به گزارشنفت ما، اولین چاه تجاری نفت درسال ١٨٥٩ حفاری شد. پیشرفت سریع صنایع، مطرح شدن نفت به عنوان منبع سرشار انرژی و افزایش تقاضای روز افزون آن و احتیاج به چاههای نفت بیشتر باعث شد تحول حفاری ضربهای که از سال ١٨٠٠ آغاز شده بود به تدریج آهنگ سریعتری یابد به نحوی که وسایل بهتری ساخته شد، نیروی بخار بکار گرفته شد و مهارتهای فنی حفاران بالا رفت.
حفاری ضربهای تنها در حفاری چاههای آب بکار میرود. نمونههای شکسته شده توسط گلکش خارج میشود. دستگاههای حفاری ضربهای دستگاههای سادهای هستند که برای پژوهشهای آب یابی بسیار مناسب هستند. از این دستگاهها بیشتر برای چاههایی که در داخل سنگهای مقاوم حفر میشود، استفاده میکنند. اصول کار حفاری ضربهای خردکردن سنگهاست که این عمل به وسیله متهای به نام مته حفاری یا ترپان انجام میشود. متهها بطور منظم از ارتفاع ثابتی روی سنگ فرود میآیند. دستگاه مجهز به یک خرک چهار قطبی و یا یک دکل است که متههای حفاری به وسیله یک قرقره برگشت روی آن آویزان میشوند.
این متهها دارای حرکت رفت و آمدی بوده و به منظور اجرای مانورهای پائین و بالا رفتن ، از دستگاه رفت و برگشت جدا شده و به وسیلهای به نام چرخ قرقره که برای جاگذاری لولهها نیز بکار میرود، مربوط هستند. خرکهای جدا شونده، چوبی و یا فلزی هستند. پایهها روی دالهای سیمانی که قبل از مونتاژ دستگاه تهیه میشوند، قرار میگیرند. دکلهای خم شونده یا تلسکوپی، سوندوزهای دستگاههای حفاری خودکار قابل حمل را مجهز میکنند، ممکن است این دکلها به صورت دائمی در پشت یک کامیون ثابت شده باشند. دکلها باید به وسیله کابلهای محکم روی بلوکهای سیمانی ثابت شوند.
عمیق ترین چاهی که تاکنون با روش ضربهای حفر شده است در ایالت نیویورک توسط شرکت گاز طبیعی ایالت نیویورک در سال ١٩٤٨ تا ١٩٥٣ تا عمق ١١١٤٥ فوت حفر شد که به نفت نرسید. از مزیتهای این روش، اقتصادی بودن برای تعبیه گمانههای با قطر زیاد (تا ٦٠ سانتیمتر) در انواع مواد است. از محدودیتهای این روش حفاری وجود ابزارهای بزرگ و پرزحمت است که در خاکهای قوی و سنگ به کندی انجام میشود البته این مساله را باید یادآور شد که مغزهگیری و نمونه گیری سنگ امکانپذیر نیست.
ابداع روش حفاری دورانی، جهشی در صنعت حفاری به وجود آورد. در اواخر قرن نوزدهم شکلهای ساده این روش به کار گرفته شد اما با طی روند تکاملی و پیشرفت سریع در ساخت دکلها، متهها و پمپها در سال ١٩٣٠ تقریبا به طور کامل جانشین حفاری ضربهای برای چاههای نفت شدند.
این روش در مقایسه با حفاری ضربهای، میتوانست تا اعماق خیلی بیشتری از زمین نفوذ کند از لایههایی از زمین که از سنگهای خیلی سخت تشکیل شده بود بگذرد و در عین حال آهنگ پیشرفت کار و بازده آن را به طرز چشمگیری افزایش دهد. حفاری یک چاه تا عمق حداکثر ٧٥٠ متر با روش ضربهای بیش از یکسال طول میکشد، درحالی که اکنون حفاری یک چاه تا عمق٦٠٠٠ متر با روش دورانی یک مسئله عادی به نظر میرسد، آن هم در مدتی کمتر از یکسال. اکنون با این روش رکورد حدود ١٢٠٠٠ متر را به دست آورده است.
