لوله‌های حفاری، هسته اصلی عملیات اکتشاف و استخراج نفت

 لوله حفاری یا Drill Pipes

نفت و نوسانات قیمت آن در کنار قیمت طلا و دلار مولفه‌های اصلی شریان اقتصادی دنیا هستند . گزاف نیست که بگوییم بسیاری از مناسبات سیاسی کشورهای بزرگ و صنعتی دنیا با یکدیگر را نفت رقم می‌زند. نفت و لوله های حفاری یکی از مهمترین منابع اصلی حیات و زندگی در جای‌جای دنیاست و اقتصاد بسیاری از کشورها به ویژه کشورهای تولید کننده این محصول کاملا به نفت وابسته است.

این موضوع در خاورمیانه نمود بسیار بسیار پررنگ تری دارد و تمامی‌مناسبات این منطقه با محوریت بی چون و چرای نفت شکل می‌گیرد. به زعم نگارنده خیلی نیازی به صحبت بیشتر به در خصوص اهمیت نفت نیست و آنچه در مقوله نفت اهمیت دارد موضوع اکتشاف و استخراج آن است. فرایندی که قلب تپنده صنعت نفت هر کشوری است و از اهمیت بسیار ویژه ای برخوردار است به نحوی که دانشگاههای معتبر دنیا سالهاست این رشته تخصصی را در مقاطع کاردانی تا دکتری تدریس می‌کنند.

در مقاله امروز برنامه داریم به معرفی یکی از مهمترین ابزارآلات اکتشاف و استخراج نفت پرداخته و شما را با لوله‌های حفاری بیشتر و بیشتر آشنا کنیم.

معرفی صنعت نفت و زیرشاخه‌های آن

صنعت نفت شامل بخش‌های اکتشاف، استخراج، پالایش، انتقال (که اغلب توسط تانکرهای نفت و خطوط لوله انجام می‌شود) و بازاریابی محصولات نفتی است. در بین زیرشاخه‌های صنعت نفت که هریک مکمل دیگری هستند اکتشاف و استخراج نقش اصلی را ایفا می‌کند و در این دو بخش یک ابزار ویژه وجود دارد که بار تمامی‌فرایندها را به دوش می‌کشد و آن چیزی نیست جز لوله حفاری.

حفاری نفت چیست؟

 استخراج و حفاری در حقیقت جزو اولین حلقه‌های زنجیره بلند و طولانی صنعت نفت بشمار می‌روند. برای تبیین بهتر این واژه بهتر است آنرا به دو بخش اکتشاف و استخراج تقسیم نماییم. اکتشاف نفت عبارت است از سلسله عملیاتی شامل زمین شناسی نفت و جستجوی میدان‌های نفتی و گازی برای حصول منابع عظیم و قابل اتکای نفتی. زمین‌شناسان با بهره گیری از دستگاه‌های پیشرفته لرزه‌نگاری موفق به شناسایی میادین نفتی شده و با ارائه مختصات دقیق میادین نفتی به تیم‌های استخراج فرایند را در گام اول تکمیل می‌کنند.

از سوی دیگر استخراج نفت به آندسته از عملیاتی اطلاق می‌شود که در در آن نفت خام به منظور استحصال و بهره‌برداری از آن، به راههای مختلف از داخل زمین خارج و قابل استفاده می‌شود. و تیمهای  پیش حفاری با حفر چاه نفت شرایط را برای شروع فعالیت تیمهای اصلی استخراج نفت و نصب ادوات مخصوص آن‌ها فراهم می‌آورند.  

گاز طبيعي و آب شور در اغلب مخازن نفتي در کنار نفت حضور دارند. تفکيک نفت موجود در مخزن با اين قبيل ناخالصي‌ها يکي از مهمترين بخش های فعاليت استخراج‌ کنندگان نفت مي‌باشد. در مجموع اکتشاف و استخراج نفت عملیات بسیار دقیق ، طاقت فرسا و البته همراه با مصائب خاصی است.

