المعدات المستخدمة في الحفر تحت التوازن

يُعرَّف الحفر تحت التوازن بأنه أحد تقنيات الحفر التي يكون فيها الضغط عند قاع البئر أقل من الضغط الطبقي. حيث أنه عادة في الوضع الطبيعي يكون الضغط المطبق على قاع البئر أعلى من الضغط الطبقي.

هذه الظروف الجديدة التي توضع البئر فيها استدعت الحاجة إلى وجود معدات نوعية جديدة غير مألوفة في الحفر العادي.

تتنوع هذه المعدات حسب الغرض منها . فمنها معدات لوضع البئر في شروط  تحت التوازن ( كمولدات الغاز ، الضواغط ، معدات خلط السائل مع الغاز , … ) , ومعدات أخرى للتعامل مع الحالة الجديدة , ( كأخذ العينات ، نظام الدفع والسحب الآلي ، فواصل … ) , ومعدات تحقيق الأمان الكافي كون خطر الاندفاع أصبح هنا أكثر إحتمالاً ( مانع الاندفاع الدوار، مجموعة الخنق والتوجيه ، وصلات خنق ، … ) .

كما استدعت الحالة الجديدة في البئر في المقابل إلى عدم الحاجة إلى بعض المعدات المستخدمة في الحفر العادي , وذلك لزوال السبب الذي استدعى إستخدامها. نذكر مثالاً لها مواسير الحفر المحلزنة والتي تستخدم في الحفر العادي والتي لها أخدود مستمر على شكل حلزوني بطول الأنبوبة على سطحها الخارجي . الهدف من وجوده هو إيجاد حيز بين جدار البئر وجسم الأنبوب وتقليل مساحة التماس بين الأنبوب وجدران البئر ، مما يقلل احتمالات الالتصاق للمواسير بجدار البئر نتيجة فرق الضغط ، هذه النوع من المواسير لاحاجة لإستخدامه في الحفر UBD لأن مشكلة الالتصاق أصبحت محلولة لأن فرق الضغط في الحفر UBD انعكس اتجاهه بإتجاه تحرير المواسير من الإلتصاق .

سوف نستعرض في هذا الفصل أهم المعدات المستخدمة في الحفر UBD مع شرح مفصل لبعضها والاكتفاء بمبدأ عمل البعض الآخر، ولتسهيل الدراسة يمكن تقسيمها إلى قسمين : آ - المعدات الجوفية . ب -المعدات السطحية .

1- المعدات الجوفية :

هي المعدات التي تكون موجودة في البئر أثناء الحفر وهي مجموعة مواسير الحفر. يمكن إستخدام مجموعة الحفر العادية في عمليات الحفر UBD . وهنا لا بد من إزالة الأجزاء التي يمكن أن تسبب مشاكل مثل المواسير المحلزنة .

بشكل عام مجموعة الحفر يجب أن تتمتع بخصائص معينة لتلائم العمل في بيئة الحفر UBD ، فالوصلات المستخدمة في ربط المواسير يجب أن تكون ملساء وكذلك جدار المواسير وذلك حتى لاتحطم القطع الكاوتشوكية التي تحكم الإغلاق عليها ، كما أن معدات فك وربط المواسير يجب أن تكون مصممة بحيث لاتسبب تشوهات على سطح الماسورة الخارجي حيث تمزق الكاوتشوك .

    كثيراً من عمليات الحفر بطريقة UBD الحديثة نُفذّت بتكاليف ضخمة جداً أو يعود السبب الرئيسي لزيادة تكاليفها هو تخرب المواسير أو تخرب الغشاء البلاستيكي الداخلي بالإضافة إلى أن القشرة الداخلية المغلفة للمواسير سوف تسقط عندما تتعرض لسائل حفر ذو طورين ( سائل ، غاز ) ويمكن أن تؤدي إلى سد صمامات عدم الرجوع أو تلويث المحرك الجوفي ، لذلك يجب أن تجرى عمليات صيانة وتفقد للتقليل من إمكانية الفشل .

فيما يلي نستعرض  المعدات الجوفية الإضافية التي تستخدم في الحفر UBD ضمن تشكيلة مجموعة الحفر (Drillstring Configuraion)

عند تطبيق طريقة UBD فان شكل مجموعة مواسير الحفر سوف يتغير باضافة بعض المعدات المساعده لتحقيق بعض  الشروط. ان مجموعة مواسير الحفر تتضمن ععد من التجهيزات الاضافية ،وسوف نتعرف على وظيفة وآلية عمل  هذه المعدات:

1-1- وصلات التضيق (Choking drill collars) :

إن ظاهرة الإنتاج الذاتي تواجهنا عند حفر الطبقات ذات الضغط العالي والنفوذية العالية ونتيجة للضغط العالي، وخاصة عند حفر الآبار المنتجة لحجوم كبيرة من الغاز، فإن معدات التحكم السطحي المستخدمة للتحكم بالضغط والتدفق قد  تتعرض لتآكل كبير , وبالتالي فان  متابعة الحفريصبح  أمراً محفوفاً بالمخاطر.