در این روش هم نمونههای خاک و سنگ بدست می آید و هم نمونههایی برای انواع آزمایشهای برجا ایجاد میکند. امروزه کاربرد دستگاههای حفاری چرخشی بسیار متداول شده است. این دستگاهها را میتوان در هر نوع زمین بکار برد. ولی برتری کاربرد آنها در زمینهای نرم بیشتر است. پیشروی این دستگاهها در داخل سنگهای سخت به کندی صورت میگیرد. در این روش سر مته فولادی که متصل به انتهای لوله فولادی است، از سر چاه به کمک موتور ، حرکت دورانی میکند. گل حفاری از داخل لوله به درون چاه تزریق شده و از اطراف لوله به سر چاه بر میگردد.
گل حفاری ضمن خنک کردن سر مته اعمال حمل خرده سنگهایی که بوسیله سر مته از ته چاه تراشیده شده است، به سر چاه و جلوگیری از فشار طبقات سست و ریزش آنها به داخل چاه را نیز انجام میدهد. با روش حفاری دورانی چاههای بسیار عمیق حفر میشود. عمیق ترین چاه جهان که با این روش حفر شده در سال ١٩٥٦ در لوئیزیانا (آمریکا) به عمق ٢١٥٣٥ فوت بود که به نفت نرسید. از مزیتهای این روش سرعت حفاری آن است و میتواند در همه نوع مواد نفوذ کند که برای همه نوع نمونهگیری مناسب است. از محدودیتهای آن جابجا کردن وسایل در زمینهای ناهموار و باتلاقی مشکل است و محتاج راه مناسب است. همچنین محتاج سکوی تسطیح شده است. کارآیی حفاری با توجه به اندازه دستگاه متغییر است.
در ابتدای صنعت حفاری، منابع سطحی و کمعمق نفت مورد بهرهبرداری قرار میگرفت ولی اکنون با حفاری چاههای بسیار عمیق میتوان از لایههای نفتی مربوط به دورانهای قدیمیتر زمین شناسی بهرهبرداری کرد.
از ویژگیهای منابع عمیق نفت وگاز، فشار فزاینده آنهاست که خود از مسائل عمده حفاری است. امروزه وسایل دستگاههای حفاری و چاههای نفت برای مقابله با فشارهای بین ٢٠٠ تا ١٠٠٠ اتمسفر ساخته میشوند و تنها تکنیک دورانی امکان حفاری در چنین مخازنی را میدهد.
علاوه بردستگاههای حفاری خشکی که در دشتها، کوهستانها و بیابانها کار میکنند دستگاههای حفاری دریایی در آبها به کار میپردازند و متههای خود را به کف دریا رسانده و حفاری میکنند. این دستگاهها به صورت پایهدار و یا شناور ساخته میشوند. وسایل شناور امروزه توانستهاند در آبهایی تا عمق ١٥٠٠ متر حفاری کنند.
با استفاده از دستگاههای مدرن و پیشرفته تکنیک حفاری انحرافی میتوان مته حفاری را کنترل و جهت چاههای انحرافی را در هر سمت یا زاویه دلخواه تنظیم کرد. امروزه به جز کارکنان صنعت حفاری و نفت، میلیونها نفر در ارتباط با تولید ماشین آلات، وسایل و مواد مورد احتیاج این صنعت در صنایع مختلف معدنی، ذوب فلز، ماشینسازی، سازه، ابزار دقیق، الکترونیکی، الکتریکی وشیمیایی مشغول به کار هستند.
تاریخچه مختصر حفاری در ایران
اولین حلقه چاه اکتشافی در ایران در سال ١٢٨٧ در عمق ٣٦٠ متری و با ارتفاع ٢٠ متری توسط شرکت اکتشاف دارسی در نفتون فوران کرد. با این چاه میدان نفتی عظیم مسجد سلیمان کشف شد که این خود آغاز صنعت نفت ایران و خاورمیانه بود. بعد از این تاریخ عملیات حفاری به منظور توسعه منطقه مسجد سلیمان و نیز اکتشاف منابع جدید نفت گسترش پیدا کرد. در سال ١٣٠٤ میدان نفتی هفتگل و از آن به بعد میدانهای گچساران، آغاجاری و پازنان کشف شد. عملیات حفاری تا سال ١٣٣٢ توسط شرکت نفت ایران و انگلیس انجام میشد. پس از کودتای ٢٨ مرداد و انعقاد قرارداد کنسرسیوم، حضور شرکتهای حفاری به میزان قابل توجهی در ایران افزایش یافت و در سال ١٣٥١ با گران شدن قیمت نفت تعداد دکلهای حفاری به طور ناگهانی رو به فزونی گذاشت.
