حفاری جهت دار یا حفاری انحرافی چاههای نفت و گاز

حفاری جهت دار به صورت کنترل شده از دیرباز در کشورهای مختلف جهان به کار گرفته شده است. در ایران هم از سال ۱۳۴۵ پس از حریق چاه ۳۰۶ مسجد سلیمان و با استفاده از دو چاه جانشین ۳۰۸ و A- ۳۰۸ حفاری انحرافی با موفقیت صورت پذیرفت. سرانجام با حفر این چاههای انحرافی، چاه ۳۰۶ در سال ۱۳۴۶ به طور کامل مهار گردید. از نمونه های دیگر اطفاء حریق می توان از چاههای ۱۳۱ آغاجاری، ۱۲۶ مارون و ۳۳ رگ سفید نام برد.

مشخصات چاه های انحرافی

١- زاویه انحراف از حالت قائم که با β نشان میدهند و به آن زاویه سمت الرأس (Zenith) می گویند.

۲- زاویه انحراف از حالت افق که آن را با Ø نشان می دهند و به آن زاویه شیب (Dip) می گویند.

٣- زاویه سمت یا انحراف از شمال جغرافیایی که با θ نشان میدهند و به آن آزیموت (Azimuth) می گویند.

باید به این نکته اشاره کرد که اگر چاه مورب به منظور رد شدن از موانع ایجاد شده باشد (کنار گذر Side Track) ، جهت چاه زیاد مهم نیست و انحراف ممکن است در هر جهتی باشد؛ ولی اگر منظور از ایجاد چاه انحرافی، رسیدن به هدف خاصی (مثل یک مخزن نفتی) باشد، باید جهت چاه و مقدار انحراف آن با دقت محاسبه شود تا چاه مورب ایجاد شده به نقطه موردنظر برسد. اگر زاویه انحراف چاه بین ۴۰ تا ۶۵ درجه باشد، کنده های حفاری تمایل دارند در طرفی که شیب کمتری دارد، ته نشین گردند. در چاه های با زاویه انحراف بالاتر از ۶۵ درجه، سرعت ته نشینی کننده ها افزایش خواهد یافت و اگر چاه با سرعت دالیزی مناسبی تمیز نگردد، باعث گیر لوله ها خواهد شد.

روش های محاسبه انحراف چاه

روش های محاسبه انحراف چاه به ترتیب از ساده و مبنا به روش های پیچیده تر عبارتند از :

الف) روش مماسی (Tangential)

ب) روش معدلی یا میانگین (Average Angle)

ج) روش مماسی متعادل (Balanced Tangential)

د) روش ترکیبی (Combined)

هـ) روش شعاع انحنا (Radius Of Curvature)

و) روش حداقل انحنا (Minimum Curvature)

١- روش شعاع انحنا (Radius Of Curvature)

دا در این روش بخش حفاری شده بین دو ایستگاه اندازه گیری متوالی به صورت کمانی از یک دایره و تصویر بخش حفاری شده بر روی سطح افقی نیز به صورت کمانی از دایره دیگر فرض می شود (در صورتی که بخش حفاری شده در یک سطح غیر مستوی یا مورب به سطح افق قرار گرفته باشد.).

در این حالت مبنای محاسبات، شعاع دایره ها است و هم چنین مقادیر زاویه های مرکزی رو به کمان ها خواهد بود. شعاع انحنای دایره ای که بخش حفاری شده، کمانی از آن است و در صفحه ای عمودی یا مورب نسبت به سطح افقی واقع می شود را  می نامند. شعاع انحنای دایره ای که تصویر بخش حفاری شده بر روی سطح افقى قطاعی از آن است را  می نامند.

مزایا: یکی از دقیق ترین روشها است؛ دلایل اثبات ریاضی قوی از این روش حمایت می کند.

معایب: روش محاسبه پیچیده ای دارد و برای کاربرد آن احتیاج به ماشین حساب های قابل برنامه ریزی با کامپیوتر دارد.

Radius of Curvature

محاسبه از روش شعاع انحناء به دو صورت ارائه شده است:

الف) روش ویلسون (WILSON) که برای اولین بار در سال ۱۹۶۸ انتشار یافته است و دستورالعمل آن به این شرح است:

ب- روش حداقل انحنا (Minimum Curvature )

در این روش، فرض اساسی بر این است که بخش حفاری شده کمانی از کره است با حداقل حداکثر شعاع انحتا بین دو ایستگاه اندازه گیری است. این روش تحت عنوان کمان انحنا یا دارای دایره ای نیز خوانده می شود..

