حفاری افقی و جهت دار در چاه های نفت و گاز

چرا چاه هایی حفر می گردند که غیر عمودی اند؟

حفاری جهت دار و افقی برای رسیدن به اهدافی در زیر زمین های مجاور، کاهش اثرات حاصل از توسعه میادین نفتی، " افزایش منطقه تولید کننده " (pay zone)" در یک چاه، قطع حساب شده شکستگی ها، احداث چاه های فشارشکن و نصب سرویس های کاربردی زیر زمینی در جاهایی که حفاری در آنها ناممکن یا به شدت گرانبها است، مورد استفاده قرار گرفته اند.

در ادامه به صورتی تصویری، شش دلیل حفاری چاه های غیر افقی (non-vertical) آمده است.

1- حصول اهدافی که با حفاری عمودی بدست نمی آیند

برخی اوقات یک مخزن در زیر شهر یا پارکی واقع گردیده که درآنجا حفاری یا ناممکن و یا ممنوع می باشد. امکان بهره برداری از این مخزن همچنان وجود خواهد داشت اگر که سکو یا بالشتک حفاری (drilling pad) در حاشیه شهر یا پارک برپاگردیده و چاه با زاویه ای حفاری گردد که مخزن را قطع نماید.

حفاری جهت دار می تواند جهت حصول اهدافی که نمی توان آنها را بوسیله حفرچاه عمودی بدست آورد، مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال با اینکه ممکن است کسب مجوز حفاری در منطقه ای مسکونی یا در میان پارک امکانپذیر نباشد اما می توان چاه را در خارج از منطقه مسکونی یا پارک حفر نمود و سپس آنرا برای رسیدن به هدف، هدایت نمود.

2- تخلیه محدوده ای وسیع تنها از یک سکوی حفاری

این روش، برای کاهش اثرات سطحی حاصل از یک عملیات حفاری مورد استفاده قرار گرفته است. در سال 2010، در اخبار اعلام گردید که دانشگاه تگزاس آرلینگتون، 22 حلقه چاه را در تنها یک سکو یا بالشتک حفاری حفر کرده وگازطبیعی را از محدوده ای در حدود 1100 آکر]Acre: واحد اندازه گيرى زمين معادل 4047 مترمربع[ در زیر محوطه، تخلیه خواهند نمود. با طول عمری بیش از 25 سال برای هر حلقه چاه، انتظار می رود که این چاه ها مجموعاً 3 میلیارد متر مکعب (110 میلیارد فیت مکعب) گاز طبیعی تولید نمایند. این روش به گونه ای چشمگیر اثرات ناشی از توسعه حفاری گازطبیعی در منطقه حفاری را کاهش داد.

یک سکو یا بالشتک حفاری (drilling pad) می تواند برای حفر مجموعه ای از چاه ها مورد استفاده قرار گیرد که همین امر اثرات باقی مانده ازعملیات حفاری را کاهش می دهد. در سال 2010 دانشگاه تگزاس واقع در آرلینگتون، 22 چاه را تنها در یک سکو حفاری نمود. این چاه ها درحال تخلیه گازهای طبیعی از حدود 1100 آکر]Acre: واحد اندازه گيرى زمين معادل 4047 مترمربع[ در زیر محوطه هستند. با طول عمری بیش از 25 سال برای هر حلقه چاه، انتظار می رود که این چاه ها مجموعاً 3 میلیارد متر مکعب (110 میلیارد فیت مکعب) گاز طبیعی تولید خواهند نمود. راه دیگر، حفاری چاه های متعددی است که هر یک نیازمند یک سکو یا بالشتک حفاری، استخر (Pond) ، جاده دسترسی و خطوط لوله جمع آوری (gathering line) می باشند.

3- افزایش طول "منطقه تولید کننده" (pay zone) درون واحد سنگی هدف

با اینکه اگر چاهی به صورت عمودی در یک واحد سنگی به ضخامت 15 متر حفر گردد، "منطقه تولید کننده"(pay zone) ایبهطول 15 متر خواهد داشت اما اگر چاه چرخانده و به صورت افقی در این واحد سنگی، به طول 150 متر حفاری گردد آنگاه همان چاه به تنهایی می تواند منطقه تولید کننده داشته باشد که 150 متر طول دارد و همین امر سبب افزایش چشمگیر تولید چاه خواهد شد.هنگامیکه حفاری افقی با فرآیند شکست هیدرولیکی همراه گردد می تواند شیل های غیرمولد را به سنگ های مخزنی باورنکردنی مبدل سازد.

