حفر الآبار الموجهة (الآفقية)

الحفر الموجهة (الآفقي)

(Horizontal Drilling or Directional drilling)

الحفر الموجَّه

تسمح التقنيات الحديثة لطواقم الحفر، بالحفر حول العوائق الطبيعية أو الصنعية بحثا عن النفط والغاز. وتستخدم هذه الطرائق نفسها

في أخذ عينات من الملوثات الجوفية وفي طمر خطوط الخدمات.

قام الناس، زمنا طويلا، بحفر الآبار في أعماق القشرة الأرضية بحثا عن الماء. وخلال القرن ونصف القرن الماضيين تم توجيه هذه التقانة نحو قضية مهمة أخرى: استخراج الغاز الطبيعي والنفط من باطن الأرض، ويستهلك اقتصاد العالم أكثر من 60 مليون برميل من النفط يوميا، ويذهب ما بين ثلث إلى ثلثي تكلفة الإنتاج إلى نفقات الحفر فقط. ووفقا لبعض التقديرات فإن هذه النفقات تزيد على 80 مليون دولار يوميا. ويعود السبب في ارتفاع تكلفة الحفر إلى أن مشروعات الإنتاج تكون عادة في مناطق نائية، وتستخدم معدات كبيرة ومعقدة تتطلب مهارة فائقة للتشغيل. وقد درج المهندسون على حفر الآبار بشكل عمودي نظرا لبساطة ذلك، ومع أن الخط المستقيم هو أقصر فإنه ليس بأكثرها نجاعة. إضافة إلى ذلك، فإن وجود المباني والتلال والأنهار قد يمنع فريق الحفر من تثبيت أبراج الحفر فوق هدف ثمين، كما أن التصدعات الجوفية، أو تشكيلات الصخور غير المتماسكة قد تمنعها من الحفر رأسيا.

لم يكن بالاستطاعة تعديل طرائق الحفر التقليدية بسهولة لتحقيق هذه الإنجازات الباهرة. فخلال هذه العمليات تكون ريشة الحفر متصلة بعمود الحفر (سلسلة من الأنابيب) string يدورها العاملون من السطح. وعند دفع ريشة الحفر إلى الأسفل، تتكسر الصخور في قاع الحفرة تحت وطأة ثقل أنابيب الحفر التي تعلوها. وتوفر مئات الأقدام من قطع الأنابيب الثقيلة والسميكة نسبيا ـ التي تعرف باسم أطواق الحفر (الثقالات) drill collars، الموضوعة فوق ريشة الحفر مباشرة ـ القوة الدافعة الرئيسية. أما باقي عمود الحفر فإنه يتكون من أنابيب حفر أقل سماكة تتدلى من برج الحفر derrick أو سارية الحفر drilling mast، ويضخ طاقم الحفر طين الحفرdrilling mud المكون عادة من الطين وأشياء أخرى مع الماء، داخل أنبوب الحفر، ومن ثم إلى الخارج من خلال فوهات نفاثة في واجهة ريشة الحفر. ويعود الطين مرة أخرى إلى السطح من خلال الفراغ الموجود بين الأنبوب وجدار البئر دافعا فتات الصخر إلى الخارج.

ومعظم

كذلك أوجدت فرق المصممين حلولا لمشكلات أخرى. ومنها أن تدفق طين الحفر خلال الأنبوب يقوم بدفع المحركات المستخدمة في مجموعة الحفر والموجودة في أسفل ثقب الحفر. وفي البداية، جرب العاملون العنفات (التوربينات)، ولكن هذه المحركات تعمل بكفاءة عالية وعلى سرعات تبلغ عدة مئات من الدورات في الدقيقة ـ وهذا سريع جدا بالنسبة لمعظم ريش (رياش) الحفر التقليدية. إضافة إلى ذَلك، وبما أن باستطاعة طين الحفر أن يتدفق من خلال العنفة سواء أكانت دائرة أم لا، فإنه ليس باستطاعة الحفارين أن يتنبؤوا أو يعرفوا ما إذا كانت العنفة تعمل بسرعتها الصحيحة أو أنها لا تدور على الإطلاق.

وهكذا لجأت الصناعة إلى أداة تسمى محرك الإزاحة الإيجابي positive displacement motor، حيث يتدفق طين الحفر في المحركات من خلال تجاويف (ثقوب) موجودة بين جزء دوار rotor على شكل لولب محزز مصنوع من الحديد الصلب وأنبوب محيط به مبطن بالمطاط يدعى الساكن stator. وهذه التجاويف تفتح وتغلق عندما يتحرك الدوار، وهناك ارتباط مباشر بين معدل تدفق طين الحفر وسرعة المحرك. ويستطيع أصحاب المصانع بناء محركات ذات مدى واسع من السرعة وعزم الدوران، وذلك بتغيير عدد النتوءات الشعاعية الموجودة على اللولب أو بالتحكم في زوايا هذه النتوءات.