لذلك تستبدل بعض مواسير الحفر العادي بوصلات خاصة  وهي عبارة عن مواسير أو أعمدة حفر ذات قطر خارجي كبير( أو تستخدم مواسير حفر من دون وصلات بحيث يكون لهذه المواسير في اطرافها انتفاخ ذات قطر خارجي كبير) لتأمين تضيق مدروس  في الفراغ الحلقي ،يحقق خنقاً للسائل الذي يجري عبره.

إن تحقيق هذه الاختناقات في الفراغ الحلقي للبئر المنتج أثناء الحفر يسبب أ ويولد تدرجا عاليا  في  الضغط الضائع  ويؤدي إلى ارتفاع  الضغط في الجزء السفلي  للفراغ الحلقي ينعكس على قاع البئرمقللا من فارق ضغط الانتاج .

إن إستخدام وصلات التضيق  تخفض من الضغط المعاكس المطلوب تطبيقه على الصمامات   السطحية ، وبالتالي سيؤدي ذلك الى  تقليل احتمال  تآكل هذه المعدات ، وخاصة معدات التحكم و التوجيه ( الصمامات ) , بسبب انخفاض فارق الضغط حول فالاتها.

2-1- صمامات عدم رجوع (Non return valves) :

تعتبر صمامات عدم الرجوع من  العناصر الأساسية المكونة لتشكيلة مجموعة الحفر المستخدمة في الحفر UBD .

تثبت هذه الصمامات في الجزء السفلي من مجموعة الحفر لمنع تدفق المائع الطبقي عبر مجموعة مواسير الحفر بشكل معاكس لتيار سائل الحفر ، كما تثبت أيضاً في أعلى تشكيلة مجموعة قرب السطح وذلك للتحكم باتجاه تيار الغاز  (عند إستخدام غاز يحقن نحو الأسفل نحو البئر) بهدف تخفيض حجم  هذا الغاز المحقون وتقليل زمن حقنه.

هناك أنواع متعددة من هذه الصمامات أكثرها إستخداماً هي الصمامات ذات المضرب والصمامات ذات السهم . هذان الصمامان يركبان فوق بعضهما البعض مباشرة فوق  الوصلة التي تربط التوربين بمواسير الحفر .

ويمكن استخدام صمامات كروية  ، أو  صمامات  يمكن التحكم بإغلاقها وفتحها من السطح عن طريق كابل يربط بالوصلات بشكل موازي لمواسير الحفر من الخارج .

تتميز الصمامات ذات المضرب عن الصمامات الأخرى بأن تآكلها بتأثير الحت أقل ، خاصة عندما يكون معدل الحبيبات الصلبة في سائل الحفر  كبير. بيد أن الصمام الكروي  يتميز بفعالية احكام  أكبر من الصمام ذو المضرب وخاصة عند الحفر الأفقي . وكما ذكرنا فإنه من  الضروري دائماً استخدام  صمامين متواليين كعامل أمان .

ان مكان تثبيت الصمام  ضمن  مجموعة مواسير الحفر يعتمد على الهدف من استخدامه، ويمكن ادراج الخيارات التكنولوجية التالية:

1. يركب مباشرة فوق محرك التوربين ( وهو المفضل )، أو في المقطع الأخير من مجموعة مواسير الحفر بهدف منع أي تدفق عبر المواسير في الحالات الطارئة، وبالتالي السماح لمجموعة المواسير بكاملها بالانتشار . في هذه الحالة يكون تثبيت الصمام في هذا المكان لغرض التحكم بالبئر .

2. -بالقرب من السطح لتجنب الصعوبات الكبيرة التي تواجهنا أثناء إنزال مواسير الحفر عندما يكون الصمام بالأسفل . والتي تحتاج لقوة كبيرة معاكسة لقوة الطفو بالإضافة إلى زمن ضائع كبير لملئ المواسير بسائل الحفر حتى يسهل نزولها . في هذه الحالة يكون الغرض من تركيبها من الأعلى هو لغرض خاص بالحفر .

3. يركب في مناطق متعددة من مجموعة مواسير الحفر بهدف التقليل من انفصال الغاز عن السائل , ولحصر الغازات المحقونة في مواسير الحفر في حالة الحقن أثناء الإنزال وذلك قبل إجراء أي وصل مع مواسير تابعة ( لاحقة ) , إن تثبيت الصمامات في هذه المواصع يعتبر لغرض الحفر .

وتجدر الاشارة الى أن  هناك صعوبة كبيرة في حقن الغازداخل مواسير الحفر عندما تكون مليئة بالسائل الأمر الذي يتطلب ضغوط حقن  كبيرة تتطلب ضواغط خاصة لتحقيق ذلك .

هذه الصمامات تثبت ضمن  وصلات خاصة بإحكام ، وعند تعطلها يمكن حلها وتثبيت صمامات أخرى مكانها .