مزایا : دقیق ترین روش برای محاسبه انواع چاه ها است و دارای بهترین دلایل اثبات ریاضی است.

معایب:محاسبات آن بسیار پیچیده است و احتیاج به ماشین حساب های قابل برنامه ریزی یا کامپیوتر دارد.

روش محاسبه

در این روش زوایای انحراف و آزیموت اندازه گیری شده در دو ایستگاه متوالی مورد نظرند. بخش حفاری شده بین دو ایستگاه اندازه گیری به صوت قوس فرض می شود و تغییر زاویه لوله های حفاری بین همان ایستگاه ها (β) در نظر گرفته می شود که زاویه کلی(Overal Angle) نام دارد.

از مشکل سگ دست (Dog Leg Severity) برای تعیین مقدار β استفاده می شود. تاکنون روابط زیادی برای محاسبه  ارائه شده است که تنها به دو فرمول اشاره می شود.

Minimum-curvature-method

انواع روش ویلسون چاه:

١- گوه گیره دار (Whip Stock)

٢- لولای مفصلی (Knuckle Joint): معمولا اگر انحراف چاه از مسیر پیش بینی شده کمتر از ۵ درجه باشد به کار می رود. چون خود به ازای هر ۲۰-۱۵ فوت، در بهترین وضعیت انحرافی معادل ۲ درجه ایجاد می کند، کمتر استفاده می شود.

کاربرد حفاری انحرافی

برخی از کاربردهای حفاری انحرافی به شرح زیر است:

۱) حفاری چندین حلقه چاه روی یک سکوی دریایی

۲) حفاری انحرافی از خشکی به خشکی و خشکی به دریا

۳) حفاری انحرافی زیر مناطق مسکونی، فرودگاه، رودخانه و ارتفاعات (مکان غیر قابل دسترس): برخی از چاه های مربوط به واحد بهره برداری شماره ۲ اهواز زیر مناطق مسکونی و فرودگاه انحراف داده شده اند و برخی از چاه های واحد شماره ۳ اهواز زیر رودخانه کارون به صورت انحرافی حفاری شده اند که از این حلقه چاه ها می توان به چاه شماره ۱۱۸ اهواز اشاره کرد که زیر مناطق مسکونی حفر شده است.

۴) دست یابی به نفت گیرهای چینهای (حفاری گسل): در کنترل گسل، حفره چاه ممکن است جهت تولید بهتر از میان یا به موازات گسل منحرف شود یا برای ممانعت از برخورد چاه با صفحه گسل، آن را با شیب کمتر از شیب صفحه گسل منحرف و حفاری کنند.

۵) عبور از کنار مانده های درون چاه: این عملیات، در مناطق نفت خیز جنوب بارها و بارها در حفره باز و جداری ها با موفقیت صورت گرفته است.

۶) حفاری گنبدهای نمکی: تجمع نفت حوالی گنبد نمک اغلب در چینه های زیر گنبد که کلاهک سختی دارد، یافت می شود. حفاری این کلاهک بسیار مشکل است و باید خارج از کلاهک نمکی حفاری انحرافی انجام گردد.

۷) چاه کمکی جهت خاموش کردن چاه های فوران کرده: در مخزن عظیم مارون، چاه مارون A-۱۲۶ جهت مهار آتش چاه ۱۲۶ اصلی به صورت انحرافی حفاری گردید.

۸) حفاری چندین حلقه چاه اکتشافی از یک حفره چاه (اکتشاف چاه نفتی یا ذخایر سولفور): اولین چاه در جهت فراشیب (Up Dip)، دومین چاه در جهت فروشیب (Down Dip) و چاه های دیگر به موازات (Strike) از یک حفره حفاری می شوند. هر چاه پس از حفاری، مسدود شده، حفره جدیدی از اولی منشعب، سازندها و محل ساختار کشف می شود. سپس آن حفره مسدود شده و حفره جدیدی حفاری می گردد. همچنین می توان به حفاری چندین شاخه چاه از روی یک سکوی دریایی اشاره کرد.

