الحفر الموجه
الحفر الموجه Directional drilling أو Slant drilling، هو أسلوب حفر الآبار غير الرأسية. ويمكن تقسيمه إلى ثلاث مجموعات رئيسية: الحفر الموجه لحقل نفطي، الحفر الموجه لتركيب منافع ( أو H.D.D.، الحفر الموجه الأفقي، الثقب الموجه) والحفر الموجه في الشقوق (ميثان مرقد الفحم).
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
التاريخ
قامت الشعوب، زمنا طويلا، بحفر الآبار في أعماق القشرة الأرضية بحثا عن الماء. وخلال القرن العشرين والحادي والعشرين، تم توجيه هذه التقانة نحو قضية مهمة أخرى: استخراج الغاز الطبيعي والنفط من باطن الأرض، ويستهلك اقتصاد العالم أكثر من 60 مليون برميل من النفط يوميا، ويذهب ما بين ثلث إلى ثلثي تكلفة الإنتاج إلى نفقات الحفر فقط. ووفقا لبعض التقديرات فإن هذه النفقات تزيد على 80 مليون دولار يوميا. ويعود السبب في ارتفاع تكلفة الحفر إلى أن مشروعات الإنتاج تكون عادة في مناطق نائية، وتستخدم معدات كبيرة ومعقدة تتطلب مهارة فائقة للتشغيل. وقد درج المهندسون على حفر الآبار بشكل عمودي نظرا لبساطة ذلك، ومع أن الخط المستقيم هو أقصر فإنه ليس بأكثرها نجاعة. إضافة إلى ذلك، فإن وجود المباني والتلال والأنهار قد يمنع فريق الحفر من تثبيت أبراج الحفر فوق هدف ثمين، كما أن التصدعات الجوفية، أو تشكيلات الصخور غير المتماسكة قد تمنعها من الحفر رأسيا.
ومع توجه البحث عن النفط والغاز إلى مناطق أكثر تحديا، صار من الصعوبة بمكان تجنب مثل هذه العوائق، وصار النجاح التقني والاقتصادي لفعاليات الحفر يعتمد باضطراد على قدرة الحفارين على توجيه البئر نحو هدفها.لقد تم تطوير العديد من الطرائق خلال العقد الماضي لتلبية هذه الحاجة المتزايدة. وهذه الطرائق تمكّن طواقم الحفر من حفر الآبار أفقيا أو على شكل منحنيات أو في أي اتجاه كان تقريبا. ونتيجة لذلك، أصبح بإمكان العاملين توجيه مسار البئر لاستخلاص النفط من أمكنة لا تستطيع البئر العمودية الوصول إليها أبدا. وقد جذبت دقة هذه التقنيات اهتمام المهندسين العاملين خارج القطاع النفطي ايضا.
فالكثير من الشركات تعمد الآن إلى استغلال الطاقة الحرارية الأرضية، الموجودة على شكل بخار أو ماء حار (مرتبط بنشاط بركاني)، باستخدام طرائق الحفر الموجه. ويستفيد من هذه الطرائق أيضا علماء البيئة والشركات المتخصصة في أعمال معالجة المخلفات الخطرة بعرض فحص وتنظيف الملوثات المدفونة، ويعمد المقاولون إلى استعمالها في مد خطوط (كبلات) الخدمات تحت المناطق المدنية المزدحمة.
قبل ظهور هذه التقانة، كانت الأداة الوحيدة المتوفرة لتغيير مجرى بئر هي إسفين الإمالة whipstock، وهو عبارة عن وتد مستدق من الصلب. يقوم العمال بشبك إسفين الإمالة ورأسه موجهة إلى الأعلى داخل البئر (حفرةالسبر) broehole، وعندما يقومون بإنزال مجموعة الحفر drilling assembly إلى داخل ثقب الحفر مرة أخرى، فإن الوجه المائل للإسفين يرغم ريشة (لقمة) الحفر drilling bit على التحرك نحو الجوانب بعيدا عن اتجاهها الأصلي. ويستطيع فريق العمل إحداث تغيرات أكثر باستخدام أسافين إمالة إضافية. وهكذا فمن حيث المبدأ، يمكن الحفر في أي اتجاه. أما في الواقع، فإنه يجب تخصيص الكثير من الوقت للعملية بحيث إن فرق العمل كانت تلجأ إليها فقط عندما تريد تجاوز معدات مستعصية داخل البئر، وهذه المناورة يُطلق عليها الحفر الجانبي (التحولي) sidetracking.
لكن هذا الموقف تغير عندما بدأت شركات النفط الاهتمام بالحصول على النفط من مناطق مغمورة offshore.وللوصول إلى طبقات النفط المدفونة تحت المحيط، كانت فرق الحفر تحتاج إلى العمل من فوق منصاتplatforms عائمة أو كما هو معتاد من منصات منصوبة على قاع البحر. ومثل هذه المنشآت باهظة الثمن، فمثلا منصة كولفاكس C في بحر الشمال تزن 1.5 مليون طن، ويبلغ ارتفاعها 850 قدما، وكلف بناؤها بليوني دولار. وتغطي قاعدتها نحو أربعة هكتارات من قاع البحر، ويكفي الصلب المستخدم في تدعيمها لبناء 10 أبراج مثل برج إيفل. ويلزم العديد من مثل هذه المنشآت لاستخراج النفط من حقل ما. وباستخدام تقنيات الحفر الموجهdirectional drilling بدلا من ذلك، يمكن لطاقم الحفر العمل من على منصة واحدة لحفر آبار في اتجاهات مختلفة والوصول إلى أمكنة مستهدفة متعددة. ولقد أعطت هذه الاستراتيجية أكثر مما وعدت به. ففي الشهر 1/1993، حطمت النرويج الرقم العالمي بحفر بئر في بحر الشمال تمتد لمسافة 23917 قدما من رأس البئر، وعلى عمق يبلغ 9000 قدم.
