آشنايي با لوله جداري

در گذشته جهت استفاده از آبهاي زير زميني ، انسان ناچار به حفر چاه و قنات بود . اما ريزش ديواره چاه در حين حفاري و پس از آن يكي از مشكلات موجود براي انجام اين عمليات به شمار مي رفت .

اولين راه حل به منظور جلوگيري از ريزش چاه ، اندود كردن ديواره چاه بود ، كه بدليل نداشتن ملات و موادذ اضافي ضد آب امكان ريزش چاه از بين نمي رفت و ريزش چاه فقط كمي بتعويق مي افتاد . راه حل بعدي سنگ ديواره چاه بود و بعد ها از خشت پخته و حالت گرفته شده استفاده شد كه در زمان خود اقدامي موفق بود بطوريكه امروزه چاه ها و قنواتي يافت مي شوند كه پس از گذشت ساليان متمادي خشتهاي دور چين آنها هنوز پا برجاست.

کاربرد در صنایع نفت وگاز

در فرآيند حفاري چاه نفت وگاز ، به منظور حفاظت ديواره چاه در مقابل ريزش و جلوگيري از نفوذ سيالات تحت فشار ساختار دروني زمين ، جداره استفاده مي شد . ولي امروزه به دليل خوردگي سريع جداره ها و ايجاد مشكلات ناشي از آن ، جداره ها از آلياژهاي فولادي مختلف توليد مي شوند.

روشهاي جداره گذاري چاههاي نفت و گاز در سالهاي اخير بسيار پيشرفت كرده و پيچيده گرديده اند . در جستجو و كاوش براي نفت و گاز بيشتر ، چاه هاي عميق تري حفاري شده و همراه با آن روشهاي جداره گذاري بهبود يافته تا بتوان بر شرايط سخت تري كه دراعماق زمين حاكم است ، غلبه نمود.

رشته هاي جداري

لوله جداري ، لوله فولادي بسيار مقاوم از جنس فولاد آلياژي مي باشد كه با سه محدوده طولي ( 35 – 25 ، 25 – 16 يا 48 – 34 فوت ) در چاه هاي نفت و گاز به عنوان پوشش سطح داخلي چاه استفاده مي شود . لوله جداري بخشي از لوله هاي صنايع نفت و گاز (Tubular Goods OCTG – Oil Country ) مي باشد.

وظایف لوله جداری

1- جلوگيري از فرو ريختن و شسته شدن چاه

2- جلوگيري از آلوده شدن سفره هاي آب آشاميدني زيرزميني توسط سيالات لايه هاي پايين تر و سيال حفار

3- جداسازي سازنده هاي مختلف از يكديگر

4- منحصر كردن توليد به يك سازند

5- كمك به فراهم كردن اطلاعات لازم در كنترل فشار چاه ايجاد مسير جريان براي سيالات توليد شده

انواع رشته هاي جداري از نظر كاربرد آنها در چاه

1- رشته جداري سطحي (Surface Casing String)

2- رشته جداري مياني (Intermediate Casing String)

3- رشته جداري توليد (Production Casing String)

Surface Casing String

رشته جداري سطحي از فروريختن ساختار ضعيف زمين در مكانهاي كم عمق ، جلوگيري ميكند . همچنين وجود اين رشته در ايزوله كردن آب شيرين و جلوگيري از آلودگي آن با سيالات لايه هاي پايين تر و سيال حفاري بسيار مهم مي باشد . طول رشته جداري سطحي ممكن است فقط 200 فوت باشد . اما گاهي اوقات با توجه به شرايط محلي ، احتمال دارد ، تا چند هزار فوت نيز برسد.

Intermediate Casing String

مهمترين وظيفه رشته جداري مياني ، حفظ و بقاي چاه مي باشد كه به آن رشته جداري محافظ

(Protection Casing String)نيز مي گويند. براي يك حفر چاه معمولا ً چند رشته جداري مياني به كار مي رود كه اين رشته جداري ممكن است از سطح زمين تا عمق 7000 فوتي امتداد يافته باشد.