لوله حفاری چیست؟

لوله حفاری یا Drill Pipes مهترین ابزار  بخش حفاری و استخراج نفت بشمار می‌رود که معمولا از جنس فولاد و یا آلومینیوم ساخته شده است. این لوله بسیار تخصصی طراحی و ساخته می‌شود چون بار اصلی عملیات حفاری و استخراج بر روی آن استوار است .

کار لوله حفاری چیست؟

این لوله کارایی شگفت انگیزی دارد و به تنهایی بار چند وظیفه مهم در عملیات حفاری و استخراج رابه دوش می‌کشد که در ادامه به ترتیب با وظایف این لوله آشنا می‌شویم:

1-انتقال انرژی به مته

مته‌های حفاری قبل از شروع عملیات بر روی لوله نصب می‌شوند و نیروی گشتاور تولید شده از الکتروموتورهای غول پیکر را به مته انتقال می‌دهد. تمام بار گردش مته از نظر فشار وارده بر سطح و سرعت گردش بوسیله لوله حفاری به آن منتقل می‌گردد.

2-انتقال گل حفاری به ته چاه

گل حفاری همانطور که از نامش برمی‌آید ماده ای گل و یا خمیر مانند است . وظیفه آن انتقال سنگ ریزه‌ها و ضایعات حاصل از حفاری به بالای چاه از داخل لوله و همچنین خنک کردن و روانکاری سطح مته می‌باشد. گل حفاری که ترکیبی از آب،خاک و پودر بارتیت که بوسیله لوله حفاری به سطح در حال کار مته منتقل شده مته را خنک نموده و گل و لای و سنگ ریزه‌ها را درون خود کشیده و به بالای چاه منتقل می‌کند.

3-انتقال قطعات خرد شده

همراه با پیش روی عملیات حفاری دیواره چاه طبیعتا دستخوش ریزش‌های کوچکی شده که این خرده ریزهای سنگ و گل و لای که در فضای بین لوله و دیواره چاه هستند هم توسط لوله حفاری به بالای چاه منتقل می‌شوند. در مجموع گل حفاری نقش بسیار بسزایی در عملیات حفاری دارد که تمام بوسیله لوله‌های حفاری به داخل چاه و سطح تحت پیشروی منتقل می‌گردد.

4- تامین وزن مورد نیاز مته برای حفاری

در بعضی از لایه‌های زمین که بایستی کار حفاری بر روی آنها انجام شود ممکن است وزن و فشاری که مته بخودی خود بر روی سطح وارد می‌آورد برای پیشروی مطلوب کافی نباشد. جالب است بدانید برای تامین وزن مورد نیازی مته بر روی سطح بر روی وزن لوله‌های حفاری حساب می‌کنند که کسری وزن و فشار مورد نیاز مته را با آن تامین نمایند.

5-استفاده در بخش تزریق آب

این موضوع یک بحث تخصصی بسیار طولانی را می‌طلبد ولی همینقدر بدانید که در بعضی از چاه‌های نفتی که به نفت رسیده اند برای مکش خوب نفت نیاز به تزریق آب به اطراف چاه‌های نفت می‌باشد، یعنی در حوالی چاه‌ها چند چاه موازی حفر کرده و با استفاده از لوله‌های حفاری آب را به داخل منبع نفت پمپاژ نموده تا جریان نفت با سرعت و فشار مطلوبی انتقال یابد.

 

جنس لوله حفاری از چیست؟

لوله‌های حفاری معمولا از جنس فولاد و یا آلومینیوم هستند که حتما بصورت بدون درز و بدون جوش باید ساخته شوند. این لوله‌ها معمولا در طولهای متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گیرند ولی در مجموع از 1.5 متر تا 12 متر طول دارند . از آنجا بدون درز و جوش بودن لوله‌ها اهمیت می‌یابد که حین عملیات حفاری لوله‌ها تحت فشار شدید قرار می‌گیرند و وجود هر گونه درز و جوش ممکن است باعث ترکیدگی لوله‌های حفاری شود.

