن جنس و موقعیتهای دیگر آنها نیز نمونه برداری می گردد ، ممکن است که از ذرات بالا آورده شده توسط گل حفاری (Cuttings) نمونه بردای شود و یا ممکن است که نمونه گیری به صورت درآوردن مغزه Core باشد .
وزن و جنس گل حفاری با توجه به عمق چاه و فشار داخلی آن و موقعیت مخصوص حین عمل ، نیز تعویض می گردد که خود یکی از موضوعات بسیار مهم عمل حفاری می باشد .
بهر حال و بدین صورت حفاری تا عمق نهائی موردنظر ادامه می یابد و باکارگزاردن لوله گم (Liner) (در حقیقت جداره پوششی که تمام دیواره چاه را فرا نمی گیرد و فقط فاصله محدودی را با توجه به موقعیت چاه می پوشاند و تاسرچاه ادامه ندارد ) . و یا لوله مغزی tubing (ازسرچاه تا عمق بخصوصی ادامه دارد و کاربرد آن بستگی به شرایط چاه و نحوه بهره برداری بعدی از آن دارد.)کار رو به اتمام می رود . لازم به تذکر است که انجام عمل حفاری با دقت و احتیاط و در حضور شیرهای ایمنی به خصوص B . O . P صورت میپذیرد. بعضی مواقع قسمت تولیدی‌چاه‌بادر نظرگرفتن موقعیت محل بدون پوشش فلزی (open hole) تکمیل می گردد .
در حین حفاری هرگاه به لایه ای که دارای نفت و یا گاز باشد برسند ، نسبت به ضرورت آزمایش مقدماتی روی آن نفت و یا گاز همراه با اندازه گیری فشار انجام می گیرد (DST)


پس حفر و تکمیل چاه دکل حفاری انتقال می یابد و پس از آن می بایست انجام هر عمل دیگری با نظارت مهندسی بهره برداری صورت گیرد . احیاناً اگر چاه به جهاتی احتیاج به مرمت داشته باشد مجدداً می بایست از دکل حفاری استفاده نمود که این مورد نیز برنامه ریزی خاص خود را دارد .
بدیهی است یک مهندس بهره برداری خوب از ابتدای عمل حفاری و برای کسب اطلاع از چکونگی وضع چاه و موضوعاتی که در حین حفاری آن پیش می آید و در آینده بهره برداری از چاه دخالت خواهد داشت ، خود را در جریان قرار می دهد و حتی الامکان ازکم و کیف حفاری چاه اطلاعاتی بدست می آورد .

 

[nima.mohamadin]

سلام. وقت بخیر خدمت همه دوستای گل مهندسم.
یه انتقاد کوچیک داشتم. با اینکه من بعد از مدت ها اومدم سر زدم میبینم خیلی از مطالب تکراری هستن و اکثر دوستان بدون مطالعه پست های قدیمی تر اقدام به پست گذاشتن و اونم یسری مطالب پایه میکنن.
ترجیحا به منظور پیشرفت و بروز بودن خواهش میشه یخوره بروز تر باشید.
البته از زحمات دوستان عزیزی که به انصاف دارن برای پیشرفت انجمن مهندسای نفت تلاش میکنن نمیشه چشم پوشی کرد. موفق باشید