حفاری انحرافی – Directional Drilling و کاربرد آن در بخش معدن

 

حفاری جهت‌دار یا انحرافی نوعی از حفاری است که در آن مسیر چاه بر اساس نقش‌های معین و از پیش طراحی شده، برای رسیدن به ناحیه هدف (Target Area) از حالت عمودی منحرف می‌شود. این نوع حفاری زمانی انجام می‌شود که بنا به دلایلی هدف نهایی از محلی که بر روی زمین شروع به حفاری می‌کنیم به صورت جانبی دارای فاصله باشد.

در برخی موارد از آن به حفاری کج، مایل و هدایت شده نیز تعبیر شده است. حفاری جهت‌دار اولین بار در دنیا برای حفر یک چاه از ساحل به زیر دریا جهت بهره برداری از نفت مخزن زیر آن استفاده شده است. البته چندی پس از آن در ایالت تگزاس آمریکا از این روش برای خاموش کردن و کنترل فوران یک چاه کمک گرفته شد.

تاریخچه معینی از حفر اولین چاه انحرافی در ایران وجود ندارد، اما برخی از کارشناسان صنعت نفت، عمر این روش 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 نمونه‌های دیگر اطفاء حریق می‌توان از چاه‌های ۱۳۱ آغاجاری، ۱۲۶ مارون و ۳۳ رگ سفید نام برد.

 

توصیف بعضی اصطلاحات مورد استفاده در مطلب

• ناحیه هدف: ناحیه ای معین در عمق از پیش تعیین شده که بر اساس طراحی انجام گرفته، چاه باید آن ناحیه را قطع کند‌‌.
• دستگاه MWD (Measured While Drilling): نوعی از دستگاه‌های موقعیت یاب و اندازه‌گیری که در انتهای رشته حفاری و بالای مته قرار می‌گیرند و این امکان را فراهم می‌آورند که در حین عملیات حفاری بتوان موقعیت دقیق چاه را تعیین کرد.
• سیلان (kick): به شرایطی گفته می‌شود که به علت زیاد بودن فشار سازندهای حفاری شده نسبت به فشار هیدرواستاتیک ستون گل، سیال سازند وارد چاه شود.
• فوران (Blow out)‌‌: در صورتی که پس از پیدایش kick، این شرایط کنترل نشود و سیال پر فشار به سطح زمین برسد، باعث ایجاد فوران و در برخی مواقع آتش‌سوزی می‌شود.
• کشتن چاه (Well Killing)‌‌: روش‌های جلوگیری از راه یافتن سیال سازند به سطح زمین و فوران را روش‌های کشتن چاه (Well Killing) می‌گویند.
• Measured depth: طول واقعی چاه از نقطه شروع حفاری تا هر نقطه دلخواه در مسیر آن‌‌.
• Build up: قسمتی از چاه که زاویه شیب (inclination) افزایش می‌یابد‌‌.
• Build up Rate: سرعت تغییر زاویه چاه (Build up Rate) را معمولا به ازای هر 100 فوت عمق اندازه‌گیری شده (Measured depth)، بر حسب درجه بیان می‌کنند‌‌.
• مانده (Fish)‌‌: قطعاتی نظیر تکه‌های لوله حفاری، تکه‌های مته و یا ابزارهای دیگر که بنابه هر دلیل درون چاه سقوط کرده و یا در میانه چاه گیر کرده‌اند و ادامه عملیات حفاری را مختل می‌نمایند‌‌.
• موتور گل (Mud Motor): موتورهایی که نیروی محرکه خود را از گلی که با فشار به درون لوله‌ها پمپ می‌شود به دست می‌آورند‌‌.
• انحراف از مسیر اولیه (Side Track): عملیاتی که به منظور جهت دهی دوباره به مسیر چاه انجام می‌گیرد، این کار با حفاری مجدد از نقطه‌ای بالاتر از انتهای چاه آغاز می‌شود.

 

تاریخچه

حفاری جهت‌دار برای اولین بار در سال ۱۹۲۹” با ساخت دستگاه‌های دقیق اندازه‌گیری زاویه چاه (inclination) مورد توجه قرار گرفت. در اوائل دهه ۱۹۳۰ اولین چاه جهت‌دار در خلیج هانتینگتون کالیفرنیا حفاری شد. به تدریج با توسعه میدان نفتی خلیج هانتینگتون و حفر دو حلقه چاه جهت‌دار دیگر، چاه‌هایی به دست آمد که میزان تولید بیشتری داشتند‌‌.

حفاری جهت‌دار تا سال ۱۹۳۶ طرفداران چندانی نداشت، تا این که در این سال یک چاه در کنرو (Conroe) تگزاس دچار فوران (Blow out) شد. در این هنگام پیشنهاد شد با حفر یک چاه جهت‌دار، برای برخورد با چاه اول و پمپ گل به درون آن، مانع از ادامه فوران شوند‌‌. (well killing) با انجام موفقیت آمیز این پروژه، حفاری جهت‌دار به عنوان راه حلی برای مسائل دشوار و دستیابی به مخازن پیچیده از سوی شرکت‌های حفاری و نیز مشتری‌ها مورد استقبال قرار گرفت‌‌.

امروزه، با توجه به بالا بودن هزینه‌های جاری برای تولید و استخراج نفت و گاز، حفاری جهت‌دار به عنوان یک ضرورت جلوه می‌کند. می‌توان گفت مهم ترین خصوصیت این روش آن است که تولید کنندگان را در سراسر جهان قادر می‌سازد از مخازنی برداشت نمایند که برداشت از آنها از نظر اقتصادی با هیچ روش دیگری امکان پذیر نیست‌‌.

توسعه و پیشرفت در موتورهای گل (Mud Motor) را می‌توان از مهم‌ترین عوامل در پیشرفت صنعت حفاری جهت‌دار دانست. هم چنین ساخت دستگاه‌های موقعیت سنج بادقت بالا به توسعه این صنعت کمک شایانی نموده است. هم اکنون، دستگاه‌های هدایتگر (Steering tools) پیشرفته به عنوان وسایلی برای جهت دهی به موتورهای گل جایگزین وسایل موقعیت سنج قدیمی شده‌اند. این دستگاه‌ها به وسیله کابل به درون لوله حفاری رانده شده و پس از قرارگرفتن در جای مناسب و گذشتن از فواصل معین، اطلاعات را به سطح زمین می‌فرستند. این اطلاعات به وسیله کامپیوتر پردازش شده و موقعیت دقیق چاه و شرایط دما و فشار ته چاه از آنها استخراج می‌گردد‌‌.

در دهه ۱۹۸۰، یک نمونه جدید از این دستگاه‌ها به عنوان وسیله‌ای با دقت و صرفه اقتصادی قابل قبول ساخته و معرفی گردید. امروزه دستگاه‌های “MWD” با موتورهای گل قابل هدایت، رانده می‌شوند. نمونه جدید این دستگاه‌ها به همراه دستگاه‌های لاگ (log) اشعه گاما و مقاومت، ساخته شده است که همزمان با عملیات حفاری، امکان بررسی و شناسایی سازند را فراهم می‌آورد.

 

 

آمار استفاده از حفاری انحرافی

براساس آمارهای موجود تا سال ۲۰۰۸ سهم کشورهای منطقه خاورمیانه از ذخایر نفتی جهان معادل ۶۱ درصد بوده‌ است. بر این اساس منطقه خاورمیانه بزرگترین دارنده ذخایر نفتی جهان است. پس از این منطقه اورآسیا (شامل کشورهای جماهیر شوروی سابق و اروپا) با ۶/۱۱ درصد از کل ذخایر نفت در رتبه دوم بزرگترین دارنده ذخایر نفت تا سال ۲۰۰۸ است. قاره آفریقا با ۵/۹ درصد، قاره آمریکای جنوبی و مرکزی با ۹ درصد، آمریکای شمالی با ۶/۵ درصد و منطقه آسیای ‌جنوب‌‌شرقی و اقیانوسیه با ۳/۳ درصد در مکان سوم تا ششم بزرگترین دارندگان ذخایر نفت جهان تا سال ۲۰۰۹ بودند.