اگر یک چاه عمودی در یک سنگ ذخیره با ضخامت 15 متر حفاری گردد، گازطبیعی یا نفت می توانند از میان 15 متر طولی که "منطقه تولید کننده" (pay zone) دارد به درون چاه نشت نمایند. با اینهمه اگر چاه به حالت افقی درآید (یا شیب مشابه واحد سنگی) و در میان آن واحد سنگی حفر گردد، مسافت نفوذ به درون منطقه تولید کنندهبسیار بیشتر خواهد شد. برخی چاه های افقی بیش از یک و نیم کیلومتر نفوذ به منطقه تولید کنندهدارند.

4- بهبود بخشیدن به بهره وری چاه ها در یک مخزن دارای شکستگی

این بهبود بخشی، بوسیله حفاری در مسیری که شمار حداکثری از شکستگی ها را قطع نماید، انجام می پذیرد. مسیر حفاری معمولاً در زوایایی قائم بر مسیر عالب شکستگی خواهد بود. میادین ژئوترمالی در سنگ بسترهای گرانیتی معمولاً نزدیک به همه تبادل آبشان را از شکستگی ها انجام می دهند. حفاری در زوایایی قائم بر برای مسیر غالب شکستگی ها، چاه را از میان شمار حداکثری از شکستگی ها پیش خواهد راند.

در برخی از مخازن اغلب فضاهای تخلخل به شکل شکستگی ها وجود دارند. چاه های موفق، برای داشتن جریانی از گازطبیعی به درون چاه، باید در شکستگی ها نفوذ کنند. در بسیاری از مناطق جغرافیایی یک مسیر شکست غالب وجود دارد که در امتداد آن اغلب شکستگی های همراستا می شوند. اگر چاهی عمود بر صفحه این شکستگی ها حفر شود آنگاه تعداد حداکثری از شکستگی ها مورد نفوذ قرار خواهند گرفت.

5- مهر و موم کردن یا کاستن از فشار یک چاه " از کنترل خارج شده"

اگرچاهی از کنترل خارج شده باشد می توان یک "چاه فشارشکن" (relief well) را جهت برای قطع نمودن آن حفاری نمود. چاه قطع کننده یا برای مهر و موم نمودن چاه اصلی یا جهت کاستن از فشار در چاه "ازکنترل خارج شده" مورد استفاده قرار گیرد.

اگر چاهی مشکلی داشته و شروع به جریان خارج از کنترل نماید، باید در عمق مهر و موم شده (sealed) یا اینکه باید از فشار آن کاسته شود. در این موقعیت یک "چاه فشارشکن" (relief well) می تواند از یک سایت حفاری مجاور حفاری گردد. این چاه فشارشکن، چاهی است که به گونه ای جهت دارحفاری شده تا اینکه دهانه چاه مشکل دار را جهت تخلیه مقداری از فشار یا برای مسدود کردن چاه بوسیله پمپاژ نمودن سیمان به درون دهانه چاه، قطع نماید

6- نصب تاسیسات زیرزمینی در جایی که حفاری امکانپذیر نمی باشد.

حفاری افقی جهت نصب خطوط الکتریسیته و گاز که باید از یک رودخانه، یک جاده یا از زیر یک شهر بگذرند، بکار گرفته شده است.

خطوط خدمات شهری مانند آنهایی که الکتریسیته ، آب یا گاز را انتقال می دهند گهگاهی بوسیله حفاری جهت دار نصب می گردند. این روش هنگامی مورد استفاده قرار می گیرد که چنین خطوطی باید از جاده ای یعنی جایی که حفاری حمل و نقل را مختل نموده، از روی رودخانه یعنی جایی که حفاری ناممکن است یا از سرتاسرمحله ای که راه اندازی سطحی بواسطه حفاری بسیار پرهزینه و ویران کننده خواهد بود، گذر نماید.

واحدهای سنگی ای که بیشترین بهره را از حفاری افقی می برند

چاه های عمودی می توانند به نحوی موثر واحد های سنگی با نفوذپذیری بسیار بالارا تخلیه نمایند. سیالات در این واحدهای سنگی می توانند به سرعت و بگونه ای موثر به درون یک چاه در سرتاسر مسیری طولانی جریان یابند.

با اینهمه، جائیکه نفوذپذیری بسیار پائین باشد، سیالات ازمیان سنگ ها بسیار کند حرکت کرده و مسافتی طولانی را برای رسیدن به دهانه چاه نمی پیمایند. حفاری افقی می تواند باردهی در سنگ های با نفوذپذیری پائین را بوسیله آوردن دهانه چاه (well bore) بسیار نزدیکتر به منبع سیال افزایش دهد.

حفاری افقی و شکست هیدرولیکی در شیل ها

شاید مهمترین نقشی که حفاری افقی ایفا می نماید نقش آن در توسعه پِلی های^* شیلی گازطبیعی می باشد. این واحدهای سنگی با نفوذپذیری پائین حاوی مقادیر قابل توجهی از گاز طبیعی بوده و در زیر بخش های وسیعی از آمریکای شمالی حضوردارند.

