سیستم گردشی یا دورانی در حفاری Rotating System

در این مقاله همراه با دریلینگ استور باشید تا با سیستم گردشی یا دورانی در حفاری نفت و گاز آشنا شوید. وظیفه سیستم گردشی، دوران رشته حفاری و مته برای حفر یک چاه می­باشد. تجهیزات سیستم دورانی از بالا تا پایین تشکیل شده است از:

1. مفصل گردان (Swivel) یا محرک فوقانی (Top Derive)
2. لوله چهارپر (Kelly)
3. جانشین تبدیل لوله چهارپر (Kelly Saver Sub)
4. میز چرخان (Rotary Table)
5. لوله حفاری (Drill Pipe)
6. بست­های لوله (Tool Joints)
7. غلاف­ها و وزنه­ های حفاری (Drill Collar)
8. مته (Bit)

سیستم گردشی یا دورانی

به مجموعه تجهیزات بین مفصل گردان (Swivel) و مته (Bit)، شامل لوله چهارپر، لوله حفاری و غلاف­های حفاری اما بدون در نظر گرفتن میز چرخان ساقه حفاری (Drill Stem) می­گویند (شکل 1) اگرچه بر طبق نظر API، رشته حفاری یا Drill String همان لوله حفاری یا Drill Pipe می­باشد.

مفصل گردان Swivel

مفصل گردان یا Swivel یک وسیله مکانیکی قابل توجه و جالب است (شکل 2) که به بلوک انتقال توسط یک میله یا دسته بزرگ (Bail) متصل شده است. این وسیله دارای سه کاربرد اصلی می­باشد؛

1. تحمل وزن ساقه حفاری.
2. ایجاد امکان دوران ساقه حفاری
3. یک آب­بندی فشاری محکم و راه گذر برای گل حفاری به درون ساقه حفاری ایجاد می­نماید.

سیال حفاری تحت فشار بسیار زیادی می­باشد که گاهی تا psi 5000 بالا می­رود.

سیال از داخل محفظه شتر گلویی (Goose Neck) که یک لوله ­ی منحنی شکل ضد سایش است توسط شلنگ چرخان (Rotary Hose) وارد مفصل گردان (Swivel) می­شود.

وظیفه شلنگ چرخان ایجاد یک اتصال انعطاف­پذیر بین مفصل گردان و پمپ گل حفاری می­باشد.

محرک فوقانی Top Drive

در تعدادی از چاه­ های نفت بخصوص سکوهای دریائی نفت، از یک نوع مفصل گردان قوی و قدرتمند (Powered Swivel) که به آن محرک فوقانی یا Top Drive گفته می­شود، (شکل 3) به جای مفصل گردان قراردادی استفاده می­کنند.

محرک فوقانی از قلاب بلوک انتقال به جای مفصل گردان قراردادی یا Conventional Swivel آویزان می­شود. تاپ درایو به دو ریل عمودی که به دکل متصل می­باشد به گونه­ای درگیر بوده که فقط امکان حرکت عمودی به سمت بالا و پایین را دارد. این ریل­ها تاپ درایو را از چرخیدن محافظت می­نمایند. یک موتور با کارآیی بالا در محرک فوقانی یا Top Drive یک شفت محرک رزوه شده را می­چرخاند. هنگام استفاده از سیستم تاپ درایو نیازی به استفاده از لوله­ های چهارپر، میز چرخان (Rotary Table)، بوش میل چهارپر (Master Bushing) و بوش محرک میل چهارپر (Kelly Drive Bushing) نمی­باشد. محرک فوقانی انتقال و جابجایی لوله را برای خدمه و کارکنان ایمن­تر و راحت­تر می­سازد. در یک سیستم عادی کارگر تنها می­تواند یک اتصال یا یک شاخه از لوله­ی حفاری را در هر بار هنگام عمیق­تر شدن چاه، اضافه نماید، زیرا لوله چهارپر همیشه باید در تماس با بوش محرک میل چهارپر باشد. در یک سیستم محرک فوقانی، کارگر می­تواند سه اتصال لوله را در یکزمان اضافه نماید زیرا محرک فوقانی دارای منبع قدرت مربوط به خود می­باشد. یک واحد محرک فوقانی همچنین به هم بستن (Screwing) و از هم جدا کردن (Unscrewing) لوله را ایمن­تر می­سازد. کارگر (Crew) واحد تاپ درایو، انبر (Tong)، را برای سرهم­بندی و جداسازی لوله از رشته بطور مستقیم بکاری می­برد که در این روش زنجیرها و کابل­ها از طرف وینچ اصلی کشیده نمی­شود.

