الحفر الموجه
الحفر الموجه Directional drilling أوSlant drilling، هوأسلوب حفر الآبار غير الرأسية. ويمكن تقسيمه إلى ثلاث مجموعات رئيسية: الحفر الموجه لحقل نفطي، الحفر الموجه لهجريب منافع ( أوH.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 نحوقضية مهمة أخرى: استخراج الغاز الطبيعي والنفط من باطن الأرض، ويستهلك اقتصاد العالم أكثر من 60 مليون برميل من النفط يوميا، ويمضى 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 ازدياد تكلفة الحفر إلى حتى 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 حتى الخط المستقيم هوأقصر فإنه ليس بأكثرها نجاعة. إضافة إلى ذلك، فإن وجود المباني والتلال والأنهار قد يمنع فريق الحفر من تثبيت أبراج الحفر فوق هدف ثمين، كما حتى التصنادىت الجوفية، أوتشكيلات 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 نحوهدفها.لقد تم تطوير الكثير من الطرائق خلال العقد الماضي لتلبية هذه الحاجة المتزايدة. وهذه الطرائق تمكّن طواقم الحفر من حفر الآبار أفقيا أوعلى شكل منحنيات أوفي 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 أوماء حار (مرتبط بنشاط بركاني)، باستخدام طرائق الحفر الموجه. ويستفيد من هذه الطرائق أيضا فهماء البيئة والشركات المتخصصة في أعمال معالجة المخلفات الخطرة بعرض فحص وتنظيف الملوثات المدفونة، ويعمد المقاولون إلى استعمالها في أعطى خطوط (كبلات) الخدمات تحت المناطق المدنية المزدحمة.
قبل ظهور هذه التقانة، كانت الأداة الوحيدة المتوفرة لتغيير مجرى بئر هي إسفين الإمالة whipstock، وهوتعبير 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 نحوالجوانب بعيدا عن اتجاهها الأصلي. ويستطيع فريق العمل إحداث تغيرات أكثر باستخدام أسافين إمالة إضافية. إلى غير ذلك فمن حيث المبدأ، يمكن الحفر في أي اتجاه. أما في الواقع، فإنه يجب تخصيص الكثير من الوقت للعملية بحيث إذا فرق العمل كانت تلجأ إليها فقط عندما ترغب 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 بحاجة إلى العمل من فوق منصاتplatforms عائمة أوكما هومعتاد 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 نحوأربعة هكتارات من قاع البحر، ويكفي الصلب المستخدم في تدعيمها لبناءعشرة أبراج مثل برج إيفل. ويلزم الكثير 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: هوحتى 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 حتى تجمع تمهيدا لبيعها أوحتى تهجر 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 أومن الممكن آلاف الأقدام من طبقة النفط.
تم الحفر الموجه في سوريا وللمرة الأولى في حقل زرابة عام 1992 وذلك كون النفط في هذا الحقل من النوع الثقيل وسماكة الطبقة المنتجة قليلة وامتدادها الموجه كبير ومواصفاتها الخزنية (المسامية والنفوذية) قليلة . وبعدها توسع الحفر الموجه ليضم حقولاً أخرى. وبشكل عام ولاعتمادنا على خطط لحفر الموجهة نرى أنه لا بد من توافر المعطيات لرئيسية التالية:
- الدراسة الجيولوجية التفصيلية للحقل.
- فهم شبكة الشقوق الطبيعية في الطبقات الحاملة واتجاهها
- 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 بتر الأنابيب الثقيلة والسميكة نسبيا ـ التي تعهد باسم أطواق الحفر (الثنطقات) 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 أوسارية 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 قابلة 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 نحوخمس بوصات وطولها إلى نحو10000 قدم. يظهر الأنبوب من هذا الحجم وكأنه قوي جدا، ولكن لوصغرنا هذا الأنبوب بتناسب فإنه سيشبه إبرة حقن طبية يبلغ طولها أكثر من 60 قدما وقطرها نحوواحد على ثلاثين من البوصة. وللحفر في مسار منحن محدد سلفا يجب حتىقد يكون باستطاعة طاقم الحفر حتى 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 حتى يقوموا بتدوير جميع مجموعة الحفر من السطح، ولوأنهم عملوا ذلك فإن ريشة الحفر ستخط مسارا لولبيا دقيقا على الصخر مما يؤدي عمليا 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 أوإلى الأسفل أوإلى اليمين أوإلى اليسار كما يراد.
