آشنایی با تاپ درایو

شرح عملیات حفاری (Drilling)

حفاری عبارت است از انرژی دادن به لایه های زمین جهت جدا کردن ذرات از یک دیگر، نفوذ در آن و انتقال ذرات جدا شده به سح که این انرژی معمولاً به سه روش ذیل اعمال می شود:

1) برش

2) سایش

3) شکست

میزان سختی بستر زمین و اجزاء آن تعیین کننده استفاده از هر کدام از این روش ها در حفاری می باشند. هر یک از این روش ها نیازمند ابزاری خاص بوده و در تمام آن ها اعمال انرژی به صورت چرخاندن ابزار صورت می گیرد. در هر فرآیند حفاری چهار عمل اساسی به شرح ذیل انجام می گیرد:

1) حرکت دادن و بیرون آوردن ذراتی که از زمین بر اثر حفاری که از زمین بر اثر حفاری جدا می شود.

2) خنک سازی سر مته و انتقال حرارت ناشی از اصطکاک مته.

3) حفظ دیواره های حفاری و جلوگیری از ریزش آن ها.

4) کم کردن اصطکاک بین ابزار و زمین در طول عملیات حفاری

با توجه به موارد ذکر شده و وجود عمق های زیاد، جهت عملیات بهتر حفاری تجهیزاتی ابداع شده و به مرور زمان تکامل پیدا نموده است. در هر عملیات حفاری نیازمند به یک واحد قدرت جهت اعمال نیروی قائم و تأمین حرکت چرخشی برای ابزار برش می باشیم.

در ذیل به معرفی سیستم های حفاری گردان می پردازیم.

سیستم های حفاری گردان (Rotary Drilling)

1- میزان گردان (Rotary Table)

اولین و متداول ترین روش حفاری تا چند سال اخیر روش میز گردان بود. در این روش سیستم قدرت (Power System) یا همان محرک اصلی در پایین و روی زمین قرار دارد. گشتاور از محرک اصلی به طربق مکانیکی با استفاده از زنجیر وینچ (و با الکتریکی تولید قدرت دردیزل ژنراتور اصلی و انتقال و تبدیل آن توسط الکتروموتور به نیروی میکانیکی) به میز دوار منتقل می شود.

حرکت از میز دوار به بوش اصلی (Master Bushing) متصل است انتقال می ابد. پس تا اینجا گشتاور مورد نیاز حفاری از موتور اصلی تا بوش کلی انتقال یافته است. مقطع چهار گوش و یا شش گوش بوده و محل قرار گیری لوله چند گوش (Kelly) است. خارجی بوش کلی به این وسیله بوش کلی باعث چرخش کلی و نهایتاً لوله حفاری که به انتهای پایین کلی بسته شده است می شود. چند وجه بودن لوله کلی باعث انتقال بهتر گشتاور، امکان حرکت عمودی لوله (از طریق غلتک هایی که روی بوش کلی قرار دارد) و بهره برداری سریع تر و بهتر از سیستم فوق خواهد شد.

تکیه گاه کلی در بالا قطعه ای به نام مفصل گردان (Swivel) می باشد که علاوه بر این کار وظیفه تحمل وزن مجموعه رشته حفاری (Drill string) و آب بندی راه عبور گل حفاری به درون لوله های حفاری را نیز بر عهده دارد. وزن مجموعه رشته حفاری از طریق قلاب (Ball) که روی (Swivel) قرار دارد به بلوک انتقال (Traveling Block) منتقل می شود.

در عملیات حفاری ابتدا مته حفاری به کلی متصل شده و پس از نفوذ ابزار به داخل زمین به اندازه طول کلی، میز دوار متوقف شده و اولین لوله به آن اضافه می شود.

با ادامه عملیات بعدی به همین ترتیب رشته حفاری اضافه شده تا حفاری تا نقطه مطلوب و مورد نظر ادامه یابد. در طی فرآیند، گل حفاری (Drilling Mnd) از طریق رشته حفاری وارد چاه شده تا علاوه بر خنک کردن ابزار برش و استحکام بخشیدن به دیواره های چاه ضایعات ناشی از عملیات حفاری را از چاه خارج نماید.

لازم به ذکر است در زمان جدا شدن کلی شیره های به صورت یک طرفه و خودکار مسیر گل حفاری را قطع می کنند و پس از برقراری مجدد رشته حفاری مسیر سیال باز می شود.