وتجد شركات النفط قدرات الحفر الموجه جذابة لسبب آخر: هو أن اتجاه البئر يؤثر بشدة في كفاءة الرشح منه. يكمن النفط والغاز في صخور مسامية ونفوذة واقعة تحت طبقات كتيمة تعزل المكمن عما فوقه. ويعوم النفط عادة في طبقة أفقية بين الماء والغاز. ويكون عرض طبقة النفط عادة أكبر من ارتفاعها، ولهذا فإن الآبار المحفورة رأسيا تلامس النفط لعدة أقدام فقط. ويهدف مهندس الإنتاج إلى استخراج أكبر كمية ممكنة من النفط دون سحب الماء الموجود تحت طبقة النفط. أما طبقة الغاز العليا فيمكن أن تجمع تمهيدا لبيعها أو أن تترك في مكانها لتضغط على النفط النفيس دافعة إياه باتجاه البئر. وعلى الرغم من الخبرة الهندسية في هذا المجال، فخلال مدة قصيرة ونتيجة لسحب السوائل من المكمن يرتفع مستوى الماء وينخفض مستوى الغاز. عند تلك النقطة تفقد البئر بعض قيمتها لأنها تبدأ بإنتاج الماء والغاز مع النفط. وعلى العكس من ذلك فإن البئر التي تخترق طبقة النفط أفقيا تسحب كمية من الماء والغاز أقل بكثير من البئر المحفورة رأسيا، لأن الحفر الأفقي في المنطقة النفطية يلامس مئات أو ربما آلاف الأقدام من طبقة النفط.
تم الحفر الموجه في سوريا و للمرة الأولى في حقل زرابة عام 1992 وذلك كون النفط في هذا الحقل من النوع الثقيل و سماكة الطبقة المنتجة قليلة و امتدادها الموجه كبير و مواصفاتها الخزنية (المسامية و النفوذية) قليلة . و بعدها توسع الحفر الموجه ليشمل حقولاً أخرى. وبشكل عام ولاعتمادنا على خطط لحفر الموجهة نرى أنه لا بد من توافر المعطيات لرئيسية التالية:
- الدراسة الجيولوجية التفصيلية للحقل.
- معرفة شبكة الشقوق الطبيعية في الطبقات الحاملة و اتجاهها
- ضرورة وضع نموذج جيولوجي خزني للمكمن.
- وجود مخطط تكنولوجي لاستثمار الحقل وفق الحل المقترح لحفر الآبار الموجهة.
تقنيات الحفر الموجه
لم يكن بالاستطاعة تعديل طرائق الحفر التقليدية بسهولة لتحقيق هذه الإنجازات الباهرة. فخلال هذه العمليات تكون ريشة الحفر متصلة بعمود الحفر (سلسلة من الأنابيب) string يدوِّرها العاملون من السطح. وعند دفع ريشة الحفر إلى الأسفل، تتكسر الصخور في قاع الحفرة تحت وطأة ثقل أنابيب الحفر التي تعلوها. وتوفر مئات الأقدام من قطع الأنابيب الثقيلة والسميكة نسبيا ـ التي تعرف باسم أطواق الحفر (الثقالات) drill collars، الموضوعة فوق ريشة الحفر مباشرة ـ القوة الدافعة الرئيسية. أما باقي عمود الحفر فإنه يتكون من أنابيب حفر أقل سماكة تتدلى من برج الحفر derrick أو سارية الحفر drilling mast، ويضخ طاقم الحفر طين الحفرdrilling mud المكون عادة من الطين وأشياء أخرى مع الماء، داخل أنبوب الحفر، ومن ثم إلى الخارج من خلال فوهات نفاثة في واجهة ريشة الحفر. ويعود الطين مرة أخرى إلى السطح من خلال الفراغ الموجود بين الأنبوب وجدار البئر دافعا فتات الصخر إلى الخارج.
ومعظم عمود الحفر مصنوع من أنابيب حفر فولاذية يصل قطرها إلى نحو خمس بوصات وطولها إلى نحو 10000 قدم. يبدو الأنبوب من هذا الحجم وكأنه قوي جدا، ولكن لو صغرنا هذا الأنبوب بتناسب فإنه سيشبه إبرة حقن طبية يبلغ طولها أكثر من 60 قدما وقطرها نحو واحد على ثلاثين من البوصة. وللحفر في مسار منحن محدد سلفا يجب أن يكون باستطاعة طاقم الحفر أن يؤثر في الاتجاه الذي سينحني وفقه عمود الحفر المرن. ويمتلك القائمون على الحفر الموجه مثل هذا التحكم، وذلك بأن يدخل في طوق الحفر "وصلة منحنية" bent subفي جزء العمود القريب من الريشة. ولا يتجاوز انحناء هذه االوصلة بضع درجات، وهذا يكفي لحفر ثقب بقطر التفافي يتراوح طوله ما بين بضع مئات إلى بضعة آلاف من الأقدام. ولأن هذا الانحراف يوجه ريشة الحفر باتجاه جانبي، لا يستطيع الحفارون أن يقوموا بتدوير كل مجموعة الحفر من السطح، ولو أنهم فعلوا ذلك فإن ريشة الحفر ستخط مسارا لولبيا دقيقا على الصخر مما يؤدي فعليا إلى تكوين حفرة رأسية. ولهذا طور التقانيون محركات لمجموعات الحفر الموجه توضع في ثقب الحفر لتقوم بإدارة ريشة الحفر مباشرة عندما تكون الوصلة المنحنية في مكانها، وتقوم مقابض برج الحفر في قاعدة البرج بليّ الأنبوب عند السطح لتغيير اتجاه الانحناء بحيث توجَّه ريشة الحفر إلى الأعلى أو إلى الأسفل أو إلى اليمين أو إلى اليسار كما يراد.
