لوله های وزنی با شیارهای مارپیچی
0

کالر یا لوله های وزنی یکی از قسمت های عمده و همیشگی معلقات تحتانی (BHA) رشته حفاری می باشند. این لوله ها که دارای ضخامت زیادی هستند، جهت تأمین بار روی مته حفاری و در نتیجه افزودن سرعت حفاری مورد استفاده قرار می گیرند.

کولار یا لوله های وزنی

کالر یا لوله های وزنی

لوله های وزنی، لوله های فولادی دیواره کلفت سنگینی هستند که اتصالات رزوه دار در دو سر آنها تراشیده شده است. اکثر لوله های وزنی استاندارد، گرد (دارای سطح مقطع دوار) و تقریبا ۳۰ فوت طول دارند در حالی که ممکن است چهارگوش یا مارپیچ دار نیز باشند. کالر یا لوله های وزنیمارپیچ دار در چاه های کم قطر یا انحرافی در سازندهای دارای نفوذپذیری بالا که در حالت فرا تعادلی (Over Balance) حفاری می گردند، بیشتر استفاده می شوند تا سطح تماس لوله با دیواره چاه را کاهش داده و در نتیجه از گیر اختلاف فشاری لوله (Differential Sticking) جلوگیری شود. این لوله ها گذرگاهی برای سیال حفاری ایجاد می کنند تا با خروج از آن اختلاف فشار آزاد شده و از بین برود. لوله های وزنی چهارگوش بیش تر از همه در حفاری چاه های مستقیم و به عنوان جزئی از ساقه های ته چاهی بسته به کار می روند تا چاه را در مسیر خود باقی نگاه دارند. علاوه بر نوع معمول کالر یا لوله های وزنیکه همیشه استفاده می شوند، لوله های نوع گلوبندی یا گیره خور، یعنی آنها که دارای شیار لوله گیر و گیره بالابر هستند و نوع دارای باند سخت و انواع ویژه دیگر نیز وجود دارند.

قطر خارجی لوله های وزنی استاندارد ممکن است از   اینچ تا ۱۲ اینچ تغییر کند. قطر داخلی با قطر دهانه هر یک از آنها ممکن است متفاوت باشد. اگرچه لوله های وزنی، قطرهای مختلفی دارند، اما این طور نیست که اندازه نرینه و مادینه های آن ها لزوما اختلاف داشته باشند.

وزن لوله های وزنی نیز بین ۱۶ تا ۳۷۹ پوند بر فوت تغییر می کنند که این به ساختمان و قطر خارجی آن بستگی دارد. جدول زیر وزن لوله های وزنی را با معلوم بودن قطر داخلی و خارجی این لوله ها نشان می دهد.

مهم ترین عامل در ساخت لوله های وزنی، یک ابزار اتصال خوب و موازنه شده است که این بستگی به اندازه های مادینه و نرینه دارد. در این مورد، مهندسین پی برده اند که باید مقاومت خمشی نرینه را نزدیک پایه اش با مقاومت خمشی مادینه در نزدیکی انتها مقایسه کنند. در یک طراحی خوب، مقاومت خمشی مادینه باید ۲ / ۵ بار بیش از مقاومت خمشی نرینه باشد. علامت کارخانه سازنده ابزار پیوند، ماه جوشکاری، سال جوشکاری، علامت کارخانه سازنده و درجه فولاد لوله روی پایه نرینه ثبت می گردد.

امروزه در صنعت نفت بیشتر لوله ها به صورت استاندارد مورد تصویب انستیتوی نفت آمریکا استاندارد (API) قرار گرفته اند. این استانداردها (API 7G)، خواص فیزیکی فلز، طریقه تولید و شکل هندسی لوله های حفاری را در بر می گیرند. شکل هندسی عبارت است از فرم پیچها (Threads)، ضخامت دیواره، قطرهای داخلی و خارجی و طول هر قطعه که البته، وزن واحد طول آنها را نیز در بر می گیرد.