با توجه به این نیاز روز به روز صنعت نفت و تکنولوژی حفاری در سال‌های اخیر دستخوش تحولات و دگرگونی‌های بنیادینی شده‌اند. این تغییر و تحولات چه به لحاظ دانش فنی و مهندسی، تجهیزات، بهبود روش‌ها و حصول رکوردهای جدید و چه به لحاظ مدیریتی قابل تعمق و بررسی است. از آنجایی‌که بهره‌برداری از ذخایر نفت، گاز و معادن کشور در شرایط کنونی ایران اسلامی بدون دخالت کارشناسان بیگانه و تنها با اتکا به الطاف الهی و تلاش بی‌وقفه متخصصان و کارکنان ایرانی اداره می‌شود، انتقال تکنولوژی پیشرفته و کاربرد آخرین دستاوردهای علمی و فنی برای استحکام و ضمانت توسعه بهره‌برداری از این نعمت‌های خداددی، بسیار ضروری است.

کل مصرف نفت جهان در سال ۲۰۰۸ به بیش از ۴/۸۴ میلیون ‌بشکه در روز رسید که این میزان نسبت به سال پیش ۶/۰ درصد کاهش داشته است. در سال ۲۰۰۸ ایالات متحده آمریکا با مصرف بیش از ۱۹ میلیون بشکه نفت در روز یعنی معادل ۵/۲۲ درصد مصرف جهانی در این سال، بزرگترین مصرف‌کننده نفت جهان در سال ۲۰۰۸ بوده ‌است. پس از آمریکا، چین در مقام دوم بزرگترین مصرف‌کننده نفت جهان قرار داشت.

مصرف نفت ایران در سال ۱۹۹۷ حدود ۱۲۳۹ میلیون بشکه بود. در سال ۲۰۰۸ مصرف نفت ایران حدود ۱۷۳۰ میلیون بشکه شده ‌است. به‌عبارت دیگر ظرف ۱۱ سال مصرف داخلی نفت ایران ۳۹ درصد رشد نشان می‌دهد که در مقایسه با سایر کشورهای جهان بجز عربستان صعودی رشد بسیار بالایی است.

 

از سال‌ها پیش مطالعاتی در مورد حفاری به روش انحرافی شروع و متعاقب آن از چندین سال پیش اقدام به حفاری شده است. این روش در چند سال گذشته به علت تولید بیشتر نفت از مخازن و تولید نفت بسیار سنگین که اخیرا به‌وسیله این نوع حفاری استخراج می‌شود و باعث افزایش ضریب بهره‌برداری از مخازن نفتی در دنیا شده‌اند، بسیار حائز اهمیت است در حقیقت حفاری افقی به‌عنوان تکنیک یا روش بازیافت ثانویه از مخازن مطرح است.

طبق آمارهای موجود میزان تولید نفت کشورهای مختلف در سال‌های ۲۰۰۷ و ۲۰۰۸ بدین شرح است: بیش از ۹/۳۱ درصد از نفت جهان در سال ۲۰۰۸ در منطقه خاورمیانه تولید شده است پس از این ناحیه منطقه اورآسیا با ۷/۲۱ درصد از تولید نفت در جایگاه دوم قرار داشت. در منطقه اورآسیا کشور روسیه با تولید ۴/۱۲ درصد از نفت جهان یکی از بزرگترین و در عین حال مهمترین تولیدکنندگان نفت جهان در سال ۲۰۰۸ بوده است

 

براساس آمار اعلام شده در این سال کشور روسیه با ۶/۱۹ درصد بزرگترین تولیدکننده گاز دنیا بوده است. پس از آن، ایالات متحده آمریکا ۳/۱۹ درصد گاز دنیا را در سال ۲۰۰۸ تولید کرد. متاسفانه با وجود ذخایر عظیم گاز در منطقه خاورمیانه مجموع سهم کشورهای این منطقه از تولید جهانی گاز اندکی بیش از ۱۲ درصد بوده است.

ایران در سال ۲۰۰۸ حدود ۸/۳ درصد از گاز دنیا را تولیدکرده است و بزرگترین تولیدکننده گاز منطقه خاورمیانه بوده است. ذخایر شناخته شده گاز طبیعی ایران در سال ۲۰۰۸ حدود ۱۶ درصد کل ذخایر دنیا است، به‌عبارت دیگر ایران نتوانسته تاکنون به نسبت ذخیره جهانی در تولید جهانی گاز مشارکت کند. از منظر تولید جهانی گاز، کشور قطر در جایگاه دوم منطقه خاورمیانه قرار دارد.

 

کاربردهای حفاری انحرافی یا جهت‌دار در صعنت نفت و گاز

از زمانی‌ که تکنیک حفاری جهت‌دار در حفاری دورانی معمول شد کاربردهای مختلف و متنوعی به شکل کلاسیک و دسته‌بندی شده پیدا کرده است. حفاری جهت‌دار گویا نخستین‌بار برای حفاری یک چاه از ساحل به زیر دریا جهت بهره‌برداری از نفت مخازن زیر آن و بعد حفاری یک چاه جایگزین و آتشنشان برای خاموش کردن و کنترل کردن یک چاه فوران کرده به‌کار رفته است. هر دو مورد اکنون نیز جزو مهمترین کاربردهای حفاری جهت‌دار هستند و البته حفاری چاه‌های آتشنشان از حساسیت خاصی برخوردار است.

به‌طور کلی به‌جز در حالت‌های خاص که حفاری چاه‌های نفت و گاز به‌صورت جهت‌دار لازم می‌شود خواست عمومی و مسائل فنی و اقتصادی همگی حکم می‌کنند که هر چاهی باید به‌صورت مستقیم و عمودی حفاری شود که در حال حاضر نیز عمده چاه‌های حفر شده در حال تولید از این نوع هستند بر همین اساس تنها مسائل فنی و اقتصادی توجیه‌گر هزینه‌های ویژه برای حفاری جهت‌دار برخی چاه‌ها است.

به‌طور کلی هرگاه برای ایجاد محل استقرار دستگاه‌ حفاری و آغاز حفر چاه موانع طبیعی، زمین‌شناسی، فنی و اقتصادی وجود نداشته باشند می‌توان حفاری جهت‌دار را به‌عنوان راه‌‌حل جایگزین، بررسی و انتخاب کرد و به‌کار برد. از جمله وجود موانع سطحی مانند دریا، رودخانه، مناطق مسکونی، یا کوهستانی بودن منطقه و هنگفت بودن هزینه ایجاد جاده و محل جاده و همچنین مخارج سنگین ایجاد سکوهای حفاری در دریا عوامل توجیه‌کننده برای حفر چاه‌های انحرافی هستند.