إن نجاح مثل هذه التصاميم يعتمد ـ بشكل كبير ـ على تقليل الاحتكاك في الجزء السفلي من الحفرة. ففي ثقب الحفر، الذي يكون أفقيا تقريبا، ترتكز أطواق الحفر على جوانب الحفرة. ويتوجب على العاملين استخدام طين حفر زلق للغاية لئلا تستعصي أي من المعدات أو فتات الصخر. أما في حال ثقب أفقي حقيقي، فلا تستطيع أطواق الحفر الارتكاز بالقرب من ريشة الحفر، لأنها سوف تنجر على قاع ثقب الحفر بدلا من دفع ريشة الحفر إلى الأمام،ولذا فإنه في مثل هذه الحالات ترتكز أطواق الحفر على الجزء العلوي العمودي من الحفرة. ومن هذا الموقع فإنها تدفع قسما من الأنابيب ـ خفيف الوزن نسبيا، في الجزء الأكثر استواء من الثقب ـ نحو ريشة الحفر. وحرصا على حماية الأنابيب الخفيفة الوزن من أن تسحق أو تنحصر بين جدران الحفرة، صمم المهندسون أنابيب خفيفة وصلبة.[1]
كذلك أوجدت فرق المصممين حلولا لمشكلات أخرى. ومنها أن تدفق طين الحفر خلال الأنبوب يقوم بدفع المحركات المستخدمة في مجموعة الحفر والموجودة في أسفل ثقب الحفر. وفي البداية، جرب العاملون العنفات (التوربينات)، ولكن هذه المحركات تعمل بكفاءة عالية وعلى سرعات تبلغ عدة مئات من الدورات في الدقيقة ـ وهذا سريع جدا بالنسبة لمعظم ريش (رياش) الحفر التقليدية. إضافة إلى ذَلك، وبما أن باستطاعة طين الحفر أن يتدفق من خلال العنفة سواء أكانت دائرة أم لا، فإنه ليس باستطاعة الحفارين أن يتنبؤوا أو يعرفوا ما إذا كانت العنفة تعمل بسرعتها الصحيحة أو أنها لا تدور على الإطلاق.
وهكذا لجأت الصناعة إلى أداة تسمى محرك الإزاحة الإيجابي positive displacement motor، حيث يتدفق طين الحفر في المحركات من خلال تجاويف (ثقوب) موجودة بين جزء دوّار rotor على شكل لولب محزز مصنوع من الحديد الصلب وأنبوب محيط به مبطن بالمطاط يدعى الساكن stator. وهذه التجاويف تفتح وتغلق عندما يتحرك الدوّار، وهناك ارتباط مباشر بين معدل تدفق طين الحفر وسرعة المحرك. ويستطيع أصحاب المصانع بناء محركات ذات مدى واسع من السرعة وعزم الدوران، وذلك بتغيير عدد النتوءات الشعاعية الموجودة على اللولب أو بالتحكم في زوايا هذه النتوءات.
وعندما بدأت أعمدة الحفر بحمل محركات الإزاحة الإيجابية، فإن تدفق طين الحفر وحركة الدوار كانا يؤديان إلى حف المطاط المغلِّف للساكن مسببيْن اهتراءه بسرعة، ولكن لحسن الحظ تمت معالجة هذه المشكلة.
إضافة إلى تطوير محركات متخصصة لأسفل البئر (الحفرة)، صمم المهندسون محركات مبتكرة لمجموعات حفر بغية تكوين ثقوب حفر تنعطف بزوايا حادة. ففي بعض التطبيقات، يجب أن ينعطف ثقب الحفر بزاوية حادة بحيث لا يكفي الانحناء المرن لعمود الحفر القابل للانحناء للقيام بذلك.
وأحد الحلول لذلك استخدام أنبوب توجيه guide خارجي. ويحمل أنبوب التوجيه هذا فتحات تسمح له بالانحناء بين وضع مستقيم وآخر منحن بنصف قطر انحناء يتراوح ما بين 30 إلى 60 قدما (يعتمد ذلك على قطر ثقب الحفر). ويتم إدخال أنبوب حفر متصل jointed drive tube مؤلف من مقاطع متشابكة يوضع داخل أنبوب التوجيه بإحكام. أما الوصلات links، التي تشبه الفقرات، فتسمح للأنبوب بالانحناء، مع استمرار إيصال عزم الدوران لريشة الحفر الموجودة في نهاية أنبوب الحفر. وهناك أيضا أنبوب لدن (قابل للانثناء) داخل هذا العمود الفقري يحمل طين الحفر إلى ريشة الحفر. وينثني الفولاذ المكون للأنبوب الخارجي بشكل طبيعي إلى منحن. ومع أن الأنابيب الثلاثة يجب أن تكون مستقيمة لتدخل في البئر، فإنه عند بدء الحفر توجِّه مرونة springiness أنبوب التوجيه الطبيعية ريشةَ الحفر في مسار منحن، وبالتالي تصبح الحفرة أفقية خلال بضع عشرات من الأقدام.
وفي بعض مكامن النفط تعمل مجموعة من الآبار موزعة بشكل نجمي، وممتدة أفقيا من قاع بئر عمودية كشبكة تصريف فعالة. ولتشكيل هذه المسارب، تقوم فرق حفر متخصصة بإنزال موجِّه(مسبار) خاص مصمم لهذا الغرض، وقد تم تصميم هذا الموجِّه بحيث يثني أولا أنبوبا داخليا إلى منحن ثم يسوّي هذه القطعة أفقيا ضمن نطاق قدم أو قدمين. يضع عامل التشغيل الموجِّه في قعر ثقب الحفر ثم يلقم أنبوبا فولاذيا أضيق عبره. وفي النهاية الأمامية للأنبوب الداخلي، تقوم فوهة نفاثة بدفع ماء تحت ضغط عال ليفتت الصخر، مما يمكن الأنبوب من التقدم إلى الأمام. وبعد أن يتجاوز هذا الأنبوب الضيق الموجِّهَ بمسافة كافية، يستخدم العاملون مواد كيميائية لفصله عن باقي عمود الحفر. وبعد ذلك إما أن يزال الموجّه أو يحرك في اتجاه جديد للتمكن من عمل حفرة إضافية أو أكثر.