پس از پیروزی انقلاب اسلامی، در سال ١٣٥٨ از بهم پیوستن بیش از ٣٠ شرکت مختلف، شرکت ملی حفاری ایران تشکیل شد که طبق اساسنامه خود، عهدهدار اجرای عملیات حفاری در تمام ایران است.
(Drilling Engineering) تعریف کلی از علم مهندسی حفاری
مخازن زیرزمینی نفت و گاز در اعماق زمین وجود دارند. برای استفاده از این منابع فسیلی باید به این مخازن دسترسی پیدا کرد که حفاری چاه تنها راه است. حفاری چاههای نفت و گاز به علت ریسک بالای عملیات و خطرات موجود جز پیچیدهترین، دشوارترین، پرهزینهترین و پر چالشترین موانع توسعه یک میدان است. حفاری یک چاه به وسیله دکل حفاری انجام می شود. این دکل حفاری مانند یک شهر کوچک تمام نیازهای خود را رفع میکند. از سیستم برق و مکانیکی گرفته تا آشپزخانه سیار و پزشک آماده به خدمت در کنار دکل حفاری مشغول به کارند.
برای حفاری یک چاه از سیستم دورانی با دکلهای با قدرتهای مختلف برای اعماق متفاوت استفاده میشود. در حفاری یک چاه چند چند عامل مهم مانند دکلهای حفاری، طراحی مته، طراحی گل حفاری، طراحی لوله حفاری ، طراحی لولههای جداری و آستری ، سیمانکاری ، ایمنی چاه و تاج چاه نقش مهمی دارند که به اختصار درباره آنها توضیح داده میشود.
١- دکلهای حفاری
دستگاههای حفاری در انواع و قدرتهای گوناگون ساخته می شود. اصولاً دکل حفاری و دستگاههای گوناگون براساس عمق نهایی و نوع عملیات چاه انتخاب میشود. در برنامهریزی حفاری چاه قدرت، ظرفیت و امکانات دکل حفاری در نظر گرفته میشود. حدود کار سیستمهای این دکلها به شرح زیر است:
الف- رشته حفاری (String)
رشته حفاری مجموعهای از لولههای حفاری است که از وظایف آن میتوان به چرخش، رفت و برگشت مته به چاه و انتقال گل به ته چاه اشاره کرد. رشته حفاری با وصل کردن لولهها به هم بر روی دکل حفاری به عمق مورد نظر میرسد.
ب- سیستم بالا پایین دکل:
حفاری یک چاه از اتصال لولههای حفاری به هم و تشکیل متراژ مناسب بر روی دکل حفاری انجام میشود. دکل و گردونه حفاری قسمتهای اصلی این سیستم را تشکیل میدهند. وصل و جدا کردن لولهها، بالا و پایین بردن آنها از وظایف این بخش از دکل است.
ج- سیستم دورانی(Rotary System)
قسمت اصلی این سیستم میز دوار است. میز دوار میتواند تا ٣٥٠ دور در دقیقه بگردد و اجزا حفاری را که شامل لولههای حفاری و مته است با سرعت مناسب برای حفر لایههای زمین، برساند.
د- سیستم گردش گل
خنک کردن مته، بالا آوردن سنگهای خرد شده، کمک به بالا بردن بهرهوری حفاری و جلوگیری از ورود سیال سازند به چاه درحال حفاری از وظایف اصلی گل حفاری است. این سیستم شامل پمپهای گل(دو واحد که بصورت موازی هم قرار گرفتهاند)، لولههای انتقال گل به سکو، لوله ایستا، خرطومی گل، هرز گرد و رشته حفاری، حلقه چاه و مسیر برگشت گل به تانکی ورودی گل است.
ر- سیستم تولید و توزیع نیرو:
نیروی لازم برای به حرکت در آوردن ماشین آلات مختلف حفاری که شامل موتورهای دیزلی و الکتریکی میشوند.