بررسی عملیات حفاری و استخراج نفت، گل حفاری و سیکل گردش آن

عملیات حفاری و استخراج نفت (Oil Drilling Operation) از جمله مهم ترین مراحل بهره برداری از نفت و گاز می­ باشد.قبل از حفاری حتماً باید شرایط محل حفاری بررسی شود. چنانچه حفاری در دریا انجام شود، باید دکل‌های مناسب بر سطح دریا قرار گیرند و امکانات لازم برای حفاری در دریا فراهم شود. همچنین سفتی یا نرمی زمین منطقه از عوامل مهم و تعیین کننده برای انتخاب تجهیزات حفاری است.

پس از آن که حفاری انجام شد و انتهای چاه به مخازن نفت رسید، باید با توجه به فشار چاه و عمق آن و با استفاده از تجهیزات مخصوص، نفت را استخراج کرد. مراحل حفاری و استخراج نفت به طور کامل در زیر بیان شده است.

حفاری چاه نفت

به منظور حفر چاه، صفحۀ دوار متصل به موتور شروع به چرخش کرده و دوران آن به Kelly و سپس لوله های حفاری منتقل می‌­شود. با چرخش لوله های حفاری، مته که به انتهای لولۀ آخر متصل است شروع به خرد کردن سنگ ها و کندن زمین می ­کند. در عملیات حفاری دورانی، حفر و تخلیۀ خاک و خرده سنگ ها همزمان انجام می‌­شود.

با پایین رفتن عمق چاه، وجود گِل حفاری به تنهایی برای جلوگیری از ریزش دیواره چاه کافی نیست. بنابراین در این مواقع از جداره (Casing) که به صورت لولۀ فولادی مستحکم و توخالی است استفاده و آن را با سیمان به دیوارۀ چاه متصل می­‌کنند. همچنین هرچه ارتفاع رشته لولۀ حفاری بیشتر شود ممکن است لوله از حالت عمودی و مرکز چاه منحرف شده و دچار خمش یا پیچش شود. در این مواقع بهترین راه حل استفاده از طوقه به دور لولۀ اصلی است که با ایجاد نیروی کششی به لوله از پیچش و خمش آن جلوگیری کرده و مانع انحراف آن از حالت عمودی می­‌شود.

با پیشرفت حفاری و عمیق تر شدن چاه، باید به طول رشته لولۀ حفاری افزوده شود. برای این کار باید رشته لوله مقداری به وسیلۀ بالابر به بالا کشیده شده و لولۀ فوقانی از Kelly جدا شود. سپس یک لولۀ دیگر که به Kelly و ادامه­ رشته لوله پیچ شده و رشته لوله مجدداً به پایین برگردانده شود. متۀ حفاری پس حفر چندین متر معمولاً فرسوده شده و نیاز به تعویض دارد. به منظور تعویض مته باید کل رشته لوله از چاه خارج شود. فرایند خروج لوله ها و تعویض مته بسیار زمان بر است و عملیات حفر چاه را طولانی می­‌کند.‌

از آنجایی که نمی‌­توان رشته لوله را به صورت یکجا از چاه خارج کرد، معمولاً لوله ها را به صورت سه به سه، توسط بالابر خارج کرده و جدا می­‌کنند. پس از تعویض مته مجدداً باید لوله ها را به هم متصل کرده و به عمق چاه بفرستند. اگر متۀ مورد استفاده توخالی باشد، با هر مرحله خروج مته از چاه، مقداری از سنگ های کنده شده از زمین که داخل مته جمع شده اند خارج می­‌شوند. زمین شناسان با آزمایش بر روی این سنگ های خارج شده به خواص مربوط به لایۀ در حال حفاری و میزان تخلخل و نفوذ پذیری سنگ‌ها در آن لایه پی می­برند.

در زمین‌های عادی معمولاً پس از حفر 40 تا 70 متر نیاز به تعویض مته است و برای زمین های سخت این مقدار می­‌تواند حتی 1 الی 2 متر باشد.

تجهیزات و لوازم مورد نیاز عملیات حفاری دورانی، در مقاله تجهیزات حفاری بررسی شده است که میتوانید از طریق مقاله لینک شده مطالعه نمایید.

گِل حفاری و سیکل گردش آن

گِل حفاری (Drilling mud) نوعی ترکیب خاص از چندین مادۀ مختلف می­‌باشد و یکی از مواردی است که در عملیات حفاری و استخراج نفت از آن استفاده می شود. نوعی خاک رُس به نام بنتونیت (Bentonite) که خاصیت انبساط و افزایش حجم دارد، مادۀ اصلی تشکیل دهنده­ گِل حفاری می­‌باشد. از دیگر مواد موجود در گِل حفاری می‌­توان به آهک، نشاسته، صمغ و … اشاره کرد که با مقداری آب مخلوط می‌­شوند و گِل حفاری تشکیل می‌­شود.

سیکل گردش گِل  حفاری (Mud Circulation) به این صورت است که گِل ابتدا در یک سری مخازن روی زمین ذخیره شده است؛ گِل موجود در مخازن توسط پمپ گِل از آن ها خارج می­‌شود. در ادامه گِل از بالا وارد Swivel یا سر تزریق چرخان می­‌شود و از طریق این وسیله وارد Kelly و سپس لولۀ حفاری می­شود.