1-1 اجزاء تشکیل دهنده حفاری به روش RT

1-1-1 دکل (Rig)

سازه ای که مکعوس اعمالی در هنگام حفاری را نیز تمحمل می کند، دکل ها دارای تقسیم بندی ذیل می باشند.

شکل 1- تقسیم بندی دکل ها

شکل 2- دکل و مجموعه حفاری به روش میز گردان (RT)

1-1-2 بلوک تاج (Crowl Block)

مجموعه قرقره هایی که جهت نگه داری مجموعه رشته حفاری و حرکت آن در بالای دکل تعبیه شده است در واقع وزن مجموعه رشته حفاری توسط بلوک تاج به دکل منتقل می شود.

1-1-3 بلوک متحرک (Traveling Block)

مجموعه قرقره هایی که توسط کابل ها به بلوک تاج متصل شده و از طرفی به مفصل گردان اتصال داد.

1-1-4 کابل های بکسل یا حفاری (Drilling Lines)

جهت اتصال بلوک متحرک به بلوک تاج و جا به جایی مجموعه رشته حفاری استفاده می شود.

1-1-5 مفصل گردان (Swivel)

مجموعه یا تاقان بندی شده ای که وزن رشته حفاری را تحمل کرده و چرخش لوله حفاری را از بالای رشته حفاری کنترل می کند یا به عبارتی تکیه گاه رشته حفاری در بالا می باشد.

1-1-6 کلی (Kelly)

جهت انتقال گشتاور میز گردان به لوله حفاری (Kelly) استفاده می شود سطح خارجی آن در قسمت هایی به صورت چهارگوش و یا شش گوش بوده که ضمن حرکت بالا و پایین در بوش گشتاور مورد نیاز را از میز به لوله حفاری انتقال می دهد.

شکل زیر نمای از RT به همراه محل ذخیره لوله های حفاری (Mouse Hole) را نشان می دهد.

شکل 3- سیستم حفاری به روش RT همراه با محل نگه داری لوله حفاری

1-2 معایب حفاری به روش میز گردان (RT)

1-2-1 ایمنی

در حفاری به روش میز گردان هدایت لوله ها در هنگام اضافه و کم شدن توسط اپراتور انجام می شود که با توجه به سنگینی لوله ها و آلودگی محیط کار ایمنی اپراتور کمتر است.

1-2-2 مدت زمان حفاری

در سیستم حفاری با میز گردان با توجه به ثابت بودن عامل محرک و جا به جایی کلی جهت اعمال گشتاور، همواره یک قسمت از ارتفاع دکل توسط کلی که معمولاً طولی در حدود 40 فوت است اشغال می شود. با توجه با این که در هر مرحله از اتصال لوله ها کلی باید بالا برده شده و مجدداً پایین برود زمان قابل توجه ای به این شکل تلف می شود ضمن آن که در سیستم های جدید که بعد به آن خواهیم پرداخت به جای طول کلی از لوله حفاری استفاده شده است.

1-2-3 طول عمر لوله حفاری

در هنگام اتصال لوله جدید به رشته حفاری با توجه به این که این اتصال توسط اپراتور انجام می شود عدم کنترل دقیق لوله ها و نداشتن کنترل لازم جهت حفظ راستای لوله ها در هنگام بسته شدن، خطر ضربه خوردن لوله و آسیب دیدن دنده های آنها زیاد است. هم چنین، با توجه به محکم کردن دنده ها به یک دیگر به صورت دستی و عدم کنترل جهت اعمال گشتاور لازم، عمر دنده لوله ها کم می شود.

1-3 مزیت های حفاری به روش RT

1-3-1 عدم نیاز به سیستم های کنترلی جدید و در نتیجه اپراتور ساده.

1-3-2 هزینه تعمیرات و نگه داری مناسب.

1-3-3 حجم کم و جا به جایی آسان.

1-3-4 امکان استفاده از این تجهیزات بر روی هر دکل.

2- محرک فوقانی (Top Drive)

1-2 معرف تاپ درایو

پیشرفت و توسعه روز افزون علم حفاری خصوصاً استفاده هر چه بیشتر از موتورهای الکتریکی با راندمان بالا و وزن کمتر. ورود مدارهای پیشرفته برقی و الکترونیکی در پروسه های میکانیکی و معایب موجود در روش حفاریRT را می توان از جمله دلایل اصلی ورود ماشین و پکیچ محرک فوقانی (TD) به عرصه و صحنه حفاری دانست. مجموعه تاپ درایو محرک و چرخاننده رشته حفاری (Drill string) است که بر روی دکل حفاری و در ارتفاع مناسب نصب می شود. مکانیزم عملکرد در این پکیچ کاملاً با روش حفاریRT متفاوت است به طوری که این دستگاه مانند یک دریل ستونی که موتور محرک آن در قسمت بالا بوده عمل نموده و از بالا نیروی قائم و حرکت دورانی را از طریق یک گیربکس به رشته حفاری اعمال می نماید.

