تكنولوجيا تطبيق طريقة الحفر بشروط التوازن

1- تحديد كثافة سائل الحفر:

  في الحفر التقليدي نختار الوزن النوعي لسائل الحفر بحيث يكون الضغط الهيدروستاتيكي لهذا السائل عند قعر البئر أعلى من ضغط الطبقة بحدود (PSI  200–1000) .

 أما في شروط الحفر تحت المتوازن عادة يتم اختيار الوزن النوعي لسائل الحفر بحيث يكون الضغط الهيدروستاتيكي لهذا السائل عند قعر البئر أقل من ضغط الطبقة بحدود (PSI ( 100– 200 .

والمجال السابق  يفيد في تحديد نقطة البداية لأختيارخواص سائل الحفر , و بشكل خاص تحديد الوزن النوعي لسائل الحفر . إن الوزن النوعي المختار و الذي يحقق ضغط هيدروستاتيكي عند قعر البئر ضمن المجال المذكور أعلاه ليس بالقيمة النهائية التي سوف تعتمد في عملية الحفر أذ يمكن أن يجرى تعديل لهذه القيمة أثناء الحفر حتى تتحقق حالة تحت التوازن في قعر البئر.

 يتم تعديل كثافة سائل الحفر  اعتماداً على الإنتاجية المتوقعة للطبقة. فعند تخفبض فارق الضغط بين الطبقة  والبئر  إلى 200 PSI , وخلال الحفر ر (مع وجود إنتاج ) يمكن أن تكون هذه القيمة  ليست كافية لتحقيق شروط تحت التوازن وإن الحفر يمكن أن يكون متوازن أو فوق التوازن أثناء دوران سائل الحفر ،  في هذه الحالة فإن الوزن النوعي لسائل الحفر يجب تعديله .

وتجدر الاشارة هنا الى أن  الضغط الهيدروستاتيكي عند قاع البئر أقل دائما من الضغط الهيدروديناميكي عند قاع البئر ( تتساوى القيمتان عند توقف دوران سائل الحفر وماسير الحفر).

2- اختيار نوع سوائل الحفر تحت المتوازن :

إن الأختيار الصحيح لسائل الحفر المستخدم في الحفرتحت التوازن يعتبر المفتاح في عمليات الحفر تحت التوازن , من أجل هذا الغرض سوف نلقي نظرة على  سوائل الحفر  المخففة التي يمكن أن تستخدم في الحفر تحت المتوازن

1-2- سوائل الحفر الغازية والسوائل القابلة للانضغاط ( ثنائية الطور ) :

وهي عبارة عن  سوائل حفر عادية وشائعة ( الماء أو الطفلة ) و التي تحقن بكمية من الغازات  أو تستبدل كليا  بغازات ذات قابلية عالية للانضغاط . هذه السوائل تنجز معظم وظائف سوائل الحفر المعروفة.

كماأن إمكانية إستخدام هذا النوع من السوائل محدودة بالوضع الليتولوجي للطبقات المحفورة و بضغط الطبقة , و التي لها تأثير هام ويجب أخذها بعين الاعتبار حتى في حالة حققت هذه السوائل تخفيض ملحوظ في زمن وكلفة الحفر  .

هذه المجموعة من  سوائل الحفرتضم  أنواع عديدة ( كالهواء والضباب والرغوة الثابتة  و سائل الحفر العادي المهوى).  وسوف نتعرف على هذه المجموعه بشيئ من التفصيل.

1 – السوائل الغازية :

في بداية عمليات الحفر المتوازن كان يستخدم الهواء , و اليوم ايضا الهواء أو الغبار مازال مطبق في حفر الصخور القاسية وفي  حفر آبار المياه . لكن إستخدام الهواء في حفر الطبقات الحملة للهيدروكربونات لم يحقق نتائج مرضية , لأن المزيج من الأوكسجين والغازات الطبيعية يمكن أن يشكل مزيج قابل للإنفجار, هذا بالأضافة إلى احتمال كبير لحدوث احتراق في وحدة الحفر  في حال وصول المزيج إلى السطح .

لتجنب هذه المشاكل السابقة يُستبدل الهواء بالنتروجين حيث أثبتت التجارب أن إستخدام النتروجين في عمليات حفر الآبار هو الخيار الأول في عمليات الحفر تحت التوازن , حيث يمكن إستخدام النتروجين البارد(cryogenic) و الذي يحفظ و ينقل في خزانات , و مشكلته تكمن في متطلبات نقله .

