حفاری چرخشی

حفاري چرخشي رايجترين و پرکاربردترين روش حفاري در صنعت نفت و گاز مي باشد. هرچند اولين چاههاي نفت به روش کابلي حفر شدند ولي از اوايل قرن بيستم برتري حفاري چرخشي آشکار شد. تحقيقات فراواني در اين مدت صورت گرفت و پيشرفتهايي که مخصوصاً در زمينه طراحي و ساخت مته هاي حفاري چرخشي بوجود آمد، سبب افزايش کارايي و بهينه شدن اين روش شد. تجهيزات اين روش از زمان رواج آن تاکنون متحول شده و تغييرات فراواني کرده است. بوجود آمدن شرايط ويژه حفاري مانند لزوم حفاري در آبهاي عميق، سبب شده تغيراتي در روش داده شود و تجهيزات خاصي نيز ابداع گردد ولي اصول کلي روش همچنان ثابت است. در اين روش مانند سوراخکاري در فلزات، از يک ابزار برنده در حال دوران براي سوراخ کردن و شکافتن زمين استفاده مي شود. دوران ابزار که به آن مته گويند و حرکت رو به پايين آن باعث جدا شدن سنگها و سازندها مي شود. مواد خرد شده نيز از طريق حرکت سيال مخصوص حفاري از اطراف مته دور شده و به سطح زمين آورده مي شوند. اجزاء دکل حفاري چرخشي بطور کامل در شکل مشخص شده اند. در اينجا مشاهده مي شود رشته حفاري حرکت رفت و برگشتي ندارد، بلکه دوران موتور محرک به رشته حفاري اعمال شده و سبب حرکت دوراني آن مي شود. سيستم گردش سيال حفاري باعث مي شود به صورت پيوسته مواد خرد شده از داخل چاه به بيرون منتقل شود. مزيت استفاده از اين روش، پمپاژ دائمي و پيوستة سيال حفاري به داخل چاه مي باشد كه باعث خردشدن سازند هاي صخره اي و حمل قطعات خرد شده به بيرون از چاه به وسيلة جريان سيال مي شود. به اين ترتيب ، روش حفاري چرخشي شبيه خط توليد پيوسته مي باشد که به صورت دايمي با چرخش مته، زمين حفر شده و قطعات خرد شده به بالا منتقل مي شوند. نيروي عمودي يا وزن مورد نياز جهت اعمال به مته، توسط طوق مته كه به قسمت تحتاني لولة حفاري درست در بالاي متة حفاري پيچ مي شود تأمين مي گردد. طوق مته به اتفاق لولة حفاري و متة حفاري، رشته لولة حفاري را تشكيل مي دهند كه توسط ميز دوران (Rotary Table) و ميلة چهاربر (Kelly) و يا سيستم تاپ درايو (Top Drive) به چرخش در مي آيد. اجزاء رشته لولة حفاري توخالي بوده و امكان جريان يافتن سيال از طريق آنها به متة حفاري وجود دارد. يك مفصل آب بند، هرزه گرد (Swivel) در قسمت فوقاني ميلة چهاربر قرار داده مي شود و باعث اتصال لولة تخلية پمپ گل حفاري و قسمت داخلي، رشته لولة حفاري مي گردد. يك سيستم بالاب(Hoisting System) جهت داخل كردن يا بيرون كشيدن رشته لولة حفاري از داخل چاه مورد نياز است. اين وظيفه برعهدة سازة دكل حفاري (Derrick)، قلاب و منجنيق حفاري مي باشد. وجود امكانات بازيافت گل حفاري، به هنگام بازگشت آن به سطح زمين، منطقه اي جهت نگهداري لوله آلات (Tubular Goods) چندين پناهگاه و دفتر كار در سايت، مجموعه دكل حفاري را كامل مي نمايد. علاوه بر اين همزمان با حفرچاه، آن را جداره گذاري مي نمايند. جداره گذاري با لوله هاي فولادي كه قطر آنها با افزايش عمق چاه نسبت عكس دارد و هر چه چاه عميق تر گردد اين قطر كاهش مي يابد، انجام مي شود. به محض خاتمة حفاري در اوّلين سازند، اولين قسمت از اين لوله ها به داخل چاه فرستاده مي شوند و سپس چاه سيمانکاري مي گردد. يك محفظة جداره گذار (Casing housing) در قسمت فوقاني اولين قسمت لوله هاي جداره گذاري قرار دارد. تمامي قسمتهاي بعدي لوله هاي جداره گذاري از اين محفظه آويزان شده و در تكيه گاه خود به ديوارة چاه سيمانه مي شوند. بعد از آنكه اوّلين فاز از چاه حفاري شده جداره گذاري شد، حفاري با مته اي كه قطر آن كوچكتر از قطر داخلي لولة جداره گذاري مي باشد ادامه مي يابد. هر چه عمق چاه بيشتر شده و قسمت جداره گذاري شدة آن بيشتر شود قطر متة مورد استفاده كوچكتر خواهد شد. از محفظة جداره گذاري جهت نگهداري تجهيزات ايمني مانند شيرهاي فوران گير نيز استفاده مي شود.
