امکان سنجی ساخت ابزار مرتبط با حفاری جهت دار

حفاری جهت دار یا انحرافی به نوعی از حفاری می گویند که در آن مسیر چاه از مسیر از پیش طراحی شده و از حالت عمودی منحرف می شود. زمانی از این حفاری استفاه می شود که مسیر نهایی و نقطه شروع دارای فاصله جانبی باشد. از حفاری انحرافی به نام های دیگری مانند حفاری کج، مابل و هدایت شده یاد شده است. حفاری جهت دار برای اولین بار برای حفر چاه از ساحل به زیر دریا استفاده شد. هرگاه برای ایجاد محل استقرار دستگاه حفاری و آغاز حفر چاه موانع طبیعی، زمین شناسی، فنی و اقتصادی وجود داشته باشند می توان حفاری جهت دار را به عنوان راه حل، جایگزین استفاده کرد.

ضرورت و اهداف پژوهش

امروزه، با توجه به بالا بودن هزینه های جاری برای تولید و استخراج نفت و گاز، حفاری جهت دار به عنوان یک ضرورت، نقش مهمی ایفا می کند. در حالت کلی هرگاه موانعی سطحی مانند دریا، رودخانه و مناطق مسکونی برای حفر چاه ایجاد مشکل کنند از این روش استفاده می شود. در بعضی موارد مانند ایجاد جاده در مناطق کوهستانی و یا ایجاد سکوهای حفاری در دریا، برای صرفه جویی در هزینه ها، از این نوع حفاری استفاده می شود. مهم ترین خصوصیت این روش برای تولیدکنندگان، امکان برداشت از مخازنی است که برداشت آن ها ازنظر اقتصادی قبلا با روش دیگری امکان پذیر نبود. اغلب پروژه های حفاری توسط شرکت های خارجی با هزینه گزاف انجام می شود؛ بومی سازی این فناوری، باعث صرفه جویی ارزی خواهد شد. لذا هدف از مطالعه حاضر امکان سنجی ساخت تجهیزات حفاری جهت دار و بررسی اهمیت استراتژیک ساخت این ابزار است.

کاربرد فناوری حفاری جهت دار و زیر فناوری های مرتبط با آن

در این بخش کاربردهای گوناگون حفاری جهت دار موردبحث و بررسی قرار گرفته است.

• انحراف از مسیر اولیه: انحراف از مسیر اولیه، اولین روش برای حفاری جهت دار بود. هدف از این کار دور زدن و یا گذشتن از روی مانده های درون چاه بود. امروزه انحراف مایل بسیار متداول است و به عنوان مثال هنگامی که تغییرات پیش بینی شده در ساختار زمین شناسی مشاهده می شود از این روش استفاده می شود. گاهی اوقات به دلیل گیرکردن ابزار حفاری و بالا نیامدن آن و یا تصحیح عمق ورود به مخزن انتهای چاه را سیمان کرده و از کنار آن حفاری را ادامه می دهند این کار به دفعات در مخازن ایران انجام شده است؛
• مکان غیر قابل دسترسی: هنگامی که می بایست حفاری را زیر یک منطقه مسکونی شهر، فرودگاه، رودخانه و یا یک مسیر محیط زیست حساس انجام داد، لازم است که دستگاه حفاری را در مکانی دورتر از آن قرار داد. در این مواقع با حفر یک چاه جهت دار می توان به هدف دسترسی پیدا کرد؛
• حفاری افقی: در این کاربرد از روش حفاری جهت دار، جهت حفر چاه با زاویه حداکثر 90 درجه استفاده می شود و معمولا به منظور افزایش میزان تولید در چاه ها کاربرد دارد. طراحی و آماده سازی یک چاه جهت دار با مکان یابی هدف مورد نظر و استقرار دکل حفاری شروع می شود. مکان هدف معمولا به شکل کره ای که مرکز آن محل ضربه است، مشخص می شود.

وضعیت کنونی بازار و پیش بینی بازار آینده محصول و زیر فناوری ها

طبق آمار جهانی، اندازه بازار خدمات حفاری جهت دار در سال 2016 معادل 8.3 میلیارد دلار بوده است که با نرخ رشد مرکب سالانه معادل 4.34 درصد، به 10.3 میلیارد دلار در سال 2021 رسیده است. افزایش نیاز به انرژی و توسعه و کشف میادین نفت و گاز جدید از مهم ترین عوامل رشد بازار این محصول و خدمات مربوط به آن هستند.

