حفاري ضربه اي

حفاري ضربه اي

سيستم هاي مختلف دكل حفاري :

در حفاري به روش دوراني ، دكل شامل بخش هاي مختلفي است كه هر يك از آن ها نيز خود از اجزاي ديگري تشكيل شده است . اين قسمت ها شامل :

1 ) سيستم دوراني (Rotational system)

2 ) سيستم تعليق (Hoisting)

3 ) سيستم گردش گل (Circulation system)

4 ) قسمت تامين كننده انرژي (Power system)

5 ) قسمت ايمني

6 ) ديده باني Monitoring

الف ) سيستم دوراني (Rotational system)

اين سيستم بر دو نوع است يك روش دوراني استفاده از دستگاه Top Drive است و روش ديگر به وسيله دستگاه ميزگردان (rotary table) است .

اجزاء سيستم دوراني عبارتند از : (از بالا به پايين)

1 – Kelly

يك لوله استوانه اي شكل است كه مقطع آن مربع يا شش ضلعي منتظم است . اين لوله ويژه ي روش حفاري با ميزگردان است و در روش Top Drive از آن استفاده نمي شود .

2 – ميزگردان (Rotary Table)

چرخش Kelly bushing كه روي ميزگردان قرار دارد باعث چرخش Kelly مي شود و با چرخش Kelly ، لوله هاي حفاري و در نتيجه مته شروع به چرخش مي كند . البته در روش Top drive بجاي ميزگردان از Top drive استفاده مي شود .

3– رشته هاي حفاري (drilling pipe) يا (drilling string)

رشته هاي حفاري ،‌ لوله هاي استوانه اي شكلي هستند كه داراي طولي در حدود 30 فوت هستند .

ابتدا 3 رشته حفاري به هم پيوند مي خورند كه به آن ها يك Stand گفته مي شود و سپس Standها به درون چاه فرستاده مي شوند .

4– Collar

لوله اي استوانه اي شكل است كه قطر و وزن آن نسبت به رشته هاي حفاري بيشتر است و از آن براي اعمال نيرو بر روي مته استفاده مي شود ، كاربرد ديگر آن شاقول كردن و يا در اصطلاح مركز كردن (centralize) مته در داخل چاه است .

5 – مته (Bit)

براي حفر سازندها از آن استفاده مي شود و داراي انواع مختلفي است مانند كاج دار ، الماس طبيعي و مصنوعي و غيره كه هر كدام كاربردها ، مزيت ها و معايب خاص خود را دارند .

عملكرد سيستم دوراني (Rotational system)

در سيستم rotary table ، يك موتور زير ميز گردان قرار دارد و موجب چرخش آن مي شود . چرخش Kelly bushing كه روي ميز گردان قرار دارد و درگير شدن دندانه هاي آن با دندانه هاي Kelly موجب چرخش Kelly مي شود و در نتيجه رشته هاي حفاري نيز شروع به چرخش كرده و در پايان چرخش را به مته منتقل مي كنند ،‌ انتقال چرخش به مته نيز امكان حفاري سازند را مي دهد .

اما در روش Top Drive ، هيچ يك از بخش هاي ميزگردان ، Kelly و Kelly bushing ، وجود ندارند و لوله هاي حفاري به طور مستقيم به موتوري پيوند مي خورند كه چرخش آن ها توسط اين موتور انجام مي گيرد .

از آن جا كه با اين روش سرعت تعويض رشته هاي حفاري و اضافه و كم كردن آن ها بيشتر است ، اين روش امكان حفاري با سرعتي بيشتر از روش ميزگردان را به حفار مي دهد .

ب ) سيستم تعليق (system Hoisting)

اجزاء اين سيستم شامل :

1 – اسكلت دكل (derrick)

كه تمام اجزاء دكل روي آن سوار مي شوند .

2 – تاج دكل (Crown block)

در واقع جعبه اي است كه داخل آن چنديد قرقره ثابت قرار مي گيرد .

3 – جعبه متحرك ( traveling block)

اين بخش نيز همانند تاج دكل جعبه اي است كه داخل آن چندين قرقره قرار مي گيرد و فرق آن با Crown block در اين است كه Crown block ثابت است اما traveling block متحرك است .

4 – موتور متحرك (draw work)

موتوري است كه سيم هاي نگهدارنده را دور قرقره كه در داخل خود قرار دارد ،‌جمع يا باز مي كند .