 

مورد دیگر کاربرد حفاری انحرافی نفوذ به محدوده‌های مخازن و ساختارهایی است که به‌دلایل مختلف زمین شناسی محل، ورود دقیق درست به آنها و یا بهره‌برداری از ذخیره آنها امکان‌پذیر نیست از این جمله به مخازن گسله‌ای و مخازن مجاور گنبدهای نمکی می‌توان اشاره کرد. جدیدترین کاربرد حفاری انحرافی نیز برای بالا بردن میزان بهره‌دهی از مخازن است. این کار با ایجاد حفره‌های زهشی که نفت تحت نیروی گرانش در آنها جمع می‌شود صورت می‌گیرد. بدین منظور اخیرا حفاری چاه‌های افقی که تکنولوژی آن نهایت پیشرفت حفاری جهت‌دار است معمول شده است. در این بخش نخست کاربردهای گوناگون حفاری جهت‌دار مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

هنگام حفر یک چاه اصل بر این است که روش حفاری عمودی (vertical) برای رسیدن به مخزن استفاده گردد، ولی در بعضی موارد به دلایل فنی یا اقتصادی به جای این روش، از روش حفاری جهت‌دار (Directional) استفاده می‌شود، که این موارد به شرح زیر است:

 

1- انحراف از مسیر اولیه (Side Track)

انحراف از مسیر اولیه، اولین روش برای حفاری جهت‌دار بود. هدف از این کار دورزدن و یا گذشتن از روی مانده‌های درون‌چاهی (fish) بود. امروزه انحراف مایل بسیار متداول است و به عنوان مثال هنگامی که تغییرات پیش‌بینی نشده در ساختار زمین شناسی مشاهده می‌شود از این روش استفاده می‌شود‌‌.

 

2- مکان غیر قابل دسترسی (Inaccessible Location)

هنگامی که مخزن و با هدف حفاری (target) زیر یک منطقه مسکونی، شهر، فرودگاه، رودخانه و یا یک مسیر محیط زیست حساس واقع شده باشد، لازم است که دستگاه حفاری را در مکانی دورتر از آن قرار داد. در این مواقع با حفر یک چاه جهت‌دار می‌توان به هدف دسترسی پیدا کرد. می‌توان این مورد را به سه دسته تقسیم کرد:

1-2 حفاری در زیر مناطق مسکونی

این مورد به خصوص در میدان نفتی اهواز که ۸۵ کیلومتر طول و ۱۵ کیلومتر عرض دارد و در امتداد شهر اهواز کشیده شده است به دفعات مشاهده دیده می‌شود. از ‌آن جمله می‌توان به چاه ” ۱۸ اهواز” و یا چاه‌هایی که به صورت انحرافی در زیر ” بیمارستان شرکت نفت اهواز” و ” فرودگاه” این شهر حفاری شده است اشاره کرد.

2-2 حفاری در مناطق کوهستانی مرتفع

  برخی از مخازن نفت و گاز از لحاظ جغرافیایی در ناحیه‌ای کوهستانی و مرتفع ‌قرار دارند. بنابراین جاده سازی برای انتقال تجهیزات به محل مورد نظر بسیار پرهزینه بود است و استفاده از روش انحرافی مقرون به صرفه می‌باشد. همچنین در نواحی کوهستانی به دلیل اختلاف ارتفاع زیاد از سطح دریا، در صورت استفاده از روش حفاری عمودی فشار مخزن به شدت کاهش مییابد بنابراین بهتر است از روش انحرافی برای حفر چاه استفاده کرد به عنوان نمونه می‌توان از چاه ” ۲۴ پاریس” یاد کرد.

3-2 حفاری از ساحل به زیر دریا

با توجه به هزینه مخارج بسیار بالای ساخت و یا اجاره سکوی‌های دریایی و حفاری در دریا روش مقرون به صرفه برای حفاری مخازن نزدیک به ساحل این است که ابتدا چاه در ساحل حفر گردد ولی مسیر آن به زیر دریا منحرف شود که در ایران نمونه این کار در میدان نفتی خارک انجام شده است.

 

3- حفاری در گنبدهای نمکی و گسل‌ها (Salt Dome and Fault Drilling)

حفاری گنبدهای نمکی (Salt Dome): گاهی مخازن نفتی زیر گنبدهای نمکی که پوش سنگهای سختی هستند، مشاهده می‌شوند. حفاری از درون لایه‌های نمکی مشکلات بسیاری به همراه دارد. یک راه حل برای گریز از این مشکلات استفاده از حفاری جهت‌دار و اجتناب از ورود به لایه‌های نمکی است. با توجه به اینکه مخازن نفتی ایران عمدتاً از نوع آهکی، با طاقدیس بسیار عظیم در اعماق زمین است، این روش در ایران کاربرد چندانی ندارد.

گسل (Fault): گاهی اوقات چاه‌هایی که به صورت عمودی حفاری شده‌اند، کج می‌شوند. این پدیده معمولا به دلیل وجود گسل در لایه‌های زیر سطحی است. معمولا بهتر است که یک چاه جهت‌دار حفر شود و از برخورد با گسل پرهیز کنیم‌‌.

 

4- حفاری حفره زهکشی (Dratin Hole Drilling)

یکی از کاربردهای جدید حفاری جهت‌دار ایجاد حفره زهشی است که در آن حفاری و تکنیک حفاری جهت‌دار در حد عالی به‌کار گرفته می‌شود. حفره زهش، یا تخلیه قسمتی از انتهای چاه است که با زاویه زیاد از خط قائم منحرف و در طول سازند مخزن حفر می‌شود تا فضایی را برای زهش و تخلیه از سنگ مخزن و انباشت آن ایجاد کند.

 در مخازنی که فشار کلاهک‌گازی (gas Cap) و یا گاز محلول در مخزن نقش اندکی در بالا راندن نفت از مخزن دارد از این روش استفاده می‌گردد در این روش حفاری به صورت عمودی شروع و در مخزن به صورت افقی خاتمه می‌یابد. حفاری مخزن به صورت افقی باعث می‌شود که سطح تماس چاه با مخزن افزایش یافته و دبی ورودی مخزن به چاه افزایش یابد.

این نوع حفره‌ها مشخصا در مخازنی ایجاد می‌گردند که عامل اصلی و عمده گرانش نفت مخزن گرانش (نیروی ثقل) است. در یک حفره زهش، در واقع مسیر حفره از حالت کاملا عمودی شروع شده و به حالت کاملا افقی و یا نزدیک به افق منحرف می‌‌شود. حفاری در طول سازند نفت‌ده از محاسن زیادی برخوردار است که عبارتند از:

• افزایش تولید
• بالا رفتن عمومی ضریب بازیافت مخزن
• کاهش مقدار جریان آب لجن
• نتایج ایجاد شکستگی بهتر
• امکان تزریق‌پذیری بهتر

 

اخیرا در کشور‌های غربی چندین حفره تا حد افقی حفاری شده است. بدیهی است این تکنیک مشخصا در مناطقی می‌تواند کابرد مفید داشته باشد که فشار کلاهک گازی و یا گاز محلول نقش اندکی در نیروی رانش مخزن و تولید نفت داشته باشد.

 

5- حفاری چاه‌های فرونشانی (Relief Well)

هدف از این نوع چاه‌ها ایجاد ارتباط با چاه‌های در حال فوران در زیر سطح زمین است تا با پمپ کردن سیال به درون آن چاه بتوان عملیات کشتن چاه (Well Killing) را انجام داد. مشکلی که وجود دارد اندازه کوچک هدفی است که چاه انحرافی باید به آن برسد. بنابراین، این کار نیاز به یک طراحی دقیق و استفاده از دستگاه‌های موقعیت یاب حساس دارد.

 

6- حفر چاه اکتشافی چندگانه (Multiplex Well از یک دهانه چاه‌‌

می‌توان با مسدود کردن یک چاه در عمق معین و ایجاد انحراف، یک چاه جدید حفر کرد. دهنه یک چاه می‌تواند به عنوان نقطه‌ای برای انشعاب چاه‌های دیگر مورد استفاده قرار گیرد. این عمل اکتشاف و بررسی لایه‌های زیر سطحی را بدون نیاز به حفر چندین چاه کامل، میسر می‌سازد‌‌.

همچنین به دلیل هزینه زیاد ساخت سکوی نفتی از یک سکو چند چاه به طور انحرافی حفر می‌گردد. این روش در‌ آب‌های خلیج فارس توسط شرکت نفت ایران انجام می‌شود.

