الحفر الاتجاهي

الحفر الاتجاهي (أو الحفر المائل ) هو ممارسة حفر آبار غير عمودية . ويمكن تقسيمه إلى أربع مجموعات رئيسية: الحفر الاتجاهي لحقول النفط ، والحفر الاتجاهي لمنشآت المرافق، والحفر الاتجاهي (الحفر الاتجاهي الأفقي - HDD)، والحفر السطحي في اللحام (SIS)، والذي يتقاطع أفقيًا مع هدف الحفر العمودي لاستخراج غاز الميثان من طبقات الفحم .

لقد مكن العديد من المتطلبات الأساسية هذه المجموعة من التقنيات من أن تصبح منتجة. ربما كان المتطلب الأول هو إدراك أن آبار النفط أو آبار المياه لا تحتاج بالضرورة إلى أن تكون عمودية. كان هذا الإدراك بطيئًا جدًا، ولم يلفت انتباه صناعة النفط حقًا حتى أواخر عشرينيات القرن العشرين عندما كانت هناك العديد من الدعاوى القضائية التي تزعم أن الآبار المحفورة من منصة على أحد العقارات قد عبرت الحدود واخترقت خزانًا على عقار مجاور. ^{[ بحاجة لمصدر ]} في البداية، تم قبول الأدلة بالوكالة مثل تغييرات الإنتاج في آبار أخرى، لكن مثل هذه الحالات غذت تطوير أدوات ذات قطر صغير قادرة على مسح الآبار أثناء الحفر. تتطور منصات الحفر الاتجاهية الأفقية نحو نطاق واسع، والتصغير الدقيق، والأتمتة الميكانيكية، والعمل في الطبقات الصلبة، والحفر الموجه للطول والعمق. ^[1]

إن قياس ميل البئر (انحرافه عن العمودي) بسيط نسبيًا، ولا يتطلب سوى البندول. ومع ذلك، كان قياس السمت (الاتجاه بالنسبة للشبكة الجغرافية التي يعمل فيها البئر من العمودي) أكثر صعوبة. في ظروف معينة، يمكن استخدام المجالات المغناطيسية، ولكنها ستتأثر بالأعمال المعدنية المستخدمة داخل الآبار، وكذلك الأعمال المعدنية المستخدمة في معدات الحفر. كان التقدم التالي في تعديل البوصلات الجيروسكوبية الصغيرة بواسطة شركة Sperry Corporation ، التي كانت تصنع بوصلات مماثلة للملاحة الجوية. فعلت Sperry هذا بموجب عقد مع شركة Sun Oil (التي كانت متورطة في دعوى قضائية كما هو موضح أعلاه)، وتم تشكيل شركة فرعية " Sperry Sun "، والتي لا تزال العلامة التجارية موجودة حتى يومنا هذا، ^{[ متى؟ ] [ بحاجة لتوضيح ]} تم استيعابها في Halliburton . يتم قياس ثلاثة مكونات في أي نقطة معينة في بئر ما لتحديد موقعها: عمق النقطة على طول مسار البئر (العمق المقاس)، والميل عند النقطة، والسمت المغناطيسي عند النقطة. يشار إلى هذه المكونات الثلاثة مجتمعة باسم "المسح". هناك حاجة إلى سلسلة من المسوحات المتتالية لتتبع تقدم وموقع البئر.

كانت الخبرة السابقة في الحفر الدوراني قد أسست العديد من المبادئ لتكوين معدات الحفر في أسفل البئر ("مجموعة الحفرة السفلية" أو "BHA") والتي قد تكون عرضة لـ"حفر حفرة ملتوية" (أي أن الانحرافات العرضية الأولية عن العمودية سوف تزداد). كما أعطت الخبرة المضادة أيضًا لحفاري الاتجاه الأوائل ("DD") مبادئ تصميم BHA وممارسة الحفر التي من شأنها أن تساعد في تقريب الحفرة الملتوية من العمودية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في عام 1934، أصبح إتش جون إيستمان ورومان دبليو هاينز من لونج بيتش، كاليفورنيا ، رائدين في الحفر الاتجاهي عندما أنقذا مع جورج فايلينج من إينيد، أوكلاهوما ، حقل نفط كونرو ، تكساس . كان فايلينج قد حصل مؤخرًا على براءة اختراع لشاحنة حفر محمولة. بدأ شركته في عام 1931 عندما قام بربط منصة حفر بشاحنة وتجميع إقلاع الطاقة. سمح الابتكار بالحفر السريع لسلسلة من الآبار المائلة. كانت هذه القدرة على حفر آبار تخفيف متعددة بسرعة وتخفيف ضغط الغاز الهائل أمرًا بالغ الأهمية لإطفاء حريق كونرو. ^[2] في مقال نُشر في مجلة Popular Science Monthly في مايو 1934 ، ورد أن "قلة قليلة من الرجال في العالم لديهم القوة الغريبة لجعل لقمة الحفر، التي تدور على بعد ميل تحت الأرض في نهاية أنبوب حفر فولاذي، تشق طريقها في منحنى أو حول زاوية منحرفة، للوصول إلى الهدف المطلوب". ستصبح شركة Eastman Whipstock، Inc. أكبر شركة اتجاهية في العالم في عام 1973. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

وقد جعلت هذه الأدوات المساحية وتصميمات BHA الحفر الاتجاهي ممكنًا، ولكن كان يُنظر إليه على أنه غامض. وكان التقدم الرئيسي التالي في سبعينيات القرن العشرين، عندما أصبحت محركات الحفر في قاع البئر (المعروفة أيضًا باسم محركات الطين ، والتي تعمل بالطاقة الهيدروليكية لطين الحفر المتداول أسفل سلسلة الحفر) شائعة. وقد سمحت هذه المحركات لقمة الحفر بمواصلة الدوران عند وجه القطع في قاع الحفرة، بينما تم تثبيت معظم أنبوب الحفر ثابتًا. وقد سمح وجود قطعة من الأنبوب المنحني ("جزء فرعي منحني") بين أنبوب الحفر الثابت وأعلى المحرك بتغيير اتجاه البئر دون الحاجة إلى سحب أنبوب الحفر بالكامل ووضع سوط آخر. إلى جانب تطوير أدوات القياس أثناء الحفر (باستخدام القياس عن بعد بنبضة الطين ، أو الأنابيب الشبكية أو السلكية أو القياس عن بعد الكهرومغناطيسي (EM)، والذي يسمح للأدوات الموجودة أسفل البئر بإرسال البيانات الاتجاهية مرة أخرى إلى السطح دون إزعاج عمليات الحفر)، أصبح الحفر الاتجاهي أسهل.

لا يمكن حفر بعض المقاطع بسهولة أثناء دوران أنبوب الحفر. يتطلب الحفر الاتجاهي باستخدام محرك في البئر إيقاف دوران أنبوب الحفر من حين لآخر و"تحريك" الأنبوب عبر القناة أثناء قطع المحرك لمسار منحني. قد يكون "التحريك" صعبًا في بعض التكوينات، وهو دائمًا أبطأ وبالتالي أكثر تكلفة من الحفر أثناء دوران الأنبوب، لذا فإن القدرة على توجيه المثقاب أثناء دوران أنبوب الحفر أمر مرغوب فيه. طورت العديد من الشركات أدوات تسمح بالتحكم الاتجاهي أثناء الدوران. يشار إلى هذه الأدوات باسم الأنظمة القابلة للتوجيه الدوراني (RSS). جعلت تقنية الأنظمة القابلة للتوجيه الدوراني الوصول والتحكم الاتجاهي ممكنًا في التكوينات التي لم يكن من الممكن الوصول إليها أو التحكم فيها من قبل.

يتم حفر الآبار بشكل اتجاهي لأغراض عديدة:

• زيادة طول القسم المكشوف من خلال الخزان عن طريق الحفر عبر الخزان بزاوية.
• الحفر في الخزان حيث يكون الوصول الرأسي صعبًا أو غير ممكن. على سبيل المثال، حقل نفط تحت مدينة، أو تحت بحيرة، أو تحت تكوين يصعب حفره.

• إن السماح بتجميع عدد أكبر من رؤوس الآبار في موقع واحد على السطح من شأنه أن يسمح بتقليل عدد تحركات الحفارات، وتقليل الاضطراب في مساحة السطح، ويجعل إكمال الآبار وإنتاجها أسهل وأقل تكلفة. على سبيل المثال، على منصة نفطية أو سترة بحرية، يمكن تجميع 40 بئراً أو أكثر معاً. وسوف تتفرع الآبار من المنصة إلى الخزانات الموجودة تحتها. ويتم تطبيق هذا المفهوم على الآبار الأرضية، مما يسمح بالوصول إلى مواقع متعددة تحت السطح من منصة واحدة، مما يقلل التكاليف.
• يسمح الحفر على طول الجانب السفلي من الصدع الذي يقيد الخزان بإكمال العديد من الرمال الإنتاجية في أعلى النقاط الطبقية.
• حفر " بئر تخفيف " لتخفيف الضغط عن بئر تنتج دون قيود (" الانفجار "). في هذا السيناريو، يمكن حفر بئر أخرى تبدأ على مسافة آمنة بعيدًا عن الانفجار، ولكن تتقاطع مع البئر المضطربة. بعد ذلك، يتم ضخ سائل ثقيل (سائل القتل) في بئر التخفيف لقمع الضغط المرتفع في البئر الأصلية المسبب للانفجار.

يتم إعطاء معظم الحفارين الاتجاهيين مسارًا أزرقًا للبئر لمتابعته يتم تحديده مسبقًا من قبل المهندسين والجيولوجيين قبل بدء الحفر. عندما يبدأ الحفار الاتجاهي عملية الحفر، يتم إجراء مسوحات دورية باستخدام أداة أسفل البئر لتوفير بيانات المسح (الميل والسمت) لثقب البئر. ^[3] يتم التقاط هذه الصور عادةً على فترات تتراوح بين 10 و 150 مترًا (30-500 قدم)، مع 30 مترًا (90 قدمًا) شائعة أثناء التغييرات النشطة في الزاوية أو الاتجاه، ومسافات 60-100 متر (200-300 قدم) تكون نموذجية أثناء "الحفر للأمام" (عدم إجراء تغييرات نشطة في الزاوية والاتجاه). أثناء التغييرات الحرجة في الزاوية والاتجاه، وخاصة أثناء استخدام محرك أسفل البئر، سيتم إضافة أداة قياس أثناء الحفر (MWD) إلى سلسلة الحفر لتوفير قياسات محدثة باستمرار يمكن استخدامها للتعديلات (في الوقت الفعلي تقريبًا).

تشير هذه البيانات إلى ما إذا كانت البئر تتبع المسار المخطط له وما إذا كان اتجاه مجموعة الحفر يتسبب في انحراف البئر عن المسار المخطط له. يتم إجراء التصحيحات بانتظام من خلال تقنيات بسيطة مثل ضبط سرعة الدوران أو وزن سلسلة الحفر (الوزن في القاع) وصلابتها، بالإضافة إلى طرق أكثر تعقيدًا واستهلاكًا للوقت، مثل إدخال محرك في قاع البئر. يتم رسم مثل هذه الصور أو المسوحات والحفاظ عليها كسجل هندسي وقانوني يصف مسار حفرة البئر. يتم عادةً تأكيد صور المسح الملتقطة أثناء الحفر من خلال مسح لاحق لكامل البئر، عادةً باستخدام جهاز "كاميرا متعددة اللقطات".

تقدم الكاميرا متعددة اللقطات الفيلم على فترات زمنية بحيث يمكن من خلال إسقاط أداة الكاميرا في غلاف أنبوبي محكم الغلق داخل سلسلة الحفر (إلى أسفل حتى أعلى لقمة الحفر) ثم سحب سلسلة الحفر على فترات زمنية، مسح البئر بالكامل على فترات عمق منتظمة (كل 30 مترًا تقريبًا (90 قدمًا) هو أمر شائع، والطول النموذجي لـ 2 أو 3 وصلات من أنبوب الحفر، والمعروف باسم الحامل، نظرًا لأن معظم منصات الحفر "تتراجع" عن الأنبوب المسحوب من الحفرة بمثل هذه الزيادات، والمعروفة باسم "الحوامل").

يتطلب الحفر إلى أهداف بعيدة عن موقع السطح تخطيطًا وتصميمًا دقيقين. يدير حاملو الرقم القياسي الحالي آبارًا تبعد أكثر من 10 كم (6.2 ميل) عن موقع السطح على عمق رأسي حقيقي (TVD) يبلغ 1600-2600 متر (5200-8500 قدم) فقط. ^[4]

كما يمكن أن يؤدي هذا النوع من الحفر إلى تقليل التكلفة البيئية وتشويه المناظر الطبيعية. ففي السابق، كان من الضروري إزالة أطوال طويلة من المناظر الطبيعية من السطح. ولم يعد هذا مطلوبًا مع الحفر الاتجاهي.

حتى ظهور محركات الحفر الحديثة والأدوات الأفضل لقياس ميل وسمت الحفرة، كان الحفر الاتجاهي والحفر الأفقي أبطأ بكثير من الحفر الرأسي بسبب الحاجة إلى التوقف بانتظام وإجراء مسوحات تستغرق وقتًا طويلاً، وبسبب التقدم الأبطأ في الحفر نفسه (معدل اختراق أقل). وقد تقلصت هذه العيوب بمرور الوقت حيث أصبحت محركات الحفر أكثر كفاءة وأصبح المسح شبه المستمر ممكنًا.