إن القدرة على توجيه الحفر بدقة أمر جوهري. ويحتاج الحفار إلى معرفة انحراف البئر واتجاه البوصلة الزاوي (سمت الرأس)، وكذلك زاوية انحراف وجه عدة الحفر
tool-face angle. وهي تدل الحفارين على اتجاه ريشة الحفر، وبالتالي في أي اتجاه سيسير ثقب الحفر بعد ذلك. ويحتفظ مهندسو الحقل بسجل لهذا القياس بوساطة مخطط بياني يبين اتجاه التواء أنبوب الحفر على السطح، ويتم القياس بوساطة وعاء خاص يحمل مجموعة من الأجهزة ـ بوصلة وبندول مثلا ـ يجري إنزاله داخل أنبوب الحفر بوساطة كبل (سلك) يمكن من خلاله معرفة اتجاه جهاز الحفر في أية لحظة.
ولسوء الحظ، فإن المقاطع الإضافية من أنابيب الحفر ـ التي ينبغي على طاقم الحفر أن يضيفها لأعلى عمود الحفر كلما ازدادت الحفرة عمقا ـ لا يمكن تركيبها بوجود الكبل، لذا يتوجب سحب الكبل ومجموعة أجهزة القياس أثناء عمليات الحفر العادية. إن إيقاف الحفر وإنزال مجموعة أجهزة القياس داخل البئر، كلما كانت هناك حاجة إلى إجراء القياسات، يستغرق وقتا طويلا. ومن أجل كفاءة العمل طورت الآن عدة نظم تحوي أجهزة قياس ذاتية التشغيل تعمل أثناء عملية الحفر. ينقل جهاز القياس أثناء الحفر MWD ) drilling – while – Measurement ) معلومات إلى السطح عن طريق وقف وإطلاق تدفق طين الحفر عند مروره داخل المعدات.
تسبب التغيرات في معدل الدفق تقلبات في ضغط طين الحفر يمكن مراقبتها على السطح وفك رموزها للاستدلال على اتجاه مجموعة الحفر.
وتحمل أكثر الأجهزة (MWD) تطورا إلكترونيات إضافية تقيس الخواص الفيزيائية للصخور حول المكمن وداخله. ومثل هذه المحسات (المجسات) sensors تفتح الطريق أمام الحفر الذكي smart. كان قسم أنادريلAnadrill (التابع لمجموعة شلمبرگر) السبّاق في وضع المحسات على ريشة الحفر. وتسمح مثل هذه المحسات للحفار بتتبع تشكيل جيولوجي معين في اتجاه الطبقة الحاملة للنفط (حيث يكمن النفط النفيس) بمجرد مراقبة مكونات الصخر المقابل لريشة الحفر. فعلى سبيل المثال، تتكون مكامن النفط من طبقات الحجر الرملي أو الصخور الكلسية المسامية والنفوذة ـ الواقعة تحت طبقات غير نفوذة من الطَّفل clays أو الطين الصفيحيshales. وهذه الطبقات غير النفوذة تعزل طبقة النفط، وتحتوي عادة على آثار من عناصر اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم، في حين تتكون صخور المكمن من رمل نقي نسبيا (سيليكا) أو كربونات الكالسيوم، التي لا يحتوي أي منها على أي كمية كبيرة من العناصر المشعة. وباستطاعة الأدوات الموجودة في الأجهزة (MWD) اكتشاف إشعاعيةِ الطفل والطين الصفيحي الموجودةِ فوق مكمن النفط وإرسال هذه المعلومات إلى السطح. وبذلك يستطيع القائمون على الحفر توجيه ثقب الحفر بحيث يبقى دائما داخل صخور المكمن متحاشيا طبقات الطين الصفيحي غير المنتجة.
وتقيس المحسات الأخرى المقاومة resistivity الكهربائية للصخر المحيط بثقب الحفر. فمعادن الصخر نفسها لها مقاومة عالية جدا مثلها مثل الغاز والنفط. في حين يكون الماء على هذا العمق مالحا لدرجة ما، فيعطي قيما صغيرة للمقاومة. ومن هذا الاختلاف في المقاومة يستطيع الحفار أن يعرف ما إذا كانت ريشة الحفر لا تزال موجودة في الطبقة التي تحمل الهيدروكربونات أم أنها اخترقت منطقة تماس الماء والنفط. وأخيرا، من الممكن إدراج أجهزة تقيس عزم الدوران وقوة الدفع الأمامية المؤثرة في ريشة الحفر. وبمقارنة القياسات داخل البئر بتلك المحسوبة على السطح، يكون باستطاعة المهندسين معرفة ما إذا كان جزء من المعدات قد استعصى داخل البئر، وبالتالي التنبؤ بانهيار البئر أو أية مشكلات أخرى. ويستطيع العاملون أيضا أن يقيسوا مستوى عزم الدوران المسجل لقوة حفر ما، وهي معلومات تبين ما إذا كانت ريشة الحفر قد سُدَّت أو استُهلكت مما يستوجب تبديلها.