در حالی که در RT مجموعه محرک ثابت بوده و حرکت و گشتاور از طریق میز گردان، بوش کلی و Kelly به رشته حفاری منتقل می شدند. این پکیچ با قابلیت های ویژه ای که دارد به صورت اتوماتیک و با استفاده از نیروی هیدرولیکی توانایی بستن و باز کردن مته و ابزار برش، برداشتن لوله حفاری از محل مخصوص، هم مرکز کردن آن با محور دستگاه و بستن آن را دارد.

بنابراین در این دستگاه ها علاوه بر این که تا حد زیادی نقش اپراتور در حفاری حذف شده زمان انجام فرآیند حفاری نیز کاهش یافته است. شکل زیر نمایی کلی از یک تاپ اپراتور را نشان می دهد.

شکل 4- تاپ درایو

2-1-1 تاریخچه کاربرد تاپ درایو در صنعت حفاری ایران

در حال حاضر در مجموعه 47 دکل حفاری در صنعت حفاری ایران وجود دارد که 43 دکل، مربوط به دکل های قابل استفاده در خشکی و 4 دکل نیز جزء دکل های دریایی می باشد.

هم اکنون 6 دستگاه حفاری مجهز به تاپ درایو در خدمت صنعت حفاری ایران می باشد که تاپ درایو مذکور ساخت شرکت HYDRALIFT و جزء اولین تاپ درایوهایی است که در صنعت حفاری ایران استفاده شده است. هم چنین تاکنون دو دستگاه تاپ درایو ساخت شرکت نروژی Hydraulic Martine یکی به ظرفیت 500 تن و دیگری به ظرفیت 650 تن به شرکت ملی حفاری تحول شده است.

دستگاه 500 تنی اخیراً بر روی یکی از دکل های خشکی این شرکت نصب شده و در حال کار می باشد و دستگاه 650 تنی بر روی دکل دریایی ایران خزر نصب شده است.

با توجه به مزایای تکنیکی و سهولت و سرعت عملکرد تاپ درایو پیش بینی می شود در آینده نه چندان دور تمامی دکل های حفاری به این سیستم مجهز گردند.

2-2 اجزای تاپ درایو

2-2-1 قوای محرکه (Motor Drive)

عبارت است از مجموعه موتور و گیربکس و متعلقات آن که گشتاور اعمالی به مجموعه حفاری (Drill string) را تأمین می نماید. شکل زیر با توجه به این که ماهیت عملیات حفاری به نوعی است که گشتاور بالا و دور پایین نیاز می باشد مجموعه موتور و گیربکس وظیفه تأمین این نیاز را بر عهده دارند.

دور خروجی از گیربکس با توجه به برقی یا هیدرولیکی بودن TD (TOP Drive) از 80 تا 230 دور در دقیقه و گشتاور انتقالی (با توجه به ظرفیت دستگاه) کاهش تا حدود 50 تا 60 هزار نیوتن متر هم می رسد.

انتقال چنین گشتاوری مستلزم دقت فوق العاده در ساخت و مونتاژ موتور و گیربکس می باشد.

بر روی مجموعه TD تجهیزات لاز جهت کنترل دور موتور و گشتاور انتقالی پیش بینی شده است. هم چنین، در نوع برقی این دستگاه ها برای خنک کننده هوا استفاده شده است.

شکل 5- نمای ساده از یک تاپ درایو به همراه قوای محرک

2-2-2 مفصل گردان (Swivel)

مفصل گردان یا سویول تکیه گاهی جهت تحمل نیروهای محوری و وزن رشته حفاری است. در واقع با یاتاقان بندی موجود در این تکیه گاه نیروی وزن مجموعه توسط کابل و قرقره ها به دکل منتقل شده، از آن جا که تحت کنترل قرار می گیرد. سویول معمولاً مجموعه ای از یا اتقان های کف گرد و مخروطی به صورت توأم، پوسته و اهرم بندی لازم جهت انتقال نیروی وزن به کابل و قرقره و نهایتاً دکل می باشد. شکل زیر در این قطعه علاوه بر تعبیه مسیر عبور گل حفاری، با استفاده از فنر شرایطی برای ضربه پذیری بهتر و تحمل در برابر شوک های حفاری مهیا شده است.