هناك خيار آخر هو إستخدام الغاز الطبيعي إذا كان متوفراً والذي أثبت في بعض الحالات  أنه الخيار الأفضل وخاصة في عمليات الحفر تحت التوازن في الطبقات الغازية . حيث يمكن الأستفادة من أقرب بئر منتجة للغاز الطبيعي  , و يمكن الأستفادة من الغاز الطبيعي الذي تنتجه البئر التي تحفر و ذلك في حالة كانت كمياته كافية , الأمر الذي يمكن أن يؤدي إلى عملية حفر ذات كلفة إقتصادية أقل .

- مميزات الحفر بالغاز :

امكانية تحقيق سرعة حفر عالية .زيادة عمر رأس الحفر (زيادة عدد الأمتار المحفورة بالدقاق  الواحد) .نجاح عمليات السمنتة ( جيدة )للمجالات المحفورة بالغاز.إنتاجية أفضل للنفط(أو الغاز) مع إنتاجية أقل للماء.

  ومن عيوب الحفر بالغاز  إمكانية حدوث التكتل (Slugging)  وكذلك الأعتماد على سرعة الهواء في الفراغ الحلقي لرفع الفتاتات  المحفورة من البئر.

2– سوائل الحفر الضبابية( الرزاز) :

إذا كانت سوائل الحفر الغازية غير مناسبة فإن إضافة كميات صغيرة من السائل سوف تشكل سوائل الحفر الضبابية . الكمية الصغيرة من السائل المضاف إلى الوسط الغازي  سوف تنتشر على هيئة قطرات دقيقة مشتتة ضمن الوسط الغازي .

بشكل عام هذه التقنية تستخدم أو نلجأ إلى إستخدامها في المناطق التي تكون فيها الطبقات المائية موجودة والتي تمنع من إستخدام سوائل حفر غازية جافة .

مميزات سوائل الحفر الضبابية  تشبه السوائل ميزات الحفر بالغاز ( تختلف عنها بوجود رزاز السائل) .    لكن الضغط بشكل عام أعلى من الضغط عند استخدام الحفر بالغاز و الحاجة لحجوم أكبر ( أكبر ب 30 – 40 % من الغاز ) . ان  نسبة السائل إلى الغاز( أو السائل إلى الهواء) الغير صحيحة تؤدي إلى حدوث تكتل       ( Slugging ) مترافق مع زيادة في الضغط . 

3 – سوائل الحفر الرغوية :

تتكون الأنظمة الرغوية  من  طور غازي وطور سائل  مع مقللات التوتر السطحي .

إحدى المشاكل التي تواجهنا عند إستخدام  الرغاوي الثابتة التقليدية هو أن هذةالرغاوي تبقى ثابتة حتى تعود إلى السطح، وهذا يمكن أن يسبب مشاكل في المعدات السطحية . و في أنظمة الحفر المغلقة فإن الرغوة الثابتة يمكن أن تسبب مشاكل جزيئية ناجمة عن  تأخير الحمل للفتاتات . 

وقد صممت  أنظمة الرغاوي الثابتة كي يتم كسرها  وإعادة تشكيلها بسهولة  ويتم الاعتماد في ذلك على طريقة كيميائية لكسر وتشكيل الرغوة (زيادة أو نقصان P H لكسر و تشكيل الرغوة) ، لذلك فإن العامل المشكل للرغوة يجب أن  يكون قليل. في هذه الحالة فقط  يمكن إستخدام نظام دوران سائل الحفر المغلق.

إن كمية الرغوة في السطح والمستخدمة من الحفر هي بشكل طبيعي مابين 80% - 90% وهي نفس نسبة الغاز في سائل الحفر , أما السائل فيشكل النسبة الباقية . وعند قعر البئر وبسبب الضغط الهيدروستاتيكي لعمود الفراغ الحلقي فإن هذه النسبة تقل  كتابع لانخفاض حجم الغاز . إن المتوسط المقبول لكمية الرغوة في قعر البئر هي في حدود 50% - 60% .

- مميزات سوائل الحفر الرغوية :

هذة السوائل تتمتع بكثافة منخفضة و بقدرة عالية على حمل الفتاتات.إن الرغوة الثابتة تخفض من التكتل (( Slugging في البئر .الرغاوي الثابتة تقاوم بشكل محدود إعادة ترسب الفتاتات أثناء توقف دورة سائل الحفر .تحسن ظروف التحكم بالسائل في السطح , وثباتية أكبر في ظروف قعر البئر  .ضغط الضخ سيكون  منخفض بسبب تحسين نقل الفتاتات في الأنظمة الرغوية الثابتة 

ان  المياه الطبقية تؤثر سلبا على استقرار هذه الأنظمة ،بيد  زيادة الطور السائل  في سائل الحفر يقلل من تأثيرها.  ومن أهم عيوب استثمار هذه الأنظمه  هو زيادة كبيرة في حجم وتوزع  المعدات السطحية . 

