آشنایی با مبانی حفاری چاه‌های نفت و گاز

امروزه در صنعت نفت، صنعت حفاری حرف اول را می‌زند و ملاک قدرت شرکت‌های نفتی محسوب می شود. حفاری به ۲ روش انجام می‌شود:
۱) حفاری دورانی (rotational drilling)
۲) حفاری ضربه‌ای (Cable tool drilling)
امروزه حفاری ضربه‌ای کاربرد زیادی ندارد و تقریبا تمامی چاه‌ها به روش حفاری دورانی (rotational drilling) حفر می‌شوند.در این مقاله به توضیح روش حفاری دورانی و تکنولوژی‌های مختلف آن می پردازیم
▪ سیستم های مختلف دکل حفاری:
در حفاری به روش دورانی، دکل شامل بخش‌های مختلفی است که هر یک از آن‌ها نیز خود از اجزای دیگری تشکیل شده است. این قسمت‌ها شامل:
۱) سیستم دورانی (Rotational system)
۲) سیستم تعلیق (Hoisting)
۳) سیستم گردش گل (Circulation system)
۴) قسمت‌ تامین کننده انرژی (Power system)
۵) قسمت‌ ایمنی
۶) دیده‌بانی Monitoring
الف) سیستم دورانی (Rotational system)
این سیستم بر دو نوع است یک روش دورانی استفاده از دستگاه topdrive است و روش دیگر به وسیله دستگاه‌ میزگردان (rotary  table)است اجزاء سیستم دورانی عبارتند از: (از بالا به پایین)
۱) Kelly  
یک لوله استوانه‌ای شکل است که مقطع آن مربع یا شش ضلعی منتظم است. این لوله ویژه‌ی روش حفاری با میزگردان است و در روش topdrive از آن استفاده نمی‌شود.
۲)میزگردان (Rotary Table)
‌ چرخشKelly bushing که روی میز گردان قرار دارد باعث چرخش kelly می‌شود و با چرخش kelly، لوله‌های حفاری و در نتیجه مته شروع به چرخش می‌کند. البته در روش Topdrive بجای میزگردان از topdrive استفاده می‌شود.
۳) رشته‌های حفاری (drilling pipe) یا (drilling string)
رشته‌های حفاری، لوله‌های استوانه‌ای شکلی هستند که دارای طولی در حدود ۳۰ فوت هستند. ابتدا ۳ رشته حفاری به هم پیوند می خورند که به آن‌ها یک Stand گفته می‌شود و سپس stand ها به درون چاه فرستاده می‌شوند.
۴ ) Collar
لوله‌ای استوانه‌ای شکل است که قطرو وزن آن نسبت به رشته‌های حفاری بیشتر است و از آن برای اعمال نیرو بر روی مته استفاده می‌شود، کاربرد دیگر آن شاقول کردن و یا در اصطلاح مرکز کردن(centralize) مته در داخل چاه است.
۵) مته (Bit)
برای حفر سازندها از آن استفاده می‌شود و دارای انواع مختلفی است مانند کاج‌دار، الماس طبیعی و مصنوعی و غیره که هر کدام کاربردها ، مزیت‌ها و معایب‌ خاص خود را دارند.
ـ عملکرد سیستم:
در سیستم rotary table، یک موتور زیر میز گردان قرار دارد و موجب چرخش آن می‌شود. چرخش kelly bushing که روی میزگردان قرار دارد و درگیر شدن دندانه‌های آن با دندانه‌های Kelly موجب چرخش Kelly می شود و در نتیجه رشته‌های حفاری نیز شروع به چرخش کرده و در پایان چرخش را به مته منتقل می‌کنند، انتقال چرخش به مته نیز امکان حفاری سازند را می‌دهد.
اما در روش Top Drive، هیچ یک از بخش‌های میزگردان، kelly و kelly bushing، وجود ندارند و لوله‌ها ی حفاری به طور مستقیم به موتوری پیوند می‌خورند که چرخش آن‌ها توسط این موتور انجام می‌گیرد.
از آن‌جا که با این روش سرعت تعویض رشته‌های حفاری و اضافه و کم کردن آن‌ها بیشتر است، این روش امکان حفاری با سرعتی بیشتر از روش میزگردان را به حفار می‌دهد.
ب) سیستم تعلیق (Hoisting system)
اجزاء این سیستم شامل:
۱) اسکلت دکل (derrick)
که تمام اجزاء دکل روی آن سوار می‌شوند.
۲) تاج دکل Crown block
در واقع جعبه‌ای است که داخل آن چندین قرقره ثابت قرار می‌گیرد.