 لوله حفاری آلومینیومی

پس سالهای سال که لوله‌های فولادی در این مقوله حکمرانی می‌کردند. امروزه لوله‌های آلومینیومی‌ با اقبال بسیار خوبی از سوی شرکتهای حفاری نفت مواجه شده اند و روز به روز به میزان تقاضا برای لوله‌های آلومینیومی‌ برای حفاری اضافه می‌شود. از حدود 20 سال پیش روسیه بعنوان یکی از قطب‌های بزرگ استخراج نفت و گاز در اکثر مناطق نفت و گاز خود لوله آلومینیومی‌ را جایگزین لوله فولادی نموده است. نکته جالب اینجاست که لوله آلومینیوم در تمامی‌چاه‌های نفت و گاز سیبری روسیه با آن شرایط دمایی و ژئوپولیکی به خوبی جواب داده اند و عملا تمامی‌کارهای حفاری توسط این جنس لوله انجام می‌شود.

یکی از عمیق‌ترین چاه‌های نفت در جهان بنام کلسکی در روسیه واقع شده است که دارای عمقی بالغ‌بر 12260 متر می‌باشد، تمام طول عمق این چاه با استفاده از لوله آلومینیومی حفاری ، اکتشاف و استخراج شده است. لوله حفاری آلومینیومی استحکام ویژه‌ای در طول حفاری از خود نشان داده‌اند، از کم‌ترین حد تنش سیکلی برخوردار هستند و به خاطر وزن به مراتب کمتری که نسبت به لوله های فولادی دارند کار حفاری با آنها بسیار راحت‌تر است.

به‌دلیل سبک بودن لوله های آلومینیومی مصرف انرژی عملیات حفاری تقریبا یک سوم انرژی مصرفی کار با لوله های فولادی است. برای حمل و نقل لوله های آلومینیومی می توان حجم زیادی از آنها را بوسیله هلیکوپتر در مناطق نفت خیز و بین پروژه ها جابجا کرد در صورتیکه برای لوله های فولادی این امکان وجود ندارد.

 

 تولید لوله حفاری آلومینیوم برای اولین بار در ایران

مجتمع تولید صنعتی آلومینات اراک برای اولین بار در کشور اقدام به تولید لوله حفاری از جنس آلومینیوم  نمود. تمامی‌مراحل تولید این لوله‌ها در داخل شرکت آلومینات انجام شد که با هم نگاهی کوتاه به مراحل ساخت آن می‌اندازیم.

1-ذوب و ریخت بیلت مورد نیاز

باتوجه به اعلام کارفرما واحد ذوب و ریخت آلومینات نسبت به تولید بیلت مورد نیاز برای ساخت لوله‌ها در آلیاژ اعلام شده اقدام نمود و با استفاده از روش نوین ریخت الکترومگنتیک بیلت هایی با حد بالای کیفیت را تولید نمود.

2-اکسترود لوله‌ها

در بخش‌های مختلف این مقاله به این موضوع مهم و کلیدی اشاره شده که لوله‌های حفاری حتما بایستی بدون درز بوده تا تاب و توان فشار‌های وارده طی عملیات حفاری و استخراج را داشته باشند. از آنجا که آلومینات تنها تولید کننده لوله‌های بدون درز در ایران است پرس غول پیکر 4000 این مجتمع برای تولید لوله‌ها در نظر گرفته شد . فرایند تولید با بهره گیری از مجرب ترین اپراتورها و نیروهای تولید با حضور پرسنل کنترل کیفیت آغاز گردید و خوشبختانه تولید لوله حفاری آلومینیومی‌ برای اولین بار در ایران این مرحله را نیز با موفقیت پشت سر گذاشت.

3-عملیات حرارتی همزمان با تولید

یکی دیگر از نکات جالب تولید این لوله‌ها در این بود که به دلیل طول بلند آنها امکان انجام عملیات حرارتی آنها در کوره‌های سلوشن وجود نداشت . متخصصین تولید آلومینات برای پیرسختی درجا و یا حین تولید برنامه ریزی‌های لازم را انجام داده و یکی از مراحل مهم تولید لوله حفاری آلومینیومی‌ با اتکا به توان و تجربه متخصصین شرکت آلومینات پشت سر گذاشته شد.