 

7- حفر چندین چاه از یک حفره‌ چاه به جای حفر چند چاه جداگانه (Multi Lateral Wells)

حفاری جهت‌دار از یک سکوی دریایی به صورت چاه‌های چندشاخه اقتصادی‌ترین راه برای توسعه یک میدان دریایی است. در خشکی نیز، زمانی که محدودیت مکانی داریم مانند نواحی باتلاقی و یا جنگل‌ها از روش حفاری چاه‌های چندشاخه استفاده می‌شود‌‌.

 

8- کج کردن چاه (Side Tracking)

شاید متداول‌ترین و اولین تکنیک حفاری انحرافی در ایران کج کردن چاه بوده است. گاهی اوقات بدلیل گیر کردن ابزار حفاری (fish) و بالا نیامدن آن و یا تصحیح عمق ورود به مخزن انتهای چاه را سیمان (plug) ‌کرده و از کنار آن حفاری را ادامه می‌دهند این کار به دفعات در مخازن ایران انجام شده است.

 

9- عبور دادن چاه از چند لایه تولیدی متوالی (Multiple Sand from Single Well Bore)

در این روش، یک چاه جهت‌دار به گونه‌ای حفر می‌شود که چندین لایه مخزنی شیب‌دار را با هم قطع کند. این روش، این امکان را فراهم می‌آورد که با استفاده از تکمیل چندگانه چاه همزمان از چند مخزن مجزا بهره برداری شود.

 

10- چاه‌های انحرافی جهت‌دار برای اکتشاف

حالت‌های اصلی که رخ می‌دهند، به ترتیب اهمیت بدین قرار هستند:

 

الف) هدف دور از دسترس

گاهی اوقات قرار دادن دستگاه حفاری به طور دقیق در بالای هدف مشکل است و در عین حال برای استقرار دستگاه حفاری محل‌های معینی در فاصله‌ای معقول به آسانی قابل دستیابی است. این حالت تاکنون رایج‌ترین حالت بوده است و شرایط گوناگونی می‌توانند استقرار دستگاه حفاری را در بالای هدف مشکل سازند.

 

ب) از سرگیری حفر یک چاه به وسیله چاه انحرافی بنا به دلایل زمین‌شناسی

این وضعیت اغلب زمانی رخ می‌دهد که هدفی به دلیل وجود یک گسل و یا خطا در تفسیر ساختاری آن مورد دستیابی قرار نگرفته باشد. در این موقع فقط بخشی از چاه توسط حفاری انحرافی دوباره آغاز می‌‌شود.

 

ج) اکتشافات تکمیلی

حفاری یک چاه اکتشافی تکمیلی همزمان با توسعه، شامل دو مثال زیر است:

• استفاده از سکوی موجود برای اکتشاف یک هدف دیگر
• چاه تحدیدی یا چاهی که در لبه مخزن زده می‌شود و از سکویی که دارای چاه‌های توسعه‌ای انحرافی معمولی است، مورد حفر قرار می‌گیرد

این دو مثال موارد خاصی هستند که معمولا به حفاری چاه‌های با زاویه زیاد منتهی می‌شوند. در چنین مواردی همواره مهم است که پیشاپیش موفقیت چاه انحرافی جهت‌دار، با نتایج به دست آمده از یک چاه عمودی که از بالای هدف حفر شده است و پس از حصول به نتایج اکتشافی پیش‌بینی شده محققا‌ متروک خواهد شد، مقایسه شود. فقط پس از این تحلیل مقایسه‌ای می‌توان تصمیم‌گیری کرد.

 

11- چاه‌های انحرافی جهت‌دار برای توسعه میدان

توسعه میدان نفتی در تملک حفاری انحرافی جهت‌دار است، ولی این تنها زمینه توسعه آن نیست. در واقع چاه‌های معینی، بی‌آنکه در توسعه یک ناحیه شرکت داشته باشند، می‌توانند مشابه چاه‌های توسعه‌ای باشند اگر هدف آنها کاملا شناخته شده باشد.مثال‌های متعددی را در این مورد می‌توان ارائه کرد. موارد اصلی که معمولا برای چاه‌های توسعه‌ای جهت‌دار مورد مواجهه قرار می‌گیرند، به قرار زیر هستند:

 

گردهم‌آوری چاه‌های توسعه‌ای یک میدان، در یک نقطه معلوم:

الف) حداقل کردن سرمایه گذاری‌های مورد نیاز برای تحمل وزن دستگاه حفاری (حمل دستگاه حفاری) و همه یا بخشی از وسایل تولید که شامل موارد زیر است:

• همه سکوهای حفاری توسعه‌ای که دستگاه حفاری را روی خود نگه می‌دارند.
• همه سکوهای توسعه‌ای که از یک دستگاه حفاری متحرک به‌عنوان یک انباره استفاده می‌کنند.
• همه سکوهای تولید که بر روی دسته‌ای از چاه‌ها نصب شده‌اند که آن چاه‌ها قبلا از میان یک سازه خاص دریایی نصب شده در کف دریا،‌ یا به وسیله یک دستگاه حفاری جک‌دار و یا توسط دستگاه حفاری نیمه شناور حفاری شده باشند که این روش به حذف زمان برپایی سازه نهایی در زمان توسعه مخزن کمک می‌کند.

حالت‌های فوق‌الذکر شامل هم سکوها و هم جزایر مصنوعی است که می‌توانند در مناطق باتلاقی،‌ مناطق قطبی شمال و یا در سایر محل‌ها نصب شوند. از سوی دیگر، به‌طور جداگانه‌ای به کار تکمیل چاه‌های حفر شده در یک گروه در زیر دریا خواهیم پرداخت. این روش تکمیل، موقعی به کار می‌رود که ساخت سکوی ثابت غیراقتصادی باشد.

 

ب) حداقل کردن آلودگی صدا

در این مورد، گروه‌بندی چاه‌ها در یک دسته به‌منظور کاهش سرمایه‌گذاری است و بنا به دلایل و اثرات زیست‌محیطی صورت می‌گیرد و شامل مثال‌های زیر است :

• چاه‌هایی که در مناطق شهری قرار دارند و سر چاه‌ها و دستگاه‌های حفاری در یک ساختمان نصب می‌شوند.
• چاه‌هایی که در مناطق توریستی قرار دارند و معروف‌ترین آنها در جزایر مصنوعی مجاور با ساحل کالیفرنیا است.

 

حفاری چاه‌های انحرافی جهت‌دار برای حل مسائل توسعه‌ای خاص این موارد از چاه‌های انحرافی جهت‌دار، خیلی خاص بوده و معمولا انحراف بسیار زیادی دارند.مثال‌های زیر را می‌توان مشاهده کرد و یا در نظر گرفت:

• الف. چاه تزریق بخار در لایه‌های نفت سنگین.
• ب. حفاری چاه‌های غیر افقی در بالای مخازنی که به شدت ترک خورده هستند، به‌منظور به تاخیر انداختن تولید آب.
• پ. حفاری در مخازن گازدار کوچک (دارای حجم محدود).