إن تثبيت أو ربط الصمامات ضمن الوصلات التي تربط مع المواسير  لايتم ميكانيكياً، وأنما يتم من خلال حلقات مطاطية مصنوعة من مطاط خاص  قوي جداً. هذه الحلقات المطاطية  مثبتة في الجزء العلوي الخارجي للصمام،  وبالمقابل يكون لها أخاديد خاصة  في وصلات الصمامات حيث تثبت  الحلقات ضمن الأخاديد الموافقة  بالضغط ، وبالتالي فإن هذه الصمامات تثبت مكانها بفعل الإحتكاك الكبير بين الحلقات المطاطية والأخاديد . هذا الاحتكاك قوي لدرجة أنه  يقاوم  الضغوط الموجودة أسفل الصمام .

ومن الجدير بالذكر هو أن قوة الضغط أسفل الصمام قد تكون كبيرة جداً، وقد يكون من الصعب جدا  فك الصمام أو الوصلة أثناء رفع المواسير، اضافة الى احتمال  اندفاع السائل على السطح وتلويث المعدات السطحية .

في هذه الحالة نحتاج إلى عملية تفريغ الضغط  (تنفيس للصمام) ،وتستخدم لهذا الغرض أداة خاصة.

بالإضافة إلى هذه الوصلات تستخدم وصلات خاصة تسمى (Nipples) وهي وصلات ملولبة من الطرفين تستخدم للوصل بين المواسير والأدوات أو المعدات الأخرى.  ويتم استخدامها  أيضاً من أجل تثبيت الكابلات التي تتحكم بتشغيل الصمامات من وحدات التحكم السطحية ( في حالة إستخدام مثل هذه الصمامات) ، أو لتثبيت كابلات المحرك الجوفي( إذا كان كهربائياً)، أو تثبيت أي كابلات أخرى خاصة  بالتحكم بعمل أي جهاز في البئر من السطح.

كما تستخدم صمامات إغلاق احتياطية مخصصة  للحالات الطارئة (عند حدوث أي عطل في الصمامات العاملة أو أي أداة من أدوات تشغيل هذه الصمامات) يتم اقرار مكانها ونوعها  في البرنامج حسب الظروف المتوقع مصادفتها .

3-1- صمام التحكم الهيدروستاتيكي (Hydrostatic Control Valves) :

هو صمام يثبت فوق المحرك الجوفي ( توربين أو كهربائي )، والغرض منه هو الحفاظ على مستوى محدد للسائل  فوق المحرك الجوفي بحيث يمكن ملاحظته على السطح .  4-1- معدات قياس الضغط (Pressure measurement tools ) :

تعتبر معدات قياس الضغط أثناء الحفر جزءاً من معدات القياس أثناء الحفر ، معظم هذه المعدات يمكن أن تزودنا بدرجة الحرارة الحالية والضغط وبالتحديد فوق الدقاق داخل وخارج المواسير أثناء دوران المواسير وأيضاً عند توقفها .

هذه المعلومات يمكن أن تفيد في :

1 - التحسين إلى أبعد حد ممكن من ظروف الحفر UBD .

2 - التحقق من عمليات النمذجة المنفذة بالكمبيوتر .

3 - إعطاء تصور عام عن الطبقة .

4 - التحاليل اللاحقة ( للمعلومات المسجلة ) , والتي يتم من خلالها تقييم عملية الحفر .

قبل اكتشاف وتصميم هذه المقاييس كانت تستخدم مقاييس ضغط سطحية لقياس الضغط في الفراغ الحلقي ، وهي الدليل الوحيد التي تشير إلى ما يحدث في قاع البئر . لكن مثل  هذه المقاييس لا تمكننا  من تحديد المشاكل التي قد  تحدث عند  قاع البئر .

 بينما مقياس الضغط الموجود في قاع البئر وخاصة الذي يسجل بيانيا الضغط خارج المواسير (أي في الفراغ الحلقي) تستطيع أن تتحسس للمشاكل التي تحدث على القاع بوضوح . ونورد على سبيل المثال: مشكلة التهدم التي تؤدي في معظم الحالات الى  تشكل سدادة في الفراغ الحلقي مؤدية إلى إرتفاع في الضغط أسفل هذه السدادة. فالمقاييس السطحية لاتتحسس لها بشكل واضح بينما تعطي المقاييس الجوفية للضغط تحسس واضح وإشارة واضحة لهذه المشكل.

2- المعدات السطحية :

يمكن تقسيم المعدات السطحية الإضافية المستخدمة في الحفر تحت المتوازن UBD إلى أربعة أقسام رئيسة وهي كالتالي :

1 - معدات توليد الغاز .

2 - معدات التحكم بالبئر .

3 - معدات الفصل السطحية .

4 – معدات مساعدة

وفيما يلي سوف نستعرض شرحاً مفصلاً لكل قسم على حدة :

1-2- معدات توليد الغاز(Gas generation Equipment ) :

يعتبر الغاز المحقون في سائل الحفر أهم وسيلة لتخفيض الوزن النوعي لسائل الحفر الذي هو العنصر الأساسي الذي يتم التحكم به من أجل تحقيق حفر تحت متوازن . ورغم وجود طرق أخرى لتخفيض الوزن النوعي لسائل الحفر إلا أن إستخدام الغاز هو الشائع حالياً والمستخدم في كثير من عمليات الحفر تحت المتوازنUBD إن لم يكن في كل هذه العمليات .