4 – سوائل الحفر المغوزة ( gasfied ) :

إذا كانت  كثافة ال سوائل الحفر الرغوية قليلة ،(  أي انخفاض ضغط قعر البئر إلى قيمة صغيرة خارج الحدود المسموح بها) ، فإنه  يمكن أن نستخدم سوائل الحفر  المغوزة , و التي هي عبارة سائل حفر عادي (الطور السائل) يحقن فيه طور غازي بكمية محددة .

     إن وجود طورين في سائل الحفريعقد  النظام الهيدروليكي لجريان سائل الحفر . و إن نسبة الغاز إلىالسائل يجب أن تحسب بعناية لضمان نظام دوران سائل حفر ثابت ,فإذا كانت كمية الغاز المستخدمة غير كافية فإن ضغط قاع البئر سوف يكون كبيراً( والحفر قد يتحول الى شروط فوق التوازن).

- مميزات سوائل الحفر المغوزة :

وجود الطور السائل بنسبة كبيرة سوف يقلل منً تأثير سوائل الطبقة على خواص سائل الحفر .خصائص سائل الحفر يمكن  تقديرها  بسهولة قبل بداية عملية الحفر .الكمية المطلوبة من الغاز هي بشكل عام قليلة .

ان المعدات السطحية اللازمة  ستكون اكثربهذه الطريقة ، ولكن اجراءات  إكساء و حماية المعدات من التآكل أقل . 

2-2- سوائل الحفر وحيدة الطور :

في بداية الحفر فإنه ينبغي و بشكل طبيعي إستخدام سائل حفر ذو كثافة منخفضة بشكل كافي لتحقيق شروط الحفر المتوازن .

إذا كان بالإمكان إستخدام الماء كسائل حفر فإن ذلك سيكون الخطوة الأولى التي يجب ان  نعمل بها وفي حالة كانت كثافة الماء لاتحقق شروط التوازن  ننتقل لاختيار النفط . حيث  أن البئر يمكن إحياءه  بسهولة عند إستخدام نظام سائل حفر ذو أساس نفطي .

 وفي حالة ان  الطبقة تنتج نفط خام فإن النفط الأساسي ( المضاف ) لايمكن تمييزه وفصله من النفط الخام . وتصبح العملية غير اقتصادية لان كلفة النفط المستخدم كسائل حفر أكبر من النفط المنتج. وفي حال اعتماد سائل حفر نفط خام منتج  فإن وحدة الحفر يجب ان تزود بمعدات لضمان فصل الغاز من النفط الخام قبل عودته إلى  البئر .

إن إستخدام مواد مضافة مثل الخرز الزجاجية أجريت لتخفيض كثافة سائل الحفر , لكن الخرز الزجاجية بعد ذلك تُفصل بالهزازات بشكل صلب , كما أن بعضها تتحطم , الأمر الذي يتطلب ضرورة إضافة كميات جديدة  بشكل مستمر , و هذا غير مقبول لأن  الخرز الزجاجية مكلفة وبالتالي فهي ليست فعالة لتخفيف كثافة سائل الحفر من الناحية الأقتصادية . 

3-2- نظام الرفع الغازي :

هو نظام يعمد إلى تخفيض الوزن النوعي لسائل الحفر من خلال حقن الغاز في  السائل اثناء الدوران , و هذا يختلف عن إستخدام سائل حفر مغوز و ذلك من حيث طريقة إستخدام الغاز , فسائل الحفر المغوز يتم تحضيره بحقن كمية من الغاز إلى السائل و خلطهما مع بعضهما البعض  في السطح . 

لهذا الغرض يستخدم بشكل عام الغاز الطبيعي أو النتروجين (N2) كغازات رفع , أما كل من غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) وغاز الأوكسجين (O2) فهما غير مرغوبين لسببين :

1- خليط الأوكسجين مع السوائل المالحة وبوجود درجات حرارة عالية في قعر البئر    يمكن أن تسبب تآكل شديد لمجموعة مواسير الحفر .

2 – دخول الهيدروكربونات أثناء عمليات الحفر إلى قعر البئر تجعل من الممكن ظهور أو حدوث حالات انفجار وبالنتيجة إحتراق قعر البئر .