4-ماشینکاری

هر دو سر لوله‌ها بایستی رزوه کاری می‌گردید . این مرحله از تولید با استفاده از دستگاه‌های واحد CNC شرکت آلومینات بخوبی انجام شد. اجرای رزوه زنی روی ضخامت 4 میلیمتر بسیار کار مشکل و دقیقی بود که واحد CNC آلومینات بخوبی از پس آن برآمد.

5-بسته بندی و تحویل

در پایان با اتمام مرحله رزوه زنی و پلیسه گیری ، لوله‌ها که هر کدام 10 متر طول داشتند در واحد پولیشکاری محصول بخوبی پولیش و تمیز شده و با بهترین کیفیت بسته بندی برای کارفرما در مناطق نفت خیز جنوب ارسال شد.

توان گسترده علمی‌و تجهیزاتی آلومینات این امکان را برای فعالین عرصه اکتشاف و حفاری چاه‌های نفت و گاز فراهم نموده است که با بهره گیری از توان تولید داخلی نسبت به حصول لوله حفاری در داخل مرزهای کشور اقدام نمایند.

 

برخی مشخصات فنی لوله حفاری

بحث در خصوص مشخصات فنی لوله‌های آلومینیومی‌ حفاری بسیار گسترده و تخصصی می‌باشد اما برای آشنایی سطحی شما ،برخی از این اطلاعات را ارائه می‌دهیم :

• همانطور که در بخش‌های بالایی اشاره شد طبق استاندارد جهانی API 5DP تمامی‌لوله‌ها بایستی بدون درز و جوش ساخته شوند.
• طول لوله‌های حفاری در محدوده‌های زیر تعریف می‌گردد:
• محدوده طولی A: 5.5 متر تا 7.6 متر
• محوده طولی B : 1.9متر تا 12.8 متر
• محدوده طولی C : 6.1 متر تا 7.1 متر
• محدوده طولی D : 7.1تا 12 متر

تحمل نیروی کششی لوله حفاری

الف) حداقل  Yield Strength  نوع D فشار ۰۵۵۰۰ PSI

ب) حداقل Yield Strength نوع E فشار ۷۵۰۰۰ PSI

ج) حداقل Yield Strength نوع G فشار ۱۰۵۰۰۰ PSI

الف) حداقل Tensile Strength نوع D فشار ۹۵۰۰۰ PSI

ب) حداقل Tensile Strength نوع E فشار ۱۰۰۰۰۰ PSI

ج) حداقل Tensile Strength نوع G فشار ۱۱۵۰۰۰ PSI

در مجموع پس از تولید و حین بکارگیری لوله‌ها بایستی نگهداری و نحوه استفاده آنها استانداردهای تعریف شده ای بایستی رعایت گردد. این استانداردها تا آنجا حساسیت دارند که در خصوص محل نگهداری لوله‌ها هم اصولی را تدوین نموده اند که در مبحث بعدی اشاره ای گذرا به آنها خواهیم داشت.

 

نکات مهم در خصوص مراقبت از لوله حفاری

تمامی‌ لوله‌های حفاری از هنگام تولید تا هنگام ورود به سایت و کارگاه‌های حفاری و همچنین حین عملیات حفاری بایستی تحت استانداردهای مدونی نگهداری شوند که در زیر به اختصار به بعضی از آنها اشاره می‌شود:

1-سطح بیرونی و داخلی لوله‌های آلومینیومی‌ حفاری به هیچ وجه نبایستی خراش بردارد. این موضوع خصوصا در مورد خراشهای عرضی اهمیت ویژه ای دارد زیرا خراشهایی که در طول لوله‌ها ایجاد می‌شوند خطرات کمتری دارند.  

2-در زمان مونتاژ لوله‌ها بر روی هم برای شروع کار و یا دمونتاژ آنها پس از عملیات حفاری اکیدا توصیه شده است که باید از دو انبر قفلی استفاده شود(انبر قفلی و یا آچار لوله گیرهای لوله حفاری از نوع بخصوصی هستند). چرا که اگر فقط با یک انبرقفلی کار انجام شود سطح مقطع لوله تحت فشار دفرمه خواهد شد.