لوله چهارپر Kelly

لوله چهارپر (Kelly) به عنوان یک راه گذر و گذرگاه برای سیال حفاری در مسیر خود به داخل چاه عمل می­کند و همچنین حرکت دورانی و چرخشی را به لوله حفاری و مته منتقل می­کند. لوله چهارپر یک قطعه لوله­ای چهار و یا شش وجهی می­باشد. لوله چهارپر گرد و مدور نیست چون وجوه صاف و تخت آن به کلی اجازه می­دهد تا در هنگامی که حفاران آن را از شکاف و منفذ چهار یا شش وجهی روی بوش محرک میل چهارپر (Kelly Drive Bushing) پایین می­فرستند از منفذ به راحتی عبور نماید. (شکل 4) بوش محرک کلی (Kelly Drive Bushing) در داخل یک بوش اصلی یا (Master Bushing) محکم می­شود طوری که هنگام چرخش در داخل میز چرخان (Rotary Table) چفت می­باشد (شکل 5). همچنان که میز چرخان می­گردد، بوش اصلی (Master Bushing) و بوش محرک کلی (Kelly Drive Bushing) هم می­گردند که این باعث دوران کردن کلی (Kelly) می­شود. لوله­ی حفاری که به انتهای کلی متصل می­گردد هم می­چرخد. یک کلی طبق استاندارد API، دارای 40 فوت (2/12 m) درازا می­باشد. استانداردهای API همچنین طول انتخابی 54 فوتی (5/16 متری) کلی را مجاز شمرده است. از آنجایی که کلی استاندارد API، 40 فوت می­باشد، اکثر کلی­ها این اندازه می­باشند. کلی بلندتر با رنج 3 لوله­ های حفاری، که دارای 43 فوت یا 13 متر طول می­باشند و روی چاه ­های نفت شناور استفاده می­گردد.

شیرهای اطمینان لوله چهارپر Kelly Cocks

شیر اطمینان فوقانی لوله چهارپر Upper Kelly Cock

جهت اطمینان از عدم افزایش ناگهانی فشار چاه از طرف داخل رشته حفاری، درست در بالای لوله چهارپر بسته می­شود. این شیر دارای یک آچار مخصوص است که باید همیشه در سکو و در یک مکان مشخص قرار داشته باشد. (شکل 6)

شیر اطمینان پایینی لوله چهارپر Lower Kelly Cock

این شیر معمولاً در انتهای تحتانی لوله چهارپر و تبدیل محافظ لوله چهارپر (Kelly Saver Sub) نصب می­شود. وظیفه این شیر هم همان جلوگیری از افزایش ناگهانی فشار چاه می­باشد و از آنجائیکه شیر فوقانی همیشه در دسترس نیست، این شیر باید حتماً در محل خود نصب گردد. (شکل 7)

تبدیل محافظ کلی The Kelly Saver Sub

قطعه ایست که بین شیر اطمینان تحتانی لوله چهارپر و لوله حفاری قرار دارد و انتهای آن به بالای هر شاخه از لوله حفاری که به ساقه اضافه می­گردد متصل است. وظیفه آن جلوگیری از سایش رزوه­ های شیر اطمینان تحتانی لوله چهارپر است چون قطعه تبدیل (Sub) ارزان­تر از شیر تحتانی است (شکل 8).

میز گردان The Rotary Table

در حقیقت حفاری دورانی نام خود را از میز گردان گرفته است. (شکل 9) یک زنجیر از Compound یا از یک موتور الکتریکی به میز گردان نیروی چرخشی می­دهد.

