حفاري چرخشي

حفاری چرخشی

حفاری چرخشی رایج ترین و پرکاربردترین روش حفاری در صنعت نفت و گاز می باشد. هر چند اولین چاه های نفت به روش کابلی حفر شدند ولی از اوایل قرن بیستم برتری حفاری چرخشی آشکار شد. تحقیقات فراوانی در این مدت صورت گرفت و پیشرفت هایی که مخصوصاً در زمینه طراحی و ساخت مته های حفاری چرخشی به وجود آمد، سبب افزایش کارآیی و بهینه شدن این روش شد. تجهیزات این روش از زمان رواج آن تاکنون متحول شده و تغییرات فراوانی کرده است. به وجود آمدن شرایط ویژه حفاری مانند لزوم حفاری در آب های عمیق، سبب شده تغییراتی در روش داده شود و تجهیزات خاصی نیز ابداع گردد ولی اصول کلی روش هم چنان ثابت است. در این روش مانند سوراخ کاری در فلزات، از یک ابزار برنده در حال دوران برای سوراخ کردن و شکافتن زمن استفاده می شود. دوران ابزار که به آن مته گویند و حرکت رو به پایین آن باعث جدا شدن سنگ ها و سازندها می شود. مواد خرد شده نیز از طریق حرکت سیال مخصوص حفاری از اطراف مته دور شده و به مسلح زمین آورده می شوند.

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 پیوسته سیال حفاری به داخل چاه می باشد که باعث خرد شدن سازندهای صخره ای و حمل قطعات خرد شده به بیرون از چاه به وسیله جریان سیال می شود. به این ترتیب، روش حفاری چرخشی شبیه خط تولید پیوسته می باشد که به صورت دائمی 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 که به قسمت تحتانی لوله حفاری درست در بالای مته حفاری پیچ می شود تأمین می گردد. طوق مته به اتفاق لوله حفاری و مته حفاری، رشته لوله حفاری را تشکیل می دهند که توسط میز دوران (Rotary Table) و میله چهاربر (Kelly) و یا سیستم تاپ درایو (Drive Top) به چرخش در می آید. اجزاء رشته لوله حفاری تو خالی بوده و امکان جریان یافتن سیال از طریق آنها به مته حفاری وجود دارد. یک مفصل آب بند، هرزه گرد (Swivel) در قسمت فوقانی میله چهاربر قرار داده می شود و باعث اتصال لوله تخلیه پمپ گل حفاری و قسمت داخلی، رشته لوله حفاری می گردد. یک سیستم بالاب (Hoisting Syetem) جهت داخل کردن یا بیرون کشیدن رشته لوله حفاری از داخل چاه مورد نیاز است. این وظیفه بر عهده سازه دکل حفاری (Derrick)، قلاب و منجنیق حفاری می باشد. وجود امکانات بازیافت گل حفاری، به هنگام بازگشت آن به سطح زمین، منطقه ای جهت نگهداری لوله آلات (Goods Tubular) چندین پناهگاه و دفتر کار در سایت، مجموعه دکل حفاری را کامل می نماید.

علاوه بر این هم زمان با حفر چاه، آن را جداره گذاری می نمایند. جداره گذاری با لوله های فولادی که قطر آنها با افزایش عمق چاه نسبت عکس دارد و هر چه چاه عمیق تر گردد این قطر کاهش می یابد، انجام می شود. به محض خاتمه حفاری در اولین سازند، اولین قسمت از این لوله ها به داخل چاه فرستاده می شوند و سپس چاه سیمان کاری می گردد. یک محفظه جداره گذار (Casing Housing) در قسمت فوقانی اولین قسمت لوله های جداره گذاری قرار دارد. تمامی قسمت های بعدی لوله های جداره گذاری از این محفظه آویزان شده و در تکیه گاه خود به دیواره چاه سیمانه می شوند.

بعد از آن که اولین فاز از چاه حفاری شده جداره گذاری شد، حفاری با مته ای که قطر آن کوچک تر از قطر داخلی لوله جداره گذاری می باشد ادامه می یابد. هر چه عمق چاه بیشتر شده و قسمت جداره گذاری شده آن بیشتر شود قطر مته مورد استفاده کوچک تر خواهد شد. از محفظه 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 کمتری در این عملیات نیاز است. چرخش میز دوران باعث رانش مته حفاری توسط میله چهار بر و رشته لوله حفاری می گردد. حفار حرکت رو به بالا و پایین قلاب را توسط یک اهرم ترمز کنترل می نماید. براساس اصل حفاری چرخشی، وزنه اعمالی به مته های حفاری بایستی ثابت باشد. وزن تمامی قطعاتی که از قلاب آویزان می شوند ثابت بوده و حفار این اطلاعات را از طریق خواندن وزن اعمالی به مته در زمانی که 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 برنامه ارائه شده چک کرده و تنظیم می نماید و مراقب است تا فشار تخلیه پمپ مطابق برنامه بوده و طبق آن پیش رود. حرکت چرخشی توسط رشته لوله حفاری به مته منتقل می شود. رشته حفاری یک لوله تو خالی طویل می باشد که دو وظیفه مهم بر عهده 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 خنک کاری مته و انتقال ذرات خرد شده سنگ از ته چاه به سطح زمین استفاده می شود.