تعمل مشروعات عبور الأنهار على مدّ خطوط الأنابيب الثقيلة تحت الأنهار على مرحلتين: يقوم أعضاء فريق الحفر أولا بثقب حفرة ضيقة من إحدى ضفتي النهر إلى الأخرى (الشكل في الأعلى)، وعندما يصل عمود الحفر الرفيع إلى الجانب البعيد فإنهم يوصلون به رأسا لتوسيع الثقوب المتصلة بخط أنابيب أعرض (الشكل في الأسفل). ويقومون بعد ذلك بسحب كل مجموعة الحفر من خلال الحفرة في اتجاه معاكس لنقطة البدء. هذه الطريقة، التي تتم العمل على خطوتين، تقلل من مخاطر انهيار ثقب الحفر (جدران البئر).
وقد وجدت تقانة الحفر الموجه استخدامات كثيرة خارج القطاع النفطي. إذا تبنى الموردون والمزودون لخدمات الماء والغاز والكهرباء والاتصالات هذه التقانة بسرعة، لتمرير الكبلات أو خطوط الأنابيب تحت الطرق والمباني والأنهار. والحفر الموجه مثالي لمثل هذه المشروعات لأنه بعكس طرائق الحفر التقليدي، لا يحتاج إلى منفذ للسطح الذي فوق الحفرة. وفي السبعينيات تم حفر 50 معبرا crossing تحت الأنهار مجموع أطوالها 60000 قدم، في حين أنجزت الشركات المختلفة 200 منشأة مجموع أطوالها 200000 قدم عام 1988. وضربت شركة شيرنيگتون الرقم القياسي في أوائل عام 1993 بمد 4150 قدما من خط أنابيب غاز قطره 42 بوصة تحت نهر سكرامنتو في كاليفورنيا لحساب شركة نقل غاز وكهرباء الپاسيفيك. أما في أوروبا، فيرقد 2000 قدم من خط أنابيب غاز قطره 48 بوصة تحت قنال نوورد هولاند في هولندا. وكذلك يمر خط أنابيب طوله نحو 8000 قدم وقطره 8 بوصات تحت نهر سانت لورنس بالقرب من تروا ريڤير في كويبك.
وخلال حفر مثل هذه المعابر، يجب أن تنحدر الحفرة بكل لطف حتى يتعرض الأنبوب الأفقي المار عبر النهر لأقل إجهاد ممكن نتيجة الانحناء (الثني). ولهذا السبب، فإن هذه المشروعات تستخدم معدات لحفر آبار تبدأ بالميل مباشرة تحت النهر، بدلا من حفر ممر أطول على شكل U. وتبعا لذلك لا يوجد لهذه الحفر جزء عمودي. ويستوجب ذلك أن تقوم الرافعات القوية الموجودة على برج الحفر بدفع مجموعة الحفر داخل الأرض دون مساعدةٍ من أطواق الحفر.
ويوجه المعدات ذاتيا محس يوضع عند رأس المثقاب، فإذا كانت الحفرة على عمق قليل ولا يوجد عائق على السطح فوق مسارها، يمكن عندئذ مد كبل كهربائي على السطح ليقوم بإرسال إشارات إلى وحدات السبر الموجودة تحت الأرض بالقرب من ريشة الحفر. وبهذه الطريقة يمكن للحفار أن يوجه ريشة الحفر بكل دقة. وعادة ما تصل الحفرة إلى الجانب الآخر بحدود قدم واحدة من الموقع المستهدف، بعد أن تكون قد امتدت لعدة مئات من الأقدام تحت سطح الأرض.
تكون التربة في قاع مجرى النهر رخوة عموما، لذا يجب أن تتضمن عمليات إقامة المعابر النهرية إجراءات خاصة لمنع انهيار ثقب الحفر. وأحد هذه الاحتياطات أن ينفّذ الحفر في كثير من الأحيان على مراحل.
فيقوم عمال الحفر بعمل ثقب استطلاعي قطره عدة بوصات تحت النهر يمتد على طول الحفرة المقترحة. ومن ثم يلقم أنبوب إضافي، له قطر ثقب الحفر نفسُه، فوق أنبوب الحفر الموجود خلف ريشة الحفر، وهذا الأنبوب يحمي ثقب الحفر الرخو من الحت نتيجة لدوران أنبوب الحفر، أو من التعرية التي يسببها تدفق طين الحفر العائد. وعندما تصل مجموعة الحفر إلى السطح، على الجهة البعيدة للمعبر، يزيح العمال ريشة الحفر ويضعون بدلا منها ريشة لتوسيع الثقوب reaming head (لقشط البئر)، ويربط محورُ جهاز الحفر الدوار ريشةَ التوسيع بعمود أنابيب على الجانب الآخر. ويسمح هذا المحور لريشة التوسيع بالدوران دون أن يرغم عمود الأنابيب على الدوران معها. ثم يقوم برج الحفر باسترجاع أنابيب الحفر وريشة التوسيع وعموم الأنابيب من خلال الحفرة في الاتجاه المضاد لبدء حفر المعبر، ويكون المعبر بذلك قد اكتمل.
لقد ثبت أن الحفر الموجه مفيد في الجهود المبذولة لوقف التلوث. فالخزانات المعطوبة والمنشآت الصناعية الأخرى تلوث الأرض التي تحتها في العادة. ومثل هذه المواقع قد يكون من الصعب أو من المستحيل الوصول إليها من الأعلى. ويوفر الحفر الموجه طريقة لفحص وتنظيف مثل هذه المناطق. إضافة إلى ذلك، بما أن برج الحفر وطاقمه ليس ضروريا تواجدهم مباشرة فوق الموقع أو حتى بجواره، فإن فرص التعرض للتلوث تكون أقل. ففي موقع وزارة الطاقة على نهر ساڤانا، على سبيل المثال، استخدم طاقم التنظيف زوجا من ثقوب الحفر في إزالة الملوثات العضوية المتطايرة حول خط صرف معطوب. وقد ضخ العاملون الهواء في أحد ثقبي الحفر داخل الأرض ومن ثم استخرجوا البخار من الثقب الآخر. وجاء في تقرير فريق العمل أن هذه الطريقة قد وفرت نحو 125 مليون دولار مقارنة بخطة بديلة تتضمن حفر سلسلة من الآبار الرأسية.