ازنظر کاربرد، حفاری در خشکی سهم بیشتری از بازار نسبت به حفاری در دریا را به خود اختصاص داده است. بیشترین نرخ رشد مرکب سالانه ازنظر نوع فناوری نیز به موتورهای قابل هدایت اختصاص دارد و دلیل آن نیز فرمان پذیری از راه دور، کاهش زمان حفاری و ایجاد چاه صاف تر است. اندازه گیری حین حفاری نیز به دلیل پایش مستمر وضعیت چاه بیشترین نرخ رشد مرکب سالانه را نسبت به نوع خدمت را داراست.

اهمیت استراتژیک ساخت ابزارهای مرتبط با حفاری جهت دار و تعیین مراحل پروژه

ازآنجاکه اغلب پروژه های حفاری به صورت پیمانکاری بوده و در سال های قبل بسیاری از این پروژه ها توسط شرکت های خارجی همچون شلمبرژه با هزینه های گزاف انجام می شد، بومی سازی و عملیاتی کردن این فناوری، به میزان قابل توجهی صرفه جویی ارزی سالانه خواهد داشت. بعد از اعمال تحریم سرمایه گذاری شرکت ها در میادین نفتی از سمت آمریکا و خروج شرکت های خارجی نظیر توتال، هالیبرتون و شلومبرژه از ایران، اهمیت مدیریت، ارائه خدمات و عملیات بومی دوچندان شده است. همچنین با ارائه خدمات فنی و مهندسی نظیر نظارت، تعمیر و نگهداری، مشاوره و اجرا به سایر کشورها نیز امکان ارزآوری وجود خواهد داشت.

تعیین محدوده پروژه مراحل انجام و شرح فعالیت های آن و ساختار شکست کار

با توجه به شرایط عملیاتی کاربرد این تجهیزات که میادین نفت و گاز کشور ایران هستند، لازم است که تجهیزات حفاری جهت دار قابلیت تحمل فشار 17.5 هزار پام و دمای 150 درجه سانتی گراد و امکان فعالیت تا عمق 5 هزار متری از سطح دریا را داشته باشند. قطر قابل حفاری در این پروژه بین 7 تا 10 اینچ خواهد بود. به منظور تائید عملکرد تجهیزات، این تجهیزات باید به مدت 30 روز قابلیت کار بدون شکست را داشته باشند. تعمیرات حین حفاری مشمول این زمان نیست.

به منظور اجرای پروژه 9 مرحله اصلی باید اجرا شود. این مراحل شامل موارد زیر است:

• مطالعه کتابخانه ای، مستندسازی دانش و تهیه گام نمای پروژه: در این مرحله شرکت یا شرکت های انتخاب شده در مناقصه فرصت دارند تا با بررسی اسناد موجود و مطالعات کتابخانه ای آخرین اطلاعات و دانش به روز شده در حوزه طراحی و ساخت تجهیزات حفاری درون چاهی را مطالعه و مستند کنند. در این مرحله لازم است تا یک مدل پایه از طراحی و خصوصیات فنی شش ابزار اصلی حفاری جهت دار تدوین شود؛
• ساخت ابزار اندازه گیری حین حفاری: ابزار اندازه گیری حین حفاری یک قطعه الکترومغناطیسی است که باید پارامترهای مختلف حین حفاری مانند وزن روی مته، دبی گل، سرعت چرخش موتور، دما و فشار عملیاتی و سایر پارامترهای موثر در حفاری را اندازه گیری کند. این ابزار می تواند به دو صورت ساخت قطعات یا تامین تجهیزات تهیه شود. همچنین نوع اندازه گیری این داده ها و ارسال آن توسط سیستم انتقال پیام باید مشخص شود؛
• ساخت ابزار نمودارگیری حین حفاری: ابزارهای نمودارگیری حین حفاری در حال حاضر در انواع مختلف و با اهداف مختلف وجود دارند که بخش زیادی از این ابزارها در داخل کشور بومی سازی شده است. نکته مهم در این مرحله ساخت ابزارهای نمودارگیری است که با رویکرد حفاری جهت دار به منظور شناسایی لایه های اطراف دیواره چاه استفاده می شود؛ لذا نیاز به به‌روزرسانی دانش فنی و انطباق آن با این کاربرد وجود دارد؛
• ساخت ابزار انتقال داده مغناطیسی یا کابل گذاری لوله حفاری: انتخاب فناوری مناسب جهت انتقال داده های دو سیستم نمونه گیری و اندازه گیری حین حفاری بخش مهمی از این پروژه است. این سیستم انتقال داده ضمن ارسال داده های حین حفاری، کار ارسال پیام های کنترلی به سیستم هدایتگر چرخشی را انجام می دهد. این سیستم می تواند به صورت ساخت یا تامین تجهیزات تهیه شود. این بخش از پروژه نیاز به هماهنگی با سه بخش ثبت داده، نرم افزار تحلیل داده و سیستم هدایتگر چرخشی دارد؛
• ساخت نرم افزار تحلیل داده های حفاری و کنترل عملیات موتور حفاری: این نرم افزار دو فعالیت همزمان بر عهده دارد. الف) تفسیر داده های ثبت شده حین حفاری، ب) کنترل عملیات حفاری و ابزار هدایتگر چرخشی و موتور حفاری. این بخش نیاز به دانش عمیق تفسیر داده های نمودارگیری و همچنین تسلط بر برنامه نویسی و توسعه نرم افزار است؛
• ساخت ابزار هدایت دورانی: مهم ترین زیر فناوری در بین مراحل ساخت تجهیزات مرحله ساخت ابزار هدایتگر دورانی است. این ابزار باید جهت حفاری موتور حفاری را با توجه به دستورات ارسالی از نرم افزار تنظیم کند. با توجه به دو فناوری موجود رانش مته و تمرکز مته، انتخاب فناوری مناسب نیازمند بررسی دقیق تر شرایط حفاری در ایران و جمع بندی تجارب حفاری جهت دار کشور است؛
• ساخت موتور یا توربین حفاری جهت دار: ازآنجاکه در حفاری جهت دار امکان چرخش مته با استفاده از سیستم میز دورانی دکل وجود ندارد؛ لذا دوران مته حفاری توسط موتور حفاری انجام می شود. همانند مرحله قبل در این مرحله نیز امکان استفاده از دو فناوری توربین یا موتور وجود دارد که انتخاب فناوری مناسب نیازمند بررسی دقیق تر شرایط حفاری در ایران و جمع بندی تجارب حفاری جهت دار کشور است؛
• ساخت یا تامین تجهیزات جانبی و پیش بینی نشده: عملیات حفاری ترکیبی از ده ها زیرسیستم مجزا و مرتبط است که تغییرات در یکی از این زیرسیستم ها ممکن است که نیازمند تغییر در زیرسیستم های جانبی باشد. ازآنجاکه در این تحقیق اولویت با ساخت تجهیزات مرتبط با حفاری جهت دار است، درصورتی که نیاز به برخی اصلاحات در سیستم های جانبی مانند سیستم گردش گل، سیستم بالابری، سیستم رشته حفاری و غیره وجود داشته باشد، این تغییرات در قالب یک مرحله مجزا در پروژه گنجانده شده است. لذا شرکت های انتخاب شده برای اجرای این قرارداد لازم است تا فهرستی از این اصلاحات و تجهیزات جانبی تهیه کنند تا در صورت لزوم حین اجرای پروژه مراحل ساخت و تامین آن ها انجام شود.
• آزمایش پایلوت و اصلاح تجهیزات: در این پروژه ساخت سه تجهیز مجزای حفاری جهت دار هدف گذاری شده است. کارایی تجهیزات ساخته شده باید طی چند مرحله آزمایشگاهی، پایلوت و میدانی آزمایش شود و همچنین تمامی تجهیزات مرتبط با آن از نظر عملکردی برای تحمل شرایط عملیاتی، استاندارد لازم را کسب کنند. همچنین برای مدت یک ماه قابلیت آزمایش میدانی بدون خطا را داشته باشند. بدیهی است اجرای چنین عملیاتی نیازمند استفاده از دکل حفاری و قرار گرفتن در شرایط عملیاتی است. پس از انجام این مرحله و تائید عملکرد تجهیزات مراحل اجرای پروژه به پایان می رسد.

جمع‌بندی

حفاری جهت دار نوعی از حفاری است که در آن مسیر از حالت عمودی منحرف می شود. ازآنجاکه در ایران اغلب پروژه های حفاری توسط شرکت های خارجی با هزینه گزاف انجام می شود؛ بومی سازی این فناوری، باعث صرفه جویی ارزی خواهد شد. از همین رو پژوهش حاضر به امکان سنجی ساخت تجهیزات مرتبط با حفاری جهت دار در کشور پرداخت. به منظور اجرای پروژه 9 مرحله اصلی باید اجرا شود که عبارتند از: مطالعه کتابخانه ای، مستندسازی دانش و تهیه گام نمای پروژه، ساخت ابزار اندازه گیری حین حفاری، ساخت ابزار نمودارگیری حین حفاری، ساخت ابزار انتقال داده مغناطیسی یا کابل گذاری لوله حفاری، ساخت نرم افزار تحلیل داده های حفاری و کنترل عملیات موتور حفاری، ساخت ابزار هدایت دورانی، ساخت موتور یا توربین حفاری جهت دار، ساخت یا تامین تجهیزات جانبی و پیش بینی نشده، آزمایش پایلوت و اصلاح تجهیزات.

این مطالعه در مرکز توسعه پایدار انرژی (پایا) توسط مهدی طبیب نژاد عزیزی و به سفارش معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش بنیان ریاست جمهوری در سال 1401 انجام شده ‌است.