حفاري جهت‌دار Directional Drilling))

اشاره:
آن‌چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست اولين بخش از مقاله‌ي « آشنايي با روش‌هاي نوين حفاري» از مجموعه‌ي متون آموزشي مفاهيم مهندسي نفت، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و سياست‌پژوهان بخش بالادستي نفت و اقتصاد انرژي است كه در سرويس مسائل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران، تدوين شده است.
توصيه مي‌شود خوانندگان گرامي قبل از مطالعه اين مقاله شماره‌هاي پيشين مجموعه مقالات آشنايي با مفاهيم مهندسي نفت را مطالعه كنند.

تعريف:
حفاري جهت‌دار نوعي از حفاري است كه در آن مسير چاه بر اساس نقشه‌اي معين و از پيش طراحي شده، براي رسيدن به ناحيه هدف (Target Area) از حالت عمودي منحرف مي‌شود. اين نوع حفاري زماني انجام مي‌شود كه بنابه دلايلي هدف نهايي از محلي كه بر روي زمين شروع به حفاري مي‌كنيم به صورت جانبي داراي فاصله باشد.

واژگان:

ناحيه هدف(Target Area): 
ناحيه‌اي معين در عمق از پيش‌ تعيين شده كه بر اساس طراحي‌انجام گرفته، چاه بايد آن ناحيه را قطع كند.

(MWD"(Measured While Drilling" :
نوعي از دستگاه‌هاي موقعيت‌ياب و اندازه‌گيري كه در انتهاي رشته حفاري و بالاي مته قرار مي‌گيرند و اين امكان را فراهم مي‌آورند كه درحين عمليات حفاري بتوان موقعيت دقيق چاه را تعيين كرد.

kick:
به شرايطي گفته مي‌شود كه به علت زيادبودن فشار سازندهاي حفاري شده نسبت به فشار هيدرواستاتيك ستون گل، سيال سازند وارد چاه شود. 

فوران(Blow out):
در صورتي كه پس از پيدايي kick، اين شرايط كنترل نشود و سيال پر فشار به سطح زمين برسد، باعث ايجاد فوران و در برخي مواقع آتش‌سوزي مي‌شود. 

كشتن چاه (Well Killing):
روش‌هاي جلوگيري از راه‌يافتن سيال سازند به سطح زمين و فوران را روش‌هاي كشتن چاه (Well Killing) مي‌گويند.

(Measured depth):
طول واقعي چاه از نقطه شروع حفاري تا هر نقطه دلخواه درمسير آن.

(Build up):
قسمتي از چاه كه زاويه شيب (inclination) افزايش مي‌يابد.

(Build up Rate):
سرعت تغيير زاويه چاه (Build up Rate) را معمولاً  به ازاي هر 100فوت عمق اندازه‌گيري شده (Measured depth)، بر حسب درجه بيان مي‌كنند.

مانده (Fish):
قطعاتي نظير تكه‌هاي لوله‌ حفاري، تكه‌هاي مته و يا ابزارهاي ديگر كه بنابه هر دليل درون چاه سقوط كرده و يا در ميانه چاه‌ گير كرده‌اند و ادامه عمليات حفاري را مختل مي‌نمايند.

موتور گل(Mud Motor):
موتورهايي كه نيروي محركه خود را از گلي كه با فشار به درون لوله‌ها پمپ مي‌شود به دست مي‌آورند.

انحراف از مسير اوليه(Side Track):
عملياتي كه به‌منظور جهت‌دهي دوباره به مسير چاه انجام مي‌گيرد، اين كار با حفاري مجدد از نقطه‌اي بالاتر از انتهاي چاه آغاز مي‌شود.