تجهیزات متسقر در سطح زمین ذرات خرد شده را از سیال جدا می نمایند و سیال تصفیه شده جهت استفاده مجدد در داخل چاه توسط یک پمپ به داخل چاه فرستاده می شود. چرخانیدن مته، اضافه کردن لوله جهت طویل تر کردن رشته لوله حفاری و داخل یا خارج نمودن آن ها در چاه و تصفیه و استفاده مجدد از سیال حفاری اصلی ترین و مهم ترین پروسه ها در حفاری یک چاه می باشند. تجهیزات لازم جهت انجام موارد مذکور شامل سیستم بالا بر (Hoisting)، سیستم گردش مجدد (Recycling) و اجراء چرخشی و یک سازه فولادی (دکل) جهت ایجاد تکیه 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 اندازه طول یک لوله حفاری توسط مته، بایستی لوله حفاری جدید به رشته لوله حفاری پیچ گردد تا طول آن افزایش یابد. این لوله به قسمت تحتانی میله چهار بر متصل می گردد.

در طول پروسه حفاری، خدمه حفاری یک لوله جدید را در داخل یک غلاف که غلاف لانه موشی (Mouse Hole) نامیده می شود و در نزدیکی میز دورانی واقع است قرار می دهند سپس، رشته لوله حفاری را به کمک منجنیق به قدری بالا می کشند به طوری که کل میله چهار بر بالاتر از سطح میز دوار قرار گیرد. سپس لوله گیر (Slips) در محل خود و در بالای اولین لوله کار کذاشته می شود. بدین ترتیب وزن رشته لوله حفاری توسط میز دورانی تحمل می گردد و در نتیجه امکان باز کردن میله چهار بر فراهم می شود. واضح است که در این حالت گردش گل حفاری متوقف شده است. سپس خدمه حفاری میله چهار بر را به انتهای لوله جدید حفاری که در داخل غلاف لانه موشی آماده بهر ه برداری است پیچ می کنند.

در مرحله آخر، خدمه حفاری میله چهار بر و لوله حفاری را به کمک منجنیق بادی بالا می کشند. سپس مجمع میله چهار بر و لوله جدید که به هم پیچ شده اند، به بالای رشته لوله حفاری معلق آورده می شوند و لوله جدید به رشته لوله حفاری پیچ می شود. حال مجموعه آماده بهره برداری است. خدمه حفاری جریان سیال حفاری را مجدداً برقرار می کنند. سپس میله چهار بر به میز دوران متصل شده و حفاری ادامه می یابد.

3) پیمایش (Round Trip)

زمانی که مته ساییده می شود یا چاه به طور کامل تا عمق مورد نظر حفاری می گردد رشته لوله حفاری می بایست از چاه خارج شود تا امکان 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. اولین قدم جهت انجام این کار، جدا کردن هرزه گرد از قلاب و قرار دادن میله چهار بر و هرزه گرد که هنوز توسط شلنگ به پمپ های گل حفاری متصل است در غلات لانه خرگوشی (Rat hole) می باشد. سپس رشته لوله حفاری را تا ارتفاعی معادل سه برابر طول یک لوله حفاری، توسط منجنیق بالا می کشند. لوله چهارم به کمک لوله گیر به میز دوران متصل و محکم می شود و به کمک آچار لوله (Tongs) سه لوله بالایی از بقیه رشته لوله حفاری جدا می شوند. سپس این سه لوله جدا شده از بالا بر آویزان می شود. خدمه حفاری انتهای پایینی این مجموعه سه لوله را هل می دهند تا از محل اتصال خود جدا شود. سپس مسئول دکل (Derrick Man) که در روی سکوی ایمنی (Board Monkey) ایستاده است. بالا بر را جدا نموده و انتهای فوقانی مجموعه سه لوله را در داخل خرک (Pipe Rack) قرار می دهد. جهت وارد کردن مجموعه به داخل چاه نیز همانند روش مذکور عمل می شود. واضح است که در طول عملیات پیمایش، چرخش مته و گردش جریان سیال متوقف می شوند.

4- جداره گذاری

بعد از آن که 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 سال های متمادی است. برای این کار ابتدا می بایست لوله های جداره گذاری را وارد چاه نمود. معمولاً قطر لوله های جداره گذاری کمی کمتر از قطر چاه انتخاب می شود. به همین دلیل فاصله بین جداره ها و دیوار چاه بسیار کم بوده و این عملیات بسیار حساس و مشکل می گردد. لوله های جداره گذاری یک یه یک در داخل چاه قرار داده 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 مهم ترین بخش های حفاری است.

5- نصب تجهیزات سرچاهی

بعد از اتمام عملیات جداره گذاری و سیمانه کردن چاه باید تجهیزات مورد نیاز آب بندی در قسمت فوقانی چاه نصب شود. در صورتی که تجهیزات سرچاهی در مکانی بالاتر از سطح زمین یا سطح ساحل دریا قرار دارند این عملیات به طور دستی انجام می شود. تجهیزات سرچاهی شامل یک شیر فورانگیر (BOP BLOW) Out Preventer می باشد که دارای یک سیستم پر فشار به نام لوله مهار (Line Kill) و لوله خفاشی (Choke Line) است.

6- تکمیل 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 توپک مجرا بند (Packer)، لوله استخراج (Tubing) و شیرهای ایمنی (Safety Valves) و غیره در داخل چاه قرار داده می شوند. ارتباط بین سازند مولد و چاه بایستی توسط حفاری، مشبک سازی (Perforation) اسید کاری (Acidizing) و شکاف برداری (Fracturing) بیشتر گردد.