بوش اصلی میل چهارپر (Master Bushing) در میز گردان محکم و چفت می­شود و بوش کلی (Kelly Bushing) را می­گرداند. (شکل 9) میز چرخان همچنین به لوله­گیر (Slip) امکان انجام وظیفه می­دهد اسلیپ یا لوله­گیر، یک وسیله چند تکه مخروطی است که این تکه ­ها محکم کنار هم ردیف شده­اند و لوله را به صورت معلق در چاه نگه می­دارد (شکل 10).

رشته حفاری Drill String

رشته حفاری از لوله حفاری و لوله­ های مخصوص با دیواره ضخیم با نام غلاف­های حفاری (Drill Collars) یا وزنه­ های حفاری تشکیل شده است (شکل 11).

لوله حفاری Drill Pipe

لوله حفاری (شکل 12) از جنس فولاد یا آلومینیوم می­باشد که برای انتقال نیروی چرخشی و سیال حفاری به مته استفاده می­شود. یک شاخه از لوله حفاری بدون بست­های لوله (Tool Joints) می­تواند از 18 تا 45 فوت (5.5 تا 7.13 متر) طول داشته باشد. طول­های رنج 1 که همگی کنار گذاشته شده­اند از 18 الی 22 فوت (5/5 تا 7/6 متر) تغییر می­کند. رنج 2 از 27 تا 30 فوت (2/8 تا 1/9 متر) و رنج 3 از 48 تا 45 فوت (6/11 تا 7/13 متر) تغییر می­کند.

اتصال لوله Tool Joints

به سرهای رزوه شده لوله حفاری، بست­های لوله (Tool Joints) گفته می­شود و این بست­ها قسمت­های جدایی هستند که یک سر آن به بدنه لوله حفاری جوش می­شود و انتهای دیگر رزوه می­شود. اگر انتهای بست لوله بصورت خارجی رزوه شده باشد به آن Pin و اگر بطور داخلی رزوه شده باشد به آن Box می­گویند. هنگامی که لوله­ ها به هم متصل می­شوند Pin داخل Box فرو می­رود و اتصال محکم می­شود (شکل 13).

وزنه ها یا غلاف­ های حفاری Drill Collars

وزنه یا غلاف­های حفاری لوله­ های فولادی هستند که گل حفاری را از وسط آن­ها می­توان پمپ کرد (شکل 14). آن­ها از لوله­ های حفاری سنگین­تر و دارای دیواره­ی ضخیم­تری می­باشند و در انتها رشته حفاری جهت قرار دادن وزن روی مته استفاده می­شوند. این وزن مته را به طرف پایین فشار داده و باعث حفاری می­گردد. همچنین وزنه­ ها و غلاف­های حفاری وزن و سنگینی لازم را برای حفظ رشته حفاری نسبتاً قابل انعطاف از خم شدن و تاشدگی، تأمین می­کند.

نیروی وزن غلاف­های حفاری به همراه نیروی ناشی از جاذیه زمین باعث می­شوند که مته، چاه را مستقیم حفر نماید.

بعلاوه آن­ها کمک می­کنند تا مته چاه جدید را در امتداد چاهی که قبلاً حفر شده است حفر کند.

طول غلاف­های حفاری 30 تا 31 فوت (9 تا 2/9) می­باشد و برخلاف لوله حفاری که دارای بست لوله جوش داده شده هستند، دارای Pinها و Boxهایی روی هر انتهای خود غلاف می­باشند. (شکل 14) وزن آنها از ۱۶ الی ۳۷۹ پوند در هر فوت یا در حدود ۲۴ الی ۵۶۴ کیلوگرم در متر تغییر می­کند.

مته ­ها Bits

مته به انتهای رشته حفاری متصل می­گردد و برای بریدن یا کندن ساختار درونی زمین مورد استفاده قرار می­گیرد. اندازه قطر مته­ ها از 8/7 -۲ اینچ (03/75 میلیمتر) تا ۳۶ اینچ (4/914 میلیمتر) متغیر می­باشد. معمولاً دو نوع مته برای حفاری استفاده می­گردند: نوع مخروطی دوار (Roller Cone) و برنده ثابت (Fixed Cutter) که نوع دوم گران­تر ولی سریع­تر از مته ­های مخروطی دوار، حفاری می­کند.

