+963-11-9247 phone

الحفر تحت التوازن -Underbalanced Drilling-

  • تمهيد:
  • مع زيادة عمق الآبار تنخفض مؤشرات الحفر وتتباين سرعة الحفر من عمق 1000 m حتى 5000 m حوالي 25 مرة والسبب الأساسي برأي العديد من الباحثين يعود إلى تغير الظروف القاعية لتحطيم الصخر مع ازدياد العمق

    إن تحديد بعض أهم الأسباب المؤدية لانخفاض سرعة الحفر يسهل البحث عن طرق تحسينها ويساعد في اختيار طريقة او شروط الحفر التي تضمن الحصول على مؤشرات حفر مثلى تنعكس بالضرورة على مبررات واهداف الحفر التقنية والاقتصادية

    المسح المرجعي لموضوع العوامل المؤثرة على سرعة الحفرقد أظهر ارتباط هذا المؤشر بعدد كبير جدا من المتغيرات نذكر منها : الضغط الصخري ( P G ) و الضغط الطبقي ( P f ) والضغط االانطباقي ( P y ) ، والضغط الكلي على قاع البئر ( P c ) و فارق الضغط التفاضلي بين الطبقة والبئر P D ، اضافة الى مؤشرات نظام الحفر( عدد الدورات N ، الحمل على راس الحفر GD ، غزارة الضخ (Q، وكذلك نوعية سائل الحفر وعدد فالات رأس الحفر وقطرها وديناميكية عمل هذا الأخير .....الخ

    وتركز اهتمام الباحثين على دراسة الظروف القاعية على مؤشرات عمل رأس الحفر لارتباطها المباشر بمؤشرات عمل رأس الحفر

    ولعل أهم النتائج التي يمكننا استخلاصها من هذه الدراسات هي :

    • السرعة الميكانيكية للحفر V m غير مرتبطة بالضغط الصخري ( P G ) .
    • السرعة الميكانيكية للحفر ترتبط بـ DP والضغط الهيدروستاتيكي ( P st) .
    • السرعة الميكانيكية للحفر ترتبط فقط بـ D P حيث أنه بزيادة D P فإن مؤشرات الحفر تقل وتحدث شدة الهبوط لـ ( V m ) في المجال) ( 1,4 – 5,6Mpa وتستقر بعدها .
    • مع زيادة القيم السالبة لـ D P فإن السرعة الميكانيكية للحفر تزداد .
    • مع زيادة الحمل على رأس الحفر ( G ) تزداد حساسية ( V m ) لتغير DP

    بيد أنه من الصعب حتى تاريخه إيجاد علاقة مؤكدة بين سرعة الحفر وفارق الضغط التفاضلي V m = f (D Pc ) يمكن اعتمادها كنموذج يمكن تعميمه ، كما لا يمكن صياغة رأي موحد عن طبيعة تأثير ضغط قاع البئر وفارق الضغط التفاضلي على آلية تحطم الصخر التي تعكس بالنهاية مؤشرات عمل رأس الحفر .

  • تعريف الحفر تحت التوازن (Underbalanced Drilling):
  • وهو احدى تقنيات الحفرالتي يتم تامين شرط المحافظة على الضغط على قاع البئر (PC) أقل من الضغط الطبقي عند قعرالبئر(Pf) . حيث أنه من المعروف في الحفر التقليدي (Overbalanc ) أن الضغط عند قعر البئر PC أثناء الحفر ينشأ من عدة عوامل :

    • الضغط الهيدروستاتيكيPS للمواد الموجودة بالبئر الناتج عن كثافة سائل الحفر المستخدم ، مضافا اليه الضغط الناتج عن زيادة الكثافة التي تساهم بها نواتج الحفر المشبع بها أثناء صعوده في الفراغ الحلقي.
    • ضغط الضخ والذي يختار للتغلب على الضغط الضائع بالإحتكاك الناتج عن حركة سائل الحفر في جميع عناصردورته البئرية الجوفيه والسطحية .
    • الضغط الهيدروديناميكي المحتمل حدوثه اثناء الحفر ( بسبب الاهتزازات في أجزاء مجموعة مواسير الحفر الملتصقة بصخور جذع أو راس الحفر على قاع البئر).

    كما أن الضغط عند قعر البئر في الحفر تحت التوازن PC مكون من العوامل السابقة الذكر حيث أن الضغط الهيدروستاتيكي لسائل الحفرPS في الحفر تحت المتوازن يمكن أن يكون طبيعيا(إستخدام سائل حفر متجانس ذو وزن نوعي قليل أقل من ضغط الطبقة) ، أ و يمكن أن يكون مهوى حيث يمكن أن نتحكم بوزنه النوعي بحقن طور غازي ( غاز طبيعي أو نتروجين أو هواء ) إلى الطور السائل .

    وفي كلتا الحالتين فان طريقة الحفر تحت التوازن تتم بوجود اندفاع لسوائل الطبقة والتي يتم التحكم بها على السطح.

    وفي الشكل (1) نلاحظ أنه في الحفر تحت التوازن عند دوران سائل الحفر في البئر وبسبب الضغط الهيدروستاتيكي المنخفض لا تتشكل كعكة الحفر ، و لا يحدث ارتشاح لسائل الحفر ضمن الطبقة المنتجة ولا تدخل الحبيبات الصلبة الى الطبقة وبالتالي لن تتشكل حول جذع البئر نطاقات قاعيةتتباين في خواصها الفيزيائية، وهذا يساعد في تحسين إنتاجية الطبقة وتسهيل إحياؤها وتقليل مشاكل حفرها، مقارنة بالحفر التقليدي .

    الشكل (1) :مقارنة بين دورة سائل الحفر في حالة الحفر التقليدي و تحت التوازن

  • مزايا طريقة الحفر يشروط تحت التوازن(UBD) :
  • تهدف طريقة الحفر تحت التوازن إلى تحسين سرعة الحفر بالمقارنة مع طريقة الحفر التقليدي وتحسين انتاجية التشكيلات النفطية والغازية ، ولا سيما الطبقات ذات الخواص الخزنية السيئة والأشد تأثرا بسوائل الحفر والاسمنت. اضافة الى ان تطبيق هذه الطريقة عمليا خفف الى حد كبير من المشاكل المرافقة لعمليات الحفر كالتهريب والالتصاق والمشاكل الناجمه عن ارتشاح سوائل الحفر ذات الأساس المائي .

    وقد تميزت طريقة الحفر تحت المتوازن عمليا بالمحاسن التالية:

    • زيادة السرعة الميكانيكية للحفر.
    • إمكانية توفير مرحلة تغليف أو أكثر.
    • الحد من تخريب الطبقة المنتجة وزيادة انتاجيتها.
    • إزالة خطر الالتصاقات المختلفة.
    • التقليل من خطر تهريب سائل الحفر.
    • تقليل الحمل المطلوب على الدقاق.
    • تقليل حجم الفتات وبالتالي زيادة قدرة التنظيف.
    • زيادة عمر الدقاق وتقليل عدد عمليات الرفع والتنزيل.
    • تقليل كلفة سوائل الحفر.
    • الانتاج والبيع المسبق للنفط والغاز.

    وبالمقابل ترافق تطبيق الحفر تحت المتوازن ببعض العيوب (أو المشاكل) الهامه نذكر ماعرف منها حتى الآن:

    • تقليل ثبوتية جدران البئر.
    • زيادة كلفة الحفر ( اعتماداً على النظام المستخدم ).
    • صعوبة التأقلم مع نظام القياس التقليدي أثناء الحفر ( MWD ).
    • خطورة تصريف ناتج الحفر في الآبار الأفقية.
    • تفتت ميكانيكي محتمل للمنطقة المجاورة للبئر.
    • الأوضاع الغير مستمرة للحفر المتوازن ( متقطع ).
    • قوى الشد والفتل الزائدة.
    • الخطر الكبير للإندفاع.

     

  • المعدات المستخدمة في الحفر تحت المتوازن (UBD-Equipments):
  • تعرفنا فيما سبق على الشروط التي يتحقق عندها الحفر تحت المتوازن( UBD ) والتي تتضمن وجود ضغط في قاع البئر أقل من ضغط الطبقة الأمر الذي يجعل الظروف الهيدروميكانيكية في البئر تختلف تماماً عن ظروف البئر في الحفر العادي .

    هذه الظروف الجديدة التي توضع البئر فيها استدعت الحاجة إلى وجود معدات نوعية جديدة غير مألوفة في الحفر العادي .

    وتتنوع هذه المعدات حسب الغرض منها . فمنها معدات لوضع البئر في شروط تحت التوازن ( كمولدات الغاز ، الضواغط ، معدات خلط السائل مع الغاز , … ) , ومعدات أخرى للتعامل مع الحالة الجديدة , ( كأخذ العينات ، نظام الدفع والسحب الآلي ، فواصل … ) , ومعدات تحقيق الأمان الكافي كون خطر الاندفاع أصبح هنا أكثر إحتمالاً ( مانع الاندفاع الدوار، مجموعة الخنق والتوجيه ، وصلات خنق ، … ) .

    كما استدعت الحالة الجديدة في البئر في المقابل إلى عدم الحاجة إلى بعض المعدات المستخدمة في الحفر العادي , وذلك لزوال السبب الذي استدعى إستخدامها. نذكر مثالاً لها مواسير الحفر المحلزنة والتي تستخدم في الحفر العادي والتي لها أخدود مستمر على شكل حلزوني بطول الأنبوبة على سطحها الخارجي . الهدف من وجوده هو إيجاد حيز بين جدار البئر وجسم الأنبوب وتقليل مساحة التماس بين الأنبوب وجدران البئر ، مما يقلل احتمالات الالتصاق للمواسير بجدار البئر نتيجة فرق الضغط ، هذه النوع من المواسير لاحاجة لإستخدامه في الحفر UBD لأن مشكلة الالتصاق أصبحت محلولة لأن فرق الضغط في الحفر UBD انعكس اتجاهه بإتجاه تحرير المواسير من الإلتصاق .

    سوف نستعرض في هذا الفصل أهم المعدات المستخدمة في الحفر UBD مع شرح مفصل لبعضها والاكتفاء بمبدأ عمل البعض الآخر، ولتسهيل الدراسة يمكن تقسيمها إلى قسمين : آ - المعدات الجوفية . ب -المعدات السطحية .

    • المعدات الجوفية :

      هي المعدات التي تكون موجودة في البئر أثناء الحفر وهي مجموعة مواسير الحفر. يمكن إستخدام مجموعة الحفر العادية في عمليات الحفر UBD . وهنا لا بد من إزالة الأجزاء التي يمكن أن تسبب مشاكل مثل المواسير المحلزنة . بشكل عام مجموعة الحفر يجب أن تتمتع بخصائص معينة لتلائم العمل في بيئة الحفر UBD ، فالوصلات المستخدمة في ربط المواسير يجب أن تكون ملساء وكذلك جدار المواسير وذلك حتى لاتحطم القطع الكاوتشوكية التي تحكم الإغلاق عليها ، كما أن معدات فك وربط المواسير يجب أن تكون مصممة بحيث لاتسبب تشوهات على سطح الماسورة الخارجي حيث تمزق الكاوتشوك . كثيراً من عمليات الحفر بطريقة UBD الحديثة نُفذّت بتكاليف ضخمة جداً أو يعود السبب الرئيسي لزيادة تكاليفها هو تخرب المواسير أو تخرب الغشاء البلاستيكي الداخلي بالإضافة إلى أن القشرة الداخلية المغلفة للمواسير سوف تسقط عندما تتعرض لسائل حفر ذو طورين ( سائل ، غاز ) ويمكن أن تؤدي إلى سد صمامات عدم الرجوع أو تلويث المحرك الجوفي ، لذلك يجب أن تجرى عمليات صيانة وتفقد للتقليل من إمكانية الفشل .

    • :المعدات السطحية :

      يمكن تقسيم المعدات السطحية الإضافية المستخدمة في الحفر تحت المتوازنUBD إلى أربعة أقسام رئيسة وهي كالتالي :

      • معدات توليد الغاز .
      • معدات التحكم بالبئر .
      • معدات الفصل السطحية .
      • معدات مساعدة

     

  • تكنولوجيا تطبيق طريقة الحفر بشروط التوازن( Underbalanced Drilling Technique Selection of ):
    • تحديد كثافة سائل الحفر:

      في الحفر التقليدي نختار الوزن النوعي لسائل الحفر بحيث يكون الضغط الهيدروستاتيكي لهذا السائل عند قعر البئر أعلى من ضغط الطبقة بحدود PSI ( 200–1000) .

      أما في شروط الحفر تحت المتوازن عادة يتم اختيار الوزن النوعي لسائل الحفر بحيث يكون الضغط الهيدروستاتيكي لهذا السائل عند قعر البئر أقل من ضغط الطبقة بحدود PSI ( 100– ( 200 .

      والمجال السابق يفيد في تحديد نقطة البداية لأختيارخواص سائل الحفر , و بشكل خاص تحديد الوزن النوعي لسائل الحفر . إن الوزن النوعي المختار و الذي يحقق ضغط هيدروستاتيكي عند قعر البئر ضمن المجال المذكور أعلاه ليس بالقيمة النهائية التي سوف تعتمد في عملية الحفر أذ يمكن أن يجرى تعديل لهذه القيمة أثناء الحفر حتى تتحقق حالة تحت التوازن في قعر البئر.

      يتم تعديل كثافة سائل الحفر اعتماداً على الإنتاجية المتوقعة للطبقة. فعند تخفبض فارق الضغط بين الطبقة والبئر إلى 200 PSI , وخلال الحفر ر (مع وجود إنتاج ) يمكن أن تكون هذه القيمة ليست كافية لتحقيق شروط تحت التوازن وإن الحفر يمكن أن يكون متوازن أو فوق التوازن أثناء دوران سائل الحفر ، في هذه الحالة فإن الوزن النوعي لسائل الحفر يجب تعديله .

      وتجدر الاشارة هنا الى أن الضغط الهيدروستاتيكي عند قاع البئر image أقل دائما من الضغط الهيدروديناميكي عند قاع البئر image ( تتساوى القيمتان عند توقف دوران سائل الحفر وماسير الحفر).

    • اختيار نوع سوائل الحفر تحت المتوازن :

      إن الأختيار الصحيح لسائل الحفر المستخدم في الحفرتحت التوازن يعتبر المفتاح في عمليات الحفر تحت التوازن

    • مجالات تطبيق طريقة الحفر تحت المتوازن:

      قبل اقرار تطبيق طريقة الحفر المتوازن فإن كمية كبيرة من الدراسات يجب ان تتوفر عن التشكيلات المنتجة التي سيتم حفرها بهذه الشروط .

      • تحديد الضغط الطبقي بدقة كافية لتقدير كثافة سائل الحفر التي يمكنها تأمين شروط التوازن بين ضغط الطبقة وضغط قاع البئر.
      • معرفة الخواص الخزنية للتشكيلات المنتجة لتقييم مدى تحسين الانتاجية الذي سوف يحققه تطبيق شروط الحفر المتوازن .
      • تحديد نوعية الصخور المتوقع عبورها بالحفر لاختيار نوع رأس الحفر المناسب وريجيم الحفر.

      بعض الطبقات مناسبة لعملية الحفر المتوازن وبالنتيجة يحدث تحسين لإستثمار الطبقة، وبالمقابل هناك طبقات أوتشكيلات يمكن أن لاتكون مناسبة لشروط الحفر المتوازن .

      • التشكيلات المقترحة لتطبيق طريقة الحفر تحت المتوازن:
        • الطبقات التي تعاني من أضرار رئيسية أثناء إتمام عملية الحفر .
        • الطبقات التي عادة لها ميل كبير لحدوث الالتصاقات وفقدان المواسير ( مناطق غضارية ) .
        • الطبقات التي تكون فيها مناطق ذات فقدان عالي لدورة سائل الحفر أو يكون فيها غزو كبير .
        • الطبقات ذات الشقوق أو الكسور الميكروسكوبية الكبيرة .
        • الآبار ذات التباين الكبير في النفوذية والمسامية أو ذات التداخلات الكبيرة .
        • الطبقات ذات الإنتاجية العالية مع نفوذية متوسطة
        • الطبقات ذات الصخور الحساسة لسوائل الحفر وراشحه
        • الطبقات المشبعة بموائع تتأئر بسوائل الحفر وراشحه.
        • الطبقات التي تكون نسبة الاختراقات ( ROP) قليلة عند حفرها بشروط الحفر العادي
      • التشكيلات و الآبار التي لا يقترح حفرها بطريقة الحفر تحت المتوازن:
        • الآبار التي تكون تكلفتها قليلة جداً عند حفرها بشروط الحفر العاديولا سيما غير العميقة
        • االطبقات ذات النفوذية المنخفضة جداً والتي اظهرت صعوبة الاحياء (بسبب التلوث)
        • االتشكيلات ذات الجدران قليلة الثباتية والقابلة للزحف اللدن .
        • التشكيلات ضعيفة الملاط وكبيرة السماكة
        • الآبار التي تحتوي على مناطق متعددة ذات تباين في الضغط .