اکثر مخازن نفتی دارای عمق زیاد و مقادیر زیادی گاز طبیعی هستند، از این رو استخراج نفت خام همواره یکی از اصلی ترین دغدغه های تولید کنندگان بوده و هست. اگرچه حفر زمین توسط انسان پیشینه ای طولانی دارد اما برای اولین بار در سال 1859 درک (Drake) چاهی با عمق 69.5 فوت را جهت استخراج نفت کند. روشی که درک استفاده کرد به عنوان حفاری ضربه ای شناخته می شود اما به دلیل مشکلاتی که داشت، امروزه کاربردی آنچنانی در صنایع حفر چاه نفت ندارد و جای خود را به روش های کاربردی و اقتصادی تری داده است که در ادامه به آن ها خواهیم پرداخت.
یک حفر موفق چه بر روی خشکی و چه در دریا باید موارد زیر را تامین کند:
- شکستن سنگ ها و نفوذ به ساختار آن ها برای رسیدن به نفت و گاز.
- خارج کردن قطعات سنگی شکسته شده از چاه.
- جلوگیری از سقوط و فرو ریختن دیواره های چاه، خصوصا هنگامی که محکم کاری صورت نگرفته است.
- قطر چاه باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتوان ابزارهای مورد نیاز را به پایین سوراخ فرستاد.
امروزه متداولترین روشی که جهت حفر چاه های نفتی استفاده می شود عبارت است از تکنیک دورانی یا چرخشی( البته در برخی مناطق هنوز هم از روش ضربه ای استفاده می شود) که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.
انواع روش های حفاری چاه نفت
تکنیک ضربه ای (Cable Tool Drilling)
در تکنیک ضربه ای جسمی سنگین از ارتفاع بالا بر روی زمین انداخته می شود و باعث خرد شدن سنگ ها می گردد. این روش دو مشکل عمده دارد: 1. پس از هربار ضربه عملیات جهت خارج کردن خاک و سنگ ریزه ها از داخل چاه متوقف می شود 2. با این روش نمیتوان به عمق های زیاد رسید.
تکنیک چرخشی (Rotary drilling)
این روش عموما برای حفر چاه های عمیق بکار می رود و متداول ترین روشی است که امروزه برای حفر چاه آب و انرژی زمین گرمایی استفاده می شود. این تکنیک که در اوایل سال های 1900 میلادی تبیین و استانداردی برای آن تعیین شد، هنوز هم اصلی ترین روش برای حفر چاه های نفت و گاز به شمار می رود. اساس این روش استفاده از یک مته تیز است که با نیروی اعمال شده بر آن حرکت چرخشی دارد و پوسته زمین را می شکافد. امروزه با پیشرفت تکنولوژی مکانیسم این تجهیزات نیز پیچیده تر شده است.
دکل های حفاری چرخشی امروزی دارای کارکرد چند منظوره هستند که می توان آنها را به 5 بخش تقسیم کرد:
محرک اولیه :
وطیفه تامین نیرو را بر عهده دارد (موتورهای بخار، گازی و یا دیزلی).
تجهیزات بالابر (برای تنطیم طول مته و لوله حفاری استفاده می شود): لوله های حفاری از سطح تا سرمته حفاری طول دارند، و در طول فرآیند نیاز است که طول آنها افزایش یابد و یا در صورت بروز مشکل و نیاز به تعویض مته طول آنها کم شود، تمامی این کارها توسط تجهیزات بالابر انجام می شوند.
اجزای دوار: باعث چرخش مته می شود.
اجزای ضد انفجار
تجهیزات گردشی (پمپ هایی که گل حفاری را به سمت پایین چاه ارسال می کنند): در سیستم گردشی ، سیال توسط پمپ به ته چاه تزریق شده و اجزای تکه تکه شده (سنگ و خاک و…) را در خود حل کرده و از طریق لوله حفاری به سطح زمین برگردانده می شود. سیال آلوده تصفیه شده و دوباره به درون چاه فرستاده می شود. علاوه بر وجود پمپ ها در درون لوله حفر، یک لوله هوا نیز جهت تامین نیروی مورد نیاز برای بالا بردن مخلوط سیال و برش ها نصب می شود، علاوه بر این یک سیکلون نیز برای جداسازی هوا از آب و مخلوط برش ها نیز وجود دارد.
در شکل زیر می توان اجزای یک دکل چرخشی را مشاهده کرد.
چگونگی حفاری چاه نفت به روش چرخشی
برای استخراج نفت ابتدا چاه هایی فرعی در مناطق مختلفی از مخزن حفر می شود، این چاههای فرعی به منظور بررسی شرایط مخزن حفر می شوند. پس از انجام بررسی ها و پیش بینی های لازم عملیات حفاری اصلی آغاز می شود.