5 – قرقره ذخيره (storage reel)

قرقره اي است كه سيم هاي نگهدارنده ذخيره ، بدور آن جمع مي شوند .

6 – سيم هاي نگهدارنده

سيم هايي هستند كه نيرو را از draw work به قسمت هاي ديگر منتقل كرده و باعث بالا و پايين رفتن لوله ها داخل چاه مي شوند .

به بخشي از سيم كه از draw work خارج مي شود و به تاج دكل مي رسد fast line گفته مي شود .

به بخش آخر سيم هاي نگه دارنده dead line گفته مي شود .

7 – قلاب (hook)

از اين ابزار در سيستم هاي ميزهاي گردان استفاده مي شود و براي آويزان كردن swivel به traveling block مورد استفاده قرار مي گيرد .

8 – هرزگرد (swivel)

اين ابزار نيز در سيستم ميز گردان مورد استفاده قرار مي گيرد و در واقع هرزگردي است كه باعث مي شود Kelly براحتي داخل swivel بچرخد .

عملكرد سيستم تعليق (system Hoisting)

حركت جعبه ي متحرك ، موجب حركت رشته هاي حفاري كه به قلاب متصل به جعبه ي متحرك پيوند خورده اند ، مي شود . از كاركردهاي سيستم تعليق اين است كه وزن روي مته را تنظيم مي كند يعني با معلق نگه داشتن رشته هاي حفاري ، وزن روي مته را به صفر و با به پايين حركت دادن آن ها ،‌ وزن روي مته را افزايش مي دهد . از كارهاي ديگر آن داخل و خارج كردن لوله هاي حفاري جهت مقاصد مختلف مانند اضافه كردن لوله هاي حفاري ، تعويض مته و مقاصد ديگر است .

عملكرد سيستم اين گونه است كه سيم هاي نگهدارنده از draw work خارج شده و به داخل Crown block مي رود و به دور قرقره هاي درون traveling block و Crown block مي پيچد و سپس به يك قرقره ثابت در سمت ديگر دكل منتقل مي شود و در نهايت به پايه دكل حفاري در همان سمت محكم مي شود ، انتهاي سيم به دور قرقره ذخيره پيچيده مي شود كه اگر سيم فرسوده شد سيم را تعويض كنند .

ج ) سيستم گردش گل حفاري (Circulation system)

اجزاء تشكيل دهنده اين سيستم شامل :

1 – پمپ هاي گل (pumps)

كه گل را با فشار به داخل رشته هاي حفاري و از آنجا به درون چاه پمپ مي كند .

2 – Stand pipe

لوله اي عمودي كه گل از آن به داخل Kelly hose منتقل مي شود .

3 - Kelly hose

شيلنگ مرتجعي است كه گل حفاري را از Stand pipe به Kelly منتقل مي كند .

4 – Kelly و رشته هاي حفاري

كه گل از درون آنها به مته مي رسد و سپس وارد فضاي حلقوي بين رشته هاي حفاري و ديواره چاه مي شود .

5 – فضاي حلقوي (annulus)

گل حفاري به همراه كنده هاي حفاري از داخل فضاي حلقوي چاه به سطح مي رسند . در واقع به فضاي بين رشته هاي حفاري و ديواره چاه ، فضاي حلقوي گويند .

6 – Shale shake

غربالي است با مِش هاي مختلف كه هر كدام كنده هاي حفاري با سايزهاي مختلف (در حد بزرگ تر از ماسه و رس) را از گل جدا مي كنند .

7 – Desilter و desander

قسمت هاي ريز كنده هاي حفاري ، در سايزهاي رس و شن كه توسط Shale shaker قابل جدا شدن نيستند ، را جدا مي كنند .

عملكرد سيستم گردش گل حفاري (Circulation system)

در هر دكل به طور معمول 3 پمپ وجود دارد ، معمولا 1 پمپ آن standby (خاموش ، اما آماده براي استفاده ) و 2 پمپ آن روشن است . با پمپ كردن گل حفاري از محفظه گل ، گل بداخل Stand pipe منتقل مي شود و سپس از طريق آن به Kelly hose كه يك شلنگ مرتجع است ، منتقل مي شود . به دليل ارتجاعي بودن اين شلنگ از نوسان swivel جلوگيري مي شود . گل حفاري بعد از Kelly hose بداخل Kelly و از آن جا به رشته هاي حفاري و مته منتقل مي شود . گل خارج شده از مته به همراه كنده هاي حفاري از داخل فضاي حلقوي (annulus) به سطح مي رسد و از آن جا كه گل حفاري ما به كنده هاي حفاري آلوده شده است ، اين كنده ها توسط desilter , shale shaker ,desander جدا شده و گل حفاري دوباره توسط پمپ به داخل چاه فرستاده مي شود .