شکل 6- دو نمای متفاوت از یک Swivel

در تاپ درایوهای جدید حد فاصل سویول و لوله حفاری قطعه ای نصب می شود که تمامی ارتعاشات و ضربات را جذب کرده و اجازه انتقال آن را به مجموعه موتور گیربکس نمی دهد در شکل قبل نمایی از این مکانیزم نشان داده شده است. در شکل زیر یک نمونه طرح اولیه سویول به همراه موتور و گیربکس را نشان می دهد.

شکل 7- مجموعه موتور و گیربکس همراه با مفصل گردان

2-2-3 محور خنثی کننده گشتاور معکوس (Torque Tube)

در تاپ درایو جهت مقاومت در برابر گشتاور مخالف اعمالی از سوی مته به دستگاه و هدایت آن در راستای قائم از یک راهنما به نام Torque Tube استفاده شده است. این محور راهنما که معمولاً مقطعی مستطیلی شکل دارد به شکل پروفیل بوده و با اتصال آن در چند نقطه دکل (Rig) گشتاور را به دکل منتقل می کند.

تاپ درایو به وسیله یک گاری و از طریق غلتک هایی روی محور قائم Torque Tube حرکت دارد. با توجه به وجود لرزش های حین حفاری، غلتک های مورد نظر به واسطه وجود فنر انعطاف پذیری لازم را داشته و مانع از انتقال این نوسانات و ارتعاش ها به تورک تیوب و نهایتاً دکل خواهند شد.

معمولاً جهت سهولت نصب و مونتاژ، تورک تیوب را به صورت چند تکه و در قالب مدول های متفاوت می اندازند. اتصالات این مدول ها به یک دیگر از اهمیت بالایی برخوردار است به لحاظ لقی ها و هم چنین شل شدن احتمالی در حین حفاری معمولاً تورک تیوب را با بازوهای افقی که کاملاً در برابر چرخش مقاومت دارند در چند نقطه نسبت به دکل ثابت می نمایند. حرکت تاپ درایوها دقیقاً در راستای محور قائم و در امتداد تورک تیوب می باشد یکی از نکات قابل اهمیت جهت کاهش زمان راه اندازی و نصب تاپ درایو سهولت نصب تورک تیوب است.

در شکل زیر طرح یک تورک تیوب ساده که از پلو حرکت قائم و عمودی تاپ درایو را کنترل می کند به همراه راهنمای مربوط نشان داده شده است.

شکل 8- طرح ساده ای از یک تورک تیوب

2-3 عملکرد تاپ درایو

در تاپ درایو مجموعه قوای محرکه که از موتور و گیربکس (Motor Drive) تشکیل شده است به همراه مفصل گردان بر روی گاید راهنما (Torque Tube) که نقش هدایت و حفظ راستای حرکت و تحمل نیروهای اعمال شده مخالف در حین حفاری را دارد نصب شده است. به این مجموعه مکانیزم حمل کننده لوله و ابزار باز و بسته کردن لوله (Torque Wrench) اضافه می شود. مکانیزم حفاری در تاپ درایو به شرح ذیل انجام می شود:

شکل 9- نمایی از یک نگه دارنده لوله جهت پیچاندن لوله بعدی آن

شکل 10- نمایی از یک آچار لوله جهت پیچاندن و باز کردن لوله ها از یک دیگر

لوله های حفاری به میزان طول لازم به یک دیگر متصل شده (معمولاً 3 عدد لوله) و در محل مخصوص (Mouse Hole) قرار می گیرند. تاپ درایو توسط حمل کننده (Pipe Hand Ler) لوله ها را از محل خود برداشته و به نقطه بالای دکل منتقل می شود. لوله های حفاری توسط این سیستم به زیر دستگاه تاپ درایو رفته و توسط مکانیزم اتصال لوله ها به تاپ درایو متصل می شود.

پس از این مرحله با حرکت موتور و اعمال نیروی قائم عملیات حفاری شروع شده تا زمانی که تاپ درایو به پایین ترین نقطه ممکن برسد. در این مرحله موتور محرک متوقف می شود و لوله ها که در داخل چاه قرار دارند توسط تجهیزات سرچاهی بر روی دهانه چاه محکم می شوند سپس انتهای لوله توسط دستگاه باز می شود و تاپ درایو مجدداً این سیکل را از مرحله برداشتن اولیه آغاز می کند.