ونحن نقوم بتطوير تقنية مثيرة أخرى في مخبري بجامعة كاليفورنيا ببيركلي. وفي هذه الطريقة، يستخدم الهواء أو النيتروجين على درحات حرارة متدنية جدا كمائع fluid للحفر بدلا من طين الحفر. ولهذه الطريقة عدة فوائد، أولا: تحت بعض الظروف يمكن للماء أن يخل بتركيب الملوثات الجوفية أو أن يجرفها لمناطق لم تكن ملوثة. وعلى العكس من ذلك، فإن الغاز أقل قدرة على الاكتساح من الماء. وكذلك بسبب انخفاض درجة حرارة الغاز فإن الملوثات تتجمد في مكانها، وبالتالي يمكن أخذ العينات منها بدقة. إضافة إلى ذلك، فإن وجود طوق annulus من الأرض الجامدة يقوي ثقب الحفر ويمنعه من الانهيار. وهذا التأثير يكون قويا وبخاصة في التربة الرملية الرخوة حيث توجد الملوثات عادة. وقد يجد الحفر الموجه والتجميد الأرضي تطبيقات أخرى مثيرة، فمثلا بالإمكان إنشاء العوازل ذات الحرارة المنخفضة لوقف انتشار الملوثات تحت التربة.
لقد أعطت تقانة الحفر الموجه المقاولين أيضا طريقة حديثة في إيصال الخدمات المنزلية، مثل خطوط الكبل والغاز والماء من الشارع إلى المستهلكين في المدن. لقد كان العمال في الماضي يقومون بدفن خطوط الخدمات في خنادق ضحلة، وكان حفرها يعطل الطرق والأرصفة والتدفق الطبيعي للمرور. وبالمقابل فإن الحفر الموجه ليس له أي تأثير في السطح. تستخدم إحدى خدمات الحفر الموجه أداة طرقية percussive مبتكرة تدق رأس الحفر إلى الأمام، ولهذه الرأس وجه مائل يحفر باتجاه الانحدار slant.
وتوجد خلف الرأس زعانف لولبية تدير جسم المطرقة عندما تتحرك إلى الأمام داخل الأرض. ويمكن ترك رأس الحفر لتتحرك لوحدها بحرية، أو بالإمكان شبكُها بحيث تتحرك فوق جسم المطرقة. وفي الحالة الأولى تكون الرأس في وضع ثابت وتحفر حفرة مائلة. أما إذا شُبكت الرأس إلى جسم المطرقة، فإن الحفر يكون مستقيما. ويقوم عامل تشغيل بالسير على الأرض فوق الحفرة ممسكا بوحدة قياس. وهذه الأداة يمكن أن تستخدم في تقصي موضع رأس الحفر للتحكم في اتصالها بجسم المطرقة. وبهذه الطريقة يستطيع عامل الحفر أن يدير اتجاه ثقب الحفر قدما بعد أخرى.
وهناك أداة أخرى طورت لإنشاء قنوات لخطوط الخدمات تستخدم فوهات نفاثة تقذف سائلا تحت ضغط يبلغ 250 بارا (3750 رطلا للبوصة المربعة). وتطلق هذه الآلة تيارا من الماءالنقي أو من طين الحفر.
وطين الحفر يغلف ويعزل جدران ثقب الحفر مما يقلل من مخاطر الانهيار. إن نفث الماء والطين تحت هذا الضغط العالي يخترق معظم أنواع التربة، ولكنه لا يؤثر في الخرسانة أو الأنابيب أو الكبلات. ونتيجة لذلك، فإن طريقة الحفر النفاث jet-drilling تقلل من مخاطر تخريب خطوط الخدمات الأخرى خصوصا في الأوساط المزدحمة. ويمكن تزويد الرأس بأسنان مصنوعة من كربيد التنگستن لتزيد من قوة النفث إذا كانت هناك تربة صلبة. وتوجَّه ريشة الحفر بإمالة فوهات النفث؛ ويحدد مكشاف detector نقال مثبت فوق ثقب الحفر مكان وجود الأداة. ويستطيع هذا المكشاف أن يعرف ويوجه موضع الرأس على أعماق قد تبلغ 30 قدما. ولأن العمال يمكنهم إدارة الحفر على مثل هذا العمق، فإنهم يستطيعون مد خطوط جديدة أعمق بكثير من شبكات الخدمات الموجودة حاليا، وذلك بتكلفة مشابهة لحفر ثقب على عمق قليل.
نتوقع أن نرى في المستقبل القريب نُظُما يستطيع القائمون على الحفر بوساطتها توجيه ريشة الحفر مباشرة دون الرجوع مسبقا إلى معلومات المسح الجيولوجي. وبالفعل فقد غيرت قدرات الحفر الموجه صناعة النفط بشكل مثير (دراماتيكي). ففي كاليفورنيا مثلا، يؤيد القياديون في الصناعة والحكومات المحلية والمهتمون بالبيئة ـ على حد سواء ـ اقتراحا لبدء عمليات استخراج عن بعد تعتمد على الحفر الموجه. وتهدف هذه الخطة إلى إزالة منصة بحرية موجودة بعيدا عن شاطئ سانتا باربرا في كاليفورنيا، وحفر حقل النفط (حقل جنوب إلوود) الموجود تحتها، من مواقع حفر موجودة على اليابسة. ويمكن أن توفر شركات النفط أموالا من هذا المشروع، لأن آبارها ستكون أكثر إنتاجا.