Production Casing String

رشته جداري توليد ، مخازن مختلف توليد را از يكديگر جدا كرده ، امكان كنترل آنها را فراهم مي كند و اجازه انتخاب يك مخزن ، از ميان مخازن مختلف توليد را مي دهد . همچنين اين رشته از رشته مغزي (Tubing) محافظت مي كند . رشته جداي توليد معمولا ً طولاني ترين ، سنگين ترين و آخرين رشته جداري مي باشد ، بنابراين بايد از لوله هاي فولاد آلياژي مقاوم تشكيل گردد . از طرفي يك نشستي كوچك در اين لوله مي تواند منجر به فوران چاه شود . پس از اتصالات رزوه دار جداره توليد بايد براي مقابله با فشارهاي احتمالي مقاوم باشند.

معمولا ً يك رشته جداري از چند لوله جداري با وزنها و گريدهاي مختلف تشكيل ميشوند .

تنش هاي وارده بر لوله هاي جداري

هنگام راندن (Running) لوله جداري در چاه ، سه نيروي اصلي بر لوله اعمال مي گردد.

1- تنش كششي (Tensile Tension)

2- فشار فروپاشي (Collapse Pressure)

3- فشار تركشي (Burst Pressure)

Tensile Tension

اين تنش از نيروي وزن رشته اي جداري نتيجه ميشود و باعث كشش در لوله جداري مي گردد . همچنين ، در اثر تنش كششي مقاومت لوله در مقابل فشار فروپاشي (Pressure Collapse) كاهش مي يابد.

Collapse Pressure

فشار فرو پاشي عبارت است از فشار خارجي كه تمايل به فروپاشي لوله جداري دارد و عموما ً نتيجه فشار هيدرواستاتيك مي باشد . فروپاشي رشته جداري ، اغلب در زمان عمليات تزريق سيمان رخ مي دهد .

Burst Pressure

فشار تركشي عبارت است از فشار داخلي كه تمايل به تركاندن لوله جداري دارد . معمولا ً در بالاترين لوله جداري ( نزديك به سطح ) ، فشار تركشي بالا مي باشد.

مشخصات فني لوله هاي جداري

لوله جداري بر اساس پنج خصوصيت دسته بندي ميگردد:

1- قطر خارجي

2- ضخامت ديواره

3- جنس لوله

4- نوع اتصال

5- محدوده طولي(Length Range)

وزن واحد طول لوله ، يكي ديگر از خصوصيات مي باشد كه بر اساس ضخامت ديواره و قطر خارجي مشخص مي شود . مشخصات فني لوله هاي جداري بر اساس استاندارد API SPEC 5CT انتخاب مي گردند .

گريدهاي لوله هاي جداري

استاندارد API SPEC 5CT ، ده نوع (Grade) از لوله هاي جداري را به رسميت مي شناسد .

خصوصيات مكانيكي

نوع (Grade) لوله جداري بر اساس مقاومت تسليم آنها مشخص مي گردد . مقاومت تسليم (نهايي) معادل تنش كششي لازم براي ايجاد تغيير طول كلي نمونه هاي استاندارد مي باشد، كه مقادير تغيير طول كلي ، توسط دستگاههاي اندازه گير ويژه محاسبه مي شوند . گاهي اوقات گريدهاي مشخص شده در استاندارد API جوابگوي نيازها نمي باشد ( به عنوان مثال چاهي كه قدرت خورندگي بالايي دارد ) . براي رفع اين مشكل ، سازندگان لوله جداري ، لوله هايي با خصوصيات خاص توليد مي كنند كه NON-API CASING Grades ناميده مي شوند.

تركيب شيميايي

لوله و كوپاينگ هايي كه برطبق مشخصات فني نوع API SPEC 5CT توليد مي شوند بايد بر طبق الزامات شيميايي مشخص شده در جداول استاندارد موردتأييد قرار گيرند.

مشخصات ابعادي و وزني لوله جداري

بر طبق استاندارد API SPEC 5CT قطر خارجي لوله جداري از 5/4 تا 20 اينچ ، ضخامت آن از 205/0 تا 875/0 اينچ و وزن واحد طول آن از 5/9 تا 133 پوند بر فوت تغيير ميكند.

