جهاز حفر

منصة الحفر هي نظام متكامل يُستخدم لحفر الآبار ، مثل آبار النفط أو المياه، أو حفر الركائز وغيرها من أغراض البناء، في باطن الأرض. قد تكون منصات الحفر هياكل ضخمة تضم معدات تُستخدم لحفر آبار المياه أو النفط أو الغاز الطبيعي، أو قد تكون صغيرة بما يكفي ليُحركها شخص واحد يدويًا، وتُسمى هذه الأخيرة بالحفارات اللولبية . تُستخدم منصات الحفر لأخذ عينات من الرواسب المعدنية تحت السطحية، واختبار الخصائص الفيزيائية للصخور والتربة والمياه الجوفية ، كما تُستخدم لتركيب المنشآت تحت السطحية، مثل المرافق تحت الأرض، وأجهزة القياس، والأنفاق، والآبار. قد تكون منصات الحفر معدات متنقلة مُثبتة على شاحنات أو جنزير أو مقطورات، أو هياكل برية أو بحرية أكثر ثباتًا (مثل منصات النفط ، والتي تُسمى عادةً "منصات النفط البحرية" حتى لو لم تكن تحتوي على منصة حفر). لذا، يُشير مصطلح "منصة" عمومًا إلى المعدات المعقدة المستخدمة لاختراق سطح قشرة الأرض .

تتميز منصات الحفر الصغيرة والمتوسطة الحجم بسهولة نقلها، مثل تلك المستخدمة في حفر التنقيب عن المعادن، وحفر آبار التفجير، وحفر آبار المياه، والدراسات البيئية. أما المنصات الأكبر حجماً، فهي قادرة على الحفر عبر آلاف الأمتار من قشرة الأرض، باستخدام مضخات طينية ضخمة لتدوير سائل الحفر (الملاط) عبر رأس الحفر وصولاً إلى الفراغ الحلقي للأنابيب ، وذلك لتبريد وإزالة نواتج الحفر أثناء عملية الحفر. ويمكن للرافعات الموجودة في المنصة، والتي تُعرف باسم " البرج " ، رفع مئات الأطنان من الأنابيب . كما يمكن لمعدات أخرى ضخ الأحماض أو الرمال إلى المكامن لتسهيل استخراج النفط أو الغاز الطبيعي؛ وفي المواقع النائية، يمكن توفير أماكن إقامة دائمة وخدمات طعام للطواقم (التي قد يزيد عدد أفرادها عن مئة). وقد تعمل منصات الحفر البحرية على بعد آلاف الأميال من قاعدة الإمداد، مع تناوب أو دورة غير منتظمة للطواقم.

حتى تطوير محركات الاحتراق الداخلي في أواخر القرن التاسع عشر، كانت الطريقة الرئيسية لحفر الصخور تعتمد على قوة عضلات الإنسان أو الحيوان. تعود أصول تقنية حفر آبار النفط بالدق أو الحفر الدوراني إلى عهد أسرة هان الصينية القديمة عام 100 قبل الميلاد، حيث استُخدم الحفر بالدق لاستخراج الغاز الطبيعي في مقاطعة سيتشوان. ^{[ 1 ]} بدت طرق حفر النفط والغاز المبكرة بدائية على الرغم من أن العملية تطلبت مهارات تقنية متعددة. ^{[ 1 ] [ 2 ]} شملت هذه المهارات توفر رؤوس حفر حديدية ثقيلة وأعمدة خيزران طويلة، وتصنيع كابلات طويلة ومتينة منسوجة من ألياف الخيزران، بالإضافة إلى استخدام الروافع. كانت رؤوس الحفر الحديدية الثقيلة تُثبّت على كابلات خيزران طويلة معلقة من أبراج حفر خيزران، ثم تُرفع وتُسقط بشكل متكرر في حفرة محفورة يدويًا بواسطة رجلين إلى ستة رجال يقفزون على رافعة. ^{[ 1 ]} كانت آبار النفط التي حُفرت بالدق في عهد أسرة هان فعالة، لكنها لم تتجاوز عمق 10 أمتار، ووصلت إلى 100 متر بحلول القرن العاشر. ^{[ 1 ]} بحلول القرن السادس عشر، كان الصينيون يستكشفون ويحفرون آبار النفط على عمق يزيد عن 610 أمتار . [ ^{2 ] تم} إدخال تقنية حفر الآبار الصينية إلى أوروبا عام 1828. ^{[ 3 ]} استخدم رجل الأعمال الأمريكي إدوين دريك نسخةً مُحدثةً من تقنية الحفر الصينية القديمة لحفر أول بئر نفط في بنسلفانيا عام 1859، مستخدمًا محركات بخارية صغيرة لتشغيل عملية الحفر بدلًا من الجهد البشري. ^{[ 1 ]} طُوِّرت تقنية الحفر بالكابلات في الصين القديمة، واستُخدمت لحفر آبار المياه المالحة. كما احتوت قباب الملح على الغاز الطبيعي، الذي أنتجته بعض الآبار، والذي استُخدم لتبخير المياه المالحة. تعرّف دريك على تقنية الحفر بالكابلات من عمال صينيين في الولايات المتحدة. ^{[ 4 ]} كان الكيروسين أول منتج رئيسي للمصابيح والسخانات. ^{[ 5 ] [ 6 ]} ساهمت تطورات مماثلة حول باكو في تغذية السوق الأوروبية. 

في سبعينيات القرن الماضي، خارج قطاع النفط والغاز، استُبدلت رؤوس الحفر الدوارة التي تستخدم دوران الطين بأولى حفارات الدوران العكسي ذات المكابس الترددية الهوائية. أصبحت الأولى متقادمة عمليًا لمعظم عمليات الحفر الضحلة، ولا تُستخدم الآن إلا في حالات معينة حيث تمنع الصخور استخدام طرق أخرى. أثبت حفر الدوران العكسي أنه أسرع وأكثر كفاءة. ويستمر في التحسن مع تطور علم المعادن، مما أدى إلى إنتاج رؤوس حفر أكثر صلابة ومتانة، وضواغط جديدة قادرة على توفير ضغوط هواء أعلى بكميات أكبر، مما يُمكّن من اختراق أعمق وأسرع. أما حفر الماس، فقد ظل دون تغيير جوهري منذ بدايته.

تُستخدم منصات حفر النفط والغاز الطبيعي ليس فقط لتحديد المكامن الجيولوجية، بل أيضًا لإنشاء آبار تسمح باستخراج النفط أو الغاز الطبيعي من تلك المكامن. في حقول النفط والغاز البرية تحديدًا، بمجرد الانتهاء من حفر البئر، تُنقل منصة الحفر من موقعها، وتُستبدل بمنصة خدمة (منصة أصغر) مُصممة خصيصًا لإتمام عمليات الحفر، وذلك لإعادة تشغيل البئر. ^{[ 7 ]} يُتيح هذا لمنصة الحفر التفرغ لحفر بئر أخرى، ويُبسط العمليات، كما يسمح بتخصيص بعض الخدمات، كإتمام عمليات الحفر بدلًا من الحفر نفسه.

تُستخدم منصات الحفر التعدينية لغرضين رئيسيين: الحفر الاستكشافي الذي يهدف إلى تحديد موقع وجودة المعادن، والحفر الإنتاجي الذي يُستخدم في دورة الإنتاج التعديني. وتختلف أحجام منصات الحفر المستخدمة في تفجير الصخور في المناجم السطحية تبعًا لحجم الحفرة المطلوبة، وتُصنف عادةً إلى حفر صغيرة للتكسير المسبق وحفر إنتاجية أكبر. أما التعدين تحت الأرض (الصخور الصلبة) فيستخدم أنواعًا مختلفة من منصات الحفر حسب الغرض المطلوب، مثل الإنتاج، والتثبيت، والتمديد، وحفر الأنفاق.

في بدايات استكشاف النفط ، كانت منصات الحفر شبه دائمة، وغالبًا ما كانت تُبنى أبراج الحفر في الموقع وتُترك فيه بعد الانتهاء من حفر البئر. أما في العصر الحديث، فأصبحت منصات الحفر آلات باهظة الثمن مصممة خصيصًا، ويمكن نقلها من بئر إلى أخرى. بعض منصات الحفر الخفيفة تشبه الرافعات المتنقلة، وتُستخدم عادةً لحفر آبار المياه. أما منصات الحفر البرية الكبيرة، فيجب تفكيكها إلى أجزاء وتحميلها لنقلها إلى موقع جديد، وهي عملية قد تستغرق أسابيع.