إضافة إلى ذلك، لن تحتاج شركات النفط أثناء عملها إلى منصات أو ناقلات نفط أو سفن للخدمات. وستجلب جهودها عائدات إضافية للمجتمع المحلي. فضلا عن ذلك، فإن عمليات الوصول عن بعد ستقلل من مخاطر حدوث بقع نفطية، وتسبب تلويثا أقل للهواء، وتترك مناطق الصيد المربحة والمحميات البحرية في منأى عن الأذى، وتقنيات الحفر الموجه ليست فقط الأكثر كفاءة والأرخص ثمنا لاستخدامات عديدة، وإنما أثبتت أيضا جدارتها كتقنيات آمنة.
تطبيقات الحفر الموجه
1- يعتبر الحفر الموجه (الأفقي) بديلاً عن زيادة كثافة شبكة الآبار العمودية على الخزان وخاصة في ظروف وجود الشقوق العمودية ، و التي تتطلب زيادة كبيرة في عدد الآبار العمودية.
2- يسمح البئر الموجه باستثمار أفضل للنفط الثقيل وعالي اللزوجة. 3- يعتبر البئر الموجه حلاً لمشكلة استخراج النفط من الحقول التي تقع في مناطق مأهولة سكانياً، وإبعاد الخطر المستقبلي للتلوث و الشكل التالي يوضح ذلك:
4- حفر الآبار الجانبية (Sidetracking) : الآبار الجانية كانت التقنية الأصلية للآبار الموجهة، في البداية كانت الآبار الجانبية عمياء، وكان الهدف منها بسيطاً وهو اصطياد الأدوات الساقطة في البئر، الآبار الجانبية الوجهة كانت شائعة، وكانت تحفر على سبيل المثال عندما يكون هناك تغيرات في التشكيلات الجيولوجية.
5- حفر القبب الملحية (Salt Dome Drilling): لقد وجد أن القبب الملحية تشكل مصائد طبيعية لتجمع النفط في الطبقة التي توجد تحت الجزء المائل أو المتدلي من الغطاء القاسي ، هناك مشاكل حفر كبيرة مترافقة مع حفر البئر خلال الطبقات الملحية ، و يمكن التخفيف من هذه المشاكل إلى حد ما عن طريق استخدام سائل حفر مشبع بالملح ، و الحل الآخر يكون عن طريق حفر بئر موجهة للوصول إلى المكمن و هكذا نستطيع تجنب مشاكل الحفر التي تحدث ضمن الطبقات الملحية.
6- التحكم بالفوالق (Fault Controlling) : الحفر الملتوية تكون شائعة عند الحفر الشاقولي العادي ، و يكون هذا غالباً بسبب الفوالق التي تخترق الطبقات ، و غالباً يكون من الأسهل أن تحفر بئر موجهة نحو طبقات مثل هذه بدون عبور حدود الفوالق.
7- آبار استكشاف متعددة من حفرة بئر واحدة(Multiple Exploration Wells from a Single Well-bore) :يمكن لحفرة البئر الواحدة أن تسد أو تغلق عند عمق معين و تحرف البئر لعمل بئر جديدة ، البئر الواحدة يمكن أن تستخدم كنقطة نزوح لحفر آبار أخرى، وهي تسمح باستكشاف التوضعات البنيوية دون حفر آبار أخرى كاملة.
8- الحفر على الشاطئ (Onshore Drilling): عندما تتوضع المكامن تحت كتل كبيرة من الماء حيث يمكننا الوصول إليها عن طريق آبار متوضعة على الأرض (الشاطئ) فإننا نقوم بالحفر الموجه تحت الماء ، و هذه الطريقة تحفظ المعدات و تكون أكثر رخصاً.
9- حفر الآبار المتعددة عند الحفر البحري (Offshore Multiwell Drilling ) : يعتبر الحفر الموجه من أجل حفر عدة آبار من المنصة البحرية الطريقة الأكثر اقتصادية لتطوير حقول النفط البحرية ، يمكن أن تستخدم طريقة مشابهة على البر حيث يوجد هناك أماكن معيقة لنقل منصة الحفر مثل مناطق الغابات و المستنقعات ، و يتم هنا حفر الآبار بطريقة العنقود.
10- حفر المناطق الرملية المتعددة من حفرة بئر واحدة (Multiple Sands from a Single Well-bore ): و هنا يتم حفر بئر موجهة لتتقاطع مع عدة مكامن مائلة من النفط ، و هذا يسمح بإنجاز البئر باستخدام نظام إنهاء متعدد ، سوف تسمح البئر بإدخال الأهداف عند الزاوية المحددة لضمان الاختراق الأعظمي للمكامن.
11- آبار النجدة (Relief Well): الهدف من حفر بئر النجدة الموجه هو اعتراض طريق جوف حفرة البئر التي اندفعت والسماح بقتله، لتعيين واعتراض طريق البئر المندفعة عند عمق محدد يجب أن تحفر بئر موجهة مخططة بعناية ودقة كبيرة.
12- حفر الآبار الأفقية (Horizontal Wells): إن انخفاض الإنتاج في الحقل يمكن أن ينتج عن عدة عوامل ، منها مخاريط الماء و الغاز المتشكلة أو الطبقات ذات النفوذية الجيدة فقط في الاتجاه العمودي ، يستطيع عندها المهندسون تخطيط و حفر بئر تصريف عمودية، وهي نوع خاص من الحفر الموجه حيث تحفر البئر على طول الطبقة.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
شروط حفر الآبار الموجهة
حتى نضمن نجاح البئر الموجه في تحقيق الغاية التي حفر من أجلها و تلافي المشاكل التي ستحدث مستقبلاً و التي تسبب قتل المكمن أو قتل جزء منه فلا بد من تحقق الشروط التالية:
1- النفوذية العمودية للطبقة المنتجة أعلى من النفوذية الأفقية لضمان تحرك النفط من أعلى وأسفل الجذع الأفقي باتجاهه فإذا لم هذا الشرط فإن النفط الذي يقع تحت الجذع سيبقى دون استثمار.