هناك عدد من طرق حقن الغاز المتوفرة و التي يمكن مناقشتها على النحو التالي :

1-3-2- الحقن من خلال مواسير الحفر :

يتم حقن الغاز الى سائل الحفر من خلال مجموعة صمامات مواسير الحفر(standpipe manifold)

إيجابيات الحقن من خلال مواسير الحفر :

بساطة الطريقة , حيث أننا لسنا بحاجة إستخدام مواسير حقن إضافية .إمكانية رفع كامل عمود سائل الحفر من قعر البئر حتى السطح , و لهذا السبب فإنه بالأمكان تحقيق أقل ضغط ممكن لعمود سائل الحفر على قعر البئر .سلبيات الحقن من خلال مواسير الحفر :إمكانية حدوث تسرب للغاز من بعض المناطق , و على وجه الخصوص      و صلة الربط الدوارة (kelly hose)(الرأس الهيدروليكي) , و بالتالي فإن ذلك يتطلب إجراء صيانة داخلية لهذه المناطق , و إختبار تحملها للضغط , بهدف تقلليل إحتمالات فشل عملية الحفر .ضرورة التوقف عن حقن الغاز عند فك أو ربط مواسير الحفر , و هذا لا يضن بقاء حالة عدم التوازن للضغط عند قعر البئر .لا يظهر التأثير المباشر للغاز المحقون على ضغط قعر البئر إلا بعد إزاحة كامل حجم سائل الحفر داخل مواسير الحفر و تمدد الغاز في الفراغ الحلقي .الجرثان ثنائي الطور يسبب إهتزاز للمواسيرالجرثان ثنائي الطور يسبب إنخفاض فعالية المحرك الجوفي .

الجرثان ثنائي الطور يؤدي إلى زيادة قوة الإحتكاك التي تسبب زيادة كبيرة في الضغط الذي تتعرض له مواسير الحفر و مضخات سائل الحفر و المعدات الأخرى . 

2-3-2- الحقن في الفراغ الحلقي بين مواسير التغليف :

 يمكن حقن الغاز في الفراغ الحلقي لمواسير التغليف المتمركزة مع بعضها , و ذلك من خلال وصلة خاصة تربط بينهما على السطح . أما عمق نقطة دخول الغاز إلى الفراغ الحلقي بين مواسير الحفر و مواسير التغليف فتحدد بحيث يحقق عمود سائل الحفر الضغط المطلوب على قعر البئر

عندما يكون عمق نقطة دخول الغاز كبيرا تقل فعالية حقن الغاز في تخفيض ضغط قعر البئر , و عندما يكون عمق هذه النقطة بحدود 2000 متر فما فوق , فإن فعالية حقن الغاز تصبح قليلة جدا .

   و هناك ثلاث طرق مختلفة للحقن في الفراغ الحلقي :

1 - الحقن من خلال مواسير جانبية (parasitic): المواسير الجانبية هي مواسير ذات قطر صغير تركب في الفراغ الحلقي  خارج مواسير التغليف قبل سمنتته , و تتصل بالتجويف الداخلي لمواسير التغليف من خلال وصلة ربط خاصة تركب على مواسير التغليف , و تتصل بمعدات الحقن من خلال وصلة خاصة تركب عند رأس البئر .

 ومن سلبيات الحقن من خلال مواسير جانبية صعوبة عمليات الأنزال لمواسير التغليف مع المواسير الجانبية ،كم أن جود وصلة الربط الخاصة التي تركب على مواسير التغليف يشكل نقطة ضعف في مواسير التغليف من حيث المقاومة للأجهادات المختلفة التي تتعرض لها مواسير التغليف , و من حيث إمكانية التهريب لسائل الحفر .

2 - الحقن من خلال مواسير تغليف مساعدة ( معلقة ): مواسير التغليف المساعدة هي مواسير تغليف مؤقتة ذات قطر صغير تعلق داخل مواسيرالتغليف الموجودة في البئر , يتم تعليقها على السطح بمعدات خاصة  , و يتم الحقن من خلالها . من سلبياتهذه الطريقة  زيادة التعقيد في البئر و خاصة في معدات إحكام البئروالحاجة لزيادة قطر البئر 

3 – الحقن من خلال مواسير تركب داخل مواسير الحفر (mandrel) :   هي أنابيب ذات قطر صغير تنزل في البئر كجزء من مواسير الحفر , و إستخدامها يتطلب شروط خاصة أهمها عدم دوران مواسير الحفر( إستخدام المحركات الجوفية ) , و إمكانية إغلاق الفراغ الحلقي بإحكام .

ومن  سلبيات الحقن من خلال أنابيب تركب على مواسير الحفر زيادة التعقيد في البئر و خاصة في معدات إحكام البئر .