در صورت توافق بین خریدار و تولید کننده، لوله های حفاری که با این استانداردها مغایرت داشته باشند نیز می توانند خریداری شوند. موضوع مهم در مورد خرید لوله های وزنی و حفاری که طبق استاندارد می باشند این است که، خریدار در مورد جنس و نوع مورد خریداری اطمینان دارد.

قبل از به وجود آمدن استانداردهای منتشر شده (API ) اطمینان به این که لوله های حفاری، کالر و نقاط اتصال پیچهای (Couplings) یک تولید کننده با محصولات تولید کننده دیگر تطبیق داشته باشد یا نه، کار بسیار مشکلی بود. پیچها همیشه به یکدیگر نمی خوردند، ضخامت دیواره ها و قطر های داخلی و خارجی لوله ها اختلاف قابل توجهی داشتند. اتلاف وقت و بلاتکلیفی بالاخره برنامه استاندارد کردن آنها را سبب شد که تقریبا به همه بلاتکلیفی ها خاتمه بخشید. استانداردهای منتشر شده (API) محدوده وسیعی از وسایل نفتی را که لوله های وزنی و حفاری نیز بخشی از آن است، در بر می گیرند. این اطلاعات منتشر شده یکی از بهترین منابع اطلاعات در مورد تولید کنندگان، طرز استفاده و نگهداری دستگاه های حفاری و بهره برداری نفت می باشند.

کالر در اندازه ها و شکل های گوناگون وجود دارند ولی پارامترهای مهم کاری آنها عبارتند از:

۱- قطر حفاری

۲- حداقل افت فشار

۳- راه اندازی و انتقال آسان

۴- استحکام در برابر کمانش

۵- صلبیت

شکل و اندازه کالرها

مقطع این لوله ها به شکل های مختلفی مانند مدور، مربعی، مثلثی و شیارهای مارپیچ بوده که معروف ترین و پرکاربردترین آنها، شکل مقطع مدور و شیارهای مارپیچی می باشد.

کالر با شیار مارپیچی، مساحت سطح تماس بین لوله وزنی و حفره چاه را کاهش می دهند (شکل زیر). این لوله های وزنی که شیارهای عریض ولی کم عمق دارند مساحت تماس را ۴۰ الی ۵۰ درصد و وزن را نیز ۷ الی ۱۰ درصد کاهش می دهند که در نتیجه به دلیل کاهش سطح تماس، فشار نفوذ نیز کاهش می یابد.

لوله های وزنی با شیارهای مارپیچی

لوله های وزنی با شیارهای مارپیچی

بهینه سازی کالر بزرگ تاکنون چندین بار صورت گرفته است و بیشترین قطر وزنی موجود در حدود ۸ تا ۱۲ اینچ است. در حالی که در سال های گذشته این مقدار ۶ تا ۷ اینچ بوده است.

قطر داخلی کالر را متناسب با قطر خارجی آنها عددی بین ۲ تا ۳ اینچ در نظر می گیرند. قطر خارجی لوله حفاری بین یک مقدار حداقل و یک مقدار حداکثر تعیین می گردد. مقدار قطر حداقل به طور مستقیم به صلب بودن لوله های وزنی و مقدار قطر حداکثر به قطر حفاری بستگی دارد. جدول زیر انتخاب لوله وزنی را مطابق با قطر حفاری بر حسب اینچ نشان می دهند.

قطر لوله وزنی متناسب با قطر حفاری

هنگام استفاده از لوله های وزنی قطور باید طراحی دقیق “BHA” متناسب با لوله های حفاری صورت پذیرد. به دلیل اختلاف سفتی بین لوله های حفاری و لوله های وزنی ممکن است لوله های حفاری دچار شکست شوند. لذا، برای جلوگیری از این امر باید اختلاف سفتی را تا آنجا که امکان دارد با استفاده از لوله های وزنی کوچک تر در بالای “BHA” یا استفاده از لوله های حفاری سنگین در بالای لوله های وزنی به حداقل رساند.