وعندما بدأت أعمدة الحفر بحمل محركات الإزاحة الإيجابية، فإن تدفق طين الحفر وحركة الدوار كانا يؤديان إلى حف المطاط المغلف للساكن مسببين اهتراءه بسرعة، ولكن لحسن الحظ تمت معالجة هذه المشكلة.

إضافة إلى تطوير محركات متخصصة لأسفل البئر (الحفرة)، صمم المهندسون محركات مبتكرة لمجموعات حفر بغية تكوين ثقوب حفر تنعطف بزوايا حادة. ففي بعض التطبيقات، يجب أن ينعطف ثقب الحفر بزاوية حادة بحيث لا يكفي الانحناء المرن لعمود الحفر القابل للانحناء للقيام بذلك.

وأحد الحلول لذلك استخدام أنبوب توجيه guide خارجي. ويحمل أنبوب التوجيه هذا فتحات تسمح له بالانحناء بين وضع مستقيم وآخر منحن بنصف قطر انحناء يتراوح ما بين 30 إلى 60 قدما (يعتمد ذلك على قطر ثقب الحفر). ويتم إدخال أنبوب حفر متصل jointed drive tube مؤلف من مقاطع متشابكة يوضع داخل أنبوب التوجيه بإحكام. أما الوصلات links، التي تشبه الفقرات، فتسمح للأنبوب بالانحناء، مع استمرار إيصال عزم الدوران لريشة الحفر الموجودة في نهاية أنبوب الحفر. وهناك أيضا أنبوب لدن (قابل للانثناء) داخل هذا العمود الفقري يحمل طين الحفر إلى ريشة الحفر. وينثني الفولاذ المكون للأنبوب الخارجي بشكل طبيعي إلى منحن. ومع أن الأنابيب الثلاثة يجب أن تكون مستقيمة لتدخل في البئر، فإنه عند بدء الحفر توجه مرونة springinessأنبوب التوجيه الطبيعية ريشةَ الحفر في مسار منحن، وبالتالي تصبح الحفرة أفقية خلال بضع عشرات من الأقدام.

وفي بعض مكامن النفط تعمل مجموعة من الآبار موزعة بشكل نجمي، وممتدة أفقيا من قاع بئر عمودية كشبكة تصريف فعالة. ولتشكيل هذه المسارب، تقوم فرق حفر متخصصة بإنزال موجه(مسبار) خاص مصمم لهذا الغرض، وقد تم تصميم هذا الموجه بحيث يثني أولا أنبوبا داخليا إلى منحن ثم يسوي هذه القطعة أفقيا ضمن نطاق قدم أو قدمين. يضع عامل التشغيل الموجه في قعر ثقب الحفر ثم يلقم أنبوبا فولاذيا أضيق عبره. وفي النهاية الأمامية للأنبوب الداخلي، تقوم فوهة نفاثة بدفع ماء تحت ضغط عال ليفتت الصخر، مما يمكن الأنبوب من التقدم إلى الأمام. وبعد أن يتجاوز هذا الأنبوب الضيق الموجه بمسافة كافية، يستخدم العاملون مواد كيميائية لفصله عن باقي عمود الحفر. وبعد ذلك إما أن يزال الموجه أو يحرك في اتجاه جديد للتمكن من عمل حفرة إضافية أو أكثر.

إن القدرة على توجيه الحفر بدقة أمر جوهري. ويحتاج الحفار إلى معرفة انحراف البئر واتجاه البوصلة الزاوي (سمت الرأس)، وكذلك زاوية انحراف وجه عدة الحفر

tool-face angle. وهي تدل الحفارين على اتجاه ريشة الحفر، وبالتالي في أي اتجاه سيسير ثقب الحفر بعد ذلك. ويحتفظ مهندسو الحقل بسجل لهذا القياس بوساطة مخطط بياني يبين اتجاه التواء أنبوب الحفر على السطح، ويتم القياس بوساطة وعاء خاص يحمل مجموعة من الأجهزة ـ بوصلة وبندول مثلا ـ يجري إنزاله داخل أنبوب الحفر بوساطة كبل (سلك) يمكن من خلاله معرفة اتجاه جهاز الحفر في أية لحظة.