تُستخدم منصات الحفر المتنقلة الصغيرة أيضًا لحفر أو حفر الأساسات . وتتراوح أحجام هذه المنصات من منصات الحفر اللولبية المستمرة (CFA) التي تزن 100 طن قصير (91000 كجم) إلى منصات صغيرة تعمل بالهواء المضغوط تُستخدم لحفر الثقوب في المحاجر، وما إلى ذلك. وتستخدم هذه المنصات نفس التقنية والمعدات المستخدمة في منصات حفر النفط، ولكن على نطاق أصغر. 

تختلف آليات الحفر الموضحة أدناه ميكانيكياً من حيث الآلات المستخدمة، ولكن أيضاً من حيث الطريقة التي يتم بها إزالة نواتج الحفر من وجه القطع الخاص بالحفر وإعادتها إلى السطح.

منصة الحفر الآلية (ADR) هي منصة حفر آلية كاملة الحجم، تعمل على الأرض، وتُستخدم لحفر أقسام أفقية طويلة في الآبار الأفقية لقطاع النفط والغاز. ^{[ 8 ]} تتميز منصات الحفر الآلية بمرونتها وقدرتها على الانتقال من منصة إلى أخرى إلى مواقع آبار جديدة بسرعة أكبر من منصات الحفر الأخرى كاملة الحجم. تبلغ تكلفة كل منصة حوالي 25 مليون دولار. تُستخدم منصات الحفر الآلية على نطاق واسع في رمال أثاباسكا النفطية . ووفقًا لصحيفة "أويل باتش ديلي نيوز"، "تُوفر كل منصة 50,000 ساعة عمل خلال مرحلة الإنشاء، وعند اكتمالها، تُوفر كل منصة عاملة فرص عمل مباشرة وغير مباشرة لأكثر من 100 عامل". بالمقارنة مع منصات الحفر التقليدية، تدّعي شركة "إنسين"، وهي شركة دولية لخدمات حقول النفط مقرها في كالجاري، ألبرتا، والتي تُصنّع منصات الحفر الآلية، أنها "أكثر أمانًا في التشغيل، وتتمتع بذكاء تحكم مُحسّن، وبصمة بيئية أقل، وسرعة في الحركة، واتصالات متطورة بين الحقل والمكتب". ^{[ ٨ ]} في يونيو ٢٠٠٥، قامت شركة دير كريك إنرجي المحدودة، وهي شركة رمال نفطية مقرها كالجاري، بتشغيل أول جهاز حفر آلي مائل مصمم خصيصًا (ADR)، وهو جهاز إنسين رقم ١١٨، لتطبيقات تصريف الجاذبية بمساعدة البخار (SAGD). ^{[ ٩ ] [ ١٠ ]}

المثقاب اللولبي أداة حلزونية الشكل، وظيفتها الأساسية حفر ثقوب في الأرض ومواد أخرى، أو أسطح مثل الجليد والخشب وغيرها. يعتمد تصميم المثقاب اللولبي على نوع المادة المراد حفرها، ولذلك توجد أنواع مختلفة من المثاقب اللولبية. ^{[ 11 ]} تتوفر المثاقب اللولبية بأحجام متنوعة، ويمكنها حفر ثقوب يصل عمقها إلى 95 قدمًا تحت سطح الأرض. وهي معروفة بتعدد استخداماتها، إذ توفر الوقت والجهد أثناء أعمال البناء أو حتى المشاريع الشخصية. المثقاب اللولبي عبارة عن برغي حلزوني مصنوع من غلاف فولاذي ذي شفرات منحنية، يدور عند دفعه في الأرض بواسطة رأس الحفر. ومع دوران المثقاب، ينقل المواد المحفورة إلى السطح، مما يساعد على إبقاء البئر مفتوحًا ويمنعه من الانهيار. يمكن تركيب المثاقب اللولبية على الشاحنات أو الآلات الأخرى، وتتوفر بأطوال وأقطار مختلفة. يُستخدم الحفر اللولبي في العديد من المجالات، بما في ذلك البناء والدراسات البيئية والتحقيقات الجيوتقنية. ويمكن استخدامه أيضاً لأغراض أخرى متنوعة، مثل:

• تركيب ركائز حفرية لأعمال هندسة الأساسات
• حفر ثقوب للتطبيقات الصناعية مثل أعمدة الهاتف ، وأعمدة الطاقة الشمسية، وأعمدة الشرفات
• مشاريع منزلية صغيرة مثل البستنة، وبناء الأسوار، وزراعة المحاصيل
• صيد الأسماك في الجليد

توجد طرق مختلفة للحفر اللولبي، منها الحفر اليدوي والحفر اللولبي ذو الجذع المجوف. يُعدّ الحفر اليدوي طريقة اقتصادية تُستخدم غالبًا في المناطق ذات التربة الضحلة، ولكنه قد يستغرق وقتًا طويلًا ويتطلب جهدًا كبيرًا. أما الحفر اللولبي ذو الجذع المجوف فيستخدم مثقابًا لولبيًا كبيرًا مجوفًا يزيل التربة أثناء الحفر.

يُعدّ الحفر اللولبي أكثر هدوءًا وأقل عرضةً للاهتزازات من طرق الحفر الأخرى، كالحفر بالدفع، لذا يُمكن استخدامه في المناطق الحضرية. عند استخدام المثقاب اللولبي، من المهم اتخاذ احتياطات السلامة، كارتداء معدات الوقاية الشخصية كالقفازات وواقيات العين والأذن والأحذية المغلقة. كما يجب التأكد من تثبيت المثقاب والملحقات بإحكام، وتشغيل ترس عزم الدوران العالي، والبدء بالحفر ببطء.

الرابطة الدولية لمقاولي الحفر (IADC) هي الرابطة التجارية العالمية التي تمثل صناعة الحفر. تأسست عام 1940 ويقع مقرها الرئيسي في هيوستن، تكساس، وتمثل الرابطة مقاولي الحفر، ومشغلي النفط والغاز، وشركات الخدمات في أكثر من 50 دولة. ^{[ 13 ]}

تنشر الرابطة الدولية لمقاولي الحفر (IADC) مجلة "مقاول الحفر "، وهي المجلة التقنية الرئيسية في هذا القطاع والتي تغطي تكنولوجيا الحفر والعمليات وممارسات السلامة. ^{[ 14 ]}

الرابطة الدولية لمنتجي النفط والغاز (IOGP) هي رابطة صناعية عالمية تمثل شركات النفط والغاز والجمعيات الوطنية. وتتعاون الرابطة مع شركات الحفر وشركات الخدمات لتطوير معايير السلامة على مستوى الصناعة، والممارسات الموصى بها، وأطر الإبلاغ عن الحوادث لعمليات التنقيب والإنتاج. ^{[ 15 ]}

• التثقيب - عملية توسيع ثقب محفور مسبقًا باستخدام أداة قطع أحادية النقطة 
• قاطع أنابيب التغليف – معدات حفر النفط 
• الحفر بالليزر – عملية إنشاء ثقوب نافذة باستخدام طرق القطع بالليزر 
• قائمة مكونات منصات حفر النفط
• نظام الطاقة الحرارية الأرضية المحسّن – نوع من أنظمة توليد الكهرباء 
• مثقاب اللهب النفاث - تقنية لحفر الصخور 
• التنقيب عن المعادن – إيجاد تجمعات معدنية مجدية تجارياً للتعدين. 
• منصة نفطية – هيكل بحري بحري مزود بمنشآت حفر النفط والمرافق ذات الصلة 
• بئر نفط – بئر تم حفرها لاستخراج النفط الخام و/أو الغاز 
• مضخة النفط - تشغيل مضخة مكبسية ترددية في بئر نفط 
• تكنولوجيا ما تحت سطح البحر – تكنولوجيا العمليات المغمورة في البحر 
• بيغ ستان (جهاز حفر) – جهاز حفر كبير مثبت على مركبة 
• الحفر الأفقي الموجه – طريقة لتركيب المرافق تحت الأرض. صفحات تعرض وصفًا موجزًا ​​لأهداف إعادة التوجيه. 

• دليل إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA) لمنصات الحفر