إن عملية تخفيض الوزن النوعي لسائل الحفر عن طريق حقن الغاز تتطلب معدات خاصة لتوليد الغاز وضغطه وتوجيهه وخلطه مع السائل .. الخ ,هذه المعدات تختلف حسب نوع الغاز ومصدره.

1-1-2- معدات الغاز الطبيعي ( Naeturel Gas Equipuiout ) :

إن استخدام الغاز الطبيعي في الحفر UBD يعتمد إعتماداً كلياً على موقع المصدر الغازي ، فعندما يكون المصدر الغازي الطبيعي متوفراً وقريباً بكميات كافية، فان استخدامه يصبح اقتصاديا .

أما عندما يكون المصدر الغازي بعيداً فإنه يحتاج إلى تكاليف كبيرة للنقل، وبالتالي لن يكون ذو فعالية إقتصادية . وتتكون هذه المعدات من :

1 – الضواغط : عندما يكون الغاز الطبيعي هو المستخدم في الحفر UBD فإننا قد نحتاج إلى ضواغط لحقن هذا الغاز في سائل الحفر. فإذا كان مصدر الغاز ذو ضغوط عالية فإننا قد نستغني عن الضواغط .

2 – منظمات التدفق والضغط : هذه المعدات مطلوبة للتحكم بكمية الغاز المحقونة في البئر خلال عملية الحفر .وهي عبارة عن صمامات وفالات متغيرة القطر. 

3 – معدات نقل وتوجيه الغاز:  وهي عبارة عن مجموعة خطوط وتفريعات و معدات  لنقل و تخزين الغاز والتحكم به من المصدر إلى وحدة الحفر .

إن من مميزات استخدام الغاز الطبيعي هو إمكانية استعادته وتدويره. لكنه يعتبر ذو خطورة كبيرة من ناحية إمكانية تشكيله لمزيج قابل للإشتعال  و مدى هذه الخطورة تعتمد على نوع وتركيب الغاز الطبيعي .

2-1-2- معدات النتروجين (Equi puiout Nitrogen ) :

يمكن تقسيم معدات النتروجين إلى قسمين وذلك حسب طريقة الحصول عليه :  

[ 1 ] النتروجين الجاهز (Cryogenic Nitrogern) :

يكون في حالة سائلة ومحفوظ  في خزانات خاصة ، وهو أحد النواتح الثانوية للصناعات الكيميائية ونذكر أهمها عمليات التكسير والتحسين التي تتم على النفط الخام في مصافي التكرير، حيث ينتج غاز (N2) بكميات كبيرة ويخزن في خزانات ويمكن نقله في حالته السائلة ويسمى هذا السائل ( Cryogeuic N2 ).

 من اهم  ميزات هذا النوع من غاز(N2)هو نقاوته التي قد تصل إلى ْ99 % لذلك يتم اعتباره من أهم مصادر الغاز المرشح للاستخدام في الحفر، وذلك في حالة توفره بالكمية المطلوبة وتكاليف نقله الى وحدة الحفر غير كبيرة .

وعند الحفر في المناطق البحرية البعيدة، والتي تتطلب كميات كبيرة من (N2)، فقد نضطر إلى إستخدام قاربين أو أكثر لتأمين الغاز إلى منصة الحفر لضمان إستمرار عملية الحفر ، وهي مهمة كبيرة باهظة التكاليف تستدعي قدر كبير من الحيطة والحذر وأخذ تدابير الأمن والسلامة  . في هذه الحالة المعدات المستخدمة هي :

1- معدات نقل N2 إلى منصة الحفر .

2 - محول نتروجين يضخ السائل تحت ضغط قبل تحوله إلى غاز .

3 - خزانات عمل وخزانات إضافية بالإضافة إلى الأنابيب والخراطيم والمقاييس .

[2] النتروجين المولد ( Generation Nitrogen ) :

يمكن الحصول على N2 من مولدات النتروجين وهو ليس أكثر من نظام فلترة يتم فيه إستخلاص غاز N2 من الهواء الجوي( أي فصله عن الأوكسجين و CO2   وبخار الماء ) .

إن فعالية مولد النتروجين قد تصل إلى %50ْ أي أنه إذا كانت كمية الهيدروجين المطلوبة 1500 قدم مكعب /دقيقة فإن كمية الهواء الجوي التي نحتاجها هي 3000 قدم مكعب / دقيقة .  فإذا كانت استطاعة ضواغط الهواء 1000 قدم مكعب / دقيقة فإننا سوف نحتاج إلى 3 ضواغط.

 وبشكل عام فالمعدات التي نحتاجها هنا هي :

1 – ضواغط ( Compressor ) : مهمتها سحب الهواء الجوي إلى داخل المولد وقد نحتاج إلى 3 أو 4 ضواغط حسب كمية النتروجين المطلوبة .

