آشنایی با اجزاء رشته حفاری

استرینگ حفاری بخش مهمی از تجهیزات حفاری می‌باشد که در مرحله حفاری ما بین ریگ و مته حفاری قرار می‌گیرد و یک سری تجهیزات مکانیکی متصل به هم از قبیل لوله‌های وزنی، پایدارکنندها، اتصالات و… بوده که حرکت دورانی را از میز دوار (درایور) واقع در سطح به مته حفاری منتقل می‌نماید. در مقاله آشنایی با اجزاء رشته حفاری با دریلینگ استور همراه باشید.

(شکل 1) استرینگ حفاری اهداف مختلفی را دنبال می‌کند که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• ایجاد یک جریان گل حفاری از ریگ به مته حفاری با حداقل افت فشار، بدین منظور دو شیر بر روی استرینگ حفاری تعبیه شده است.
• انتقال انرژی از سطح حفاری به مته
• اعمال نیروی فشاری بر روی مته به منظور پیشروی مته درون سازند
• راهنمایی و کنترل هدف مته
• بالا و پایین آوردن مته و کلیه تجهیزات جانبی دیگر در چاه علاوه بر موارد فوق‌الذکر استرینگ حفاری ممکن است برخی از اهداف زیر را با توجه به نیاز و شرایط خاص حاکم بر چاه به ثمر برساند:
• پشتیبانی کردن تجهیزات در انتهای چاه جهت حداقل نمودن ارتعاشات و پرش‌های مته
• تست نمودن فشار و گل سازند در سرتاسر استرینگ حفاری

بطور معمول تجهیزات بکار رفته در استرینگ حفاری را از فولادهای 4145 AISI عملیات حرارتی شده می‌سازنده و تمام مراحل ساخت مطابق با استاندارد API صورت می‌گیرد.

شکل 1 – نمایی از استرینگ حفاری

تجهیزات استرینگ حفاری

اجزای استرینگ حفاری با توجه به کارکرد آن متفاوت می‌باشد. شكل ۲ یک نمونه از آن را نشان می‌دهد که همه اتصالات از هرزه‌گرد تا بخش بالای میل چهار پر در قسمت چپ تصویر و از بخش پایینی میله چهار پر تا مته در قسمت راست تصویر مشخص شده است.

شکل 2 – اجزای استرینگ حفاری

شایان ذکر است که استرینگ حفاری با استفاده از هرزه‌گرد به هوک متصل شده است و حرکت چرخشی درایور بوسیله میله چهارپر به آن انتقال می‌یابد و از دو بخش عمده ذیل تشکیل یافته است:

• لوله‌های حفاری که خود از لوله‌های متداول حفاری، لوله‌های سنگین و گاهگاهی یک برقو تشکیل شده است.
• تجهیزات درون چاهی “BHA”

تجهیزات “BHA” با توجه به نوع حفاری مشتمل بر قسمت‌های زیر می‌باشند:

• لوله‌های وزنی در انواع و سایزهای متفاوت
• پایدارکننده‌ها
• جار
• دیوار تراش (برقو) غلتشی
• اتصالات شوک
• مته و اتصالات مته
• کاهنده‌ها
• میله کوتاه
• چال تراش

و…

لوله‌های وزنی

یکی از مهم‌ترین بخش‌های هر استرینگ حفاری را لوله‌های وزنی تشکیل می‌دهد. این قطعه به طور معمول بلافاصله بعد از اتصالات مته، به آن متصل می‌شود و کار اصلی آن ایجاد نیروی فشاری از طريق وزن خود بر روی مته است تا مته بتواند در داخل طبقات سازند به راحتی حرکت کند. از اهداف دیگر آن موارد ذیل می باشد:

• ایجاد مقاومت لازم در هنگام اعمال فشار بر روی مته
• بهبود شرایط پایداری مته مانند مینیمم نمودن ارتعاشات و پرش‌ها و…
• مینیمم نمودن مشکلات کنترل مستقیم با ایجاد سفتی مورد نیاز در “BHA”