د ) سيستم قدرت

اين سيستم برق و نيروي محركه مورد نياز براي حفاري را فراهم مي كند كه شامل ترانزيستورهاي مختلفي با توان هاي متفاوت است .

ه )سيستم كنترل كننده (Controlling system)

اجزاي اين سيستم شامل :

1 – لوله هاي جداري (Casing)

لوله هاي جداري وظايف مختلفي را بر عهده دارند به عنوان مثال جدا كردن سازندهاي مختلف از يكديگر ،‌ جلوگيري از امتزاج سيالات سازندهاي مختلف و غيره . اين لوله هاي جداري توسط سيمان به ديواره چاه مي چسبند و از بالا نيز نگه داشته مي شوند .

انواع لوله هاي جداري عبارتند از :

لوله هادي (Conductor pipe )

كه دكل حفاري روي آن سوار مي شود .

لوله جداري سطحي ( surface casing )

كه مانع از امتزاج نفت و سيالات حفاري با سفره ي آب هاي زيرزميني و آلوده شدن اين آب ها مي شود .

لوله هاي جداري ميانه ( Intermediate )

اگر خواستيم در مسير حفاري سازندي را از سازندهاي ديگر جدا كنيم از آن استفاده مي كنيم .

لوله جداري توليدي ( production casing )

كه در قسمت مخزني چاه نصب مي شود و هنگام بهره برداري آن را سوراخ مي كنند و از آن بهره برداري مي كنند .

آستري (Liner)

اين نوع لوله هاي جداري تا سطح كشيده نمي شود بلكه تا پايين ترين قسمتي كه لوله جداري قبلي گذاشته شده است ادامه دارد .

2 – فوران گيرها (BOP) (blow out preventor)

فوران گير ابزاري است كه از يك بدنه اصلي و تعدادي شير كنترل تشكيل شده است و طي عمليات حفاري روي سر آخرين لوله جداري كه در چاه رانده شده بسته مي شود . بخش هاي مختلف فوران گير شامل شيرهاي ورودي و خروجي گل ، شير ورودي سيمان ، shear rams و Blind rams و annulus preventor است .

shear rams وسيله اي است كه هر گاه چاه دچار فوران شد و نتوانند فوران آن را كنترل كنند ، اين ابزار از سر چاه لوله ها را مي برد و دهانه چاه را به طور كامل مي بندد . اين ابزار بيشتر در چاه هاي مخازن گازي كاربرد دارد .

Blind rams هر گاه فوراني صورت گيرد و سيالي از داخل لوله هاي حفاري به خارج چاه فوران كند اين ابزار قسمت دهانه لوله حفاري را مچاله مي كند و مانع خارج شدن سيال از اين طرق مي شود .

annulus preventor هر گاه فوران از طريق فضاي حلقوي صورت گيرد اين ابزار به اطراف لوله هاي حفاري محكم مي شود و فضاي حلقوي بين لوله هاي حفاري و ديواره چاه را مي بندد .

و ) Monitoring

تمام فشارها در تمامي فشارسنج ها بصورت ديجيتال روي صفحه نمايشگر (monitor) در جلوي Company man قرار دارد و اين شخص مي تواند تمامي آنها را چك كند اين اطلاعات شامل فشار ، وضعيت پمپ ها ، عمق حفاري ، وزن روي مته و غيره مي باشد .

انواع دكل هاي حفاري

انواع دكل هاي حفاري عبارتند از :

1 – دكل هاي خشكي (onshore)

دكل هاي خشكي خود با توجه به قابليت هاي حفاري و عمقي كه مي توانند حفاري كنند به انواع زير تقسيم مي شوند :

1 – 1 – دكل هاي سبك (light)

2 – 1 – دكل هاي سنگين (heavy)

3 – 1 – دكل هاي فوق سنگين (super heavy)

4 – 1 – دكل هاي قابل حمل (portable)

2 – دكل هاي دريايي (offshore)

به انواع مختلفي تقسيم مي شوند كه شامل :