2 – مولد نتروجين ( Nitrogen Generation) :  هو الذي يقوم بدور فصل النتروجين عن الغازات الأخرى الموجودة في الهواء القادم من الضواغط وعادة يستخدم ضاغط واحد فقط .

3 – معزز (Booster) :  وهو الذي يقوم بدور حقن غاز N2 .

4 – أنابيب ومقاييس وصمامات .

5 – منقي للنتروجين :

يرافق هذا الجهاز مولد النتروجين الحديث , ويختلف هذا الجهاز حسب كمية النتروجين المطلوبة , حيث يمكن الحصول على كمية 95% نتروجين و 5% أوكسجين فقط وبالرغم من أن هذه الكمية غير كافية للوصول إلى مستوى تشكيل إنفجار إلا أنها كافية لإحداث تآكل كبير والذي يزداد سوءاً عند إستخدام نظام سائل حفر مالح وعند درجات حرارة عالية .

ورغم أن هذه المعدات قد حلت مشكلة متاعب النقل للنتروجين الجاهز إلا أنها قد ترافقت مع سلبيات أخرى منها أن هذا الكم الكبيرمن المعدات يأخذ مساحة كبيرة في منصة وحدة الحفر وهذا الأمر مزعجاً وخاصة في منصات الحفر البحري إذ أن مساحاتها محدودة.

3-1-2- معدات الغازات العادمة (Exchaust Gas) :

إن الغازات العادمة التي تطلقها المحركات تحتوي على نسبة كبيرة من N2 يمكن الإستفادة منها في تلبية متطلبات  الحفر المتوازن.

لهذا الغرض يتم تغذية المحرك بالبروبان ,  فينتج عن عمل المحرك غازات عادمة درجة حرارتها تصل الى ْ900F ، والتي بدورها تمرر عبر محفز بهدف تقليل نسبة O2 التي قد تصل إلى 1% التي تسبب مشاكل تآكل كبيرة ( غيركافية لإحداث إشتعال ) ، ثم يمر المزيج عبر مقوي لدرجة الحرارة لرفع درجة حرارة الغازات العادمة إلى حدود ْ1100F، بعد ذلك تمرر الغازات عبر مبرد لطرح وتكثيف الماء ، ثم تضاف موانع تآكل ومنه إلى الضواغط التي تضخها إلى البئر، مع العلم أن طاقة المحرك يستفاد منها في تشغيل الضواغط .

ان هذا النظام قادر على إنتاج 1500 قدم مكعب / دقيقة   بضغط يتراوح بين PSI 2000 - 2500 , وبنسبة أوكسجين قليلة جداً بحدود 20 PPM .

2-2- معدات التحكم بالبئر :

يمكن تقسيم هذه المعدات شرطيا الى قسمين: معدات أساسية و معدات ثانوية

1-2-2- معدات التحكم بالبئر الأساسية :

أن التحكم بالبئر في الحفر التقليدي يتم من خلال تشكيل ضغط على قاع البئرمن خلال عمود  سائل الحفر الذي يختار وزنه النوعي لتشكيل ضغط عند قعر البئر أكبر من ضغط الطبقة التي يتم حفرها . أي أن التحكم بالضغط يتم من خلال سائل الحفر كاحدى إحدى وظائفه الرئيسة.

لكن هذا الأمر غير محقق في الحفر المتوازن , والبديل الأساسي للتحكم بضغط البئر هو التحكم بضغط وتدفق سائل الحفر ، والذي يتم من خلال نظام تحكم ومراقبة المكون من :

1 - جهاز إغلاق الفراغ الحلقي حول مواسير الحفر .

2 - صمامات أمان سطحية .

3 - مجموعة الخنق والتوجيه .

1 – جهاز إغلاق الفراغ الحلقي حول مواسير الحفر (System of Closing around the drill string ) :

إن موانع الاندفاع المستخدمة في الحفر التقليدي لا يمكن الاستغناء عنها لكنها لتعتبر كافية في هذا النوع من الحفر فهي مصممة للإحكام في حالة الطوارىء وعند عدم وجود دوران لمجموعة مواسير الحفر . ونظراً للحاجة إلى إحكام وإغلاق  الفراغ الحلقي  أثناء الحفر أيضاً فإننا بحاجة إلى معدات إحكام تتلاءم وهذه الشروط وقد صممت أنواع مختلفة  من هذه المعدات يمكن تصنيفها كالتالي :

أ – نظام الإحكام الثابت ( Passive System):

يتمثل هذا النظام بالرأس الدوار والذي يتألف من جزئين أساسيين : الجزء الأول وهو الجزء المتحرك والجزء الثاني هو الجزء الثابت.

الجزء المتحرك عبارة عن موانع تسرب تغلق على مواسير الحفر سواء كانت متوقفة عن الدوران أو كانت تدور وتدور معها ، هذه الموانع تصنع من مواد مطاطية قوية تثبت على الجذع الدوار المعدني الذي يدور على مضاجع مستنده  اًعلى الجذع الثابت ، الجزء الثابت يثبت فوق مجموعة موانع الاندفاع العادية ، حيث يستند عليه الجزء الدوار ويقوم أيضاً بتصريف السائل العائد من الفراغ الحلقي إلى معدات المعالجة السطحية من خلال فتحة تصريفق جانبية .  و يمكن إستخدام رائس دوار واحد أو إثنين حسب الحاجة .