Multi Branch Well

۹) عبور از چندین لایه از یک حفره چاه مخصوص چینه های زیر گنبد نمکی، سنگ های دگرشیبی و سنگهای مجاور صفحه گسل است که از یک چاه جهت تکمیل چند منطقه نفت ده استفاده می شود.

 ۱۰) حفاری کنار گذر با باز کردن پنجره در جداری (Side Tracking) و ایجاد یک حفره جدید: این شیوه زمانی به کار برده می شود که جداری ها در برابر سازنده پر فشار گچساران دچار مچالگی (Collapse) شده باشند، یا این که بخواهیم به منظور فرار از تولید آب یا گاز ناخواسته، سر سازند مخزن نفتی را بالا یا پایین تر از قبل بگیریم.

۱۱) هدایت حفره مستقیم (Straight Hote Control)

انواع طرح های حفاری جهت دار

الف) نقطه شروع انحراف (K . O . P . ( Kick Off Point از نزدیک سطح زمین در نظر گرفته می شود که پس از رسیدن به حداکثر زاویه انحراف (Build Up Angle. Max.) تا رسیدن به مخزن، زاویه حفظ می شود.

ب) نقطه شروع انحراف را در عمق پایین تری تعیین می کنند و سپس تا رسیدن به مخزن، حداکثر زاویه انحراف کنترل شده و ادامه خواهد داشت.

ج) از نزدیک سطح زمین، نقطه شروع انحراف تعیین می شود که پس از رسیدن به حداکثر زاویه انحراف تا عمق مطلوب ادامه می یابد. سپس از عمق دلخواه شروع به کاهش زاویه انحراف نموده تا به صفر برسد یا در نقطه مورد نظر تکمیل شود.

حفاری جهت دار به صورت کنار گذر (Side Tracking)

با افزایش حفاری جهت دار، اولین عملیات انجام شده حفاری به صورت کنار گذر بوده است. این عملیات وقتی انجام می شود که حفره جدیدی از حفره اصلی منشعب شود. این کار با قرار دادن یک مسدود کننده سیمانی، انحراف چاه و حفاری در جهات مختلف انجام می گیرد. دلایل مختلفی برای حفاری به صورت کنار گذر وجود دارد. دلیل اصلی، وجود مانده در چاه که امکان بیرون آوردن آن عملی نبوده یا مقرون به صرفه نباشد. همچنین این کار برای تحقیقات زمین شناسی در شناخت لایه های یک سازند در چاه انجام می پذیرد.

به هر دلیل که این عملیات انجام شود می توان آن را به دو نوع تقسیم بندی کرد:

 ۱) باز کردن پنجره درون جداری یا آستری

۲) باز کردن پنجره از درون حفره باز

در حالت اول برای پنجره باز کردن درون جداری یا آستری لازم است قسمتی از لوله جداری یا آستری آسیاب شود به طوری که سازند آشکار شده و مانند حالت های معمولی از ابزار خمش برای انحراف استفاده گردد. آسیاب کردن لوله جداری یا آستری، عملیات مانده گیری مخصوصی می باشد که قبل از حفاری انحرافی انجام می شود. پس از آسیاب کردن لوله جداری یا آستری و گشاد کردن قسمتی از سازند که آشکار شده، لازم است یک مسدود کننده سیمانی درون جداری یا آستری قرار داده شود.

در پنجره باز کردن از درون حفره باز، قرار دادن مسدود کننده سیمانی بزرگ ترین مسأله برای موفقیت در عملیات است.

قرار دادن این مسدود کننده بزرگترین مشکلی است که شرکت های سرویس دهنده معمولا با آن مواجه هستند. دلیل اساسی برای از کارافتادگی مسدود کننده ها آلودگی گل می باشد و هر شیوه ای که مانع از این آلودگی شود، شانس موفقیت را افزایش می دهد.

Side Track

مته بسته شده به ابزار خمش، نقش اساسی در موفقیت انحراف حفره دارد. در سازندهای سخت از مته الماس می توان استفاده کرد. این عملیات به محض گذاشتن مسدود کننده سیمانی مرحله به مرحله به صورت مقابل می باشد:

مرحله ۱: سیمان بالای مسدود کننده را تا ارتفاع ۳ فوت بالای پنجره ای که درون لوله جداری باز شده تمیز می کنند.

مرحله ۲: ابزار خمش را رانده و در صورتی که انحراف حفره، جهت دار باشد، جهت آن را در موقعیت دلخواه قرار می دهند. اگر انحراف به صورت کور باشد، عملیات به طور کامل مکانیکی خواهد شد.