تاريخچه:

حفاري جهت‌دار براي اولين بار در سال "1929" با ساخت دستگاه‌هاي دقيق اندازه‌گيري زاويه چاه (inclination) مورد توجه قرار گرفت. در اوائل دهه "1930" اولين چاه جهت‌دار در خليج هانتينگتون كاليفرنيا حفاري شد. به تدريج با توسعه ميدان نفتي خليج هانتينگتون و حفر دو حلقه چاه جهت‌دار ديگر، چاه‌هايي به دست آمد كه ميزان توليد بيشتري داشتند.
حفاري جهت‌دار تا سال "1934" طرفداران چنداني نداشت، تا اين‌كه در اين سال يك چاه در كنرو (Conroe) تگزاس دچار فوران (Blow out) شد. در اين هنگام پيشنهاد شد با حفر يك چاه جهت‌دار، براي برخورد با چاه اول و پمپ گل به درون آن، مانع از ادامه فوران شوند (well killing). با انجام موفقيت‌آميز اين پروژه، حفاري جهت‌دار به عنوان راه حلي براي مسائل دشوار و دستيابي به مخازن پيچيده از سوي شركت‌هاي حفاري و نيز مشتري‌ها مورد استقبال قرار گرفت.
امروزه ، باتوجه به بالا بودن هزينه‌هاي جاري براي توليد و استخراج نفت و گاز ، حفاري جهت‌دار به عنوان يك ضرورت جلوه مي‌كند. مي‌توان گفت مهم‌ترين خصوصيت اين روش آن است كه توليد‌كنندگان را در سراسر جهان قادر مي‌سازد از مخازني برداشت نمايند كه برداشت از آن‌ها از نظر اقتصادي با هيچ روش ديگري امكان‌پذير نيست.
توسعه و پيشرفت در موتورهاي گل (Mud Motor) را مي‌توان از مهم‌ترين عوامل در پيشرفت صنعت حفاري جهت‌دار دانست. هم‌چنين ساخت دستگاه‌هاي موقعيت‌سنج بادقت بالا به توسعه اين صنعت كمك شاياني نموده است. هم‌اكنون، دستگاه‌هاي هدايت‌گر (Steering tools) پيشرفته به ‌عنوان وسايلي براي جهت‌دهي به موتورهاي گل جايگزين وسايل موقعيت‌سنج قديمي شده اند. اين دستگاه‌ها به‌وسيله كابل به درون لوله حفاري رانده شده و پس از قرارگرفتن در جاي مناسب و گذشتن از فواصل معين، اطلاعات را به سطح زمين مي‌فرستند. اين اطلاعات به‌ وسيله كامپيوتر پردازش شده و موقعيت دقيق چاه و شرايط دما و فشار ته چاه از آن‌ها استخراج مي‌گردد.
در دهه "1980"، يك نمونه جديد از اين دستگاه‌ها به عنوان وسيله‌اي با دقت و صرفه اقتصادي قابل قبول ساخته و معرفي گرديد. امروزه دستگاه‌هاي "MWD" با موتورهاي گل قابل هدايت، رانده مي‌شوند. نمونه جديد اين دستگاه‌ها به همراه دستگاه‌هاي لاگ (logg) اشعه گاما و مقاومت، ساخته شده است كه همزمان با عمليات حفاري، امكان بررسي و شناسايي سازند را فراهم مي‌آورد.

كاربردها:

1- انحراف از مسير اوليه (Side Track):
انحراف از مسير اوليه، اولين روش براي حفاري جهت‌دار بود. هدف از اين كار دورزدن و يا گذشتن از روي مانده‌هاي درون چاهي (fish) بود. امروزه انحراف مايل بسيار متداول است و به عنوان مثال هنگامي كه تغييرات پيش‌بيني نشده درساختار زمين‌شناسي مشاهده مي‌شود از اين روش استفاده مي‌شود. (شكل 1).

2- مكان‌هاي غيرقابل دسترسي:
هنگامي كه مخزن و يا هدف حفاري (target) زير يك شهر، رودخانه و يا يك مسير محيط زيست حساس واقع شده باشد، لازم است كه دستگاه حفاري را در مكاني دورتر از آن قرار داد. در اين مواقع با حفر يك چاه جهت‌دار مي‌توان به هدف دسترسي پيدا كرد (شكل 2).

3- حفاري گنبدهاي نمكي (Salt Dome):
گاهي مخازن نفتي زير گنبدهاي نمكي كه پوش سنگ‌هاي سختي هستند، مشاهده مي‌شوند. حفاري از درون لايه‌هاي نمكي مشكلات بسياري به همراه دارد. يك راه حل براي گريز از اين مشكلات استفاده از حفاري جهت‌دار و اجتناب از ورود به لايه‌هاي نمكي است (شكل 3).