۳) جعبه متحرک( traveling block )
این بخش نیز همانند تاج دکل جعبه‌ای ‌ست که داخل آن چندین قرقره قرار می‌گیرد و فرق آن با Crown block در این است که Crown block ثابت است اما traveling block متحرک است.
۴) موتور متحرک (draw work)
موتوری است که سیم‌های نگهدارنده را دور قرقره که در داخل خود قرار دارد، جمع یا باز می‌کند.
۵) قرقره ذخیره (storage reel)
قرقره ای است که سیم‌های نگهدارنده ذخیره، بدور آن جمع‌ می‌شوند.
۶) سیم‌های نگهدارنده
سیم‌هایی هستند که نیرو را از draw work به قسمت های دیگرمنتقل کرده و باعث بالا و پایین‌ رفتن لوله‌ها داخل چاه می‌شوند.
به بخشی از سیم که از draw work خارج می‌شود و به تاج دکل می‌رسد fast line گفته می‌شود.
به بخش آخر سیم‌های نگه دارنده dead line گفته می‌شود.
۷) قلاب (hook)
از این ابزار در سیستم‌های میزهای گردان استفاده می‌شود و برای آویزان کردن swivel به traveling block مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۸) هرزگرد (swivel)
این ابزار نیز در سیستم‌ میزگردان مورد استفاده قرار می‌گیرد و در واقع هرزگردی است که باعث می‌شود kelly براحتی داخل swivel بچرخد.

ـ عملکرد سیستم:
حرکت جعبه‌ی متحرک، موجب حرکت رشته‌های حفاری که به قلاب متصل به جبعبه‌ی متحرک پیوند خورده اند، می‌شود. از کارکرد‌های سیستم تعلیق این است که وزن روی مته را تنظیم می‌کند یعنی با معلق نگه داشتن رشته‌های حفاری، وزن روی مته را به صفر و با به پایین حرکت دادن آن‌ها، وزن روی مته را افزایش می‌دهد. از کارهای دیگر آن داخل و خارج کردن لوله‌های حفاری جهت مقاصد مختلف مانند اضافه کردن لوله‌های حفاری، تعویض مته و مقاصد دیگر است.
عمل‌کرد سیستم این‌گونه است که سیم‌های نگهدارنده از draw work خارج شده و به داخل Crown block می‌رود و به‌دور قرقره‌های درون traveling block و Crown block می‌پیچد و سپس به یک قرقره ثابت در سمت دیگر دکل منتقل می‌شود ودر نهایت به پایه دکل حفاری در همان سمت محکم می‌شود، انتهای سیم به دور قرقره ذخیره پیچیده می شود که اگر سیم فرسوده شد سیم را تعویض کنند.
ج) سیستم گردش گل حفاری (Circulation system)
اجزاء تشکیل دهنده این سیستم‌ شامل:
1-پمپ‌های گل(pumps)
که گل را با فشار به داخل رشته‌های حفاری و از آنجا به درون چاه پمپ می‌کند.
2- Stand pipe
لوله‌ای عمودی که گل از آن به داخل Kelly hose منتقل می‌شود.
3- Kelly hose
شیلنگ مرتجعی است که گل حفاری را از stand pipe به Kelly منتقل می‌کند.
4- Kelly و رشته‌های حفاری
که گل از درون آنها به مته می‌رسد و سپس وارد فضای حلقوی بین رشته های حفاری و دیواره چاه می‌شود.
5-فضای حلقوی (annulus)
گل حفاری به همراه کنده‌های حفاری از داخل فضای حلقوی چاه به سطح می‌رسند.در واقع به فضای بین رشته های حفاری و دیواره چاه ، فضای حلقوی گویند.
6- Shale shake
غربالی است با مِش‌های مختلف که هر کدام کنده‌های حفاری با سایز‌های مختلف (در حد بزرگ‌تر از ماسه و رس) را از گل جدا می‌کنند.
7- Desilter و desander
قسمت‌های ریز کنده‌های حفاری، در سایزهای رس و شن که توسط shale shaker قابل جدا شدن نیستند، را جدا می‌کنند.