مرحله ۳: میز دوار را قفل کرده و شروع به تلمبه گردن سیال می کنند تا چرخش مته چهار یا پنج فوت بالاتر از ته چاه شروع شود. سپس لوله های حفاری را تا بالای مسدود کننده سیمانی پایین برده و بدون حرکت عمودی اجازه می دهند چرخش مته انجام گیرد.

مرحله ۴: حفاری سیمان با سرعت بسیار کم تقریبا بدون وزن روی مته شروع می گردد. این قسمت بسیار مهم است، به ویژه در انحنای حفره چاه، که نباید مسدود کننده سقوط کند. سرعت نفوذ در این نقطه بهتر است ۳ اینچ در هر ۱۵ دقیقه و تا حد امکان سرعت نفوذ یکسان باشد. به محض این که ۲ یا ۳ فوت با این سرعت حفاری شد، امکان افزایش سرعت به ۵ اینچ در هر ۱۵ دقیقه می رود. پس از ۲ یا ۳ فوت حفاری دیگر با این سرعت، می توان سرعت حفاری را به حدود ۳ فوت در ساعت افزایش داد. با این شیوه حدود ۱۰ فوت حفاری می کنند.

مرحله ۵: حالا سرعت حفاری به ۴ فوت در ساعت افزایش داده می شود و در پایان اتصال لوله، وزن روی مته باید حدود ۴۰۰۰ تا ۷۰۰۰ پوند باشد.

پیشنهادهای زیر برای قرار دادن مسدود کننده سیمانی به منظور انجام عملیات حفاری کنارگذر می باشد: عملیات حفاری کنار گذر یک عملیات نسبتا ساده در حفاری جهت دار می باشد. اساس آن استفاده از یک ابزار خمش در جهت تغییر مسیر اصلی حفره بوده و بعضی اوقات هزینه آن از یک چاه جهت دار کامل بیشتر است. اگر مسدود کننده سیمانی قرار داده شده سخت تر از سازند باشد، انحراف دادن چاه یک عملیات عادی حفاری جهت دار می باشد. در بعضی حالات به ویژه در اعماق زیاد که سازند بسیار سخت تر از سیمان می باشد نیز انجام می گیرد.

مرحله ۶: اتصال لوله انجام می شود. در اتصال لوله بسیار مهم است که لوله های حفاری نچرخیده و ساب خمش در جهت قبلی نگهداری شود. اگر حفاری کنار گذر کنترل شده باشد، ملزم به راندن ابزار چاه پیمایی برای بررسی جهت چهره ابزار خمش نسبت به کناره بالایی دیواره چاه می باشد.

مرحله ۷: حفاری ادامه داده می شود تا موقعی که اختلاف زاویه انحراف  بین زاویه قبلی و فعلی به وجود آید در این وضعیت می توان گفت که انحراف حفره با موفقیت انجام شده است.

مرحله ۸: ساقه های ته چاهی رانده می شود. این ساقه های ته چاهی باید در انتها طوری انحنا پذیر باشد که از حفره ای که از ابزار خمش منشعب شده به راحتی عبور کند. بهتر است از پایدار کننده برای از بین بردن و تراشیدن کژمژی های چاه استفاده شود.

SIDETRACKING

Whip Stock

حفاری چاه های افقی

فکر استفاده از چاه های افقی یا جانبی برای افزایش بازدهی و زهکشی سیالات زیرسطحی، جدید نیست. در اوایل دهه ۱۹۲۰ امتیازنامه هایی روی وسایل و شیوه های حفاری جانبی ثبت شده است. این ابزار پیچیده بوده و هرگز پیشرفت نکردند به طوری که مبنای روش های حفاری متداول امروزی نیستند.

ابزار حفاری افقی با شعاع کوچک (۲۰ تا ۴۰ فوت) به طور گسترده ای در دهه ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ مورد استفاده قرار گرفتند و در دهه ۱۹۵۰ با توسعه شکست هیدرولیکی (Hydraulic Fracturing) منسوخ شدند.