4- گسل‌ (Fault):
گاهي ‌اوقات چاه‌هايي كه به‌صورت عمودي حفاري شده‌اند، كج مي‌شوند. اين پديده معمولاً به دليل وجود گسل در لايه‌هاي زير سطحي است. معمولاً بهتر است كه يك چاه جهت‌دار حفر شود و از برخورد با گسل پرهيز كنيم (شكل 4). 
 

5- چاه‌ اكتشافي چندگانه (Multiplex Well) از يك دهانه چاه:
مي‌توان با مسدود كردن يك چاه در عمق معين و ايجاد انحراف، يك چاه جديد حفر كرد. دهنه يك چاه مي‌تواند به‌ عنوان نقطه‌اي براي انشعاب چاه‌هاي ديگر مورد استفاده قرارگيرد (شكل 5). اين عمل اكتشاف و بررسي لايه‌هاي زير سطحي را بدون نياز به حفر چندين چاه كامل، ميسر مي‌سازد.

6- حفاري از خشكي به درون دريا (onshore):
با نصب دكل در خشكي و حفر چاه جهت‌دار مي‌توان به مخازني كه در زير سطح آب قراردارند، دسترسي پيدا كرد. با اين كار مي‌توان ضمن نصب شيرهاي سرچاهي در خشكي ، از هزينه‌هاي بالاي حفاري در دريا نيز اجتناب كرد(شكل 6).

7- حفاري چاه‌هاي چندشاخه (Multiwell) در دريا (offshore):
حفاري جهت‌دار از يك سكوي دريايي به‌ صورت چاه‌هاي چندشاخه اقتصادي‌ترين راه براي توسعه يك ميدان دريايي است (شكل 7). در خشكي نيز، زماني كه محدوديت مكاني داريم مانند نواحي باتلاقي و يا جنگل‌ها از روش حفاري چاه‌هاي چندشاخه استفاده مي‌شود. 

8- تقاطع با چند لايه بهره‌ده با استفاده از يك حلقه چاه:
در اين روش، يك چاه جهت‌دار به‌گونه‌اي حفر مي‌شود كه چندين لايه مخزني شيب‌دار را با هم قطع كند (شكل 8). اين روش، اين امكان را فراهم مي‌آورد كه با استفاده از تكميل چندگانه چاه همزمان از چند مخزن مجزا بهره‌برداري شود.

9- چاه‌هاي فرونشاني (Relief Well):
هدف از اين نوع چاه‌ها ايجاد ارتباط با چاه‌هاي درحال فوران در زير سطح زمين است تا با پمپ كردن سيال به درون آن‌ چاه بتوان عمليات كشتن چاه (Well Killing) را انجام داد (شكل 9). مشكلي كه وجود دارد اندازه كوچك هدفي است كه چاه انحرافي بايد به آن برسد. بنابراين، اين كار نياز به يك طراحي دقيق و استفاده از دستگاه‌هاي موقعيت‌ياب حساس دارد.

10- چا‌ه‌هاي افقي (Horizontal Well):
كاهش توليد از يك مخزن به‌ عوامل زيادي بستگي دارد. اين عوامل مي‌تواند شامل مخروطي شدن آب و گاز و يا نفوذپذيري عمودي سنگ مخزن باشد. در اين هنگام مهندسين مي‌توانند با طراحي و حفر چاه‌هاي افقي بر اين مشكلات غلبه كنند (شكل 10). چاه افقي نوع خاصي از چاه‌هاي جهت‌دار است كه خود به انواع شعاع كوتاه، متوسط و بلند تقسيم مي‌شود. اين تقسيم‌بندي بر اساس سرعت افزايش زاويه چاه (Build up Rate) انجام مي‌گيرد.
 

ادامه دارد...

تدوين: مهندس توماج فرود
دانشجوي كارشناسي ‌ارشد مهندسي حفاري-‌بهره‌برداري دانشگاه صنعتي اميركبير
خبرنگار مهندسي نفت سرويس مسائل راهبردي خبرگزاري دانشجويان ايران