انتخاب مناسب لوله‌های وزنی و “BHA” از بسیاری مشکلات موجود در حفاری جلوگیری می‌نماید. لوله‌های حفاری در سایزها و شکل‌های گوناگون وجود دارند ولی پارامترهای مهم کاری آنها عبارتند از:

• قطر حفاری
• حداقل افت فشار
• راه‌اندازی و انتقال آسان
• استحکام در برابر کما نش
• صلبیت

شکل و اندازه لوله‌های وزنی

مقطع این لوله‌ها به صورت شکل‌های مختلفی مانند مدور، مربعی، مثلثی و شیارهای مارپیچ بوده که معروف‌ترین و پرکاربردترین آنها، شکل مقطع مدور و شیارهای مارپیچی می‌باشد.

لوله‌های وزنی شیار مارپیچی مساحت سطح تماس ما بین لوله وزنی شیار مارپیچی مساحت سطح تماس ما بین لوله وزنی و حفره چاه را کاهش می دهد (شکل 3). این لوله‌های وزنی که شیارهای عریض ولی کم عمق دارند مساحت تماس را 40% الی 50% و وزن را نیز 7% الی 10% کاهش می‌دهند که در نتیجه بدلیل کاهش سطح تماس، فشار نفوذ نیز کاهش می‌یابد.

شکل 3- لوله‌های وزنی با شیارهای مارپیچی

بهینه‌سازی لوله‌های وزنی بزرگ تاکنون چندین بار صورت گرفته است و ماکزیمم قطر لوله وزنی موجود در حدود ۱۰-۸ اینچ است. در حالی‌که در سال‌های گذشته این مقدار _2/1 7 – _4/3 6 اینچ بوده است. استفاده از لوله‌های وزنی بزرگ مزایای ذیل را به همراه دارد:

• لوله وزنی کمتری برای وزن مورد درخواست جهت اعمال نیرو بر روی مته نیاز می‌باشد.
• اتصالات کمتری در لوله‌های وزنی بکار می‌رود.
• در هنگام تریپ کردن سیستم، زمان باز و بسته کردن لوله‌های حفاری کاهش می‌یاید.
• بدلیل نزدیکی قطر لوله حفاری به قطر چاه امکان شکست اتصالات کاهش می‌یابد.
• چاه مستقیم‌تری حفاری می‌گردد.

برای داشتن لوله حفاری سنگین بایستی که قطر داخلی کوچک انتخاب شود. با این وجود قطر داخلی متناسب با پارامترهای ذیل تعیین می‌گردد:

• اندازه تجهیزاتی که به منظور انجام انواع تست‌ها و اندازه گیری‌ها درون لوله‌های وزنی قرار می‌گیرند.
• میزان افت فشار قابل قبول در جریان گل حفاری

قطر داخلی لوله‌های وزنی را متناسب با قطر خارجی آنها عددی ما بین ۲ تا ۳ اینچ در نظر می‌گیرند. قطر خارجی لوله حفاری بین یک مقدار مینیمم و یک مقدار ماکزیمم تعیین می‌گردد.

مقدار قطر مینیمم به طور مستقیم به صلبیت لوله‌های وزنی و مقدار قطر ماکزیمم به قطر حفاری بستگی دارد. جدول ۱ انتخاب لوله وزنی را مطابق با قطر حفاری (به واحد اینچ) و جدول ۲ وزن لوله وزنی را نشان می‌دهند.

جدول 1- قطر لوله وزنی متناسب با قطر حفاری

Drill Collar inside diameter	Drill Collar Outside diameter	Drilling diameter
3 213/16 21 3/16 2 ¼	91/2 7 3/4  to 8 6 3/4 4 ¾	24 to 12 1/4 9 7/8 8 3/4  to 81/2 6 ¾ to 6

جدول 2- وزن لوله‌های وزنی

Unit Weight (30ft)(kg)	Weight/ m (kg/m)	Drill Collars
4276 2955 2040 1896 1370 636	467.6 323.2 223.1 207.4 149.8 69.6	11 1/4  ×3 9 ½ ×3 8×2 13/16 7 ¾ × 2 13/16 6 ¾ × 2 13/16 4 ¾ × 2 ¼