مته ­های مخروطی دوار Roller Cone Bits

مته ­های مخروطی دوار یا سخت (Rock) دارای مخروط­های فولادی هستند که در هنگام چرخیدن مته در ساختار زمین درگیر شده و در آن می­چرخند. اکثر مته ­های مخروطی دوار دارای سه مخروط می­باشند اما مته­ های دو یا چهار مخروطی نیز وجود دارند.

به منظور حفاری در ساختار زمین، تولیدکنندگان مته، دندانه­ هایی روی مخروط می­تراشند و یا قطعات برنده و سخت (Cutting Segment) از جنس تنگستن کار باید به مخروط متصل می­کنند (شکل 15).

مته­های از جنس تنگستن کاربید دارای قیمت بیشتری از مته­های دندانه فولادی می­باشند اما عملکرد خوب و بهتر آنها می­تواند قیمت بالایشان را جبران نماید. تمام مته­های مخروطی دوار دارای راه گذر يا نازل­هایی هستند که در وسط آنها برای خروج سیال حفاری ایجاد شده است. این نازل­ها یک جریان سریع یا جت سیال حفاری را به اطراف و انتهای هر مخروط هدایت می­کند و باعث خارج شدن و بیرون رفتن براده­ها و ذرات کنده شده می­شود. (شکل 16) به همین دلیل به این نوع مته، مته جت (Jet Bit) نیز می­گویند.

مته ­های دارای برنده ثابت Fixed Cutter Bits

مته ­های الماسه (Diamond Bits) دندانه یا مخروط ندارند. بلکه در اطراف و انتهای سطوح آنها الماس­های صنعتی نصب شده است. (شکل 17) از آنجایی که الماس­ها بسیار سخت هستند، مته ­های الماسه به طور خاص برای حفاری­های سخت و ساختارهای دارای سنگ­های سایا مناسب هستند اما می­توانند به طور مفید و مؤثر در ساختارهای نرم نیز بکار برده شوند.

مته­ های فشرده الماس پلی کریستالين Poly Crystalline Diamond Compact Bits

مته الماس پلی کریستالین فشرده (PDC) به صورت برنده­ های الماس مصنوعی یا فشرده تولید می­شود. برنده ­های PDC را در برجستگی­ها یا تیغه­ های روی مته نصب می­کنند. (شکل 18) قطعات الماس ساختار زمین را آنقدر خراش می­دهد تا در نهایت کنده و تراشیده شود.

در این روش اعمال وزن کمتری روی مته جهت تأمین حفاری مؤثر و کارآمد مورد نیاز می­باشد. این نوع مته ­ها مناسب­ترین نوع برای حفاری در سنگ رس، خاک رس و سنگ ماسه­ای می­باشند.

قطر چاهHole Diameter

حفر کردن یک چاه از سطح زمین تا عمق نهائی مورد نظر در یک مرحله امکان­پذیر نمی­باشد. بنابراین حفاری در ابتداء با یک مته با قطر بزرگ شروع شده و چاهی با عمق کافی حفر می­شود. این عمق به میزانی است که از لایه­ های حاوی سنگ­های سست و گل و لای و خاک که می­توانند به داخل چاه بریزند و ایجاد مشکل نمایند، عبور نماید. در این مرحله همچنین از سطوحی که حاوی آب­های سطحی نیز هستند، عبور می­شود زیرا باید از این سفره­ ها به طور صحیح حفاظت شود تا سیال و گل حفاری آنها را آلوده نسازد. این قطعه از چاه که اولین قطعه آن است با لوله­ های جداری و سیمان کاری جداره­ گذاری می­شود و دیواره چاه صاف و یکدست می­گردد. البته قطر چاه را نیز کاهش می­دهد. عمق این مرحله به نحوه قرار گیری لایه­ های زمین و سفره­ های آب زیرزمینی و استحکام لايه ­ها بستگی دارد. در چاه ­های با عمق بیش از ۳۰۰۰ فوت (۱۰۰۰ متر) عمق خاص دیگری نیز به عنوان مرحله دوم حفاری شده و بعد جداره گذاری می­شود. در مرحله سوم نیز تا عمق نهائی حفاری صورت گرفته و چاه جداره گذاری می­شود. بنابراین در هر مرحله از قطر چاه کاسته می­شود که این کاهش، کاهش قطر مته را بدنبال دارد.