حفر چاه
پس از تعیین محل چاههای اصلی دکل حفاری و تجهیزات مورد نیاز در محل حاضر شده و عملیات حفاری آغاز می شود. با توجه به اینکه عمق چاهها بسیار زیاد هستند (از 500 متر تا 6000 متر و بالاتر)، به منظور جلوگیری از ریزش چاه، حفاری از ابتدا تا انتها با قطر یکسان صورت نمیگیرد و هر چه که از سطح زمین به عمق نزدیکتر می شویم، قطر کاهش پیدا می کند. جنس مته های حفاری با توجه به نوع سنگ های (شیل و …) موجود انتخاب می شوند. فولاد، الماس سنتزی، الماس طبیعی و سایر آلیاژهای مقاوم از جمله موادی هستند که سرمته ها از آنها ساخته می شوند.
کیسینگ گذاری و سیمان کاری
یکی از موارد مهم برای افزایش استحکام دیواره و جلوگیری از ریزش آن پوشش گذاری ( کیسینگ گذاری) و سیمان کاری است. کیسینگ ها لوله هایی هستند که در حد فاصل میان دیواره و بدنه اصلی قرار می گیرند، فاصله بین کیسینگ ها و دیواره نیز با سیمان پر می شود.
معمولا حفاری در سه مرحله صورت می گیرد، طول مرحله اول حدودا بین 50 تا 80 فوت است، پس از حفر این طول مته خارج شده و کیسینگ ابتدایی در داخل چاه قرار داده می شود. در انتهای هر کیسینگ تجهیزاتی برای تزریق سیمان وجود دارد، سیمان با فشار از انتهای لوله کیسینگ خارج شده و فاصله بین دیواره خارجی لوله و دیواره سنگی را پر می کند. در مرحله دوم دوباره مته به داخل فرستاده شده و عملیات حفر زمین را آغاز می کند (در این مرحله حدودا 800 فوت حفاری صورت می گیرد). پس از خارج کردن دوباره مته، لوله کیسینگ با قطر کمتر نسبت به لوله اول درون چاه جایگذاری شده و دوباره عملیات سیمان کاری صورت می گیرد. مرحله سوم و بالاتر نیز همانند مراحل پیشین است و عملیات تا رسیدن به مخزن صورت می گیرد.
گل حفاری و نقش آن
در طول عملیات حفاری چاه نفت، گل حفاری ( ترکیبی از بنتونیت، آب و برخی از افزودنی های دیگر) نقش مهمی را ایفا می کند، همانگونه که پیشتر نیز گفته شد گل همراه با مته به وسیله پمپ به داخل چاه فرستاده می شود تا ذرات ناشی از شکسته شدن سنگ ها را به خارج انتقال دهد اما علاوه بر آن گل های حفاری نقش خنک کنندگی مته و حفط فشار مناسب را نیز بر عهده دارند.
حفظ فشار مناسب
مهمترین کاربرد این سیال ایجاد فشار مناسب در درون چاه است، که این فشار بر اساس فشار موجود در دیواره ها محاسبه می شود. اگر فشار گل کمتر از دیواره ها باشد سیالاتی که در دیواره وجود دارند می توانند به داخل چاه راه پیدا کرده و آن را پر کنند،از سویی دیگر اگر فشار گل بیشتر باشد پدیده هدررفت گل حفاری رخ می دهد که در آن گل به داخل دیواره ها نفوذ کرده و هدر می رود.
فیلم حفاری چاه نفت به روش چرخشی را می توانید در ویدیوی زیر مشاهده کنید:
تکنیک لیزری (Laser Drilling)
این تکنیک بر اساس تکنولوژی لیزر کار می کند و در آن نیروی لیزر و امواج باعث خرد شدن سنگ ها می شود. کار با لیزر ساده است و کافی است که لیزر در محل درست قرار گیرد. در حفر چاه های نفت و گاز با لیزر که عمق زیادی از زمین باید کنده شود، طول لوله های حفاری نیز با افزایش عمق افزایش می یابد تا سر لیزر به محل حفاری نشده نزدیک شود.
همانگونه که در تکنیک چرخشی همواره یک سیال حفاری وجود دارد در تکنیک لیزری نیز یک سیستم پاک سازی وجود دارد که مسیر لیزر را هموار می کند. سیستم پاک کننده حفره را از تکه های سنگی پاک کرده و سنگ های ذوب شده را به درون شکستگی ها و درزهای دیواره می برد، این کار باعث پاک شدن حفره و همچنین آببندی دیواره چاه می گردد. با لیزر می توان 100 برابر سریعتر از روش چرخشی حفر کرد.