3-از پرتاب و یا سقوط لوله حفاری بر روی میزهای دوار حفاری و یا سطوح لبه دار بایستی خودداری کرد این امر باعث تورفتگی و دفرمگی لوله‌ها شده و تاثیر مخرب خود را در حین پیشروی نشان می‌دهد.

4-تحت هیچ شرایطی از لوله‌های خم دار و یا اوریب شده در خط لوله حفاری استفاده نشود لوله‌ها بایستی کاملا صاف و تراز باشند.

5-لوله حفاری پس از اتمام عملیات بایستی با واترجت شستشو شوند و عاری از هرگونه گل و لای و یا نمک احتمالی چسبیده به سطح شوند. چرا که ماندن نمک بر روی سطوح باعث خوردگی آنها به مرور زمان شده و تاثیر مخرب همان خراشهایی را می‌گذارد که در سطوح بالا از آنها صحبت کردیم. ضمنا توصیه می‌شود که با بازرسی‌های مکرر، مواضع خوردگی را که باعث ترکهای عرضی می‌شوند پیدا نموده و چنین لوله‌هایی را فورا از سیستم خارج نمایند.

امروزه وسایل پیشرفته ای در اختیار هستند که قادر به تمیز کردن داخل لوله‌ها توسط برسهای مخصوص و آماده کردن آنها جهت بازرسی‌های خیلی دقیق توسط طیف نوری می‌باشند. اخیرا توسط اشعه گاما دیواره‌های نازک شده لوله‌ها، ساییدگی نامتناسب و خوردگی زیاد لوله حفاری را براحتی تشخیص می‌دهند.

6- لوله حفاری بایستی پس از اتمام تولید بدرستی بسته بندی شود و در دو سر لوله که رزوه شده است درپوش‌های مناسب قرارداده شود تا به محل رزوه آسیب وارد نشود.

7- لوله ها باید همیشه در حالت قائم باشد. این نکته به ویژه در بالای لوله‌ها از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. نگهداری یک قائم کننده (Straightener) سر چاه حفاری در تمام اوقات، ضرورت کامل داشته و باید مراقبت کامل به عمل آید که لوله‌ها کاملا در حالت عمود باشند.

لوله‌ها را تا حد امکان، پایین، داخل لوله گیر (Slips) قرار داده تا از خم شدن آنها در موقع باز و بسته کردن جلوگیری به عمل آید. لوله گیر در حفره میز دوار قرار دارد و لوله‌های حفاری درون آن قرار می‌گیرند. وظیفه لوله گیر این است که لوله‌ها و ابزار مربوط را نگه دارد. در در موقع پایین رفتن باید دقت کافی به عمل آید تا مته به جایی گیر نکند که باعث خم شدن لوله‌ها گردد. در موقع حمل و نقل به ویژه در مورد لوله‌های حفاری دقت کافی به عمل آید تا از خمیدگی آنها جلوگیری شود.

8- گاهی حین کار نیاز است بر روی لوله‌ها علامت گذاری شود. باید توجه داشت به هیچ عنوان نباید از حکاک‌های فلزی برای علامت گذاری استفاده کرد و از سوی دیگر از جوش دادن بعنوان علامت هیچوقت استفاده نشود.

9-بسیار حین عملیات حفاری اتفاق می‌افتد که لوله‌ها در چاه گیر می‌کنند، هرگز نباید بیش از نقطه تسلیم (Yield Point) آنها کشیده شوند مگر این که چاره ای جز این نباشد. به عبارت دیگر قبل از موضع درگیر شده نباید چفت و کشش روی لوله انجام داد و حتی الامکان بایستی از نقطه درگیر شده یا همان منطقه تسلیم لوله را غلاف کرده و آزاد نمود.

10-بدلیل اینکه سایت‌های حفاری معمولا در نقاط خارج شهر هستند و برای اکتشاف و استخراج کمپهای موقت برپای می‌شود. بهتر است حتی الامکان یک سوله وقت برای نگهداری لوله‌های حفاری ایجاد شود و لوله‌ها از برف و باران و تابش مستقیم نور خورشید در امان باشند.