شکل ۴- فرآیند ساخت لوله وزنی با شیارهای مارپیچی

هنگام استفاده از لوله‌های وزنی قطور بایستی طراحی دقیق “BHA” متناسب با لوله‌های حفاری صورت پذیرد. بدلیل اختلاف سفتی ما بین لوله‌های حفاری و لوله‌های وزنی ممکن است لوله‌های حفاری دچار شکست شوند. لذا برای جلوگیری از این امر بایستی اختلاف سفتی را تا آنجا که امکان دارد با استفاده از لوله‌های وزنی کوچکتر در بالای “BHA” و یا استفاده از لوله‌های حفاری سنگین در بالای لوله‌های وزنی به حداقل رساند.

جنس و مراحل ساخت لوله‌های وزنی

لوله‌های وزنی را به طور عموم از ماشینکاری فولاد 4165H(U.S) یا 42CD4 (NF) بدست می‌آورند. این فولادها معمولاً از آلیاژهای کروم-مولیبدنیوم بوده که بطور کامل خواص مکانیکی را بعد از تمپر و کویئچ شدن دارا می‌باشند و سختی آنها نیز متناسب با نحوه ماشین‌کاری حفظ می‌گردد. فرآیند ساخت در شکل ۴ و خواص مکانیکی متناسب با قطر در جدول ۳ آمده است.

جدول 3- خواص میکانیکی لوله‌های وزنی

Min. Charpy Impact Value Ft. Ib.	Brinnel Hardness (Min)	Elongation (min) with Gage Length 4 times Diamenter	Tensile Strength (Min) (Psi) (N/mm2)	Yield Strength (Min) (Psi) (N/mm2)	Drill Collar O.D. Range (Inches)
40	285	13%	1400000/965	110000/758	3  1/8” thru 6  7/8”
40	277	13%	135000/931	100000/689	7 “ thru 10”

برای ایجاد سوراخ درون لوله‌های وزنی با استفاده از دو ابزار برش از دو انتها به سمت وسط لوله وزنی، سوراخ را ایجاد می‌نمایند. در حفاری چاه‌های جهت‌دار از لوله‌های وزنی غیر مغناطیسی استفاده می‌شود، زیرا که ابزارآلات اندازه‌گیری “Azimuth” تنها در استرینگ حفاری عمل می‌کنند که لوله‌های وزنی آن بر روی میدان‌های مغناطیسی دستگاه‌های اندازه‌گیری تأثیری نگذارد. این لوله‌های وزنی از آلیاژهای مونل K (ترکیبی بیش از ۶۰% نیکل) ساخته می‌شوند اما قیمت این فلز بسیار گران می‌باشد لذا این فلز را با آلیاژ استانیک آهن کروم- منگنز جایگزین می‌کنند.

پایدار کننده‌ها

به منظور افزایش پایداری و بهینه نمودن عملکرد در استرینگ حفاری از پایدار کننده‌ها استفاده می‌شود. و اهداف ذیل را دنبال می‌کند:

• هم مرکز کردن استرینگ حفاری به منظور افزایش بازده مکانیکی
• کاهش ضربه‌های وارده بر استرینگ حفاری
• کنترل حرکت مته
• کنترل راستای چاه

استفاده از پایدار کننده‌ها در چاه‌های جهت‌دار، موتورهای درون چاهی و حفاری با مته سنگبر سه کاجه و چکش‌های کوبشی درون چاهی از اهمیت بالایی برخوردار است.

ترتیب قرار گرفتن پایدار کننده‌ها در استرینگ حفاری با توجه به هدف مورد نیاز متفاوت می‌باشد. دو ترتیب مهم پایدار کننده‌ها به صورت پاندلی و تجهیزات درون چاهی انباشته می‌باشد.