إن القوة التي يغلق بها مانع التسرب على الماسورة ناتجة عن التداخل بين القطر الداخلي لمانع التسرب والقطر الخارجي لمواسير الحفر ، حيث يكون القطر الداخلي لمانع التسرب أصغر بقليل من القطر الخارجي لمواسير الحفر , بالإضافة إلى قوة ضغط البئر التي تساعد في زيادة قوة إحكام المانع حول المواسير , و في حالة كان ضغط البئر منخفض يمكن أن يحدث تهريب خاصة عندما تكون القطعة المطاطية قديمة .

إن عيب هذا النظام هو عدم إمكانية مرور المعدات ذات الأقطار الكبيرة الأمر الذي يتطلب فك ( مجموعة الحوامل ) وهذا يعني أنه في لحظات الفك سوف لن يكون هناك نظام إحكام للبئر .

إحدى الحلول لهذه المشكلة هو إستخدام صمامات منع الانتشار التي تركب في البئر على مواسير التغليف ( شرحت سابقاً ) والتي يرمز لها ( Bottom Hole Assembly )  . لكن استخدام مثل هذه الصمامات له عيوبه ، ولذلك فإن إستخدام نظام الإحكام الغير ثابت يمكن استبداله كحل لهذه المشكلة .  ب – نظام الإحكام الغير ثابت (System Active): 

هذا النظام يختلف عن النظام السابق بأن قوة الإحكام لموانع التسرب حول مواسير الحفر هي قوة يمكن التحكم بها آليا ,ً وهي قوة هيدروليكية لدفع موانع التسرب لتحكم الإغلاق حول مواسير الحفر ، هذه القوة يجب أن تكون كافية لمنع أي تسرب وفي المقابل عدم إعاقة حركة مواسير الحفر ودورانها . هذا النظام يمكن أن يكون يدوياً ويمكن أيضاً أن يكون ذاتياً بحيث تتغير قوة الضغط الهيدروليكي لتثبيت موانع التسرب تبعاً لضغط البئر .

هذا النظام يتمثل فيما يسمى بموانع الإندفاع الدوارة والتي لاتختلف عن الرأس الدوار كثيراً .

يمكن لهذه الموانع أن تغلق على البئر وهي خالية من المواسير ، أهم هذه الموانع هو مانع الإندفاع الهيدروليكي الكرويspherical preventer ، أو موجهات التدفق  الهيدروليكية hydraulic regulator Flow diverter.

تختلف هذه الموانع عن الرأس الدوار بما يلي :

1 - يمكن التحكم بقوة إغلاق موانع التسرب أثناء الحفر .

2 - يمكن تمرير المعدات ذات الأقطار الكبيرة دون الحاجة إلى فك الحوامل و وضع البئر في حالة خطرة .

3 - يمكن أن تغلق على كامل البئر في حالة كان خالياً من المواسير .

بشكل عام يجب فحص كل هذه الأنظمة دورياً ومراقبة حالة عنصر الإحكام , ففي النظام الثابت فإن عنصر الإحكام ( مانع التسرب ) يجب أن يزال من مكانه ويخضع للفحوصات المناسبة , هذه العملية يمكن أن تتم خلال 15 دقيقة وعندما تستدعي الفحوصات إستبدال عنصر الإحكام فإن ذلك يستغرق 30 دقيقة تقريباً ، أما النظام غير الثابت فإننا لانستطيع إزالة عنصر الإحكام للصيانة إنما يتم تغييره مباشرة وهذا يستغرق حوالي 3 – 2 ساعات .

2 – صمامات الأمان السطحية (Surface safety valve) :

يعتبر صمام الأمان السطحي هو حاجز إضافي بين البئر والمعدات السطحية للفصل ( معدات الفصل ) حيث يثبت بين رأس البئر وبين مشعب الخنق (choke manifold), وظيفة هذا الصمام هو الإغلاق لأنابيب جريان سائر الحفر الموجودة بين رأس البئر ومعدات الفصل وذلك في الحالات الاضطرارية ، ويعمل هذا الصمام بنظام يسمى نظام التحكم الاضطراري ESD ( Emergency shut down system ) . هذا النظام عادة هو نظام مركب , أي يدوي وأوتوماتيكي حيث يقوم هذا النظام في حالة ملاحظة أو تحسس أي ظروف غير آمنة بتمكين صمام الأمان بالإغلاق الفوري ، لكنه في بعض الحالات قد يتعطل النظام الأوتوماتيكي ويحجم عن الإغلاق , وفي مثل هذه الظروف فإن جهاز التنبيه ( الصوتي أو الضوئي " مرئي " ) يعمل ويعطي إشارة وذلك في لحظة تفعيل النظام اليدوي للعمل .