گِل پس از عبور از لولۀ حفاری از سر مته به بیرون پاشیده شده و در ادامه به همراه خاک و خرده سنگ‌هایی که از دیواره چاه ریخته شده از فاصله­ بین لولۀ حفاری و جدارۀ چاه به بالا می­‌آید. پس از رسیدن به سطح زمین گِل وارد یک سری اَلک های ارتعاشی و مخازن ته نشین شده تا ذرات جامد آن جدا شود. در نهایت پس از انجام این مراحل گِل حفاری به مخزن اولیۀ خود باز می­‌گردد.

دلایل استفاده از گل حفاری

اما استفاده از گِل حفاری به دلایلی صورت می‌­گیرد و این گِل در فرایند حفاری وظایفی دارد که این وظایف عبارتند از :

• حفاظت از دیوارۀ چاه و جلوگیری از ریزش آن
• کمک به خرد کردن سنگ ها با نرم کردن آن ها
• خنک کاری مته
• ایجاد فشار در چاه و جلوگیری از ورود آب های زیر زمینی به داخل چاه
• خروج خاک و سنگ ریزه های حفاری

از آن جایی که گِل حفاری وظایف مهمی در فرایند حفاری دارد، باید کیفیت آن دائماً بررسی شده و خواصی چون ویسکوزیته، چگالی و pH آن متناسب با شرایط زمین و حفاری تعیین شوند.

 

 

مراحل استخراج نفت

در یکی از مراحل عملیات حفاری و استخراج نفت، پس از پایان عملیات حفاری و استخراج و رسیدن به مخازن نفتی، مرحلۀ بهره برداری از چاه و استخراج نفت آغاز می‌­شود. در این مرحله تجهیزات مربوط به حفاری و لوله های حفاری از چاه خارج می­‌شوند و یک سری لوله های جدید مخصوص خروج نفت، داخل چاه نصب می­شوند.

در این مرحله اگر فشار مخزن نفت بالا باشد، چاه به طور طبیعی فوران کرده و نفت بالا می­‌آید که به وسیلۀ شیرهای فشار شکن باید فشار آن کنترل شود. اما اگر فشار خود مخزن برای رسیدن نفت به سطح زمین کافی نباشد، از یک سری روش ها برای استخراج نفت استفاده می‌­شود.

روش اول به این صورت است که یک گاز با فشار بالا (معمولاً گاز CO₂)، در فضای بین لوله و جداره فرستاده می­‌شود. این گاز با رسیدن به اعماق چاه با نفت موجود در مخزن زیرزمینی مخلوط شده و با افزایش فشار مخزن، موجب بالا آمدن و خروج نفت از چاه می‌­شود.

در صورتی که فشار مخزن به قدری پایین بیاید که تزریق گاز جوابگوی آن نباشد، از تزریق آب و گاز به صورت همزمان استفاده می­‌کنند. با این روش فشار مخزن بالاتر رفته و خروج نفت از آن تسهیل می‌­شود.

روش دیگر برای افزایش فشار و استخراج نفت، استفاده از پمپ جک Pump jack می‌­باشد. در این روش یک پمپ در اعماق چاه و هم سطح با لایۀ نفت قرار داده می‌­شود و این پمپ به وسیلۀ یک موتور در سطح زمین راه اندازی خواهد شد. با تبدیل حرکت دورانی به رفت و برگشتی شروع به پمپاژ و استخراج نفت از چاه می­‌کند.

به طور کلی طی عملیات حفاری و استخراج نفت هیچگاه نمی­‌توان تمام موجودی یک مخزن نفتی را برداشت کرد و همواره به علت محدودیت های موجود مقداری از نفت در مخزن باقی می­‌ماند. در حالت متوسط می­توان چیزی بین 15% تا 60% از ظرفیت مخزن را برداشت کرد. امروزه با تکنولوژی های جدید حفاری و استخراج، در برخی موارد تا 85% از ظرفیت مخازن هم برداشت شده است.

 

 

جمع بندی عملیات حفاری و استخراج نفت

عملیات عملیات حفاری و استخراج نفت دارای چالش های فراوانی بوده و نیازمند تجهیزات خاص و نیروهای متخصص می‌­باشد. برای بهبود روند حفاری لازم است تا کارشناسان با بررسی منطقه مورد نظر و تعیین شرایط لایه های زیر زمینی بهترین نقطه را برای حفاری برگزینند. چنانچه نقطه­ مناسب برای حفاری برگزیده نشود و سنگ های محل مورد نظر محکم و سفت باشند، متۀ حفاری زود تر فرسوده می­شود و زمان و هزینۀ عملیات افزایش می­‌یابد.

 از دیگر نکات مهم جهت حفاری و استخراج نفت رعایت استانداردهای ایمنی است. فشار نفت خروجی از چاه باید به وسیلۀ شیرهای ایمنی و فشارشکن تنظیم شود. همچنین وجود سیستم های اطفاء حریق و ضد حریق در مجموعۀ حفاری الزامی است.

در ایران عملیات حفاری و استخراج نفت عمدتاً توسط شرکت های پیمانکاری مرتبط با وزارت نفت مانند فلات قاره، نفت شمال، نفت خزر و… صورت می‌­گیرد. از کمپانی های معروف جهانی در حوزه­ حفاری می‌­توان به شرکت های انگلیسی British Petroleum و Stena Drilling، شرکت FLUOR و شرکت NOBLE در آمریکا، شرکت نروژی Fred Olsen Energy و شرکت COSL چین اشاره کرد.