جنس و مراحل ساخت لوله های وزنی

لوله های وزنی بیشتر از ماشین کاری فولاد U.S) H 4165 ( NF) 4۲ CD 4) به دست می آیند. این فولادها معمولا از آلیاژهای کروم- مولیبدنیوم بوده که به طور کامل خواص مکانیکی را بعد از سرد کردن ناگهانی میله های داغ (Quenching) و انجام عملیات حرارتی فولاد تا زیر دماهای انتقال (Tempering) دارا می باشند و سختی آنها نیز متناسب با نحوه ماشین کاری حفظ می گردد. فرآیند ساخت لوله های وزنی در شکل زیر آمده است.

فرآیند ساخت لوله های وزنی

فرآیند ساخت لوله های وزنی

جدول زیر خواص مکانیکی لوله های وزنی را متناسب با قطر آنها نشان می دهد.

خواص مکانیکی لوله های وزنی - کولار

برای ایجاد سوراخ درون لوله های وزنی با استفاده از دو ابزار برش از دو انتها به سمت وسط الوله وزنی، سوراخ را ایجاد می نمایند. در حفاری چاه های جهت دار از لوله های وزنی غیر مغناطیسی استفاده می شود، زیرا ابزار آلات اندازه گیری “Azimuth” تنها در رشته حفاری عمل می کنند که لوله های وزنی آن روی میدان های مغناطیسی دستگاه های اندازه گیری تأثیری نگذارد. این لوله های وزنی از آلیاژهای مونل k (ترکیبی بیش از ۶۰% نیکل) ساخته می شوند اما، قیمت این فلز بسیار گران می باشد؛ لذا، این فلز را با آلیاژ استاتیک آهن – کروم – منگنز جایگزین می کنند.

دلایل به کار گیری لوله های وزنی

امروزه با تمام مشکلاتی که کالر ها مسبب آنها هستند باز هم آنها را به کار می بریم. لوله های وزنی سنگین بوده و مصرف آنها با مشکلات بسیاری توأم می باشد و کار کردن با دستگاه حفاری بدون وجود آنها بسیار ساده تر می باشد. مهم ترین دلیل به کار بردن لوله های وزنی این است که مته حفاری جهت حفاری طبقات احتیاج به وزن یا فشار کافی از طرف بالا دارد. هرگاه وزن لوله های وزنی به مقدار کافی نباشد لازم است که کمبود وزن به وسیله لوله های حفاری تأمین شود. در این حال لوله های حفاری زیرین تحت فشار قرار گرفته و به شدت خمیده خواهند شد. نتیجه این طرز استفاده این است که معمولا وسط لوله های حفاری به سرعت ساییده شده و نیز قسمت خارجی نقاط اتصال (Tool Joints) در اثر برخورد شدید با دیواره چاه یا جداری باعث از بین رفتن خود و جداری می گردند.

برعکس در مواردی که تعداد کالرها به اندازه کافی بوده و لوله های حفاری در حال کشش قرار داشته باشند، در حال چرخش، خمیدگی جدی در آنها به وجود نخواهد آمد و چون در آنها خمیدگی وجود ندارد، در نتیجه کمتر ساییده خواهند شد.

در مناطقی که وزن کمی جهت کار مته لازم است به دلیل تعداد کم لوله های وزنی مشکلات کمتری از این قبیل وجود دارد. هر چه وزن بیشتری جهت کار مته مورد نیاز می شود، تعداد بیش تری کالرها نیز باید مصرف شوند. مشکلات لوله های وزنی زمانی زیاد می شود که تعداد آنها از هفت یا هشت تجاوز نماید. هرچه لوله های وزنی زیادتر می شوند، مشکلات حفاری نیز اضافه می شود، مگر این که کارکنان دستگاه حفاری به اندازه کافی تجربه حفاری داشته باشند.

هر رشته از لوله های وزنی در برخی موارد شامل ۲ یا ۳ شاخه و در موارد دیگر ممکن است بیش از ۲۰ شاخه باشد.

