مختصری از حفاری دوراني يا چرخشي

اسپنيدل تاپ، چاه اكتشافي كه در نزديكي بيومونت تگزاس و در سال 1901 حفر شد، بيشتر بعنوان اولين چاهي محسوب مي‏شود كه با استفاده از روش حفاري دوراني زده شده است. در حقيقت مي‏توان گفت كه در حفر اين چاه از روش حفاري چرخشي كه بمدت پنج سال در آن منطقه استفاده مي‏شد، كمك گرفته شده است. افرادي كه در اسپيندل تاپ كار مي‏كردند، در مورد حفاري دوراني تجاربي داشته‏اند و با استفاده از سيستم گردشي كل حفاري ساخته شده از ذرات خرد شده نوعي سازند نرم غيرقابل ريزش، آشنا بوده‏اند.

در حفر اين چاه، احتمالاً بيشتر گل حفاري مورد نياز در خود چاه توليد مي‏شده. يعني كنده‏هاي نوعي رس معلق به سازند با آبي كه در چاه گردش داده مي‏شده، مخلوط و گل حفاري قابل سيلان را بوجود مي‏آورند. روايت ديگر اين است كه آنها براي تهيه گل گودال‏هايي را در زمين‏هاي اطراف كنده و پر از آب مي‏كردند و سپس گله‏هاي گاو را در آن به عقب و جلو مي‏رانند. البته اين كاملاً محتمل است كه در گودالهاي نزديك چاه، گل مورد استفاده را تهيه مي‏كردند.

تجهيزات مورد نياز براي حفاري دوراني در طول سالها پيشرفت كرده و كامل شده است. اما اساس كار آن ثابت باقي مانده است – اين روش حفاري داراي ويژگي برجسته و مهم است: (1) ساق حفاري دوران داده مي‏شود تا مته دوران پيدا كند و (2) يكي از انواع سيالات حفاري در چاه به گردش در آورده مي‏شود.

يعني اين سيال به درون ساق مته حفاري پمپ شده، از مته گذشته و خارج مي‏شود و از چاه به سطح زمين باز مي‏گردد. سيال حفاري ممكن است مايع يا گاز باشد. از سيال حفاري گاهي به منظور به كار اندازي توربين‏هاي حفاري يا موتورهاي ته چاهي ديگر كه در انتهاي ساق حفاري قرار دارند، بكار مي‏رود. در اين حالت، سيال حفاري به موتور توان مي‏دهد تا مته را بچرخاند، بدون آنكه از ميز دوار استفاده شود.

همانطور كه قبلاً گفتيم در سيستم حفاري دوراني اولاً مته و لوله هر دو مي‏چرخند و ثانياً انرژي از طريق لوله و مته به سنگ وارد و موجب حفر چاه مي‏شود. نيروي حفار چاه تركيبي از انرژي چرخشي و تراست (فشار روي مته). در اين سيستم مته و لوله بطور خودكار نمي‏چرخند. بلكه چرخش آنها ناشي از انرژيي است كه از صفحه دوار (روتاري تيبل) به لوله چند بر و از آن به لوله و مته منتقل مي‏شود. به عبارت ديگر با چرخش صفحه دوار، لوله و مته نيز مي‏چرخند و به همين دليل سيستم مذكور را سيستم چرخشي مي‏گويند. تنشي كه از طريق مته به سنگ وارد مي‏شود، از نوع مماسي بوده و بدين دليل نيز مقاومت برشي سنگها در اين روش حفاري اهميت دارد و سنگها از طريق خراش‏برداري و تراشيدگي بصورت قطعات ريز در مي‏آيند. چنانچه گفته شد انرژي چرخشي از طريق صفحه دوار تأمين مي‏شود و تراست يا بار روي مته توسط لوله‏هاي پشت مته و ارتباط آنها با پايه تيرهاي ستوني در سطح از طريق سيلندر هيدروليكي، كابلها و غيره تأمين مي‏شود.