1 – 2 ) شناور

2 – 2 ) غيرشناور

انواع دكل هاي شناور عبارتند از :

1 – 1 – 2 submersible (كشتي حفاري )

در اين نوع ، حفاري روي كشتي انجام مي شود كه نيازمند برخورداري از تكنولوژي بسيار بالايي ست

2 – 1 – 2 semi- submersible

در روش semi- submersible محفظه هاي هوايي وجود دارد كه دكل روي اين محفظه ها قرار گرفته است و روي آب شناور مي ماند ؛ هر چه اين محفظه هاي بزرگ هوا را خالي و بيشتر از آب پر كنيم سطح سكوي حفاري ما پايين تر مي آيد . و به اين طريق مي توان سطح سكوي حفاري را تنظيم كرد .

2 – 2 – دكل هاي غير شناور

اين دكل ها شامل :

1 – 2 – 2 Platform

دكل هاي ثابتي هستند كه بعد از حفاري ديگر كاربردي ندارند و نمي توان آن ها را حمل و منتقل كرد .

2 – 2 – 2 Jack- up

در اين نوع ارتفاع platform (سكوي حفاري ) قابل تنظيم است و مي توان با توجه به ارتفاع موج هاي دريا كه در منطقه ايجاد مي شود ، سطح سكوي حفاري را بالا يا پايين آورد .

مشكلات حفاري

ورود سيالات از سازندها به درون چاه (blow out)

گلي كه در داخل چاه فرستاده مي شود داراي فشار مشخصي است كه با استفاده از اين فشار سازندها و سيالات موجود در اين سازندها را كنترل مي كنند . اگر فشار گل كمتر از فشار سازند باشد ، باعث مي شود سيالات موجود در اين سازندها به درون چاه نفوذ كنند . اگر اين سيال گاز يا بخار آب باشد ، بسيار خطرناك است ؛ حتي اگر سيال وارد شده مايع باشد نيز زيان آور است و باعث تغيير ماهيت گل ما مي شود و مي تواند گل ما را از بين ببرد . به پديده وارد شدن سيالات از سازندها به داخل گل blow out گويند .

از دست رفتن گل (mud loss)

اين فرآيند عكس فرآيند blowout است يعني فشار گل به حدي زياد است كه گل حفاري به داخل سازند نفوذ مي كند و باعث هدر رفتن گل حفاري مي شود . اگر اين امر در لايه ي مخزن اتفاق بيافتد ، باعث پر شدن خلل و فرج مخازن نفت و گاز توسط قسمت هاي جامد گل حفاري (mudcake) كه در اصطلاح گل كبره اي گفته مي شود شده و از ميزان بهره دهي مخزن كاسته مي شود . در بهترين حالت از دست رفتن گل حفاري ، باعث ايجاد خسارت مالي مي شود . بايد يادآور شد كه گل حفاري پيچيده ترين سيالي است كه بشر به آن دست يافته است و ماده ارزان قيمتي نيست .

هرز رفتن آب گل حفاري (filler loss)

گاهي گل به طور كامل وارد سازند نمي شود و فقط آب آن داخل سازند مي شود و اين امر باعث خراب شدن گل حفاري مي شود و كارايي گل حفاري را كاهش مي دهد .

گل حفاري داراي كارآيي هاي زير است :

1 ) اصطكاك بين مته و لايه هاي سنگي را كم مي كند تا حفاري روان تر پيش رود و مته در سنگ گير نكند .

2 ) حرارت ناشي از اصطكاك بين مته و لايه هاي سنگي را به سر چاه منتقل مي كند .

3 ) خرده سنگ هاي ناشي از حفاري را كه در صورت ماندن در ته چاه به رشته حفاري گير كرده و منانع حركت آن مي شوند ، از چاه بيرون مي آورد .

4 ) گل كبره اي (mud cake) جداره اي بر ديواره ايجاد مي كند . در اين صورت برخي از لايه هاي سنگي ( غير مخزني ) كه سست و ناپايدارند و ممكن است دهانه ي چاه در محل آن ها با مشكل ريزش يا گرفتگي مواجه شود ، با اين جداره پوشش پايدار مي شوند .

5 – در مسير رسيدن به لايه مخزني ، چاه از ميان لايه هاي زيادي عبور مي كند بعضي از اين لايه هاي خود متخلخل و در برگيرنده مقداري سيال هستند . فشاري كه ستون گل حفاري بر ديواره ي چاه وارد مي كند ، سبب مي شود اين سيالات وارد چاه نشوند . شايد اين مهمترين كاركردي باشد كه گل حفاري در مرحله ي حفاري دارد .