* پِلی نفتی یا پِلی (Petroleum Play) گروهی از میادین نفتی در یک منطقه اند که بوسیله رویدادهای زمین شناسانه مشابهی کنترل می گردند.

شیل بارنِت در ایالت تگزاس، شیل فِیتِویل (Fayetteville) در آرکانزاس، شیل هاینسویل (Haynesville) در لوئیزیانا و تگزاس و شیل مارسِلوس در حوضه آپالاشین نمونه هایی از این دستند. در این واحدهای سنگی، چالش "یافتن مخزن" نیست بلکه بازیابی گاز از فضایی متخلخل بسیار کوچک در یک واحد سنگی با نفوذپذیری پائین می باشد.

برای تحریک باردهی چاه ها در شیل های غنی از مواد آلی (organic-rich)، شرکت ها در واحدسنگی، حفاری افقی انجام داده و سپس شکستگی هیدرولیکی را جهت ایجاد نفوذپذیری مصنوعی (artificial permeability) که بوسیله حائل شدن ماسه شکسته (frac sand) ایجاد می شود را بکار می بندند. انجام حفاری افقی و شکست هیدرولیکی به صورت همزمان می تواند یک چاه حاصلخیز را ایجاد نماید درحالیکه همان چاه به صورت عمودی تنها مقداری اندک از گاز را تولید خواهد نمود.

روش شناختی حفاری

اغلب چاه های افقی از سطح به صورت یک چاه عمودی شروع می شوند. حفاری تا جایی ادامه می یابد که مته حفاری (drill bit) در چند صد متری بالای واحد سنگی مورد نظر قرارگیرد. در آن نقطه لوله حفاری از چاه بیرون کشیده شده و یک موتورهیدرولیکی بین سرمته حفاری و لوله حفاری نصب می گردد.

این موتورهیدرولیکی از جریانی از گل حفاری در زیر لوله حفاری نیرو می گیرد و می تواند سرمته حفاری را بدون چرخش تمامی طول لوله حفاری، از سرمته تا سطح، به چرخش درآورد. همین مسئله به سرمته اجازه حفاری در مسیری منحرف از جهت لوله حفاری را می دهد.

بعد از اینکه موتور نصب گردید سرمته و لوله حفاری مجدداً به انتهای چاه برگردانده شده و سرمته مسیری را حفاری می نمایدکه دهانه چاه را طی چند صد متر از حالت عمودی به افقی هدایت می نماید. به محض اینکه چاه به زوایه ای مناسب هدایت شد، حفاری مستقیم از سرگرفته شده و چاه واحد سنگی هدف را دنبال می نماید. حفظ چاه در یک واحد سنگی نازک، نیازمند هدایت (navigation) دقیق است. ابزارهای درونچاهی (Downhole)برای تعیین آزیموت (azimuth) و جهت (orientation) حفاری مورد استفاده قرار می گیرند. این اطلاعات جهت هدایت سرمته حفاری مورد استفاده قرار می گیرد.

حفاری افقی پرهزینه است و اگر با شکست هیدرولیکی نیز همراه گردد، هزینه حفر یک چاه در هر سه دهم متر (یک فوت) سه برابر هزینه حفر چاه به صورت عمودی خواهد بود. معمولاً این هزینه اضافی بواسطه تولید افزایش یافته از چاه جبران می گردد. این روش ها می توانند باردهی گازطبیعی یا نفت را دریک چاه چند برابر نمایند. بسیاری ازچاه های سودآور، بدون این روش ها ناموفق خواهند بود.

روش جدید حق امتياز و اجاره

در تولید گاز از یک چاه عمودی، گاز از زیر تنها یک قواره زمین تولید می شود. اغلب ایالات در ایالاتمتحده، قوانین تصویب شده قدیمی درخصوص حقوق مواد معدنی دارند که چگونگی مالکیت بر گاز تولید شده از چاهای عمودی را تعیین می نماید. این گاز اغلب بین تمامی مالکین در یک بلوک از زمین یا یک مسافت شعاعی از چاه تولیدی، تقسیم می گردد.

چاه های افقی ارائه گر یک متغیرجدیدند: یک چاه منفرد می تواند به قواره های متعددی با مالکین مختلف نفوذ و گاز تولید نماید. چگونه می توان حق الامتيازاین گاز را عادلانه قسمت نمود؟ این سوال معمولاً پیش از حفاری از طریق ترکیبی از قوانین دولتی و حق الامتيازخصوصی- توافقنامه های تسهیم، پاسخ داده می شود. چگونگی تقسیم حق الامتيازو چگونگی معامله با مالکین مقاوم می تواند بسیار پیچیده تر از شرایط موجود در یک چاه عمودی باشد.

نظرات شما عزیزان: