تعداد صفحات : 252 صفحه -
قالب بندی : word
فهرست مطالب
مقدمه....................................................................................3
بخش اول:
دکل های حفاری دریایی.....................................................7
بخش دوم:
دکل های حفاری خشکی...................................................49
بخش سوم:
اجزای دکل های حفاری....................................................64
بخش چهارم:
تاپ درایو ........................................................................134
بخش پنجم:
پمپ گل...........................................................................167
بخش ششم:
گل حفاری وتجهیزات تصفیه آن.......................................190
بخش هفتم:
لوله حفاری.......................................................................235
بخش هشتم:
مته های حفاری................................................................271
بخش نهم:
نظر اجمالی برمراحل طراحی..........................................286
مقدمه
از آنجا که نفت و گاز، به طور عادی در سطوح زیرین زمین پیدا می‌شوند، وسایل و تجهیزات خاصی برای یافتن و استخراج آنها به سطح زمین باید مورد استفاده قرار بگیرند. حفاری در حدود هزاران فوت در زمین، انتقال ذرات و سنگهای جدا شده از ساختار درونی زمین، حفاظت چاه از ریزش به داخل، یافتن لایه خاص و مشخصی که نفت و گاز احتمالاً در آن به دام افتاده‌اند، و تهیه تجهیزات لازم برای بیرون کشیدن نفت و گاز به سطح، به مهارت و خبرگی قابل ملاحظه، آزمایشگاه و تجهیزات و وسایل نیاز دارد. تجهیزات اولیه در این فرآیند، دکل حفاری چرخشی به همراه مولفه‌ها و بخشهای آن میباشد. یک دکل حفاری چرخشی چه روی زمین با روی دریا و سکوی دریایی نصب شده باشد، میتواند به عنوان کارخانه طراحی شده‌ای برای تولید فقط یک محصول یعنی یک چاه نفت یا همانطور که در تجارت Hole نامیده میشود در نظر گرفته شود. از آنجائیکه پس از حفر چاه و رسیدن به نفت یا گاز مورد نظر دیگر نیازی به دکل حفاری نمی‌باشد، لذا می‌بایست دکل را بصورت پرتابل و قابل حمل ساخت و یا پس از اتمام عملیات حفاری اعضا و قطعات آن را از یکدیگر جدا کرد و انتقال داد. قابل حمل بودن دکل، قابلیت حفاری و یا ایجاد چاه توسط آن را محدود نمی‌سازد، قابلیت حمل سریع تر و ساده تر، دکل را با ارزشتر و مؤثرتر می‌سازد بطوری که میتوان از آن بیشتر استفاده نمود. علت اینکه یک دکل باید قابل حمل و پرتابل باشد، آن است که هر مؤلفه و جزئی بتواند به اجزاء کوچک تقسیم گردد و از راه خشکی توسعه کامیونها، هواپیماهای باری یا هلیکوپترها، و یا با یدک کشیدن در دریا به محل جدید عملیات تغییر مکان یابد.
شرح عملیات حفاری (Drilling)
حفاری عبارت است از انرژی دادن به لایه‌های زمین جهت جدا کردن ذرات آن از یکدیگر، نفوذ در آن و انتقال ذرات جدا شده به سطح که این انرژی معمولاً به سه روش ذیل اعمال میشود:
- برش
- سایش
- شکست
میزان سختی بستر زمین و اجزاء آن تعیین‌کننده استفاده از هرکدام ازاین روش‌ها در حفاری میباشند، هر یک از این روش‌ها نیازمند ابزاری خاص بوده و در تمام آنها اعمال انرژی به صورت چرخاندن ابزار صورت می‌گیرد. در هر فرآیند حفاری چهار عمل اساسی بشرح ذیل انجام می‌گیرد.
- حرکت دادن و بیرون آوردن ذراتی که از زمین بر اثر حفاری جدا میشود.
- خنک‌سازی سر مته و انتقال حرارت ناشی از اصطکاک مته.
- حفظ دیواره‌های حفاری و جلوگیری از ریزش آنها.
- کم کردن اصطکاک بین ابزار و زمین در طول عملیات حفاری.
با توجه به موارد ذکر شده و وجود عمق‌های زیاد، جهت عملیات بهتر حفاری تجهیزاتی ابداع شده و به مرور زمان تکامل پیدا نموده است. در هر عملیات حفاری نیازمند به یک واحد قدرت جهت اعمال نیروی قائم و تامین حرکت چرخشی برای ابزار برش می‌باشیم که بعداً به شرح مفصل تر این بخش خواهیم پرداخت. در حین عملیات حفاری یا Drilling همانطور که قبلاً هم اشاره شد لزوم خنک کاری ابزار برش، خروج ضایعات حفاری و حفظ مسیر حفر شده به منظور ادامه عملیات غیرقابل اجتناب میباشد. برای این منظور از ماده‌ای به نام گل حفاری (Drilling Mud) استفاده میشود. این ماده با فشار پمپ (که این فشار گاهی تا Psi5000 میرسد) و از طریق لوله‌های حفاری وارد چاه شده و با نفوذ تا اعماق چاه و خنک کردن مته حفاری از لوله خارج و از حد فاصل بین لوله و جداره چاه به سمت بالا حرکت و با محکم کردن جداره‌های چاه ذرات سنگ و خاک را از چاه خارج مینماید. گل حفاری سپس طی یک فرآیند تصفیه و بازآوری شده و مجدداً جهت پمپاژ به داخل چاه آماده میشود.
یک دکل حفاری به طور کلی شامل سیستم‌های زیر میباشد که هر کدام از این سیستمها خود به چند زیر سیستم تقسیم می‌شوند. این سیستمها عبارتند از:
- سیستم قدرت(Power System) که شامل محرکهای اولیه (Prime Mover) و رانشگرها (Driver) میباشد.
- سیستم بالا برنده (Hoisting System) که شامل دکل (Derrick)، منجنیق‌ها (Drawworks)، سیستم ترمز، بلوکها و کابلهای حفاری میباشد.
- سیستم چرخشی (Rotating System) که شامل مفصل گردان (Swivel)، محرکهای فوقانی (Top Drives)، لوله‌های چهار پر (Kelly)، میز چرخان (Rotary Table)، لوله‌های حفاری (Drill Pipe)، لوله‌های غلاف حفاری (Drill Collar) و مته‌ها (Bits) میباشد.
- سیستم گردش سیال حفاری (Mud Circulating System) که شامل گل حفاری (Drilling Mud)، مخازن گل حفاری (Mud Tanks)، پمپها و سیستم تصفیه گل حفاری میباشد.
- سیستم کنترل چاه (Well Control System) که شامل شیرهای ضد فوران (Blowout preventers) و و اکومولاتورها میباشد.
- تجهیزات جانبی که شامل ژنراتور، کمپرسور، گاز زدا (Degasser)، ماسه و شن گیر (Desilter and desander) میباشند.
بخش اول
دکل‌های حفاری دریایی 1ـ1) تاریخچه دکل‌های دریایی حفر چاه‌های نفت در خشکی از اواسط قرن نوزدهم میلادی آغاز شد و تا نیم قرن بعد، عملیات اکتشاف و استخراج نفت تنها به میادین موجود در خشکی محدود می‌شد، در سال 1897 یک میدان نفتی در ساحل با حفر یک چاه زیردریایی تا زیر دریا گسترش داده شد، اما اولین دکل حفاری در دریا در سال 1920 ساخته شد. در این زمان یک اسکله فلزی که ربع مایل در دریا پیش می‌رفت عملیات اکتشاف نفت را در دریا آغاز نمود. تا سال 1932 چاه‌های نفت در نزدیکی ساحل و از روی اسکله‌هایی که محل حفاری را به ساحل مرتبط می‌ساخت، حفر می‌شدند. در سال 1932 یک کمپانی کوچک به نام Indian Petroleum Corp یک میدان نفتی در دریا و در فاصله نیم مایلی از ساحل شناسایی نمود. آنها تصمیم گرفتند به جای ساخت یک سکوی طولانی که چاه را به ساحل متصل می‌کرد، یک جزیره کوچک فولادی در دریا بسازند، در سپتامبر 1932 آنها جزیره‌ای فولادی با ابعاد 90*60 فوت برای حفاری در عمق 38 فوتی آب ساختند، آنها جزیره خود را با ساخت دکل و عرشه‌ای که 25 متر با سطح آب فاصله داشت، کامل کردند و به این ترتیب اولین سکوی حفاری در دریای آزاد که به ساحل متصل نمی‌شد، ساخته شد. این دکل در سال 1940 در اثر یک توفان دریایی از بین رفت. در سال 1938، یک میدان نفتی در دریا و در خلیج مکزیک شناسایی شد و در سال 1941 اولین چاه نفت در دریا در فاصله 9000 فوتی ساحل تگزاس حفر گردید، اما تا پایان جنگ جهانی دوم، فعالیت چشمگیری در زمینه حفاری در آب‌های دور از ساحل صورت نگرفت. با پایان جنگ جهانی دوم، کشتی‌های به جا مانده از جنگ، در صنعت حفاری به خدمت گرفته شدند. اولین کشتی جنگی مورد استفاده در صنعت نفت، یک لندینگ کرافت (Landing Craft) بود که به عنوان یک کشتی پشتیبان (Tender) به کار گرفته شد، بدین صورت که با نصب سیستم گل و سیستم‌های تولید برق روی آن و ذخیره‌سازی برخی از موارد مورد نیاز دکل حفاری، میزان بار روی دکل به یک دهم مقدار قبلی کاهش یافت. گسترش این روش، منجر به پدیدآمدن دکل‌های متحرکی گشت که برای حفر چاه‌های اکتشافی (Exploratory Wells) مورد استفاده قرار می‌گرفت از آنجا که پس از اتمام حفاری نیاز به باقی ماندن تجهیزات و سازه در محل نبود، استفاده از این دکل‌های متحرک به شدت هزینه‌های حفاری را کاهش داد. استفاده از این دکل‌های متحرک در دهه‌های 1940 و 1950 به شدت رو به افزایش گذاشت. با گذشت زمان نوع دیگری از دکل‌های متحرک برای آب‌های کم عمق مورد استفاده قرار گرفت. این سیستم متشکل از یک Barge متحرک بود که دکل حفاری و تجهیزات آن، روی ستون‌های فولادی متصل به Barge نصب می‌شد. Barge در محل موردنظر به ته آب می‌رفت و دکل حفاری و تجهیزات آن بیرون آب باقی می‌ماند. پس از آن، از سکوهایی استفاده شد که دارای پایه‌های عمودی بزرگی بود که نیروی شناوری لازم را به هنگام حرکت دادن مجموعه فراهم می‌نمود. این مجموعه هم در محل مورد نظر در آب فرو می‌رفت و عرشه و دکل حفاری بیرون از آب قرار می‌گرفت. این دکل‌ها که شبیه دکل‌های Submersible امروزی است، مقدمه‌ای برای ساخت Jack Upها به شمار می‌آید. دکل‌های بعدی یا همان Jack Up ها، از یک بدنه Barge مانند تشکیل شده بود که این بدنه به پایه‌های عمودی متصل می‌شد از استقرار در محل مورد نظر، پایه‌ها به کف دریا فرو می‌رفت و پس از رسیدن به کف دریا، بدنه روی پایه‌ها به سمت بالا حرکت می‌نمود و خارج از آب قرار می‌گرفت. این دکل‌ها امکان حفاری را در آب‌هایی تا عمق ft400 پدید آورد. باز هم استفاده از کشتی‌های جنگی باعث پیشرفت صنعت حفاری گردید. این بار تجهیزات حفاری روی عرشه‌ای به کناره بدنه کشتی متصل شد و کشتی که بعدها به Drill Ship معروف شد، به عنوان یک واحد حفاری متحرک مورد استفاده قرار گرفت. این کشتی، از سال 1953 مورد استفاده قرار گرفت و حفاری را تا اعماق 3000 فوتی امکان پذیر ساخت. با گذشت زمان و به منظور تسهیل فرآیند حفاری و پایدارتر شدن کشتی، کشتی‌هایی ساخته شد که در آن یک سوراخ (Moon pool) جهت انجام حفاری در وسط کشتی تعبیه شده بود و تجهیزات حفاری روی آن نصب می‌شد. امروزه این کشتی‌ها مجهز به سیستم‌های پیشرفته‌ای برای مقابله با حرکات ناشی از امواج آب (Motion Compensntor) سیستم‌های تنظیم موقعیت (Dynamic Positioning) و سیستم‌های ناوبری (Navigation) و... شده اند.
حساسیت این کشتی‌ها به شرایط آب و هوایی، باعث رواج دکل‌های Semisubmersible گردید. این دکل‌ها نیز منتج از دکل‌های Submersible بود، بدین صورت که استفاده از یک بدنه شناور (Buoyant)، این امکان را محقق ساخت که دکل حفاری به جای آن که در کف دریا بنشیند، روی دریا شناور بماند. این دکل‌ها امروزه برای حفاری در آب‌های عمیق، بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.
به موازات گسترش دکل‌های متحرک، دکل‌های ثابت نیز برای شرایط آب و هوایی سخت مثل دریای شمال که امکان استفاده از دکل‌های متحرک وجود نداشت، به کار گرفته شد. این دکل‌ها متشکل از سازه‌های بتونی یا فلزی بود که روی کف دریا می‌نشست و تجهیزات حفاری روی آن نصب می‌شد.
به علت هزینه زیاد دکل‌های ثابت و عدم امکان جابجایی سازه پرهزینه آن پس از اتمام حفاری، امروزه استفاده از این دکل‌ها تنها به شرایط آب و هوایی دشوار محدود میشود. در خلال سالیان گذشته، انواع دکل‌های حفاری بسته به شرایط محیطی محل حفاری ساخته شده و مورد استفاده قرار گرفته‌اند، اما دکل‌های گفته شده، رایج‌ترین و متداول‌ترین دکل‌های مورد استفاده میباشد. از طرفی، انواع دیگر دکل را میتوان جزئی از خانواده هر یک از دکل‌های مزبور قلمداد نمود.
1ـ2) تقسیم بندی دکل‌های حفاری
دکل‌های حفاری به خاطر تنوع مناطق نفت خیز در انواع گوناگونی یافت می‌شوند و در یک تقسیم بندی کلی به دو گروه تقسیم می‌شوند:
- دکل هایی که برای حفاری در خشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، با نام دکل‌های زمینی (Land Rigs) شناخته می‌شوند.
- دکل هایی که برای حفاری در آب مورد استفاده قرار می‌گیرند، دکل‌های دریایی (Offshore Rigs) نامیده می‌شوند.
دکل‌های دریایی، بسته به عمق آب و شرایط حفاری در دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند:
- دکل‌هایی که به نحوی روی کف دریا قرار داده می‌شوند (Bottom Support Rig) که خود به سه دسته تقسیم می‌شوند Fixed Platform, Jack Up, Submersible:
2- دکل‌هایی که روی آب شناور میباشند (Floating Rigs) که در دو نوع Semisubmersible و Drill Ship یافت می‌شوند.
شکل (1) به خوبی بیانگر نحوه تقسیم بندی دکل‌ها میباشد.
دانلودمقاله بررسی دکل های حفاری در صنایع نفت ( روش تحقیق )