ولسوء الحظ، فإن المقاطع الإضافية من أنابيب الحفر ـ التي ينبغي على طاقم الحفر أن يضيفها لأعلى عمود الحفر كلما ازدادت الحفرة عمقا ـ لا يمكن تركيبها بوجود الكبل، لذا يتوجب سحب الكبل ومجموعة أجهزة القياس أثناء عمليات الحفر العادية. إن إيقاف الحفر وإنزال مجموعة أجهزة القياس داخل البئر، كلما كانت هناك حاجة إلى إجراء القياسات، يستغرق وقتا طويلا. ومن أجل كفاءة العمل طورت الآن عدة نظم تحوي أجهزة قياس ذاتية التشغيل تعمل أثناء عملية الحفر. ينقل جهاز القياس أثناء الحفر

MWD ) drilling – while – Measurement ) معلومات إلى السطح عن طريق وقف وإطلاق تدفق طين الحفر عند مروره داخل المعدات.

تسبب التغيرات في معدل الدفق تقلبات في ضغط طين الحفر يمكن مراقبتها على السطح وفك رموزها للاستدلال على اتجاه مجموعة الحفر.

وتحمل أكثر الأجهزة (MWD) تطورا إلكترونيات إضافية تقيس الخواص الفيزيائية للصخور حول المكمن وداخله. ومثل هذه المحسات (المجسات) sensors تفتح الطريق أمام الحفر الذكي smart. كان قسم أنادريلAnadrill (التابع لمجموعة شلمبرگر) السباق في وضع المحسات على ريشة الحفر. وتسمح مثل هذه المحسات للحفار بتتبع تشكيل جيولوجي معين في اتجاه الطبقة الحاملة للنفط (حيث يكمن النفط النفيس) بمجرد مراقبة مكونات الصخر المقابل لريشة الحفر. فعلى سبيل المثال، تتكون مكامن النفط من طبقات الحجر الرملي أو الصخور الكلسية المسامية والنفوذة ـ الواقعة تحت طبقات غير نفوذة من الطفل clays أو الطين الصفيحيshales. وهذه الطبقات غير النفوذة تعزل طبقة النفط، وتحتوي عادة على آثار من عناصر اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم، في حين تتكون صخور المكمن من رمل نقي نسبيا (سيليكا) أو كربونات الكالسيوم، التي لا يحتوي أي منها على أي كمية كبيرة من العناصر المشعة. وباستطاعة الأدوات الموجودة في الأجهزة (MWD) اكتشاف إشعاعية الطفل والطين الصفيحي الموجودة فوق مكمن النفط وإرسال هذه المعلومات إلى السطح. وبذلك يستطيع القائمون على الحفر توجيه ثقب الحفر بحيث يبقى دائما داخل صخور المكمن متحاشيا طبقات الطين الصفيحي غير المنتجة.

وتقيس المحسات الأخرى المقاومة resistivity الكهربائية للصخر المحيط بثقب الحفر. فمعادن الصخر نفسها لها مقاومة عالية جدا مثلها مثل الغاز والنفط. في حين يكون الماء على هذا العمق مالحا لدرجة ما، فيعطي قيما صغيرة للمقاومة. ومن هذا الاختلاف في المقاومة يستطيع الحفار أن يعرف ما إذا كانت ريشة الحفر لا تزال موجودة في الطبقة التي تحمل الهيدروكربونات أم أنها اخترقت منطقة تماس الماء والنفط. وأخيرا، من الممكن إدراج أجهزة تقيس عزم الدوران وقوة الدفع الأمامية المؤثرة في ريشة الحفر. وبمقارنة القياسات داخل البئر بتلك المحسوبة على السطح، يكون باستطاعة المهندسين معرفة ما إذا كان جزء من المعدات قد استعصى داخل البئر، وبالتالي التنبؤ بانهيار البئر أو أية مشكلات أخرى. ويستطيع العاملون أيضا أن يقيسوا مستوى عزم الدوران المسجل لقوة حفر ما، وهي معلومات تبين ما إذا كانت ريشة الحفر قد سدت أو استهلكت مما يستوجب تبديلها.

وقد وجدت تقانة الحفر الموجه استخدامات كثيرة خارج القطاع النفطي. إذا تبنى الموردون والمزودون لخدمات الماء والغاز والكهرباء والاتصالات هذه التقانة بسرعة، لتمرير الكبلات أو خطوط الأنابيب تحت الطرق والمباني والأنهار. والحفر الموجه مثالي لمثل هذه المشروعات لأنه بعكس طرائق الحفر التقليدي، لا يحتاج إلى منفذ للسطح الذي فوق الحفرة. وفي السبعينيات تم حفر 50 معبرا crossing تحت الأنهار مجموع أطوالها 60000 قدم، في حين أنجزت الشركات المختلفة 200 منشأة مجموع أطوالها 200000 قدم عام 1988. وضربت شركة شيرنيگتون الرقم القياسي في أوائل عام 1993 بمد 4150 قدما من خط أنابيب غاز قطره 42 بوصة تحت نهر سكرامنتو في كاليفورنيا لحساب شركة نقل غاز وكهرباء الپاسيفيك. أما في أوروبا، فيرقد 2000 قدم من خط أنابيب غاز قطره 48 بوصة تحت قنال نوورد هولاند في هولندا. وكذلك يمر خط أنابيب طوله نحو 8000 قدم وقطره 8 بوصات تحت نهر سانت لورنس بالقرب من تروا ريڤير في كويبك.

وخلال حفر مثل هذه المعابر، يجب أن تنحدر الحفرة بكل لطف حتى يتعرض الأنبوب الأفقي المار عبر النهر لأقل إجهاد ممكن نتيجة الانحناء (الثني). ولهذا السبب، فإن هذه المشروعات تستخدم معدات لحفر آبار تبدأ بالميل مباشرة تحت النهر، بدلا من حفر ممر أطول على شكل U. وتبعا لذلك لا يوجد لهذه الحفر جزء عمودي. ويستوجب ذلك أن تقوم الرافعات القوية الموجودة على برج الحفر بدفع مجموعة الحفر داخل الأرض دون مساعدةٍ من أطواق الحفر.

ويوجه المعدات ذاتيا محس يوضع عند رأس المثقاب، فإذا كانت الحفرة على عمق قليل ولا يوجد عائق على السطح فوق مسارها، يمكن عندئذ مد كبل كهربائي على السطح ليقوم بإرسال إشارات إلى وحدات السبر الموجودة تحت الأرض بالقرب من ريشة الحفر. وبهذه الطريقة يمكن للحفار أن يوجه ريشة الحفر بكل دقة. وعادة ما تصل الحفرة إلى الجانب الآخر بحدود قدم واحدة من الموقع المستهدف، بعد أن تكون قد امتدت لعدة مئات من الأقدام تحت سطح الأرض.

تكون التربة في قاع مجرى النهر رخوة عموما، لذا يجب أن تتضمن عمليات إقامة المعابر النهرية إجراءات خاصة لمنع انهيار ثقب الحفر. وأحد هذه الاحتياطات أن ينفذ الحفر في كثير من الأحيان على مراحل.

فيقوم عمال الحفر بعمل ثقب استطلاعي قطره عدة بوصات تحت النهر يمتد على طول الحفرة المقترحة. ومن ثم يلقم أنبوب إضافي، له قطر ثقب الحفر نفسه، فوق أنبوب الحفر الموجود خلف ريشة الحفر، وهذا الأنبوب يحمي ثقب الحفر الرخو من الحت نتيجة لدوران أنبوب الحفر، أو من التعرية التي يسببها تدفق طين الحفر العائد. وعندما تصل مجموعة الحفر إلى السطح، على الجهة البعيدة للمعبر، يزيح العمال ريشة الحفر ويضعون بدلا منها ريشة لتوسيع الثقوب reaming head (لقشط البئر)، ويربط محور جهاز الحفر الدوار ريشة التوسيع بعمود أنابيب على الجانب الآخر. ويسمح هذا المحور لريشة التوسيع بالدوران دون أن يرغم عمود الأنابيب على الدوران معها. ثم يقوم برج الحفر باسترجاع أنابيب الحفر وريشة التوسيع وعموم الأنابيب من خلال الحفرة في الاتجاه المضاد لبدء حفر المعبر، ويكون المعبر بذلك قد اكتمل.

لقد ثبت أن الحفر الموجه مفيد في الجهود المبذولة لوقف التلوث. فالخزانات المعطوبة والمنشآت الصناعية الأخرى تلوث الأرض التي تحتها في العادة. ومثل هذه المواقع قد يكون من الصعب أو من المستحيل الوصول إليها من الأعلى. ويوفر الحفر الموجه طريقة لفحص وتنظيف مثل هذه المناطق. إضافة إلى ذلك، بما أن برج الحفر وطاقمه ليس ضروريا تواجدهم مباشرة فوق الموقع أو حتى بجواره، فإن فرص التعرض للتلوث تكون أقل. ففي موقع وزارة الطاقة على نهر ساڤانا، على سبيل المثال، استخدم طاقم التنظيف زوجا من ثقوب الحفر في إزالة الملوثات العضوية المتطايرة حول خط صرف معطوب. وقد ضخ العاملون الهواء في أحد ثقبي الحفر داخل الأرض ومن ثم استخرجوا البخار من الثقب الآخر. وجاء في تقرير فريق العمل أن هذه الطريقة قد وفرت نحو 125 مليون دولار مقارنة بخطة بديلة تتضمن حفر سلسلة من الآبار الرأسية.

ونحن