ـ عملکرد سیستم:
در هر دکل به طور معمول ۳ پمپ وجود دارد، معمولا ۱ پمپ آن standby خاموش، اما آماده برای استفاده و ۲ پمپ آن روشن است. با پمپ‌ کردن گل حفاری از محفظه گل، گل بداخل Stand pipe منتقل می‌شود و سپس از طریق آن به Kelly hose که یک شلنگ مرتجع است، منتقل می شود. به دلیل ارتجاعی بودن این شلنگ از نوسان swivel جلوگیری می‌شود. گل حفاری بعد از Kelly hose بداخل Kelly و از آن جا به رشته‌های حفاری و مته منتقل می‌شود. گل خارج شده از مته به همراه کنده‌های حفاری از داخل فضای حلقوی (annulus) به سطح می‌رسد و از آن‌جا که گل حفاری ما به کنده‌های حفاری آلوده شده است، این کنده‌ها توسط shale shaker ,desander و desilter جدا شده و گل حفاری دوباره توسط پمپ به داخل چاه فرستاده می‌شود.
د) سیستم قدرت
این سیستم برق و نیروی محرکه مورد نیازبرای حفاری را فراهم می‌کند که شامل ترانزیستورهای مختلفی با توان‌های متفاوت است.
ه) سیستم کنترل کننده (Controlling system)
اجزای این سیستم شامل:
۱. لوله‌های جداری (Casing)
لوله‌های جداری وظایف مختلفی را برعهده دارند به عنوان مثال جدا کردن سازندهای مختلف از یکدیگر، جلوگیری از امتزاج سیالات سازندهای مختلف و غیره. این لوله‌های جداری توسط سیمان به دیواره چاه می‌چسبند و از بالا نیز نگه داشته می‌شوند.
انواع لوله‌های جداری عبارتند از:
ـ لوله‌ هادی Conductor pipe:
که دکل‌ حفاری روی آن سوار می‌شود.
ـ لوله‌ جداری سطحی surface casing:
که مانع از امتزاج نفت و سیالات حفاری با سفره‌ی آب‌های زیرزمینی و آلوده شدن این آب‌ها می‌شود.
ـ لوله‌های جداری میانه (Intermediate):
اگر خواستیم در مسیر حفاری سازندی را از سازندهای دیگر جدا کنیم از آن استفاده می‌کنیم.
ـ لوله جداری تولیدی (production casing):
که درقسمت مخزنی چاه نصب می‌شود و هنگام بهر‌ه‌برداری آن را سوراخ می‌کنند و از آن بهره‌برداری می‌کنند.
ـ آستری (Liner):
این نوع لوله‌های جداری تا سطح کشیده نمی‌شوند بلکه تا پایین‌ترین قسمتی که لوله جداری قبلی گذاشته شده است ادامه دارد.
۲. فوران گیرها (BOP) (blow out preventor)
فوران گیر ابزاری است که از یک بدنه اصلی و تعدادی شیر کنترل تشکیل شده است و طی عملیات حفاری روی سرآخرین لوله جداری که در چاه رانده شده بسته می‌شود. بخش‌های مختلف فوران گیر شامل شیرهای ورودی و خروجی گل، شیر ورودی سیمان، shear rams و Blind rams و annulus preventor است.
shear rams وسیله‌ای است که هر گاه چاه دچار فوران شد و نتوانند فوران آن را کنترل کنند، این ابزار از سر چاه لوله ها را می‌برد و دهانه چاه را به طور کامل می بندد. این ابزار بیشتر در چاه های مخازن گازی کاربرد دارد.
Blind rams هر گاه فورانی صورت گیرد و سیالی از داخل لوله های حفاری به خارج چاه فوران کند این ابزار قسمت دهانه لوله حفاری را مچاله می‌کند و مانع خارج شدن سیال از این طرق می‌شود‌.
annulus preventor هر گاه فوران از طریق فضای حلقوی صورت گیرد این ابزار به اطراف لوله های حفاری محکم می شود و فضای حلقوی بین لوله های حفاری و دیواره چاه را می بندد.
و Monitoring تمام فشارها در تمامی فشار سنج‌ها بصورت دیجیتال روی صفحه نمایشگر(monitor)در جلوی Company man قرار دارد واین شخص می‌تواند تمامی‌ آنها را چک کند این اطلاعات شامل فشار ، وضعیت پمپ‌ها، عمق‌ حفاری، وزن روی مته و غیره می باشد.
● انواع دکل‌های حفاری:
انواع دکل‌های حفاری عبارتند از
۱-دکل های خشکی (onshore)
دکل‌های خشکی خود با توجه به قابلیت‌های حفاری و عمقی که می‌توانند حفاری کنند به انواع زیر تقسیم می‌شوند:
۱-۱- دکل‌های سبک(light)
۱-۲- دکل‌های سنگین(heavy)
۱-۳- دکل‌های فوق‌ سنگین(super heavy)
۱-۴- دکل‌های قابل حمل(portable)
۲- دکل‌های دریایی(offshore)
به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند که شامل:
۲-۱- شناور
۲-۲- غیر شناور
انواع دکل های شناور عبارتند از:
۲-۱-۱ ) submersible -کشتی حفاری)
دراین نوع ، حفاری روی کشتی انجام می‌شود که نیازمند برخورداری از تکنولوژی بسیار بالایی ست.