3 – مشعب الخنق ( Chock manifold ) :

وهي مجموعة من الصمامات وصندوق ( علبة ) خنق متغيرة ، عمليات خنق مثبتة ونقاط قياس متعددة، وظائف هذه المجموعة :

1 - التحكم بنسبة تدفق سائل الحفر .

2 - تخفيض ضغط البئر إلى المستويات المقبولة وذلك قبل دخول السائل إلى معدات الفصل . 

2-2-2- معدات التحكم بالبئر الثانوية :

وهي المعدات التي تستخدم دائماً في الحفر العادي ( Overbalanced ) وهي :

1 – موانع الاندفاع التقليدية BOP’s (Blow Out Preventers) :

من المعلوم أن عملية إغلاق البئر بموانع الإندفاع التقليدية في الحفر العادي تكون عند ملاحظة مؤشرات الإندفاع في الحفر  UBD , الأمر مشابه ولايختلف كثيراً حيث أن موانع الإندفاع التقليدية توضع في العمل وذلك عند ملاحظة ضغوط كبيرة في البئر أو السطح ونسب عالية للتدفق والتي تؤدي إلى تعرض موانع الإندفاع الدوارة إلى ضغوط كبيرة ( سوء في حالة دورانها أو توقفها ) , بالإضافة إلى أن نسبة التدفق العالية  و الضغط العالي قد تفوت طاقة الفصل لمعدات الفصل ( بمعنى أن التدفق العالي قد يزيد عن التدفق الذي يفترض دخوله على الفاصل ، كما أن الضغوط العالية قد لاتتحملها الفواصل ومعداتها ) .

2 – معدات قتل البئر(Kill Well Equipment) :

لاتختلف عن معدات قتل البئرفي الحفر العادي وهي عبارة عن خزانات تحوي سائل حفر مثقل وخطوط لنقل السائل إلى البئر حيث يجب أن تكون جاهزة في أي وقت لقتل البئر ويجب التركيز على نقطتين أساسيتين في هذا الموضوع و هما :

1 - السائل الذي سيستخدم لقتل البئر يجب أن يثقل إلى أدنى كثافة يمكن أن يتحقق عندها قتل البئر بحيث إذا دعت الحاجة إلى التشغيل يكون بإمكاننا ذلك حيث عملية التشغيل أسهل من عملية التحقيق .

2 - يفضل أن يكون حجم سائل القتل بمقدار 1.5 من حجم البئر .

3-2- معدات الفصل :

إن وجود ضغط عند قعر البئر أقل من ضغط الطبقة يعني وجود تحرك لموائع الطبقة بإتجاه المنطقة الأقل ضغطاً ( البئر ) وخروجها مع سائل الحفر إلى السطح ، وهذا يتطلب فصلها عن سائل الحفر بهدف المحافظة على خواص سائل الحفر من جهة , والاستفادة من هذه الموائع من جهة أخرى . لذلك تستخدم معدات خاصة لهذا الغرض . هناك نوعين من أنظمة الفصل الموجودة حالياً والتي تختلف فيما بينها في كيفية فصل ا لغاز و النفط و الماء والحبيبات الصلبة عن سائل الحفر ،وكذلك تختلف في عدد مراحل عملية الفصل .

النوع الأول يسمح للمزيج ا بالمرور خلال مشعب الخنق بهدف تخفيض ضغط البئر قبل دخوله إلى الفواصل نحيث  يتم فصل النفط و الغاز و الفتاتات عن سائل الحفر.

ولكن عند حفرالآبار ذات الضغوط العالية وعند وجود كمية غازية الكبيرة  ضمن راجع سائل الحفر  فيمكن ارساله الى فواصل عموديه أو الى  الفواصل  النابذة(cyclone) , حيث يفصل الغاز عن سائل الحفر ضمن هذه الفواصل ويخرج السائل منها ليتم فصل نواتج الحفر  بطريقة مشابهة كما يحدث في الحفر العادي .

اما النوع الثاني  يفصل الغاز في هيدروسيكلونات  ويضخ مباشرة إلى شعلة الإحتراق.

ويمكن استعراض معدات الفصل الاضافية  المستخدمة عند الحفر تحت المتوازن كالتالي:  

1-3-2- المبادلات الحرارية :

تستخدم مبادلات حرارية لتسخين سائل الحفر العائد من البئر والمحمل بالنفط والغاز والماء والفتات بهدف :

1 – تخفيض لزوجته ( بعد أن أصبح ملوث بمواد أكثر لزوجة ) .

2 – كسر المستحلب ( نفط – ماء ) .

3 – كسر الرغوة .

4 – تثبيت النفط ( جعله أقل تبخراً ) .

2-3-2- الفواصل :

هناك نوعين رئيسيين من هذه الفواصل :

الفواصل العمودية والفواصل الأفقية

حيث تستخدم الفواصل العمودية عندما تكون نسبة الغازالمتدفق من الطبقة مع سائل الحفر كبيرة جداً , أما الفواصل الأفقية فتستخدم لفصل السوائل متباينة الكثافة كالنفط عن الماء .