به طور کلی لوله های وزنی وظایف بسیاری را انجام می دهند که برخی از آنها به شرح زیر می باشد:

الف) برای حفاری چاه، با ایجاد نیروی فشاری از طریق اعمال وزن روی مته، باعث می شود تا مته بتواند در داخل طبقات سازند به راحتی حرکت کند.

ب) قدرت مورد نیاز جهت تحت نیروی تراکم قرار گرفتن رشته حفاری را تأمین می کنند. وزن لازم را به رشته لوله های حفاری اعمال می کنند تا از کمانه کردن آن جلوگیری کنند. .

ج) مشکلات مته از نظر تثبیت، پرش و لرزش را به حداقل می رسانند.

د) مشکلات حفاری جهت دار کنترل شده را با دادن حالت سختى (Stiffness به BHA ) به حداقل ممکن می رسانند.

هـ) اثر پاندولی آنها می تواند مته را وادار سازد که چاه را نزدیک به خط قائم حفاری کند.

محاسبه وزن کالرها  (Drill Collars) در هوا و در گل

بیش تر لوله های وزنی طبق استاندارد API دارای ۳۰ فوت طول می باشند. قطر خارجی آنها تا حد امکان نزدیک به قطر چاه بوده و معمولا کمتر از یک اینچ با یکدیگر اختلاف دارند. قطر داخلی این لوله ها به اندازه ای انتخاب می شود که مقدار افت فشار در آنها حداقل باشد. زمانی که اندازه لوله وزنی مشخص باشد وزن آن توسط کارخانه سازنده آن معلوم می گردد. با در دست داشتن این اطلاعات، محاسبه تعداد لوله های وزنی لازم جهت وزن مورد علاقه، کاری آسان است.

وزن کالرها چقدر باید باشد تا لوله های حفاری در حالت کشش باشند و از خمش و کمانش ( Bending & Buckling ) یا شکسته شدن آنها جلوگیری شده و حفاری نیز دقیقه به صورت عمودی باشد؟

وزن لوله در گل کمتر از وزن آن در هواست چون نیروی شناوری گل بیشتر است. اگر گل سنگین تر باشد، نیروی شناوری بیشتر و وزن ظاهری لوله های وزنی کمتر خواهد بود.

وزن روی مته (W . O . B ( Weight On Bit : بر اساس پیشنهاد کارخانه سازنده مته مشخص می گردد.

ضریب شناوری × وزن لوله در هوا = وزن لوله در یک سیال

ضریب اطمینان یا ضریب طراحی (DF (Design Factor: درصد وزن اضافی لوله های وزنی است که برای حفظ حالت کشش لوله های حفاری به کار می رود. غالبا درصد وزن اضافی ۱۵ درصد است لذا، ضریب اطمینان ۱/۱۵ می شود. ضریب شناوری گل نیز برای وزن های مختلف در جدول زیر موجود است.

 ضریب شناوری کل برای وزن های مختلف

ضریب شناوری برای وزن های مختلف گل

ضریب شناوری برای وزن های مختلف گل

در چاه های انحرافی، گشتاور زیادی به لوله های وزنی معمولی اعمال می شود بنابراین، باید از لوله های حفاری سنگین (Heavy Weight Drill Pipes) در بالای لوله های وزنی استفاده شود تا تغییرات وزن در طول رشته حفاری به صورت یکنواخت تقسیم گردد و از بریده شدن لوله های حفاری در محل اتصال لوله های وزنی کاسته شود. این لوله ها که در مقایسه با لوله های وزنی، سطح تماس کمتری با دیواره چاه دارند (جهت کاهش گیر ناشی از اختلاف فشار تفاضلی)، دارای وزنی معادل با ۳-۲ برابر لوله های معمولی هستند. گرچه ضخامت بیشتری از لوله های حفاری معمولی دارند ولی دارای خاصیت ارتجاعی بیشتری از لوله های وزنی هستند که این امر سبب می شود تا گشتاور پیچشی رشته حفاری را کاهش داده و در نتیجه عملیات حفاری سریع تر گردد.