2- أن يكون المكمن متجانساً نوعاً ما.
3- أن تكون المنطقة مستقرة تكتونياً ولا تحكمها فوالق أو حواجز جيولوجية.
4- أن تتوفر معطيات خزنية وجيولوجية دقيقة وكافية عن المكن حتى نستطيع تحديد وع الجذع الموجه بشكل مناسب ودقيق.
5- أن يكون مستوى التقاء النفط بالماء مستقراً.
6- عدم وجود قبعة غازية وبعد المياه عن الجذع الموجه.
7- أن تبرر الآبار الموجهة كلفتها التي تصل إلى ثلاثة أضعاف مقارنة مع الآبار العمودية ، و تحقق الهدف منها دون التأثير السلبي على المردود العام المأمول من الطبقة و هذا أمر هام جداً بل على العكس يجب أن تؤدي إلى زيادته.
أسس تحديد مواقع الآبار الموجهة
1- معرفة الخصائص الجيولوجية لمنطقة البئر.
2- معرفة الوضع التكتوني للبئر.
3- تقدم مستوى التقاء النفط بالماء في المنطقة.
4- الاتصال الهيدروديناميكي في المقطع بشكل عمودي.
5- معرفة توزع الشقوق في الطبقة واتجاهاتها.
6- مقدار الاحتياطي النوعي لمنطقة البئر.
7- أخذ المعطيات الجيولوجية والخزنية والإنتاجية بما فيها الوضع التقني للآبار المجاورة للبئر المدروس.
8- العينات الاسطوانية المقتطعة.
9- عامل استنضاب الاحتياطي في منطقة البئر.
10 -نوعية النفط المنتج.
أسس حفر الآبار الموجهة
تتكون الآبار الموجهة من جذعين عمودي و أفقي ، حيث يتم حفر الجذع العمودي حتى المستوى الأولي لالتقاء النفط بالماء، وذلك لكي ندقق الوضع المحلي للمكمن في القسم الذي تم اختياره لحفر البئر الموجهة . و فيما بعد تقارن هذه الدراسات مع معطيات دراسة أسس و خواص القسم الذي تم اختياره و يتم وضع مؤشرات الجذع الموجه وهي:
- عمق نقطة التمييل على الجذع العمودي (k.o.p).
- مجال الحفر.
- سمت و زاوية ميل الجذع.
- الانزياح الكلي عند نقطة اختراق أعلى الطبقة المنتجة.
و يجب أن يصل الجذع المائل حتى أعلى الطبقة المنتجة. ويم إغلاق الجذع العمودي عن طريق إجراء جسور إسمنتية حتى نقطة الميلان و من ثم يباشر بحفر الجذع المائل والموجه للبئر و بد إنهاء الحفر يتم إنزال مواسير التغليف حتى أعلى الطبقة المنتجة و يتم سمنتها و بعدها يتم إنزال لاينر مثقب ضمن الجذع الموجه بدون سمنتة.
المزايا
توفر الآبار الأفقية فرصة إنتاج كمية أكبر من النفط بطريقة أخرى. فالنفط يتسرب عادة إلى التصدعات (الشقوق) التي تقطع المكمن. وتمتد هذه الصدوع عادة موازية لبعضها البعض (وفي أغلب الأحيان رأسيا) من موقع ما، لأن القشرة الأرضية تتصدع في اتجاه عمودي على الاتجاه الذي يوجد فيه أقل إجهاد جيولوجي. ويستطيع عمال التشغيل المهرة استخدام طرائق الحفر الموجه في حفر آبار أفقية تقطع الصدوع السائدة في حقل النفط وتسحب محتواها.
وفعليا، فقد رفع العاملون بطريقة الحفر الموجه معدل إنتاج آبارهم بنحو عشرة أضعاف باستخدام هذه التقنية.
العيوب
سرقة النفط
في عام 1990 اتهم العراق الكويت بسرقة نفط العراق باستعمال الحفر المائل (أي الموجه). Such claims are doubted to have been serious enough to justify war or the occupation of Kuwait, since the limits of directional drilling (at the time) made it unlikely that any such well could have been drilled much more than a mile from the surface location. Even doing so would have involved drilling sites close to the border and the use of sophisticated and easily identifiable equipment and personnel for extreme distances. The United Nations redrew the border after the 1991 Gulf war that liberated Kuwait from a seven-month Iraqi occupation under former leader Saddam Hussein. It placed 11 oil wells, some farms and an old naval base that used to be in Iraq on the Kuwaiti side.[2]
تقنيات حديثة
بين عامي 1985 و 1993، طورت شركة NCEL (اسمها الآن NFESC) من Pt Hueneme, California developed horizontal drilling technologies.[3] These technologies are capable of reaching 10,000 to 15,000 feet and may reach 25,000 feet (approximately the distance from Kuwait to Iran, across the coast area of Iraq) when used under favorable conditions. [4]
انظر أيضاً
- Geosteering
- Mud logging
- MWD (Measurement While Drilling)
- LWD (Logging While Drilling)
- الحفر الموجى الأفقي
- Rotary Steerable System
| مؤشرات | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| شركات ومنظمات | |||||||
| بيانات | |||||||
| التنقيب والانتاج | |||||||
| التاريخ | |||||||
| الاحتياطيات والحقول | |||||||
| أخرى | |||||||
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
المصادر والهوامش
- ^ "الحفر الموجهة (الآفقي)". موقع بترولي. Retrieved 2012-11-12.
- ^ AP News at ABC Inc., WABC-TV/DT New York News website article Iraq to Reopen Embassy in Kuwait published September 04, 2005
- ^ http://oai.dtic.mil/oai/oai?&verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA274219
- ^ http://www.stormingmedia.us/21/2119/A211962.html