سرعت حفاري در اين نوع سيستم عمدتاً به نوع مته، نوع سنگ، مقدار انرژي چرخشي و تراست بستگي دارد. همانطور كه در شكل 1-1 مشاهده مي‏شود، قسمتهاي عمده يك ماشين حفاري چرخشي عبارتند از: (1) تاج دكل: كه كابلهاي ماشين از آن عبور داده مي‏شود؛ (2) كابلهاي حفاري: كه ضمن عبور طناب خور لوله‏هاي حفاري را نگه مي‏دارد؛ (3) طناب خور (تراولينگ بلوك): كابلهاي بالابر و پائين‏بر لوله‏ها از آن عبور داده مي‏شود؛ (4) قلاب (هاك): زائده منتهي‏اليه طناب خور كه مانع مي‏شود تا چرخش لوله‏ها به كابل‏ها منتقل شود؛ (5) هرز گرد: باعث اتصال شيلنگ گل حفاري به لوله چند بر شده و مانع انتقال نيروي چرخشي لوله چندبر به لولة قائم و شيلنگ حفاري مي‏شود؛ (6) لوله چند بر: به صفحه دوار مرتبط است و باعث انتقال انرژي چرخشي به لوله‏ها مي‏شود؛ (7) لوله خرطومي يا شيلنگ گل حفاري: از يك سو به لولة قائم و از سوي ديگر به هرز گرد مرتبط است. و گل حفاري موجود در شيلنگ به هرز گرد و پس از عبور از هرز گرد داخل لوله‏ها حفاري مي‏شود؛ (8) لولة قائم عبور دهندة گل: گل حفاري پس از عبور از آن وارد شيلنگ گل حفاري مي‏شود؛ (9) پايه دكل: كه فشارهاي دكل را تحمل مي‏كند؛ (10) مته: در تماس با شيلنگ بوده و انرژي از طريق مته به سنگ منتقل مي‏شود؛ (11) صفحه دوار: باعث چرخش لوله و مته مي‏شود؛ (12) سيستم مركزي كنترل كننده كابل‏ها (دارو وركس): در اين مركز، طول كابلها كم يا زياد مي‏شود؛ (13) موتور: تأمين كننده قدرت انرژي ماشين؛ (14) پمپ گل حفاري: گل حفاري را از مخزن پمپاژ مي‏كند؛ (15) مخزن گل: حدوداً بين 300 تا 700 بشكه گل در آن نگهداري مي‏شود؛ (16) غربال كنندة ذرات حفاري از گل: باعث جدايش ذرات حفاري از گل مي‏شود؛ (17) خط جريال گل: مسير حركت گل در سطح زمين و در نهايت؛ (18) دكل: فشارها و سنگيني لوله‏ها از طريق كابل‏ها به آن منتقل مي‏شود.

قدرت ماشين‏هاي حفاري چرخشي توسط موتورهاي ديزلي و برقي تأمين مي‏شود. براي ماشين‏هاي حفاري متداولترين نوع، موتورهاي ديزلي است. موتور برقي علي‏رغم آنكه بازدهي بهتري دارد. اما در بعضي موارد تهيه موتور برق قوي بر سر چاه آسان نيست. مقدار انرژي توليد شده توسط موتور براي توليد انرژي جنبشي ‏تراست، كشيدن كابلها، عبور سيال حفاري از درون لوله حفاري جهت انتقال خرده‏هاي حفاري از ته چاه و تراز كردن جكها مصرف مي‏شود. هر چند مقدار قدرت مورد نياز هر سيستم حفاري را كارخانه سازنده آن برحسب اسب بخار مشخص مي‏كند و محاسبه اين مقادير بايستي توسط مهندسين حفاري محاسبه گردد.

به هر حال نياز به توضيح بيشتر در اين كتاب در مورد سيستم حفاري چرخشي نيست و هدف اصلي شناخت گل و سيستم چرخشي گل است كه اين مهم كلي فصلهاي بعدي به مرحلةاجراء گذاشته خواهد شد.

1.       مکانیزم چالزنی با روش چرخشی (دورانی ) Rotary Drilling

در ماشینهای حفاری دورانی لوله و مته هر دو می چرخند ثانیا انرژی که از طریق لوله و مته به سنگ وارد و موجب حفر چال می شود ترکیبی است از انرژی چرخشی و تراست (فشار روی مته )در این نوع سیستم مته و لوله به طور خود کار نمی چرخند بلکه چرخش آنها ناشی از انرژی است که از صفحه ی دوار ( rotary tables ) به لوله ی چند بر و از آن به لوله و مته منتقل نمی شود . به عبارت دیگر با چرخش صفحه دوار، لوله و مته نیز می چرخند به همین دلیل به ماشین نام ماشین چرخشی یا دورانی اطلاق می شود.