1- عمليات اصلي
 اگر چه عمل حفاري، اصلي ترين عمليات انجام شده در پروسه حفاري مي باشد ولي در مقايسه با ساير عمليات به نيروي انساني كمتري در اين عمليات نياز است. چرخش ميز دوران باعث رانش مته حفاري توسط ميلة چهاربر و رشته لولة حفاري مي گردد. حفار حركت رو به بالا و پايين قلاب را توسط يك اهرم ترمز كنترل مي نمايد. براساس اصل حفاري چرخشي، وزنة اعمالي به مته هاي حفاري بايستي ثابت باشد. وزن تمامي قطعاتي كه از قلاب آويزان مي شوند ثابت بوده و حفار اين اطلاعات را از طريق خواندن وزن اعمالي به مته در زماني كه مته در ته چاه قرار دارد به دست مي آورد. دو پارامتر ديگر، يعني سرعت دوران و نرخ جريان سيال معمولاً از قبل تنظيم مي شوند. حفار اين مقادير را با توجه به برنامة ارائه شده چك كرده و تنظيم مي نمايد و مراقب است تا فشار تخلية پمپ مطابق برنامه بوده و طبق آن پيش رود. حرکت چرخشي توسط رشته لوله حفاري به مته منتقل مي شود. رشته حفاري يك لولة تو خالي طويل مي باشد که دو وظيفه مهم برعهده دارد: 1- وزن مورد نياز مته جهت سازندها را فراهم مي نمايد. 2- مسير مورد نياز جهت گردش گل حفاري به هنگام چرخش مته را فراهم مي نمايد. از گل يا سيال حفاري جهت خنك كاري مته و انتقال ذرات خرد شدة سنگ از ته چاه به سطح زمين استفاده مي شود.  تجهيزات مستقر در سطح زمين ذرات خرد شده را از سيال جدا مي نمايند و سيال تصفيه شده جهت استفادة مجدد در داخل چاه توسط يك پمپ به داخل چاه فرستاده مي شود. چرخانيدن مته، اضافه كردن لوله جهت طويل تر كردن رشته لولة حفاري و داخل يا خارج نمودن آنها در چاه و تصفيه و استفادة مجدد از سيال حفاري اصليترين و مهمترين پروسه ها در حفاري يك چاه مي باشند. تجهيزات لازم جهت انجام موارد مذكور شامل سيستم بالابر(Hoisting)، سيستم گردش مجدد (Recycling) و اجزاء چرخشي و يك سازة فولادي (دكل) جهت ايجاد تكيه گاه مناسب براي اين مجموعه و قدرت مورد نياز جهت به راه انداختن آنها مي باشد.
2- افزودن لوله حفاري 
بعد از حفاري چاه به اندازة طول يك لولة حفاري توسط مته، بايستي لولة حفاري جديد به رشته لولة حفاري پيچ گردد تا طول آن افزايش يابد. اين لوله به قسمت تحتاني ميلة چهاربر متصل مي گردد.  در طول پروسة حفاري، خدمة حفاري يک لولة جديد را در داخل يك غلاف كه غلاف لانه موشي (Mouse Hole) ناميده مي شود و در نزديكي ميز دوراني واقع است قرار مي دهند سپس، رشته لولة حفاري را به كمك منجنيق به قدري بالا مي کشند بطوريکه کل ميله چهاربر بالاتر از سطح ميز دوار قرار گيرد. سپس لوله گير (Slips) در محل خود و در بالاي اولين لوله كارگذاشته مي شود. بدين ترتيب وزن رشته لولة حفاري توسط ميز دوراني تحمل مي گردد و در نتيجه امكان بازكردن ميلة چهاربر فراهم مي شود. واضح است كه در اين حالت گردش گل حفاري متوقف شده است. سپس خدمه حفاري ميله چهاربر را به انتهاي لولة جديد حفاري که در داخل غلاف لانه موشي آماده بهره برداري است، پيچ مي کنند. در مرحله آخر،خدمة حفاري ميلة چهاربر و لولة حفاري را به كمك منجنيق بادي بالا مي كشند. سپس مجموعه ميله چهاربر و لوله جديد که به هم پيچ شده اند، به بالاي رشته لوله حفاري معلق آورده مي شوند و لولة جديد به رشته لولة حفاري پيچ مي شود. حال مجموعه آمادة بهره برداري است. خدمة حفاري جريان سيال حفاري را مجدداً برقرار مي كنند. سپس ميلة چهاربر به ميز دوران متصل شده و حفاري ادامه مي يابد.
3- پيمايش (Round Trip) 
 زماني كه مته ساييده مي شود يا چاه به طور كامل تا عمق مورد نظر حفاري مي گردد رشته لولة حفاري مي بايست از چاه خارج شود تا امكان تعويض مته يا جداره گذاري چاه فراهم شود. خارج کردن رشته حفاري از چاه و يا وارد کردن آن به داخل چاه را پيمايش گويند. اوّلين قدم جهت انجام اين كار، جدا كردن هرزه گرد از قلاب و قرار دادن ميلة چهاربر و هرزه گرد كه هنوز توسط شلنگ به پمپهاي گل حفاري متصل است در غلاف لانه خرگوشي (Rat Hole) مي باشد. سپس رشته لوله حفاري را تا ارتفاعي معادل سه برابر طول يك لولة حفاري، توسط منجنيق بالا مي كشند. لولة چهارم به كمك لوله گير به ميزدوران متصل و محکم مي شود و به كمك آچار لوله (Tongs) سه لوله بالايي از بقية رشته لولة حفاري جدا مي شود. سپس اين سه لولة جدا شده از بالابر آويزان مي شود. خدمة حفاري انتهاي پاييني اين مجموعة سه لوله را هل مي دهند تا از محل اتصال خود جدا شود. سپس مسئول دكل (Derrick Man) كه در روي سكوي ايمني(Monkey Board) ايستاده است، بالابر را جدا نموده و انتهاي فوقاني مجموعة سه لوله را در داخل خرك (Pipe Rack) قرار مي دهد. جهت وارد كردن مجموعه به داخل چاه نيز همانند روش مذكور عمل مي شود. واضح است که در طول عمليات پيمايش، چرخش مته و گردش جريان سيال متوقف مي شوند.
4- جداره گذاري
بعد از آنكه چاه تا عمق مورد نظر حفاري شد، عمليات جداره گذاري آغاز مي گردد. هدف از جداره گذاري، جلوگيري از انسداد و فروپاشي ديواره چاه و نگهداري آن براي سالهاي متمادي است. براي اين کار ابتدا مي بايست لوله هاي جداره گذاري را وارد چاه نمود. معمولا قطر لوله هاي جداره گذاري کمي کمتر از قطر چاه انتخاب مي شود. به همين دليل فاصلة بين جداره ها و ديوارة چاه بسيار كم بوده و اين عمليات بسيار حساس و مشکل مي گردد. لوله هاي جداره گذاري يك به يك در داخل چاه قرارداده مي شوند. بعد از استقرار لوله ها در داخل چاه دوغاب سيمان همانند گل حفاري به داخل لوله هاي جداره گذاري پمپ مي شود. دوغاب سيمان پس از عبور از داخل لوله هاي جداره گذاري وارد فضاي حلقوي مي شود و بالا مي آيد و پس از گذشت زمان مشخصي سخت مي گردد. به اين ترتيب کل فضاي بين لوله جداره گذاري و ديواره چاه از يک لايه سيمان با عمر و دوام بسيار زياد پر مي شود. اين عمليات يکي از مهمترين بخشهاي حفاري است .
5- نصب تجهيزات سرچاهي 
بعد از اتمام عمليات جداره گذاري و سيمانه كردن چاه بايد تجهيزات مورد نياز آببندي در قسمت فوقاني چاه نصب شود. در صورتيكه تجهيزات سرچاهي در مكاني بالاتر از سطح زمين يا سطح ساحل دريا قرار دارند اين عمليات به طور دستي انجام مي شود. تجهيزات سرچاهي شامل يك شير فورانگير ( Blow Out Preventer (BOP)) مي باشد كه داراي يك سيستم پرفشار به نام لوله مهار(Kill Line) و لولة خفانشي (Choke Line) است. 
6- تكميل سازي چاه 
تکميل سازي چاه آخرين بخش از کار است که پس از اتمام جداره گذاري صورت مي گيرد. در اين مرحله تجهيزات بهره برداري مانند توپك مجرا بند(Packer) ، لولة استخراج (Tubing) و شيرهاي ايمني(Safety Valves) و غيره در داخل چاه قرارداده مي شوند. ارتباط بين سازند مولد و چاه بايستي توسط حفاري، مشبك سازي (Perforation) اسيدكاري (Acidizing) و شكاف برداري (Fracturing) بيشتر گردد.
منبع: petroleumman.blogfa.com