اتصالات لوله جداري

1- رزوه اي و كوپلينگي (Threaded and Coupled)

2- اكستريم لاين (Extreme Line)

رزوه اي و كوپلينگي (Threaded and Coupled)

كوپلينگ و لوله جداري با رزوه باترس

1- كوپلينگ و لوله جداري با رزوه گرد بلند

2- كوپلينگ و لوله جداري با رزوه گرد كوتاه

اكستريم لاين (Extreme Line)

در اين نوع از اتصال انتهاي لوله را با عمليات كله زني (Upsetting) ضخيم تر كرده و سپس قسمت ضخيم شده را رزوه مي كنند . اكستريم لاين به اتصالات كوپلينگي و رزوه اي در مقابل فشار تركشي مقاوم تر مي باشد.

اتصالات خاص لوله جداري

سازندگان ، اتصالات خاص علاوه بر اتصالات مورد اشاره در استاندارد API SPEC 5CT براي لوله هاي جداري طراحي كرده اند كه زمانيكه مقاومت و استحكام بيشتري در مقابل نشتي و فشار ، مورد نياز است ، مورد استفاده بيشتري مي گيرند.

خصوصيات اتصالات خاص لوله جداري

1- استفاده از كوپلينگ يا box با رينگ آب بند تفلوني

2- استفاده از شكلهاي خاص رزوه

3- تقويت داخلي (Internal Upset)

4- تقويت خارجي (Eternal Upset)

5- اتصالات يكپارچه (Integral Joints)

6- اتصالات هم تراز (Flush Joints)

نوع متداول اتصالات

اتصالات Premium نمونه هايي هستند كه اكثر شركتهاي سازنده ، از آنها استفاده مي كنند. اين اتصال از آب بند (Seal) استفاده كرده و انتهاي قسمت رزوه با زاويه 15 درجه قرار ميگيرد و معمولا ً در شرايطي خاص ، مثل چاه هاي عميق ، چاه هاي با انحراف زياد و محيط هاي خورنده ، در رشته جداري توليد و مغزي (Tubing) كاربرد دارد.

فرآيند ساخت لوله هاي جداري

لوله هاي جداري بايد بر اساس استاندارد API SPEC 5CT از طريق يكي از دو روش ، بدون درز(Seamless) يا جوش الكتريكي (Electric Weld) ساخته شوند:

1- لوله بدون درز(Seamless Pipe)

2- لوله با درز جوش الكتريكي

عمليات حرارتي لوله جداري

پس ار توليد لوله بدون درز يا جوشكاري شده الكتريكي و پيش از رزوه زني ، فرآيند عمليات حرارتي لوله جداري بايد براي برخي از گريدهايي كه در در خواست خريدار معين شده و بر اساس يك روال مستند شده است.

گروه بندی ها

گروه 1 (Group 1 )

لوله و كوپلينگ گريد N بايد نرماله گردد يا با انتخاب سازنده ، نرماله و بازپخت (Tempered) يا كوئنچ (Quench) و بازپخت گردد . لوله هاي جداري با گريد K,J و لوله مغزي با گريد J اگر در درخواست خريد معين شده باشد بايد تحت عمليات حرارتي قرار گيرند.

گروه 2 (Group 2 )

زمانيكه خريدار درخواست كرده باشد ، سازنده بايد مدركي ارائه كند كه عمليات بازپخت (Tempering) تا رسيدن به مينيمم دماي مشخص شده انجام شود .

گروه 3 و 4 (Group 3 , 4 )

لوله و كوپلينگ هاي ساخته شده بر اساس API SPEC 5CT بايد كوئنچ (Quench) و بازپخت (Temper) گردند.

استاندارد

انجمن نفت آمريكا استاندارد ها و التزامات زير را براي طراحي ، ساخت و استفاده از لوله هاي جداري تدوين كرده است :

1 - API SPEC 5CT, "Specification for Casing and Tubing“

2 - API BULLETIN 5CT, "Bulletin on performance properties of casing, tubing, and drill pipe“

3 - API SPEC 5B, "Specification for Threading, Gauging, and Thread Inspection of Casing, Tubing, and Line Pipe Threads“

4 -API RP5CI,"Recommended for care and use of casing and tubing“

5 –API BULTTING 5C3,"bulltine on formulas and calculation for casing, tubing, Drill pipe and line pipe properties"