إن نوع وتصميم الفاصل يتبع إلى تصميم البئر وبارامترات البئر فعلى سبيل المثال :

1 - نوع سائل الحفر     

2 - معدل الضخ

3 -نسبة الإنتاجية المتوقعة    

4 - نوع موائع الطبقة

5 -قطر البئر وعمقها              

6 - امتداد الطبقة

7 -بيئة الحفر ( بحري – بري )

وبشكل عام فان  معظم هذه الفواصل المستخدمة هي من النوع الأفقي رباعية الطور ( نفط ، غاز ، ماء ، حبيبات صلبة ، سائل حفر). ضغط الفاصل يحافظ على قيمة ثابتة ( محددة مسبقاً ) وذلك بمساعدة  صمام تحكم أوتوماتيكي يوضع على مخرج الغاز . كما أن مستوى السائل داخل الفاصل يمكن مراقبته خلال زجاجة بيان . والفاصل يمكن حمايته من الضغوط العالية من خلال صمام أمان .

 بعد ذلك يدفع النفط إلى الخزانات أو إلى خطوط نقل النفط ، والماء كذلك يصرف عبر خط تصريف إلى الخزانات. أما تصريف الغاز فيختلف وله معدات خاصة سوف نوضحها في الفقرة القادمة . اما سائل الحفرالخارج بعدها يضخ إلى الهزازات ليمر بمراحل الفصل العادية المعروفة في الحفر التقليدي .

3-3-2- الشعلة ومعداتها :

يمكن توجيه الغاز المفصول إلى أماكن تخزين خاصة ليتم الإستفادة منه لاحقاً في حالة كانت كمياته كبيرة أو يمكن ان يوجه إلى الشعلة ليتم حرقه  لاسبابالأمن الصناعي وحماية البيئة.

ان الاضطرار الى إحراق الغاز يجعل المعدات السطحية أكثر تعقيد، وعملية الحفرأكثر صعوبة وقد تستخدم ضواغط كبيرة لضخ الغاز إلى الشعلة كما يستخدم  محرق .

ان  تصميم نظام الحرق ( الشعلة ) مهم جداً فالشعلة ذات قطر كبير وإرتفاع كبير ( أو إمتداد كبير  في حالة الحفر البحري ) , كما يمكن إستخدام فاصل سائل على خط الشعلة بهدف فصل قطرات السائل التي قد يحملها الغاز إلى رأس الشعلة والتي تسيء إلى الإحتراق وتؤخره , كما يجب أن يكون الإشعال أوتوماتيكي .

ولمنع الإشتعال المعاكس تستخدم  معدات إمتصاص الأوكسجين( أو إزالته)  ومصد لهب ,  وأحياناً يركب  رأس غمر اللهب .

كما ان خطوط نقل الغاز إلى الشعلة يجب الابتعاد عنها قدر الإمكان ووضع لوحات تحذيرية عليها للتنبيه إلى وجودها .

4-3-2- الخزانات (Tanks) :

بعد فصل النفط عن سائل الحفر يضخ سائل الحفر إلى البئر ، أما النفط والمكثفات فانه  يضخ إلى خزانات خاصه لتجميع النفط  أو يضخ  إلى الصهاريج، أوتضخ  مباشرة إلى خط أنابيب نفط قريب .

 الخزانات يجب أن تكون في أماكن مناسبة بعيداً عن موقع الشعلة وأن يتم تنفيسها دوريا  , مع ضرورة أن تتخذ كافة إجراءات الأمان ضد حدوث الحرائق.

5-3-2-  آخذ العينات ( Sample Catcher ):

من اجل تلبية المتطلبات الجيولوجية أثناء الحفر  تزود وحدات الحفر  المخصصة للحفر تحت المتوازن  بجهاز لأخذ عينات صخرية أثناء الحفر، حيث تستخدم لهذا الغرض مجموعة معدات  وهي عبارة عن:

1 – آخذ  عينات (عدد إثنان) وظيفتهما جمع عينات فتاتية و التأكد من وجود تنظيف، و بالتالي، المساعدة في  تحديد فعالية التنظيف .

2 - صمامات عزل لعزل خط جريان سائل عن آخذ العينات .  

3 - صمام لإخراج العينة أثناء الحفر .

4-2-  معدات مساعدة اخرى :

نظام الدفع :

 نتيجة لإغلاق الفراغ الحلقي بمانع الأندفاع الدوار أثناء الحفر و أثناءعمليات الرفع و الأنزال , بالأضافة إلى وجود معدات التزليق السطحية الأخرى , فإن مجموعة مواسير الحفرسوف تعاني من وجود قوة كبح تعاكس حركة مجموعة مواسير الحفر عندما يكون طول مجموعة مواسير الحفر صغيرا  و هذا يمكن أن يواجه في بداية و نهاية عمليات الرفع و الأنزال . من أجل ذلك يستخدم نظام الدفع الذي يعمل على دفع أو سحب مجموعة مواسير الحفر بأتجاه معاكس لإتجاه الضغط.