در نوع پاندلی (شکل ۵-الف) از وزن لوله‌های وزنی به عنوان عمل کننده بر روی پایداری محور در جهت دادن به مته استفاده می‌شود در حالی‌که در ترتیب انباشته درون چاهی عمل عکس آن با قرار دادن تعداد معینی پایدار کننده در فواصل مشخص از هم صورت می‌گیرد. (شکل ۵- ب)

شکل 5- نمایی از انواه پایدارکننده‌ها

پایدار کننده‌ها را به سه دسته تیغه چرخشی و تیغه غیرچرخشی و همراه برقو مطابق با شکل ۶ تقسیم می‌کنند و نوع تیغه چرخشی به دو نوع تیغه مارپیچی و تیغه مستقیم تقسیم می‌شود که هر کدام دو نوع تیغه کوتاه و تیغه بلند می‌باشد. شکل ۷ چند نمونه پایدار کننده را نمایش می‌دهد.

بدنه و تیغه‌ها را از آلیاژ فولاد AISI 4145H یا سختی در حدود ۲۸۵ – ۳۴۵ برینل می‌سازند و تیغه‌های مارپیچی راست گرد را بعد از پیش گرم کردن به بدنه جوش می‌دهند. تمام تیغه‌ها با تنگستن کاربیدهای از قبیل (HF1000) TECNOWIRE سخت‌‎کاری سطحی شده‌اند.

شکل 6- انواع پایدار کننده‌ها بر اساس شکل ظاهری

شکل 7- پایدار کننده با تیغه مستقیم و تیغه مارپیچ

چال تراش

به منظور حفر چاه با قطر زیاد و با افزایش قطر یک چاه موجود از چال تراش در استرینگ حفاری استفاده می‌کنند. این ابزار معمولاً بعد از اتصالات مته به آن متصل می‌گردد. و پایدار کننده‌هایی را در بالا و یا پایین آن در حفاری‌های عمودی قرار می‌دهند. قطر این ابزار در حدود ۶ الی ۷۲ اینچ است.

چال تراش را متناسب با نوع سازند حفاری از نوع دندانه فولادی با یاتاقان‌های آب‌بند شده و یا نوع کاتر اینزرتی تنگستن کاربید می‌سازند. نازل‌های در زیر شانه کاتر به منظور جریان یافتن گل حفاری تعبیه شده است.

چال تراش را متناسب با قطر چاه و نوع سازند حفاری به سه دسته زیر تقسیم می‌کنند:

• سه مخروطی (شکل ۸)
• چهار مخروطی (شکل ۹)
• پنج مخروطی (شکل 10)

شکل 8- چال تراش سه مخلوطی

شکل 9- چال تراش چهار مخروطی

شکل 10- چال تراش پنج مخروطی

مشخصات فنی چال تراش عبارتند از:

• اندازه چاه راهنما
• اندازه چال تراش
• نوع سازند
• نوع اتصالات بالا و پایین

شکل ۱۱ محل قرارگیری چال تراش را در استرینگ حفاری نشان می‌دهد.

شکل ۱۱- محل قرارگیری چال تراش را در استرینگ حفاری

دیوار تراش (برقو) غلتکی

قطر چاه در برخی مواقع در اثر ریزش دیواره چاه یا انبساط و متورم شدن لایه‌ها، باریکتر از اندازه اولیه می‌شود. بدین منظور از دیوار تراش غلتکی استفاده می‌شود تا محل‌های باریک و تنگ شده چاه را دوباره به حالت اولیه برگرداند. (شکل ۱۲)

شکل 12- دیوار تراش غلتکی

جدول 4- قطعات تشکیل دهنده دیوار تراش دورانی

دیوار تراش بر دو نوع سه تراشنده و شش تراشنده تقسیم می‌شود که هر کدام از آنها دارای چندین قطعه مختلف می‌باشد. در جدول ۴ تعداد قطعه‌ها و جنس آنها برای هر نوع دیوار تراش بیان شده است.

کاتر دیوار تراش با توجه به نوع سازند حفاری بر سه نوع نرم، متوسط و سخت (شكل ۱۳) موجود است.

تأمین راستای چاه در دیوار تراش از اهمیت بالایی برخوردار است، بدین منظور در بالای دیوار تراش پایدار کننده‌های سنگینی قرار می‌دهند تا اندازه قطر چاه و پایداری استرینگ حفاری تأمین شود بدنه تجهیزات دیوار تراش از طریق سه کلاس متفاوت به استرینگ حفاری متصل می‌شود.