علاقه به حفاری افقی در اواخر دهه ۱۹۷۰ دوباره از سر گرفته شد. در سال ۱۹۸۵ توسعه ابزارهای حفاری با شعاع متوسط (۲۰۰ تا ۶۰۰ فوت) توسط ARCO و افزایش ۳ تا ۱۰ برابری تولید با استفاده از حفر چاه های افقی منجر به پیشرفت حفاری افقی شد. تعداد چاه های افقی از ۵۰ حلقه در سال ۱۹۸۵ به بیش از ۱۰۰۰ حلقه در سال ۱۹۹۰ رسید. طبق برآوردهای انجام شده تا سال ۲۰۰۷ این مقدار از چاه های افقی به عنوان جایگزینی مناسب برای چاه های قائم در تمامی مخازن جدید مطرح شده اند.

در ایران، حفر چاههای افقی برای اولین بار در سال ۱۳۷۱ در چاه های گچساران ۱۴۲ و مارون ۱۹۹ استفاده شد. بیشترین تفاوت چاه های افقی نسبت به چاههای قائم این است که تأثیر عملیات حفاری و تکمیلی را به مقدار قابل توجهی افزایش می دهند. قرار گیری بخش افقی چاه یک عنصر اصلی از طراحی تکمیل و استراتژی تولید است. در چاههای قائم، تکمیل به طور مشخص از ۱ تا ۳ درصد طول چاه را پوشش می دهد و هزینه های تکمیل، نماینده بخش کوچکی از هزینه های چاه است. در چاه های افقی، بخش افقی ممکن است نماینده ۸۰ درصد کل طول چاه باشد و تکمیل آن ممکن است بزرگ ترین بخش هزینه ها را به خود اختصاص دهد.

حفاری افقی به منظور راه حلی برای افزایش برداشت در مخزن های نفت سنگین شروع شد و توسعه یافت. یک چاه عمودی از نقطه شروع انحراف با یک شعاع انحنای کوچک تا ۹۰ درجه منحرف شده به صورت افقی در می آمد. بخار آبی که در عمق پایین چاه عمودی تزریق می گردید به طرف قسمت افقی و تفت ده جریان پیدا می کرد. شعاع انحناء بسیار کوچک و به عنوان حفره تخلیه شناخته می شد. وجود این حفره افت انرژی منبع بخار آب را در مسیر نفت سنگین که تولید می شد به حداقل می رساند. این نوع چاه های افقی نیاز به وسایل تولید و ابزارهای حفاری ویژه دارد.

از طرف دیگر نیاز به توسعه میدان های سواحل دریا، شیوه های حفاری جهت دار را به عنوان نوعی حفاری جدید توسعه داد. این چاهها از حالت عمودی منحرف شده و با شعاع انحنای زیاد با شیب بین ۲۰ تا ۵۰ درجه به سوی هدف حفاری می شد؛ در این شیب، مشکلات حفاری کم است و در محدوده بالا و پایین این شیب، حفاری با مشکلات فراوانی همراه است. توسعه سخت ابزار، فنون و سیستم کنترل در حفاری جهت دار با تلفیق حفاری های افقی در افزایش برداشت، شکل جدیدی به تخصص حفاری داد که حفاری افقی حفره کامل خوانده می شود. 

ابزاری که امروزه به کار گرفته می شود به نام لوله وزین انعطاف پذیر برای شعاع انحنای کم و گوه گیره دار (Whip Stock) با لوله های ضد مغناطیسی برای شعاع انحنای متوسط و طولانی می باشد. جهش حفاری افقی با معرفی موتورهای ته چاهی توربو با طوق خم (تلفیق شده فراهم شد. این اولین سیستم کنترل بود. ترقی سریع در گرفتن اطلاعات پیوسته از پارامترهای حفاری و جهت و اندازه زاویه انحراف در دهه های اخیر در عمومیت دادن حفاری افقی نقش بسزایی داشته است. همان گونه که اشاره گردید فنون و وسایل حفاری جهت دار در دهه ۱۹۸۰-۱۹۷۰ با اندازه گیری در حال حفاری (MWD ( Measured While Drilling انواع گوناگون موتورهای قابل کنترل و نمودارگیری در حال حفاری (LWD Logging While Drilling توسعه یافت، با نزدیک شدن دو فن و تکنولوژی سیستم کنترل ( LWD/ MWD ) تحولی جدید ارائه گردید.

دو عامل در حفر چاه های افقی مهم است:

۱) آیا درآمد را افزایش می دهد؟

۲) آیا هزینه کل توسعه میدان نفتی کاهش می یابد؟