 

12- کاربردهای خاص حفاری انحرافی جهت‌دار

حفاری جهت‌دار در موارد زیر دارای اهمیت می‌باشد‌‌:

• الف) حفاری جایگزین: چاه انحرافی جهت‌دار جایگزین که پس از یک فوران غیر قابل کنترل حفاری می‌شود. این کاربرد حتماً رشد خواهد کرد، زیرا که عملا تنها روش مبارزه با فوران‌های غیرقابل کنترل در حفاری دریایی است. ذخیره سازی زیرزمینی هیدروکربورها
• ب) حفر چاه‌های متعدد یا مجموعه‌ای از چاه‌ها (Well Cluster): فقط در مکان‌هایی که جهت بهره برداری آماده شده اند، توجیه اقتصادی دارد. بارزترین نمونه از این مورد در حفاری فراساحلی اتفاق می‌افتد که در آن ساخت یک سکوی ثابت جهت حفر چندین چاه بهره برداری توجیه اقتصادی دارد‌‌.
• ج) احداث کنار گذر (Side Tracking): کنارگذرها معمولا به هنگام مانده‌گیری (Fishing) جهت خارج کردن رشته لوله از کار افتاده و واقع در قسمت تحتانی چاه، حفر می‌شود‌‌.
• د) چاه‌های فشار شکن: چاه‌های فشار شکن در نزدیکی چاه دیگر برای کنترل فوران حفر می‌شوند. با توجه به اینکه دقت بالایی جهت حفر این چاهها در فاصله نزدیک به چاهی که در حال فوران است مورد نیاز است، حفر این چاه‌ها را می‌توان مهمترین و پیچیده ترین کاربرد حفاری جهت‌دار قلمداد کرد.
• ه) چاه‌های زمین گرمایی دو گانه (Paired Geothermal Wells)‌‌: جهت دستیابی و بهره برداری از منابع زمین گرمایی، در چاه نزدیک به هم حفر می‌شود. چاه تولید که آب گرم را از منبع به طرف بالا هدایت می‌کند و چاه تزریق که جهت انتقال مجدد آب به داخل لایه‌های زمین از آن استفاده می‌شود.
• ر) حفاری افقی در این کاربرد از روش حفاری جهت‌دار جهت حفر چاه با زاویه حداکثر ۹۰ درجه استفاده می‌شود و معمولا به منظور افزایش میزان تولید در چاهها کاربرد دارد‌‌. پارامترهای طراحی چاه جهت‌دار: طراحی و آماده سازی یک چاه جهت‌دار با مکان یابی هدف مورد نظر و استقرار دکل حفاری شروع می‌شود. مکان هدف معمولا به شکل کره ای که مرکز آن محل ضربه است، مشخص می‌شود. معمولا انتخاب ۱/۲۰ زاویه انحراف به عنوان شعاع هدف از نظر اقتصادی ممکن و مقرون به صرفه می‌باشد‌‌.

 

کاربردهای حفاری انحرافی یا جهت‌دار در صنعت معدن

در بخش معدن ما می‌توانیم یک تعریف جذاب‌تری برای این حفاری داشته باشیم، حفاری جهت‌دار تکنیکی است که مته را قادر می‌سازد به سمت یک مختصات مشخص هدایت شود. یا در صورت انحراف حفاری از مسیر مورد نظر می‌توان از آن برای بازگشت به مسیر استفاده کرد. اغلب، این یک رویکرد از پیش برنامه‌ریزی شده برای رسیدن به یک هدف مشخص است، که می‌تواند شامل یک یا چند نقطه از یک چال اصلی باشد. به عنوان مثال، یک پروژه معمولی می‌تواند شامل حفاری یک چال مادر و از آن، سه یا چهار چال انشعابی باشد که هر کدام دارای اهداف، شیب و آزیموت متفاوتی هستند.

این تکنیک می‌تواند به حفاری‌ها کمک کند تا بر چالش‌های محیطی غلبه کنند، از جمله رسیدن به منطقه هدف زیر یک سازند با ویژگی‌های زمین‌شناسی خاص که با روش‌های حفاری عمودی غیرقابل دسترس است، یا حفاری در یک منطقه معدنی عمیق پوشیده از سنگ که حفاری چندین چال را به کاری دشوار و خطرناک مبدل می‌کند.

 

حفاری جهت‌دار سابقه طولانی در صنعت نفت و گاز دارد و به لطف پیشرفت‌های تکنولوژیکی که تجهیزات و ابزارهای هدایت مته داشته‌اند به کارگیری آن را در حوزه معدنکاری امکان‌پذیرتر و بهینه‌تر کرده است، به طوری که در معادن به صورت فزاینده‌ای در حال استفاده از این روش هستند.

در مقایسه با حفاری مغزه‌گیری سنتی، حفاری جهت‌دار می‌تواند شناسایی مواد معدنی را به میزان بیشتری به نسب از یک چال معمولی فراهم کرد که به سبب آن در زمان و هزینه‌ها به میزان قابل توجهی، صرفه‌جویی می‌گردد. از دیگر مزایای این نوع حفاری این است که در مناطقی که مشکلات ایمنی و زیست محیطی وجود دارد می‌توان با عدم انتقال دکل‌های حفاری به این سایت‌های جدید و حفاری چندین چال انحرافی به اهداف خود تحقق ببخشید.

 

جهت استفاده از حفاری انحرافی در معدن به تجهیزات و ابزارهای پیشرفته‌تری نیاز است برای مثال:

حفاری جهت‌دار به پمپ گل قدرتمندتری نیاز دارد تا بتواند با افزایش قابل توجه فشار در سیستم سیال که مته را هدایت می‌کند، مقابله کند. همچنین نیازمند سیستم تصفیه گل حفاری قدرتمندتر است، با هدف حفظ لجن و گل تا زیر 2 درصد. در حالی که موتورهای گلی پرهزینه‌تر از گوه‌ها هستند و نیاز به پشتیبانی فنی اضافی دارند، این تکنیک از طریق افزایش راندمان و تولید باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها در بلندمدت می‌شود.

ابزارهای نقشه‌برداری/ هدایت، با استفاده از انواع سیگنال‌ها برای انتقال داده‌ها به مته، دقت ضربه زدن به هدف را افزایش می‌دهند. ابزارهای پالس گل، که در موتور گل قرار دارند، می‌توانند پالس‌های فشار را از طریق گل یا سیال دیگر به بالای رشته حفاری ارسال کنند تا بتوان آن‌ها را رمزگشایی کرد. ابزارهای الکترومغناطیسی از امواج الکتریکی که از طریق سنگ به سطحی منتقل شده استفاده می‌کنند که بتوانند آنها را رمزگشایی کنند.

 

مهمترین موارد کاربرد این صنعت خارج از محدوده صنعت نفت و گاز عبارت است از تولید و بهره‌برداری از معادن زغال سنگ که خود شامل این موارد است:

1. اکتشاف زغال‌سنگ
2. تخلیه گاز متان
3. در جا تبدیل به گاز شدن
4. حفاری شفت
5. حفاری مسیرهای رهایی و نجات
6. اکتشاف معادن
7. ساختمان نیروگاه
8. مغاره گیری
9. حفاری ژئوترمال
10. انتقال و دفع ضایعات هسته‌ای و شیمیایی
11. ساختمان صنایع
12. ساختمان تونل

 

با توجه به کاربرهای گوناگونی که حفاری جهت‌دار دارا است مثال‌هایی انتخاب شده که در واقع تقاضای مخصوص برای تکنیک حفاری جهت‌دار و وسایل استفاده شده محسوب می‌شود.

 

۱. حفاری گمانه‌زنی یا راهنما PILOT DRILLING

تکنیکی است که برای مدت‌های طولانی در معادن کاربرد داشته است. حفاری حفره ۲/۱ ـ ۸ اینچ تا ۴/۱ـ۱۲ اینچ و گشاد کردن آن با حفاری‌های اضافی تا قطر چند متر اخیرا در ساختمان تونل و نیروگاه به‌خوبی به‌کار گرفته می‌شود. در حفاری راهنما برای شفت، بسیار مهم است که حتی‌الامکان حفره به‌طور عمودی باشد، در ساختمان نیروگاه گاهی لازم می‌شود حفره‌ای که حفاری می‌شود دارای زاویه‌ای با شیب ۷۰ درجه باشد.

حفاری مغزه‌گیری جهت‌دار الماسه روشی ویژه برای حفاری در سطح زمین به منظور اکتشاف توده‌های معدنی با رسیدن به یک منطقه یا هدف خاص و کنترل مسیر گمانه با ابزارهای خاص است.