ما تبقى هو الفرق في تكاليف التشغيل: بالنسبة للآبار ذات الميل الأقل من 40 درجة، يمكن إنزال الأدوات اللازمة لإجراء التعديلات أو أعمال الإصلاح بواسطة الجاذبية على الكابل إلى داخل الحفرة. أما بالنسبة للميل الأعلى، فيجب تعبئة معدات أكثر تكلفة لدفع الأدوات إلى أسفل الحفرة.

ومن بين العيوب الأخرى للآبار ذات الميل العالي أن منع تدفق الرمال إلى البئر كان أقل موثوقية ويحتاج إلى جهد أكبر. ومرة ​​أخرى، تضاءل هذا العيب بحيث أصبح من الممكن تنفيذ عملية التحكم في الرمال بشكل موثوق، شريطة التخطيط المناسب للسيطرة على الرمال.

في عام 1990، اتهمت العراق الكويت بسرقة نفط العراق من خلال الحفر المائل. ^[5] أعادت الأمم المتحدة رسم الحدود بعد حرب الخليج عام 1991 ، والتي أنهت احتلال العراق للكويت لمدة سبعة أشهر . وكجزء من إعادة الإعمار، تم وضع 11 بئر نفط جديدة بين 600 بئر موجودة. أصبحت بعض المزارع وقاعدة بحرية قديمة كانت في الجانب العراقي جزءًا من الكويت. ^[6]

في منتصف القرن العشرين، حدثت فضيحة الحفر المائل في حقل النفط الضخم شرق تكساس . ^[7]

بين عامي 1985 و1993، قام مختبر الهندسة المدنية البحرية (NCEL) (الآن مركز خدمة هندسة المرافق البحرية (NFESC)) في بورت هوينيمي، كاليفورنيا بتطوير تقنيات الحفر الأفقي القابلة للتحكم. ^[8] هذه التقنيات قادرة على الوصول إلى 10000-15000 قدم (3000-4500 متر) وقد تصل إلى 25000 قدم (7500 متر) عند استخدامها في ظل ظروف مواتية. ^[9]

تحدد الأدوات المتخصصة انحراف البئر عن الوضع الرأسي (الميل) واتجاهها الاتجاهي (السمت). هذه البيانات حيوية لتعديلات المسار. يتم إجراء هذه المسوحات على فترات منتظمة (على سبيل المثال، كل 30-100 متر) لتتبع تقدم البئر في الوقت الفعلي. في المقاطع الحرجة، توفر أدوات القياس أثناء الحفر قياسات مستمرة أسفل البئر لتصحيحات الاتجاه الفورية حسب الحاجة. يستخدم القياس أثناء الحفر جيروسكوبات ومقاييس مغناطيسية ومقاييس تسارع لتحديد ميل البئر والسمت أثناء الحفر.

• مجموعة الحفرة السفلية (BHA) : يؤثر تكوين معدات الحفر بالقرب من لقمة الحفر (BHA) بشكل كبير على اتجاه الحفر. يمكن تصميم مجموعة الحفرة السفلية لتعزيز الحفر المستقيم أو إحداث الانحرافات.
• محركات الحفر : تعمل محركات الطين المتخصصة على تدوير رأس الحفر فقط، مما يسمح بتغييرات محكومة في الاتجاه بينما يظل الجزء الأكبر من سلسلة الحفر ثابتًا.
• أنظمة التوجيه الدوراني (RSS) : تتيح تقنية RSS المتقدمة التوجيه حتى أثناء دوران سلسلة الحفر بأكملها، مما يضمن كفاءة وتحكمًا أكبر.

• مسح الانحراف
• التوجيه الجغرافي
• التكسير الهيدروليكي
• التسجيل أثناء الحفر
• القياس أثناء الحفر
• محرك الطين
• حفار الطين
• نظام التوجيه الدوراني
• تكنولوجيا بدون خنادق

• "آبار النفط المائلة، أعمال جديدة مدهشة" مجلة Popular Science ، مايو 1934، مقالة مبكرة عن تكنولوجيا الحفر
• "التكنولوجيا وحفرة كونرو" الجمعية التاريخية للنفط والغاز الأمريكية
• فيديو قصير يشرح عملية الحفر الأفقي لاستخراج الغاز من الصخر الزيتي. ( معهد البترول الأمريكي )
• يمكنك مشاهدة فيديو يوضح عملية حفر الصخر الزيتي الأفقي هنا.
• "الخلد الميكانيكي يحفر الآبار الملتوية". مجلة العلوم الشعبية ، يونيو 1942، ص 94-95.
• السادة المجهولون في صناعة النفط 21 يوليو 2012 مجلة الإيكونوميست