در این قسمت ابتدا لوله حفاری جدید از قسمت پایین به رشته حفاری موجود در داخل چاه متصل شده و بعد در قسمت بالا و مانند نوبت قبل به دستگاه تاپ درایو متصل می شود. شکل زیر نحوه برداشتن لوله از مخزن لوله ها Mud Hoie، بستن آن به دستگاه و محل حفاری توسط Top Drive را انشان می دهد.

شکل 11- دستگاه تاپ داریو د رحال برداشتن لوله

شکل 12- تاپ داریو در حال حفاری

2-4 مزایای تاپ داریو

در این بخش بعضی از ویژگی های تاپ درایو در مقایسه با روش Rotary Table عنوان می شود.

کاهش زمان حفاری

از مزایای تاپ داریو حذف طول کلی (Klly) در زمان حفاری است در واقع اپراتور توانایی تشکیل یک رشته حفاری با طول حداکثر را به طور پیوسته دارد.

در طرح میز گردان همواره قسمتی از ارتفاع دکل توسط چه کسی اشتغال می شود که در طرح تاپ داریو دقیقاً به همان اندازه می توان لوله حفاری استفاده نمود.

برخورداری از دوران معکوس

با توجه به احتمال ایجاد موانع و مشکلاتی در حین حفاری در تاپ درایو به راحتی دور عکس قابل دستیابی است.

ایمنی

با توجه به این که همواره جا به جانب لوله ها به کمک مکانیزم های حمل کننده لوله انجام شده و حتی کنترل عملیات حفاری از راه دور مقدور می باشد ایمنی اپراتور بیشتر است.

تأمین نوع حفاری

امکان حفاری به صورت افقی و عمودی و تحت شرایط خاص به راحتی وجود دارد.

کنترل اتصال و انفصال لوله ها

با توجه به استفاده از مکانیزم حمل و بستن لوله و فراهم شدن شرایط مناسب جهت حفظ راستای لوله ها در هنگام بسته شدن و هم چنین با توجه به کنترل گشتاور در هنگام محکم کردن لوله ها عمر لوله حفاری بیشتر شده و زمان اتصال و انفصال کاهش پیدا می کند.

برقراری سریع تر جریان پمپ

در تاپ درایو با توجه به کوتاه تر شدن زمان اتصال و انفصال برقراری جریان پمپ مربوط به گل حفاری سریع تر صورت می گیرد. در نتیجه احتمال وقوع مشکلات مربوط به قطع گل حفاری به داخل چاه کمتر خواهد شد.

افزایش عمق حفاری

به لحاظ شرایط و توانایی خاص در بعضی تاپ درایو دستیابی به بیشترین عمق مقدور می باشد.

کاهش هزینه ها

سرعت بالاتر در عملیات حفاری و هم چنین زمان کمتر، هزینه عملیات حفاری را کاهش می دهد.

2-5 معایب تاپ درایو

در تاپ درایو از آن جایی که مسیرهای انتقال انرژی (برق هیدرولیک) در طول دکل حرکت دارند آسیب پذیری آنها خصوصاً در شرایط نامساعدی نگهداری شود قابل توجه می باشد.

با توجه به وزن قابل توجه کابل ها و شلنگ های گل حفاری پیش بینی تکیه گاه های قوی و قابل اطمینان علاوه بر افزایش هزینه باعث سنگین تر شدن تجهیزات حفاری و نهایتاً دکل خواهد شد.

با توجه به استفاده از سیستم های هیدرولیک در پکیچ های تاپ درایو، افت فشار ناگهانی در این سیستم ممکن است باعث اختلال در گرفتن و ثابت کردن لوله های حفاری شود. هم چنین، معمولاً محیط استفاده از دستگاه های TD خورنده است.

این موضوع می تواند باعث کاهش ایمنی شیرهای هیدرولیک شود.

از آن جا که استفاده از سیستم های هیدرولیک جهت برداشتن و نگه داشتن و بستن لوله ها از ضروریات این پکیچ ها می باشد خرابی و از کار افتادن آن ها عملکرد تاپ درایو را دچار مشکل و وقفه خواهد کرد.

با توجه به این که تاپ درایو سیتم جدیدتری نسبت به روش های جاری و مرسوم مانند Rotaty Table می باشد. هزینه سرمایه گذاری اولیه در آن ها بالاتر و حساسیت تعمیر و نگه داری نیز قابل توجه می باشد.