لازم به ذکر است که با طراحی مناسب رشته حفاری و به کار گیری ضربه گیر (Shock Absorb)، می توان وجود لوله حفاری سنگین را حذف کرد.

مزایای استفاده از کالر با قطر زیاد عبارتند از:

الف) لوله های کم تری جهت اعمال وزن کافی روی مته مورد نیاز خواهد بود.

ب) اتصالات کمتری در لوله های وزنی به کار می رود.

ج) زمان کمتری در هنگام پیمایش چاه صرف خواهد شد. (زمان باز و بسته کردن لوله ها کاهش می یابد.) د) عوامل ایجاد حالت سختى (Stiffness) روی مته به آن هرچه نزدیک تر خواهند بود.

هـ) ایجاد حالت خستگی در اتصالات لوله ها به علت نزدیکی قطر خارجی لوله به دیواره چاه به حداقل ممکن خواهد رسید.

و) امکان حفاری چاه های عمودی تر بیشتر خواهد بود.

برای داشتن لوله حفاری سنگین باید قطر داخلی کوچک انتخاب شود. با این وجود قطر داخلی متناسب با پارامترهای زیر تعیین می گردد:

١- اندازه تجهیزاتی که به منظور انجام انواع آزمایش ها و اندازه گیری ها درون لوله های وزنی قرار می گیرند.

۲- میزان افت فشار قابل قبول در جریان گل حفاری

تعیین تعداد و طول لوله های وزنی

همه حفارها مایلند که تعداد لوله های وزنی بیش تر از آنچه که لازم است انتخاب کنند که این انتخاب بستگی به قضاوت صحیح فرد دارد.

بنا به قانون ارشمیدس، لوله های وزنی در گل سبک تر هستند تا در هوا. هرچه وزن گل بیش تر باشد، مقدار تقلیل وزن نیز زیادتر خواهد بود. پس تعداد بیشتری از آنها باید به کار گرفته شوند تا این اختلاف وزن را جبران نمایند.

همگی توافق دارند که وزن گل باید از مقدار وزن لازم تجاوز نماید تا هنگام حفاری، از وزن لوله های حفاری استفاده نشود.

حفار وزن کالرها را روی عقربه وزن سنج اندازه می گیرد و با تجربه خود در مورد تعداد لازم تصمیم می گیرد. امکان دارد وزن لوله های وزنی که امروز اندازه گرفته می شود، با وزن آنها چند هفته پس از حفاری در داخل طبقات سخت و ساینده مقدار زیادی اختلاف داشته باشد.

اجتناب از مشکلاتی چون مصرف لوله های وزنی باعث به وجود آمدن مشکلاتی می شد. به همین دلیل مطالعات زیادی در سالهای اخیر انجام پذیرفت. مطالعات در این باره سبب از بین رفتن مقدار زیادی از این مشکلات گردید.

این پیشرفت ها و تغییرات عبارتند از:

١- بهبودی بدنه و پیچ ها

۲- ابداع لوله های وزنی مارپیچی که باعث جلوگیری از چسبیدن آنها به دیواره چاه می شود.

طول کالرهای مورد نیاز جهت تأمین بار روی مته با استفاده از رابطه زیر محاسبه می گردد:

فرمول طول لوله های وزنی مورد نیاز

DF : طول لوله های وزنی بر حسب فوت

WOB: وزن روی مته بر حسب پوند

WDC : وزن واحد لوله وزنی در هوا بر حسب پوند بر فوت

Cos α : انحراف زاویه چاه از حالت قائم بر حسب درجه

انواع حفاری افقی بر اساس شعاع انحنای چاه

مقاله قبلی

لوله حفاری نفت / مشخصات و سایز / قیمت (Drill Pipes)

مقاله بعدی

شما همچنین ممکن است دوست داشته باشید

نظرات

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.