گمانه اصلی (چال مادر): گمانه‌ای که ابتدا برای ارزیابی یک هدف معین در سازند با هدف خاصی حفر می‌شود. اغلب از واژه گمانه مادر استفاده می‌شود.

گمانه چند جانبه: این گمانه را با یک طوقه در سطح و چندین شاخه حفر شده از گمانه اصلی توصیف می‌کند. حفاری چند جانبه فناوری بسیار کارآمدی در پروژه حفاری عمیق برای کشف اهداف بدنه سنگ معدن و شرایط سنگ اطراف است. در شکل زیر یک نمونه اجرا شده در پروژه اکتشافی است.

 

۲. حفاری ژئوترمال

تکنیک حفاری جهت‌دار قسمت مهم و اساس تهیه پروژه‌های ژئوترمال است که برای دستیابی به منبع آب‌های گرم و استفاده از انرژی آنها انجام می‌گیرد. مسئله ازدیدگاه تکنیک حفاری جهت‌دار مربوط به دمای زیادی است که ابزار اندازه‌گیری و موتورها باید متحمل شوند.

در چنین حالت‌هایی استفاده از تکنیک حفاری جهت‌دار کاملا جدی و الزامی است، زیرا به‌ عنوان مثال حفاری مقدماتی برای تونل تامین آب باید شیب و جهت خواسته شده را پیش از شروع داشته باشد. این نوع حفاری مستلزم استفاده از دستگاه حفاری هیدرولیکی با دکل قابل کج شدن است با این دستگاه حفاری لوله‌های وزنه/ حفاری مخصوص به ازای فقط ۵/۱ متر به‌کار برده می‌شود.

 

3- سایر کاربردها در معادن

اداره معادن با وزارت انرژی ایالات متحده در پروژه حفاری جهت‌دار گاززدایی در معدن زمرد در نزدیکی وینزبورگ، پنسیلوانیا همکاری می‌کنند. این پروژه برای ترکیب فناوری بسیار موفق گاززدایی افقی زیرزمینی با روش‌های حفاری سطحی طراحی شده است. هدف از این پروژه نشان دادن این است که حفاری جهت‌دار می‌تواند به عنوان تکنیکی برای گاززدایی از بسترهای زغال‌سنگ قبل از استخراج برای کاهش خطرات انفجار متان-هوا در معادن زغال‌سنگ استفاده شود. چال انحرافی در معدن زمرد طوری طراحی شده است که به صورت عمودی شروع شده و به صورت افقی وارد بستر زغال سنگ پیتسبورگ می‌شود. ^{[دانلود مقاله]}

 

انواع طرح‌های حفاری جهت‌دار

• الف) نقطه شروع انحراف K.O.P (Kick Off Point) از نزدیک سطح زمین در نظر گرفته می‌شود که پس از رسیدن به حداکثر زاویه انحراف (Build Up Angle. Max.) تا رسیدن به مخزن، زاویه حفظ می‌شود.
• ب) نقطه شروع انحراف را در عمق پایین تری تعیین می‌کنند و سپس تا رسیدن به مخزن، حداکثر زاویه انحراف کنترل شده و ادامه خواهد داشت.
• ج) از نزدیک سطح زمین، نقطه شروع انحراف تعیین می‌شود که پس از رسیدن به حداکثر زاویه انحراف تا عمق مطلوب ادامه می‌یابد. سپس از عمق دلخواه شروع به کاهش زاویه انحراف نموده تا به صفر برسد یا در نقطه مورد نظر تکمیل شود.

بعد از آنکه نقاط آغازین و انتها مشخص شدند مسیر حفر چاه نیز بایستی مشخص گردد. معمول ترین و اقتصادی ترین مسیر برای حفر چاه، مسیر کی شکل می‌باشد. جهت حفر این گونه چاه‌ها، گروه حفاری در ابتدا یک چاه عمودی تا عمق مشخصی که تحت عنوان نقطه انحراف (به هنگام فوران کمک می‌نماید. مسیر حفاری شده توسط مته حفاری را می‌توان بر اساس اندازه‌های زاویه انحراف، قوس و طول مسیر حفاری مشخص نمود. که در زیر توضیح داده می‌شود.

 

اندازه‌گیری طول

در طول پروسه حفاری، مفصل‌های لوله حفاری به مجموعه رشته لوله اضافه می‌شوند و در نتیجه باعث می‌شوند طول چاه با دقت میلی‌متری اندازه‌گیری شود. بعد از متوقف شدن عملیات حفاری نیز می‌توان طول چاه را اندازه‌گیری کرد. معمول‌ترین روش اندازه‌گیری طول چاه، اندازه‌گیری مقدار کابلی از الکترود نمودارگیری است که به چاه وارد می‌شود‌‌.

 

اندازه‌گیری انحراف

انحراف، زاویه بین خط عمود و محور چاه می‌باشد. اندازه‌گیری بر اساس آشکارسازی زاویه انحراف به (Relief Wells) مسیر مورد حفاری توسط مته در حفاری جهت‌دار بنا به دلایل زیر می‌بایست با دقت کافی مانیتور گردد.

• الف – تعیین موقعیت سگ‌پا یا زانویی در محل‌هایی که با توجه به گرادیان انحراف، خمیدگی زیادی دارند سگ‌پا محلی است که چاه به دلیل منحرف شدن از مسیر قبلی، گشاد‌تر می‌شود.
• ب- جهت بازبینی مسیر چاه به صورت تئوریک و رسیدن به هدف مورد نظر.
• ج- جهت رسم موقعیت چاه با بالاترین دقت ممکن که به مهار چاه توسط چاههای فشار شکن ( Monitoring the Well Courser) شکل جهت دسترسی به هدف مورد نظر غیر ممکن بوده، یا نقطه انحراف بسیار عمیق بوده و با گرادیان انحراف بسیار کوچک باشد، می‌توان چاه را به کمک لوله‌های مورب یا مایل حفر نمود – مونیتورینگ و اندازه گیری مسیر چاه S شکل یا J گویند‌‌.

در مواقعی که حفر چاه به صورت (Build Up) شناخته می‌شود، حفر می‌کنند. نقطه انحراف نقطه‌ای است که در آن انحراف چاه از مسیر عمودی آغاز می‌شود. مرحله بعدی حفاری همراه با افزایش زاویه شیب می‌باشد و حفر آن به رشته لوله حفاری ویژه ای نیازمند است.

کمک میدان جاذبه و به وسیله ابزار پاندولی یا یک شتاب سنج انجام می‌گردد‌‌. اندازه‌گیری قوس مغناطیسی (Magnetic Azimuth)‌‌: قوس مغناطیسی زاویه بین صفحه عمودی گذرنده از محور چاه و صفحه عمودی گذرنده از شمال مغناطیسی می‌باشد. این اندازه‌گیری توسط یک سوزن مغناطیسی یا به وسیله یک قطب نمای شناور که به راستای جریان مغناطیسی زمین اشاره می‌کند، انجام می‌پذیرد.

این اندازه‌گیری را می‌توان توسط یک مغناطیس سنج که سه تصویر بردار میدان مغناطیسی را اندازه می‌گیرد، انجام داد اندازه گیری جهت‌دار ابزار: این اندازه‌گیری زمانی لازم است که بخواهند ابزار انحراف چاه را در جهت مناسب قرار دهند. در هنگام استفاده از ابزار‌های انحراف لازم است زاویه بین محور رشته حفاری و جهت قوس مشخص شود‌‌.

 

روش‌های محاسبه انحراف چاه

روش‌های محاسبه انحراف چاه به ترتیب از ساده و مبنا به روش‌های پیچیده‌تر 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)

 

 

ابزارهای حفاری انحرافی یا جهت‌دار

همانطور که گفته شد، حفاری جهت‌دار از چندین بخش تشکیل شده است. نقطه انحراف، ناحیه انحراف، ناحیه پایدار و احتمالا ناحیه خوابیده. حفاری هر یک از این بخش‌ها نیازمند ابزارآلات و تکنیک‌های ویژه‌ای است. در حالت کلی سه روش عمده برای ایجاد نیروی جانبی و انحرف دادن به چاه از جهت عمودی وجود دارد که در این بخش توضیح داده می‌شود.

 

گوه یا زانویی انحراف (whip stock)

همانطور که در شکل زیر دیده می‌شود، این ابزار به شکل گوه است و از انتهای چاه تا سطح زمین حالت مخروطی دارد. گوه پس از وارد شدن به چاه در جهت مورد نظر ثابت می‌شود. در این حالت با اعمال نیروی رو به پایین به گوه بوسیله قرار دادن وزنه روی آن از حرکت گوه و دوران آن جلوگیری می‌شود. سپس مته‌ای با قطر کوچک وارد چاه شده و با احتیاط شروع به حفاری می‌کند. نرخ نفوذ در این حالت به دقت کنترل می‌شود. پس از 6 یا 7 متر حفاری و نفوذ در بستر، مجموعه رشته لوله حفاری و گوه انحراف از چاه خارج شده و به دنبال آن مجموعه مته گشاد کاری که قطر مته آن به اندازه قطر نامی چاه است، وارد چاه می‌شود و حفاری را ادامه می‌دهد.

 

گل پاشی (Jetting)

این روش از نظر اقتصادی بسیار به صرفه می‌باشد. مخصوصا در سازندهای نرم و سازندهایی که قابلیت حفاری بالایی دارند. مثلا نرخ حفر چاه بیشتر از ۲۰ متر در ساعت باشد. رشته حفاری در این عملیات باید از نوع رشته حفاری زاویه ساز (Angle Building Type باشد. این نوع رشته لوله حفاری دارای اجزا زیر است: مته حفاری با یک، دو یا سه نازل که یکی از نازل‌ها قطر بیشتری داشته و به نام نازل اصلی شناخته می‌شود. ابزار تثبیت کننده پشت مته (Near Bit Stabilizer) که قطر آن برابر با قطر مته است.

طوق مته از جنس مواد غیر مغناطیس. سه حالت دارد. در حالت اول عمل گل پاشی برای ایجاد حفره خارج از مرکز صورت می‌گیرد. در حالت دوم حرکت بالا و پایین مته سبب می‌شود رشته حفاری از جهت عمودی منحرف شود و در نهایت در حالت سوم دوران مته باعث ادامه حفاری در جهت جدید می‌گردد. روش کار ساده و تاحدی شبیه گوه انحراف است. مته حفاری باید توسط نیروی جانبی در جهت مورد نظر منحرف شود. خم کن وزن موجود روی مته را که توسط طوق مته ایجاد شده از مرکز مته به سمت خارج منحرف می‌کند. شکل بالا نوعی اتصال خم کن را نشان می‌دهد که چاه عمودی را منحرف کرده است.

 

موتورهای درون چاهی (Turbine Drilling Motors)

در حفاری جهت‌دار مخصوصا در صورتی که زاویه انحراف زیاد باشد، نمی‌توان از سیستم حفاری سنتی که در آن کل رشته حفاری حرکت چرخشی دارد استفاده کرد. در این گونه موارد از موتورهای درون چاهی استفاده می‌شود. این نوع موتورها به انتهای رشته حفاری و قبل از مته حفاری متصل می‌شوند. بنابر این رشته حفاری در حین کار ثابت است و دوران نمی‌کند. موتورهای درون چاهی از سیال تحت فشار برای دوران استفاده می‌کنند.

دو نوع موتور درون چاهی در صنعت حفاری کاربرد دارد که عبارتند از: موتورهای توربینی و موتورهای جابجایی مثبت. موتورهای توربینی یا توربین‌های حفاری، همانطور که از نامشان پیداست دارای پره‌هایی هستند که در اثر برخورد سیال به آنها سبب دوران روتور می‌شوند. گشتاور ایجاد شده در روتور از طریق شفتی که به طوق مته متصل است، به مته منتقل می‌شود. سرعت دورانی در محدوده ۵۰۰ الی ۱۰۰۰ دور بر دقیقه می‌باشد.

برای بالا بردن بازدهی لازم است سیال با قدرت زیادی پمپ شود. به همین دلیل پمپ‌های دکل حفاری باید قویتر از معمول باشند. موتورهای توربینی می‌توانند سرعت‌های دورانی بالاتر از حد معمول در حفاری چرخشی ارائه دهند. در واقع اولین کاربرد این موتورها در حفاری با سرعت بالا بود اما اکنون جایگاه خود را در حفاری جهت‌دار و افقی به دست آورده‌اند. شکل زیر نمایی از موتورهای درون چاهی توربینی را نشان می‌دهد‌‌. موتورهای جابجایی مثبت در صنایع نفت و گاز برای انتقال سیالات ویسکوز و سنگین و یا بعنوان پمپ‌های درون چاهی برای پمپاژ هیدروکربن‌ها استفاده می‌شود.

 

پمپ‌های غیر جابجایی مثبت مانند انواع پمپ‌های آب، از نوع پمپ‌های دورانی هستند که در صورت بالا بودن نیروی مقاوم نمی توانند سیال را پمپ کنند و روتور پمپ هرز می‌گردد و یا اصطلاحا پس می‌زند. در صورتی که در پمپ‌های جابجایی مثبت این اتفاق نمی‌افتد و تا زمانی که نیروی پمپ بیشتر از نیروی مقاوم باشد عمل پمپاژ ادامه پیدا می‌کند.

موتورهای جابجایی مثبت در واقع همین پمپها هستند که در جهت عکس استفاده می‌شوند. به این ترتیب که سیال با فشار وارد موتور می‌شود و سبب حرکت دورانی روتور حلزونی می‌شود. زمانی که سیال با فشار تخلیه پمپ به سمت پایین حرکت می‌کند به روتور حلزونی گشتاور وارد می‌شود. بدون در نظر گرفتن مقدار بازدهی، گشتاور ایجاد شده متناسب با فشار سیال و سرعت دورانی متناسب با نرخ جریان می‌باشد.

مشکل عمده موتورهای جابجایی مثبت، عدم مقاومت موتور در دماهای بالای درون چاه و همچنین حساسیت زیاد موتور به وجود گاز در داخل گل حفاری است. مزیت عمده موتورهای مذکور در این است که برعکس موتورهای توربینی نیازی به تجهیزات خاص هیدرولیکی ندارند و با همان سیستم رایج دکل‌های حفاری کار می‌کنند.

استفاده از حفاری جهت‌دار که امروزه جزء لاینفک روش‌های مرسوم حفاری به شمار می‌رود، جهت توسعه میادین نفتی بسیار معمول است. برخلاف حفاری عمودی که در آن تنها انتخاب و طراحی طول چاه مهم است، در روش حفاری جهت‌دار می‌بایست مواردی از قبیل سیستم اندازه‌گیری، ابزار دقیق، ابزار آلات انحراف (Deflection Tools) پارامترهای مناسب حفاری، سازگاری معماری چاه با طول آن، روش سیمانکاری موثر در نظر گرفته شود.

 

لوله‌های طوقه‌ (Drill Collar)

لوله‌های فولادی سنگین و سختی هستند که در انتهای رشته‌های حفاری به منظور تأمین وزن روی مته (WOB) و هم‌چنین سختی رشته حفاری قرار می‌گیرند. از نظر ساختار بدنه دوگونه مارپیچی و صاف وجود دارد که در حفاری جهت‌دار نوع مارپیچی ترجیح‌ داده می‌شود. شیارهای مارپیچی که روی بدنه لوله طوقه توسط ماشین تراشیده می‌شود، سبب کاهش سطح تماس لوله با دیواره چاه به میزان ۴۰ درصد می‌گردد در حالی که تنها ۴۰ درصد از وزن لوله کاهش می‌یابد. این کاهش سطح تماس باعث کاهش احتمال چسبیدن لوله به دیواره چاه (Differential Sticking) و گیرکردن آن می‌شود. لوله طوقه به طور میانگین ۳۱ فوت طول دارد و از نظر اندازه طول لوله و جنس فولادی آن، غیر از لوله طوقه معمولی سه نوع لوله دیگر وجود دارد.

• لوله طوقه کوتاه که در طول‌های ۱۵- ۱۰- ۵ فوت ساخته می‌شوند.
• لوله طوقه غیرمغناطیسی که از آلیاژ خاصی از فولاد زنگ نزن با کیفیت بالا ساخته می‌شود.
• لوله طوقه غیرمغناطیسی کوتاه.

 

ساب شناور (Float Sub)

یک لوله کوتاه که یک سر آن پین (نرینه) و سردیگر آن باکس (مادینه) است و محلی برای قرارگرفتن شیرشناور (Float Valve) می‌باشد. معمولاً بالای موتورهای دکل (PDM) نصب می‌شود. شیرشناور برای جلوگیری از حرکت سیال حفاری به سمت بالا از درون لوله حفاری تعبیه می‌شود. و در واقع یک شیر یک‌طرفه است که اجازه می‌دهد گل از داخل رشته حفاری وارد چاه شود اما مسیر برگشت آن را می‌بندد و گاهی اوقات درساب بالای مته (Bit Sub) هم نصب می‌شود.

 

تثبیت کننده‌ها (Stabilizer)

تثبیت کننده‌ها جزء ضروری تقریباً همه رشته‌های حفاری در چاه‌های جهت‌دار هستند. تثبیت‌کننده‌های نزدیک مته (Near bit Stabilizer) معمولاً جایگاه شیرشناور هم هستند. برروی لوله تثبیت کننده تیغه‌هایی نصب شده که به صورت ۳۶۰ درجه سطح لوله را پوشش می‌دهد و معمولاً روی این تیغه‌ها توسط مواد سخت پوشش داده می‌شود.

 

غلتک‌های تراشنده (Roller Reamer)

این تراشنده‌ها به منظور حفظ اندازه چاه، کاهش گشتاور (Torque) در لوله و هم‌چنین ثابت نگه‌داشتن رشته حفاری در دو نوع نزدیک مته و رشته حفاری موجودند و معمولاً در سازندهای سخت مفید می‌باشند

 

ساب خمیده (Bent Sub)

ساب خمیده لوله دارای پین و باکس می‌باشد که قسمت پین (نرینه) باید با باکس (مادینه) هم‌سایز و هم‌ساز باشد. پین معمولاً با زاویه‌ای نسبت به محور بدنه ساب ساخته می‌شود. این زاویه معمولاً بین 1 تا 3 درجه است که به اندازه 1/2 درجه تغییر می‌کند. ساب خمیده بلافاصله بالای PDM یا توربین قرار می‌گیرد و با اعمال نیرو به مته سبب حرکت آن در یک مسیر کمانی شکل می‌شود.

 

چاله‌بازکن (Hole Opener)

این وسیله یک ابزار لوله‌ای شکل با قطر ثابت است که برای بازکردن چاه‌های هدایت‌گر (Pilot Well) استفاده می‌شود. برای سازندهای مختلف دارای برشگرهای متفاوت است که می‌توان آن‌ها را درمحل چاه عوض کرد

 

وایپ استاک (WhipStock)

یک وسیله ایجاد انحراف در چاه است که در چاه‌های باز (Openhole) و یا جداری شده (Cased hole) کاربرد دارد. ویپ استاک درچاه باز قابل بازیابی است و معمولاً برای ایجاد یک انحراف عمیق درچاه‌های با حرارت بالا و یا دکل‌های کوچک مورد استفاده است. در چاه جداری شده برای ایجاد انحراف از مسیر اولیه از درون جداری‌ها (Casing) به کارمی‌رود، درون جداری محکم و ثابت می‌شود تا اجازه انحراف ازدرون آن را بدهد و سپس در پایان کار در همان جا، رها می‌شود

 

جارهای حفاری (Drilling Jar)

برای اعمال ضربه به سمت بالا یا پایین طراحی شده‌اند، در چاه‌های جهت‌دار همراه رشته حفاری رانده می‌شوند تا درهنگام گیرکردن لوله (Pipe Stock) در چاه با اعمال ضربه آن را آزاد کنند. جارهای می‌توانند هیدرولیکی، مکانیکی و یا هیدرومکانیکی باشند

 

موتورهای قابل هدایت (Steerable Motor)

از آخرین دستاوردهای تکنولوژی حفاری جهت‌دار است؛ این دستگاه یک PDM است که هم می‌تواند بچرخد و با حفر سازند به پیش رود و هم در صورت لزوم جهت‌ داده شود. یک غلاف خمیده این امکان را می‌دهد که در هنگام جهت‌دهی، دستگاه نسبت به محور رشته حفاری منحرف شود و با استفاده از این انحراف می‌توان اصلاحات کوچک را در مسیر چاه اعمال کرد

 

نتیجه‌گیری

مهمترین کاربردهای این تکنیک عبارتند از: حفاری در مناطق غیرقابل دسترس، گسل‌ها، گنبد‌های نمکی، حفاری‌های اکتشافی، چاه‌های امدادی یا آتشنشان و غیره. جدیدترین کاربرد حفاری انحرافی نیز برای بالا بردن میزان بهره‌دهی از مخازن است. بدین منظور اخیرا حفاری چاه‌های افقی که تکنولوژی آن نهایت پیشرفت حفاری جهت‌دار است معمول شده است.

از لحاظ هزینه‌ای در حدود ۴۰ درصد تا ۱۰۰ درصد هزینه حفر چاه افقی بیشتر از حالت عمودی است ولی با این وجود چون در مدت زمان بسیار کوتاه جبران هزینه‌های آن خواهد شد بنابراین از نقطه نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است. همچنین این موضوع در چند سال گذشته به علت افزایش تولید بیشتر نفت بسیار سنگین که اخیرا به‌وسیله این نوع حفاری به عمل آمده و باعث افزایش ضریب بهره‌وری ذخایر نفتی در دنیا شده بسیار حائز اهمیت است.

ازدیاد برداشت از مخازن به روش‌های ثانویه و ثالثیه به‌وسیله تزریق آب، گاز تنها در مناطق محدودی قابل اجرا است، در صورتی که روش حفاری افقی مستقیما در تولید نفت و گاز قابل استفاده است و این محدودیت را ندارد.

یکی از مشکلات و موانع مهم در سر راه صنعت نفت تهیه ابزار و ماشین‌آلات و انتقال تکنولوژی‌های جدید مورد نیاز است. به‌کارگیری و هدایت نیروهای متخصص با دانش فنی و مهندسی مرتبط است تا سطح بهره‌وری بالا رود و جلوگیری از هدر رفتن منابع، هزینه‌ها‌ و امکانات شود. در این راستا مسئولان و صنایع مادر که در این خصوص دخیل هستند باید دقت و همکاری خودشان را بیش از گذشته معطوف کنند و اولویت در برنامه‌ریزی‌های کلان را اختصاص دهند به اکتشاف، حفاری و بهره‌برداری از منابع و مخازنی که به‌صورت مشترک بین دو کشور همسایه واقع شده است و دولت محترم با حمایت‌های هرچه بیشتر خود از بخش‌های صنعتی نسبت به ایجاد زیرساخت‌های اصلی در جهت تولید و تامین تجهیزات و قطعات مصرفی مورد نیاز صنعت نفت خصوصا حفاری زمینه را برای تولید، نوآوری‌ و شکوفایی هرچه سریع‌تر آماده کند.