  تنشی که از طریق مته به سنگ وارد می آید از نوع مماس بوده و بدین جهت نیز مقاومت بر رشی سنگ ها در این روش اهمیت دارند. و سنگ ها از طریق خراش برداری و تراشیدگی به صورت قطعات ریز بین 8/1 تا 1 اینچ در می آیند . چنانچه گفته شد انرژی چرخشی از طریق صفحه ی دوار تامین می شود و تراست یا بار روی مته توسط لوله های پشت مته ، و ارتباط آنها با پایه و تیرهای ستونی در سطح از طریق سیلندر هیدرولیکی ، کابلها و غیره تامین می شود. مقدار تراست یا بار روی مته به نوع سنگ و قطر مته بین 1000 تا 8000 پوند به ازای هراینچ مته متغییر است.

سرعت حفاری در این نوع سیستم عمدتا به نوع مته، نوع سنگ،مقدار انرژی چرخشی و تراست (بار روی مته) بستگی دارد . در طبقات کم مقاومت از نوع مته تیغه ای در سنگ های نیمه سخت از نوع مته ی مخروطی و در سنگ های سخت از نوع دگمه ای استفاده می شود. سیستم حفاری چرخشی (دورانی)معمولا در معادن برای حفر چالهای با قطر 6 الی 17 اینچ (150 تا 431.8 میلی متر ) و عمق بین 30 تا 60 فوت (9 الی 18 متر ) به کار برده می شوندو عمدتا سیستم حفاری شامل منبع قدرت،موتور،لوله حفاری،دکل و پایه می باشد.

سیستم حفاری چرخشی (دورانی) جهت حمل و انتقال یا به روی کامیون سوار می شوند یا دارای چرخ زنجیری اند.انتخاب هر یک از دو حالت فوق به اندازه ی سیستم حفاری ،ومقدار تحرک ماشین حفاری بستگی دارد.

  قسمتهای عمده ی یک ماشین حفاری چرخشی (دورانی) عبارتند از :

1- تاج دکل (crown ) : که کابلهای ماشین از آن عبور داده می شوند.

2- کابلهای حفاری (drilling line ) : که ضمن عبور از تاج ماشین از طریق طناب خور لوله های حفاری را نگه می دارد.

3- طناب خور (traveling block ): کابلهای بالابر و پایین بر لوله ها از آن عبور داده می شود.

4- قلاب (rotary hook ): زائده ی منتهی الیه طناب خور که مانع می شود تا چرخش لوله ها به کابلها منتقل شود.

5- هرزه گرد (swivel ): باعث اتصال شیلنگ گل حفاری با لوله ی چند بر است.

6- لوله چند بر (Kelly ) به صفحه ی دوار مرتبط است و باعث انتقال انرژی چرخشی به لوله ها می شود .

7- شیلنگ گل حفاری (rotary hose ) :از یک سو به لوله ایستایی و از سوی دیگر به هرزه گرد مرتبط است و گل حفاری از طریق شیلنگ به هرزه گرد و پس از عبور از هرزه گرد (swivel ) داخل لوله های حفاری می شود.

8- لوله ی فولادی عبور دهنده گل (stand pipe ) : که به لوله ی ایستایی معروف است و گل حفاری پس از عبور از آن وارد شیلنگ گل حفاری می شود.

9- پایه ی دکل ( substructure ) : که فشارهای دکل را تحمل می کند .

10- مته (Bit ,Rock ) : در تماس با سنگ بوده و انرژی مته به سنگ منتقل می شود.

11- صفحه دوار (rotary tab le ) : باعث چرخش لوله و مته می شود.

12- سیستم مرکزی کنترل کننده کابلها و مرکز تجمع کابلها (drawworks ) : در این مرکز طول کابلها کم یا زیاد می شود.

13- موتور (Engine ): تامین کننده ی قدرت و انرژی ماشین می باشد.

14- پمپ گل حفاری (pump , slash ) : گل حفاری را از مخزن پمپاژ می کند.

15- غربال کننده ذرات حفاری از گل (shale shaker ): باعث جدا یش ذرات حفاری از گل می شود.

16- مخزن گل mudpit : حدودا بین 300 تا 700 بشکه گل در آن نگهداری می شود.

17- خط جریان گل : مسیر حرکت گل در سطح زمین است .

18- دکل (derrick ): فشارها و سنگینی لوله ها از طریق کابلها به آن منتقل می شود.