۲-۱-۲ semi- submersible
در روش semi- submersible محفظه‌ها‌ی هوایی وجود دارد که دکل‌ روی این محفظه‌ها قرار گرفته است و روی آب شناور می‌ماند؛ هر چه این محفظه‌های بزرگ هوا را خالی و بیشتر از آب پرکنیم سطح سکوی حفاری ما پایین‌تر می‌آید. و به این طریق می‌توان سطح سکوی حفاری را تنظیم کرد.
۲-۲- دکل‌های غیر شناور
این دکل‌ها شامل:
۲-۲-۱Platform
دکل‌های ثابتی هستند که بعد از حفاری‌ دیگر کاربردی ندارند و نمی‌توان آن ها را حمل و منتقل کرد.
۲-۲-۲ Jack- up
در این نوع ارتفاع platform (سکوی حفاری) قابل تنظیم است و می‌توان با توجه به ارتفاع موج‌های دریا که در منطقه‌ ایجاد می شود، سطح سکوی حفاری را بالا یا پایین آورد.
● مشکلات حفاری:
▪ ورود سیالات از سازندها به درون چاه (blow out)
گلی که در داخل چاه فرستاده می‌شود دارای فشار مشخصی است که با استفاده از این فشار سازندها و سیالات موجود دراین سازند ها را کنترل می‌کنند. اگر فشار گل کمتر از فشار سازند باشد، باعث می‌شود سیالات موجود در این سازندها به درون چاه نفوذ ‌کنند. اگر این سیال گاز یا بخار آب باشد، بسیار خطرناک است؛ حتی اگر سیال وارد شده مایع باشد نیز زیان آور است و باعث تغییر ماهیت گل ما می‌شود و می‌تواند گل ما را از بین ببرد. به پدیده وارد شدن سیالات از سازندها به داخل گل blow out گویند.
▪ از دست رفتن گل  (mud loss) این فرآیند عکس فرآیند blowout است یعنی فشار گل به حدی زیاد است که گل حفاری به داخل سازند نفوذ می‌کند و باعث هدر رفتن گل حفاری می‌شود. اگر این امر در لایه‌ی مخزن اتفاق بیافتد، باعث پرشدن خلل و فرج مخازن نفت و گاز توسط قسمت‌های جامد گل حفاری (mud cake) که در اصطلاح گل کبره‌ای گفته می‌شود شده و از میزان بهره‌دهی مخزن ‌کاسته می‌شود. در بهترین حالت از دست رفتن گل حفاری، باعث ایجاد خسارت مالی می‌شود. باید یارآور شد که گل حفاری پیچیده ترین سیالی است که بشر به آن دست یافته است و ماده ارزان قیمتی نیست.
▪ هرز رفتن آب گل حفاری (filler loss)
گاهی گل به طور کامل وارد سازند نمی‌شود و فقط آب آن داخل سازند می‌شود و این امر باعث خراب شدن گل حفاری می‌شود و کارایی گل حفاری را کاهش می‌دهد.
گل حفاری دارای کارآیی‌های زیر است:
۱. اصطکاک بین مته و لایه‌های سنگی را کم می‌کند تا حفاری روان‌تر پیش رود و مته در سنگ گیر نکند
۲. حرارت ناشی از اصطکاک بین مته و لایه‌های سنگی را به سرچاه منتقل می‌کند.
۳. خرده سنگ‌های ناشی از حفاری را که در صورت ماندن در ته چاه به رشته حفاری گیر کرده و منانع حرکت آن می‌شوند، از چاه بیرون می‌آورد.
۴. گل کبره‌ای‌ (mud cake) جداره‌ای بر دیواره ایجاد می‌کند. در این صورت برخی از لایه‌های سنگی(غیر مخزنی) که سست و ناپایدارند و ممکن است دهانه‌ی چاه در محل آن‌ها با مشکل ریزش یا گرفتگی مواجه شود، با این جداره پوششی پایدار می‌شوند.
۵. در مسیر رسیدن به لایه‌ مخزنی، چاه از میان لایه‌های زیادی عبور می‌کند بعضی از این لایه های خود متخلخل و در برگیرنده مقداری سیال هستند. فشاری که ستون گل حفاری بر دیواره‌ی چاه وارد می‌کند، سبب می‌شود این سیالات وارد چاه نشوند. شاید این مهمترین کارکردی باشد که گل حفاری در مرحله‌ی حفاری دارد.
▪ گیر کردن ابزار حفاری درون چاه  ممکن است در حین حفاری یا کارهای دیگری که درون چاه انجام می‌شود، برخی از ابزارهای حفاری درون چاه گیر کنند ویا به درون آن بیافتند، متداول‌ترین آن‌ها گیر کردن رشته‌های حفاری به دیواره چاه است که به آن stacking گویند. همچنین ممکن است قطعه‌ای به درون چاه بیافتد که در این صورت باید با روش‌ها و ابزارهای مانده‌یابی(Fishing) آن قطعه را خارج کرد.
▪ ریزش لایه‌ها درون چاه  در حین حفاری ممکن است به لایه‌هایی برسیم که بسیار سست هستند و به درون چاه ریزش می‌کنند. یا ممکن است لایه‌ای که حفاری می‌کنیم از جنس رس باشد و در تماس آب گل حفاری با آن سازند، افزایش حجم پیدا کند و چاه را ببندد. روشی که برای حل این مشکل پیشنهاد می‌شود؛ این است که تا جایی که امکان دارد از گلی با پایه‌های روغنی استفاده شود و سازند نیز سریعا توسط لوله جداری (Casing) پوشانده شود. اما اگر سازند، سست باشد به درون چاه ریزش می‌کند و ممکن است باعث مدفون شدن مته حفاری نیز شود. روشی که برای جلوگیری از این مشکل پیشنهاد می‌شود این است که گل حفاری را طوری طراحی کنند که در محل سازند سست ،گل‌کبره(mud cake) زیادی ایجاد شود و مانع ریزش سازند شود.
● تکنولوژی روش‌های حفاری
انواع روش‌های حفای از نظر جهت حفاری عبارتند از:
▪ حفاری عمودی (vertical drilling)
در این روش حفاری بصورت عمودی نبست به سطح زمین انجام می‌شود اما در هر حفاری یک انحراف از مسیر (drift) وجود دارد که در روش عمودی این انحراف باید خیلی کم و در حد ۱ درجه تا ۲ درجه باشد.
▪ حفاری انحرافی (Slant well)
در این روش حفاری نبست به محور عمود بر سطح زمین دارای زاویه می‌باشد حتی ممکن است در حفاری عمودی در یک قسمت به عنوان نمونه رشته‌های حفای به دیواره چاه گیر کنند و نتوان آنها را‌ آزاد کرد و مجبور شویم آن قسمت لوله‌های حفاری که به دیواره چاه گیر کرده است را قطع کنیم و پس ازسیمان کردن آن قسمت با استفاده از روش حفاری انحرافی این منطقه را دور زده و دوباره در مسیر حفاری قبلی بازگردیم.
▪ حفاری افقی (Horizontal drilling)
در این روش، حفاری با زاویه ۹۰ درجه نبست به محور چاه انجام می‌شود. این نوع حفاری می‌تواند درسنگ مخزن بسیار بصرفه باشد چراکه سطح تماس مخزن را با چاه افزایش داده و در نتیجه باعث برداشت بیشتر و بهتر از مخزن می‌شود، اما این روش نیاز به تکنولوژی بالایی نیز دارد.
 Multi lateral Drilling ▪
این روش بیشتر در چاه‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که برروی دریا قرار دارند(offshore)یا همان سکوهای نفتی و گازی دریایی. به این ترتیب که از یک سکو در جهت‌های مختلف حفاری انجام می‌شود هم زمان می‌توان چندین نقطه در یک مخزن یا مخازن مختلف را حفاری کرد.
▪ حفاری زیر فشار(Under Balance Drilling)UBD:
این روش دارای سرعت حفاری بسیار بالایی است، در این تکنیک فشار گل حفاری را با رعایت استادارد‌ها و ملاحظات مختلف که باعث فوران چاه نشود به زیر فشار سازند و سیال موجود در آن می رسانند.کاربرد اصلی این روش در حفاری سازند های سخت می باشد به این ترتیب که اگر فشار روی این سازند‌ها کم باشد فشار خود سازند موجب پاشیده شدن سازند می‌شود و سرعت حفاری را تا حد زیادی بالا می‌برد البته این روش نیاز به تکنولوژی پیشرفته ای دارد

فایل پاور در مورد حفاری دورانی.