• اتصال بین مادگی بالا و پایین
• اتصال بین مادگی بالا و نری پایین
• اتصال بین مادگی یا نری بالا با مادگی پایین

بدنه را به طور معمول از فولاد (M) AISI 4145H و کاتر دیوار تراش را از فولاد آلیاژی نیکل کروم- مولیبدنیوم AISI 8620/EN36c می‌سازند البته این الیاژ را کربن‌دهی کرده و سختی آنرا به 58-62RC می‌رسانند.

اطلاعات شناسایی دیوار تراش عبارتند از:

• دیوار تراش سه یا شش تراشنده

شکل 13- انواع کاتر دیوارتراش متناسب با نوع سازند

• موقعیت دیوار تراش در استرینگ حفاری
• قطر چاه
• قطر خارجی لوله حفاری
• نوع برش
• اندازه و نوع اتصالات بالا و پایین

ساب‌های چرخشی (کاهنده)

این قطعه به منظور اتصال قطعات مختلف استرینگ حفاری بکار می‌رود. علاوه بر اتصال دو کاربرد مهم دیگری نیز دارد:

• به عنوان کاهنده سطح مقطع ما بین دو قطعه مختلف متصل به هم
• در معرض سایش قرار گرفتن تا مابقی قطعات استرینگ حفاری که گرانتر می‌باشند کمتر تخریب شوند.

در ساخت ساب‌ها از فولاد آلیاژی AISI 4145 استفاده می‌شود و سپس با لایه‌‌ای از فسفید روکش داده می‌شوند. اتصالات ساب‌ها دارای انواع مادگی به مادگی، نری به مادگی و یا نری به نری می‌باشد و سه نوع ساب چرخشی موجود است که در ادامه توضیح داده می‌شوند:

الف) ساب با قطر بیرونی مستقیم: به منظور اتصال اجزای استرینگ حفاری (مته حفاری و تجهیزات درون چاهی و…) بکار می‌رود و قطر خارجی آن هم اندازه استرینگ است. (شکل ۱۴)

ب) ساب با سطح مقطع کاهش یافته: برای اتصال اجزای استرینگ حفاری که قطرهای متفاوتی دارند بکار می‌رود. این اتصالات در ابزارآلات کاهنده حفاری که قطر خارجی آنها زیاد است و یا در یک رشته لوله‌های وزنی باریک شونده بکار می‌روند. (شکل ۱۵)

چ) “Saver Sub“: این قطعه به میل چهار پر به صورت یک اتصال پوششی متصل می‌شود تا بدین وسیله طول عمر میل چهار پر را افزایش می‌دهد. این قطعه را می‌توان براحتی تعمیر نمود و با هزینه کم آنرا جایگزین کرد. برای این کار بایستی ساب را به پایین میل چهار پر متصل نمود. (شکل ۱۶)

شکل 14- ساب با قطر بیرونی مستقیم

شکل 15- ساب با سطح مقطع کاهش یافته

شکل 16- “Saver Sub”

میله کوتاه

میله کوتاه قطعه مهمی در استرینگ حفاری می‌باشد که در حفاری‌های ویژه و یا در تست بکار می‌رود. این میله کوتاه در بالای سر لوله مادگی استرینگ حفاری در یک فاصله مخصوص از ریگ قرار می‌گیرد و از ماشین‌کاری یک‌پارچه آلیاژ کروم مولیبدنیوم AISI 4135H که متناسب با خواص لوله‌های وزنی عملیات حرارتی شده است بدست می‌آید. میله کوتاه یا قطعات اتصالی قطر کمتر از _8/7 6 اینچ دارای حداقل استحکام تسليم 110000psi و با قطعات اتصالی با قطر _8/7 6 اینچ و بالاتر از آن حداقل استحکام تسلیم 100000psi را دارد. شکل ۱۷ میله کوتاه را نمایش می‌دهد.

شکل 17- نمایی از میله کوتاه

پارامترهای شناسایی میله کوتاه عبارتند از:

• اندازه نامی
• قطر سوراخ
• اندازه و نوع اتصال
• مخروط با زاویه ۱۸ درجه یا دندانه مربعی
• محافظ دندانه فولادی ریخته گری شده یا پرس شده