گير كردن ابزار حفاري درون چاه

ممكن است در حين حفاري يا كارهاي ديگري كه درون چاه انجام مي شود ، برخي از ابزارهاي حفاري درون چاه گير كنند و يا به درون آن بيافتند ، متداول ترين آن ها گير كردن رشته هاي حفاري به ديواره چاه است كه به آن stacking گويند . همچنين ممكن است قطعه اي به درون چاه بيافتد كه در اين صورت بايد با روش ها و ابزارهاي مانده يابي (Fishing) آن قطعه را خارج كرد .

ريزش لايه ها درون چاه

در حين حفاري ممكن است به لايه هايي برسيم كه بسيار سست هستند و به درون چاه ريزش مي كنند ، يا ممكن است لايه اي كه حفاري مي كنيم از جنس رس باشد و در تماس آب گل حفاري با آن سازند ، افزايش حجم پيدا كنند و چاه را ببندد . روشي كه براي حل اين مشكل پيشنهاد مي شود ؛ اين است كه تا جايي كه امكان دارد از گلي با پايه هاي روغني استفاده شود و سازند نيز سريعا توسط لوله جداري (Casing) پوشانده شود . اما اگر سازند ، سست باشد به درون چاه ريزش مي كند و ممكن است باعث مدفون شدن مته حفاري نيز شود . روشي كه براي جلوگيري از اين مشكل پيشنهاد مي شود اين است كه گل حفاري را طوري طراحي كنند كه در محل سازند سست ، گل كبره (mud cake) زيادي ايجاد شود و مانع ريزش سازند شود .

تكنولوژي روش هاي حفاري

انواع روش هاي حفاري از نظر جهت حفاري عبارتند از :

حفاري عمودي (vertical drilling)

در اين روش حفاري بصورت عمودي نسبت به سطح زمين انجام مي شود اما در هر حفاري يك انحراف از مسير (drift) وجود دارد كه در روش عمودي اين انحراف بايد خيلي كم و در حد 1 درجه تا 2 درجه باشد.

حفاري انحرافي (Slant well)

در اين روش حفاري نسبت به محور عمود بر سطح زمين داراي زاويه مي باشد حتي ممكن است در حفاري عمودي در يك قسمت به عنوان نمونه رشته هاي حفاري به ديواره چاه گير كنند و نتوان آنها را آزاد كرد و مجبور شويم آن قسمت لوله هاي حفاري كه به ديواره چاه گير كرده است را قطع كنيم و پس از سيمان كردن آن قسمت با استفاده از روش حفاري انحرافي اين منطقه را دور زده و دوباره در مسير حفاري قبلي بازگرديم .

حفاري افقي (Horizontal drilling)

در اين روش ، حفاري با زاويه 90 درجه نبست به محور چاه انجام مي شود . اين نوع حفاري مي تواند در سنگ مخزن بسيار بصرفه باشد چرا كه سطح تماس مخزن را با چاه افزايش داده و در نتيجه باعث برداشت بيشتر و بهتر از مخزن مي شود ، اما اين روش نياز به تكنولوژي بالايي نيز دارد .

Multi lateral Drilling

اين روش بيشتر در چاه هايي مورد استفاده قرار مي گيرد كه بر روي دريا قرار دارند (offshore) يا همان سكوهاي نفتي و گازي دريايي . به اين ترتيب كه از يك سكو در جهت هاي مختلف حفاري انجام مي شود هم زمان مي توان چندين نقطه در يك مخزن يا مخازن مختلف را حفاري كرد .

حفاري زير فشار : (Under Balance Drilling)UBD

اين روش داراي سرعت حفاري بسيار بالايي است ، در اين تكنيك فشار گل حفاري را با رعايت استانداردها و ملاحظات مختلف كه باعث فوران چاه نشود به زير فشار سازند و سيال موجود در آن مي رسانند . كاربرد اصلي اين روش در حفاري سازندهاي سخت مي باشد به اين ترتيب كه اگر فشار روي اين سازندها كم باشد فشار خود سازند موجب پاشيده شدن سازند مي شود و سرعت حفاري را تا حد زيادي بالا مي برد البته اين روش نياز به تكنولوژي پيشرفته اي دارد .