إن نجاح مثل هذه التصاميم يعتمد ـ بشكل كبير ـ على تقليل الاحتكاك في الجزء السفلي من الحفرة. ففي ثقب الحفر، الذيقد يكون أفقيا تقريبا، ترتكز أطواق الحفر على جوانب الحفرة. ويتوجب على العاملين استخدام طين حفر زلق للغاية لئلا تستعصي أي من المعدات أوفتات الصخر. أما طالما ثقب أفقي حقيقي، فلا تستطيع أطواق الحفر الارتكاز بالقرب من ريشة الحفر، لأنها يفترض أن 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 المسقط فإنها تدفع قسما من الأنابيب ـ خفيف الوزن نسبيا، في الجزء الأكثر استواء من الثقب ـ نحوريشة الحفر. وحرصا على حماية الأنابيب الخفيفة الوزن من حتى تسحق أوتنحصر بين جدران الحفرة، صمم المهندسون أنابيب خفيفة وصلبة.
كذلك أوجدت فرق المصممين حلولا لمشكلات أخرى. ومنها حتى 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 حتى باستطاعة طين الحفر حتى يتدفق من خلال العنفة سواء أكانت دائرة أم لا، فإنه ليس باستطاعة الحفارين حتى يتنبؤوا أويعهدوا ما إذا كانت العنفة تعمل بسرعتها السليمة أوأنها لا تدور على الإطلاق.
إلى غير ذلك 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 أوبالتحكم 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 حتى 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 حتى الأنابيب الثلاثة يجب حتى 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 البترة أفقيا ضمن نطاق قدم أوقدمين. 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 حتى يتجاوز هذا الأنبوب الضيق الموجِّهَ بمسافة كافية، يستخدم العاملون مواد كيميائية لفصله عن باقي عمود الحفر. وبعد ذلك إما حتى يزال الموجّه أويحرك في اتجاه حديث للتمكن من عمل حفرة إضافية أوأكثر.
إن القدرة على توجيه الحفر بدقة أمر جوهري. ويحتاج الحفار إلى فهم 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 مهندسوالحقل 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 فهم اتجاه جهاز الحفر في أية لحظة.
ولسوء الحظ، فإن المقاطع الإضافية من أنابيب الحفر ـ التي ينبغي على طاقم الحفر حتى يضيفها لأعلى عمود الحفر حدثا ازدادت الحفرة عمقا ـ لا يمكن هجريبها بوجود الكبل، لذا يتوجب سحب الكبل ومجموعة أجهزة القياس أثناء عمليات الحفر العادية. إذا إيقاف الحفر وإنزال مجموعة أجهزة القياس داخل البئر، حدثا 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 اللقاء لريشة الحفر. عملى سبيل المثال، تتكون مكامن النفط من طبقات الحجر الرملي أوالصخور الكلسية المسامية والنفوذة ـ الواقعة تحت طبقات غير نفوذة من الطَّفل clays أوالطين 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) أوكربونات 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 حينقد يكون الماء على هذا العمق مالحا لدرجة ما، فيعطي قيما صغيرة للمقاومة. ومن هذا الاختلاف في المقاومة يستطيع الحفار حتى يعهد 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،قد يكون باستطاعة المهندسين فهم ما إذا كان جزء من المعدات قد استعصى داخل البئر، وبالتالي التنبؤ بانهيار البئر أوأية مشكلات أخرى. ويستطيع العاملون أيضا حتى يقيسوا مستوى عزم الدوران المسجل لقوة حفر ما، وهي معلومات تبين ما إذا كانت ريشة الحفر قد سُدَّت أواستُهلكت مما يستوجب تبديلها.
تعمل مشروعات اجتياز 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 جميع 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 أوخطوط 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 المتنوعة 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 سكرامنتوفي 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 نحو8000 قدم وقطرهثمانية بوصات تحت نهر سانت لورنس بالقرب من تروا ريڤير في كويبك.
وخلال حفر مثل هذه المعابر، يجب حتى 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 حتى 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 أعطى كبل كهربائي على السطح ليقوم بإرسال إشارات إلى وحدات السبر الموجودة تحت الأرض بالقرب من ريشة الحفر. وبهذه الطريقة يمكن للحفار حتى يوجه ريشة الحفر بكل دقة. وعادة ما تصل الحفرة إلى الجانب الآخر بحدود قدم واحدة من المسقط المستهدف، بعد حتى تكون قد امتدت لعدة مئات من الأقدام تحت سطح الأرض.
تكون التربة في قاع مجرى النهر رخوة عموما، لذا يجب حتى تتضمن عمليات إقامة المعابر النهرية إجراءات خاصة لمنع انهيار ثقب الحفر. وأحد هذه الاحتياطات حتى 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 الرخومن الحت نتيجة لدوران أنبوب الحفر، أومن 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 حتى 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 حتى الحفر الموجه مفيد في الجهود المبذولة لوقف التلوث. فالخزانات المعطوبة والمنشآت الصناعية الأخرى تلوث الأرض التي تحتها في العادة. ومثل هذه المواقع قد يحدث من الصعب أومن المحال الوصول إليها من الأعلى. ويوفر الحفر الموجه طريقة لفحص وتنظيف مثل هذه المناطق. إضافة إلى ذلك، بما حتى برج الحفر وطاقمه ليس ضروريا تواجدهم مباشرة فوق المسقط أوحتى بجواره، فإن فرص التعرض للتلوث تكون أقل. ففي مسقط 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. واتى في تقرير فريق العمل حتى هذه الطريقة قد وفرت نحو125 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 أوالنيتروجين على درحات حرارة متدنية جدا كمائع fluid للحفر بدلا من طين الحفر. ولهذه الطريقة عدة فوائد، أولا: تحت بعض الظروف يمكن للماء حتى يخل بهجريب الملوثات الجوفية أوحتى 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 التأثيرقد 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. وباللقاء 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 هجر رأس الحفر لتتحرك لوحدها بحرية، أوبالإمكان 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 الحفرقد يكون مستقيما. ويقوم عامل تشغيل بالسير على الأرض فوق الحفرة ممسكا بوحدة قياس. وهذه الأداة يمكن حتى تستخدم في تقصي موضع رأس الحفر للتحكم في اتصالها بجسم المطرقة. وبهذه الطريقة يستطيع عامل الحفر حتى 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 أومن طين الحفر.
وطين الحفر يغلف ويعزل جدران ثقب الحفر مما يقلل من مخاطر الانهيار. إذا نفث الماء والطين تحت هذا الضغط العالي يخترق معظم أنواع التربة، ولكنه لا يؤثر في الخرسانة أوالأنابيب أوالكبلات. 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 ننطق مثبت فوق ثقب الحفر مكان وجود الأداة. ويستطيع هذا المكشاف حتى يعهد ويوجه موضع الرأس على أعماق قد تبلغ 30 قدما. ولأن العمال يمكنهم إدارة الحفر على مثل هذا العمق، فإنهم يستطيعون أعطى خطوط جديدة أعمق بكثير من شبكات الخدمات الموجودة حاليا، وذلك بتكلفة مماثلة لحفر ثقب على عمق قليل.
نتسقط حتى نرى في المستقبل القريب نُظُما يستطيع القائمون على الحفر بوساطتها توجيه ريشة الحفر مباشرة دون الرجوع مسبقا إلى معلومات المسح الجيولوجي. وبالعمل 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 حتى توفر شركات النفط أموالا من هذا المشروع، لأن آبارها ستكون أكثر إنتاجا.
إضافة إلى ذلك، لن بحاجة شركات النفط أثناء عملها إلى منصات أوناقلات نفط أوسفن 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، وتهجر 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 ، والتي 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 والشكل 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 وهواصطياد الأدوات الساقطة في البئر، الآبار الجانبية الوجهة كانت شائعة، وكانت تحفر على سبيل المثال عندماقد يكون هناك تغيرات في التشكيلات الجيولوجية.
5- حفر القبب الملحية (Salt Dome Drilling): لقد عثر حتى القبب الملحية تشكل مصائد طبيعية لتجمع النفط في الطبقة التي توجد تحت الجزء المائل أوالمتدلي من الغطاء القاسي ، هناك مشاكل حفر كبيرة مترافقة مع حفر البئر خلال الطبقات الملحية ، ويمكن التخفيف من هذه المشاكل إلى حد ما عن طريق استخدام سائل حفر مشبع بالملح ، والحل الآخرقد يكون عن طريق حفر بئر موجهة للوصول إلى المكمن وهكذا نستطيع تجنب مشاكل الحفر التي تحدث ضمن الطبقات الملحية.
6- التحكم بالفوالق (Fault Controlling) : الحفر الملتوية تكون شائعة عند الحفر الشاقولي العادي ، وقد يكون هذا غالباً بسبب الفوالق التي تخترق الطبقات ، وغالباًقد يكون من الأسهل حتى تحفر بئر موجهة نحوطبقات مثل هذه بدون اجتياز حدود الفوالق.
7- آبار استكشاف متعددة من حفرة بئر واحدة(Multiple Exploration Wells from a Single Well-bore) :يمكن لحفرة البئر الواحدة حتى تسد أوتغلق عند عمق معين وتحرف البئر لعمل بئر جديدة ، البئر الواحدة يمكن حتى 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 ، وهذه الكيفية تحفظ المعدات وتكون 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 حتى تستخدم طريقة مماثلة على البر حيث يوجد هناك أماكن معيقة لنقل منصة الحفر مثل مناطق الغابات والمستنقعات ، ويتم هنا حفر الآبار بطريقة العنقود.
10- حفر المناطق الرملية المتعددة من حفرة بئر واحدة (Multiple Sands from a Single Well-bore ): وهنا يتم حفر بئر موجهة لتتقاطع مع عدة مكامن مائلة من النفط ، وهذا يسمح بإنجاز البئر باستخدام نظام إنهاء متعدد ، يفترض أن تسمح البئر بإدخال الأهداف عند الزاوية المحددة لضمان الاختراق الأعظمي للمكامن.
11- آبار النجدة (Relief Well): الهدف من حفر بئر النجدة الموجه هواعتراض طريق جوف حفرة البئر التي اندفعت والسماح بقتله، لتعيين واعتراض طريق البئر المندفعة عند عمق محدد يجب حتى تحفر بئر موجهة مخططة بعناية ودقة كبيرة.
12- حفر الآبار الأفقية (Horizontal Wells): إذا انخفاض الإنتاج في الحقل يمكن حتى ينتج عن عدة عوامل ، منها مخاريط الماء والغاز المتشكلة أوالطبقات ذات النفوذية الجيدة فقط في الاتجاه العمودي ، يستطيع عندها المهندسون تخطيط وحفر 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 وتلافي المشاكل التي ستحدث مستقبلاً والتي تسبب اغتال المكمن أواغتال 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- حتىقد يكون المكمن متجانساً نوعاً ما.
3- حتى تكون المنطقة مستقرة تكتونياً ولا تحكمها فوالق أوحواجز جيولوجية.
4- حتى تتوفر معطيات خزنية وجيولوجية دقيقة وكافية عن المكن حتى نستطيع تحديد وع الجذع الموجه بشكل مناسب ودقيق.
5- حتىقد يكون مستوى التقاء النفط بالماء مستقراً.
6- عدم وجود قبعة غازية وبعد المياه عن الجذع الموجه.
7- حتى تبرر الآبار الموجهة كلفتها التي تصل إلى ثلاثة أضعاف مقارنة مع الآبار العمودية ، وتحقق الهدف منها دون التأثير السلبي على المردود العام المأمول من الطبقة وهذا أمر هام جداً بل على العكس يجب حتى تؤدي إلى زيادته.
أسس تحديد مواقع الآبار الموجهة
1- فهم الخصائص الجيولوجية لمنطقة البئر.
2- فهم الوضع التكتوني للبئر.
3- تقدم مستوى التقاء النفط بالماء في المنطقة.
4- الاتصال الهيدروديناميكي في المبتر بشكل عمودي.
5- فهم 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 وأفقي ، 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 . وفيما بعد تقارن هذه الدراسات مع معطيات دراسة أسس وخواص القسم الذي تم اختياره ويتم وضع مؤشرات الجذع الموجه وهي:
- عمق نقطة التمييل على الجذع العمودي (k.o.p).
- مجال الحفر.
- سمت وزاوية ميل الجذع.
- الانزياح الكلي عند نقطة اختراق أعلى الطبقة المنتجة.
ويجب حتى يصل الجذع المائل حتى أعلى الطبقة المنتجة. ويم إغلاق الجذع العمودي عن طريق إجراء جسور إسمنتية حتى نقطة الميلان ومن ثم يباشر بحفر الجذع المائل والموجه للبئر وبد إنهاء الحفر يتم إنزال مواسير التغليف حتى أعلى الطبقة المنتجة ويتم سمنتها وبعدها 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 التصنادىت (الشقوق) التي تبتر المكمن. وتمتد هذه الصدوع عادة موازية لبعضها البعض (وفي أغلب الأحيان رأسيا) من مسقط 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 تبتر الصدوع السائدة في حقل النفط وتسحب محتواها.
وعمليا، فقد حمل العاملون بطريقة الحفر الموجه معدل إنتاج آبارهم بنحوعشرة 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.
تقنيات حديثة
بين عامي 1985 و1993، طورت شركة NCEL (اسمها الآن NFESC) من Pt Hueneme, California developed horizontal drilling technologies. 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.
انظر أيضاً
- Geosteering
- Mud logging
- MWD (Measurement While Drilling)
- LWD (Logging While Drilling)
- الحفر الموجى الأفقي
- Rotary Steerable System
المصادر والهوامش
- ^ "الحفر الموجهة (الآفقي)". مسقط 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
