پایان نامه بررسي دكل هاي حفاري در صنايع نفت

مقدمه

از آنجا كه نفت و گاز، به طور عادي در سطوح زيرين زمين پيدا مي‌شوند، وسايل و تجهيزات خاصي براي يافتن و استخراج آنها به سطح زمين بايد مورد استفاده قرار بگيرند. حفاري در حدود هزاران فوت در زمين، انتقال ذرات و سنگهاي جدا شده از ساختار دروني زمين، حفاظت چاه از ريزش به داخل، يافتن لايه خاص و مشخصي كه نفت و گاز احتمالاً در آن به دام افتاده‌اند، و تهيه تجهيزات لازم براي بيرون كشيدن نفت و گاز به سطح، به مهارت و خبرگي قابل ملاحظه، آزمايشگاه و تجهيزات و وسايل نياز دارد. تجهيزات اوليه در اين فرآيند، دكل حفاري چرخشي به همراه مولفه‌ها و بخشهاي آن مي‌باشد. يك دكل حفاري چرخشي چه روي زمين با روي دريا و سكوي دريايي نصب شده باشد، مي‌تواند به عنوان كارخانه طراحي شده‌اي براي توليد فقط يك محصول يعني يك چاه نفت يا همانطور كه در تجارت Hole ناميده مي‌شود در نظر گرفته شود. از آنجائيكه پس از حفر چاه و رسيدن به نفت يا گاز مورد نظر ديگر نيازي به دكل حفاري نمي‌باشد، لذا مي‌بايست دكل را بصورت پرتابل و قابل حمل ساخت و يا پس از اتمام عمليات حفاري اعضا و قطعات آن را از يكديگر جدا كرد و انتقال داد. قابل حمل بودن دكل، قابليت حفاري و يا ايجاد چاه توسط آن را محدود نمي‌سازد، قابليت حمل سريع تر و ساده تر، دكل را با ارزشتر و مؤثرتر مي‌سازد بطوري كه مي‌توان از آن بيشتر استفاده نمود. علت اينكه يك دكل بايد قابل حمل و پرتابل باشد، آن است كه هر مؤلفه و جزئي بتواند به اجزاء كوچك تقسيم گردد و از راه خشكي توسعه كاميونها، هواپيماهاي باري يا هليكوپترها، و يا با يدك كشيدن در دريا به محل جديد عمليات تغيير مكان يابد.

شرح عمليات حفاري (Drilling)

حفاري عبارت است از انرژي دادن به لايه‌هاي زمين جهت جدا كردن ذرات آن از يكديگر، نفوذ در آن و انتقال ذرات جدا شده به سطح كه اين انرژي معمولاً به سه روش ذيل اعمال مي‌شود:

• برش
• سايش
• شكست

ميزان سختي بستر زمين و اجزاء آن تعيين‌كننده استفاده از هركدام ازاين روش‌ها در حفاري مي‌باشند، هر يك از اين روش‌ها نيازمند ابزاري خاص بوده و در تمام آنها اعمال انرژي به صورت چرخاندن ابزار صورت مي‌گيرد. در هر فرآيند حفاري چهار عمل اساسي بشرح ذيل انجام مي‌گيرد.

• حركت دادن و بيرون آوردن ذراتي كه از زمين بر اثر حفاري جدا مي‌شود.
• خنك‌سازي سر مته و انتقال حرارت ناشي از اصطكاك مته.
• حفظ ديواره‌هاي حفاري و جلوگيري از ريزش آنها.
• كم كردن اصطكاك بين ابزار و زمين در طول عمليات حفاري.

با توجه به موارد ذكر شده و وجود عمق‌هاي زياد، جهت عمليات بهتر حفاري تجهيزاتي ابداع شده و به مرور زمان تكامل پيدا نموده است. در هر عمليات حفاري نيازمند به يك واحد قدرت جهت اعمال نيروي قائم و تامين حركت چرخشي براي ابزار برش مي‌باشيم كه بعداً به شرح مفصل تر اين بخش خواهيم پرداخت. در حين عمليات حفاري يا Drilling همانطور كه قبلاً هم اشاره شد لزوم خنك كاري ابزار برش، خروج ضايعات حفاري و حفظ مسير حفر شده به منظور ادامه عمليات غيرقابل اجتناب مي‌باشد. براي اين منظور از ماده‌اي به نام گل حفاري (Drilling Mud) استفاده مي‌شود. اين ماده با فشار پمپ (كه اين فشار گاهي تا Psi5000 مي‌رسد) و از طريق لوله‌هاي حفاري وارد چاه شده و با نفوذ تا اعماق چاه و خنك كردن مته حفاري از لوله خارج و از حد فاصل بين لوله و جداره چاه به سمت بالا حركت و با محكم كردن جداره‌هاي چاه ذرات سنگ و خاك را از چاه خارج مي‌نمايد. گل حفاري سپس طي يك فرآيند تصفيه و بازآوري شده و مجدداً جهت پمپاژ به داخل چاه آماده مي‌شود.

يك دكل حفاري به طور كلي شامل سيستم‌هاي زير مي‌باشد كه هر كدام از اين سيستم‌ها خود به چند زير سيستم تقسيم مي‌شوند. اين سيستمها عبارتند از:

• سيستم قدرت(Power System) كه شامل محركهاي اوليه (Prime Mover) و رانشگرها (Driver) مي‌باشد.
• سيستم بالا برنده (Hoisting System) كه شامل دكل (Derrick)، منجنيق‌ها (Drawworks)، سيستم ترمز، بلوكها و كابلهاي حفاري مي‌باشد.
• سيستم چرخشي (Rotating System) كه شامل مفصل گردان (Swivel)، محركهاي فوقاني (Top Drives)، لوله‌هاي چهار پر (Kelly)، ميز چرخان (Rotary Table)، لوله‌هاي حفاري (Drill Pipe)، لوله‌هاي غلاف حفاري (Drill Collar) و مته‌ها (Bits) مي‌باشد.
• سيستم گردش سيال حفاري (Mud Circulating System) كه شامل گل حفاري (Drilling Mud)، مخازن گل حفاري (Mud Tanks)، پمپها و سيستم تصفيه گل حفاري مي‌باشد.
• سيستم كنترل چاه (Well Control System) كه شامل شيرهاي ضد فوران (Blowout preventers) و و اكومولاتورها مي‌باشد.
• تجهيزات جانبي كه شامل ژنراتور، كمپرسور، گاز زدا (Degasser)، ماسه و شن گير (Desilter and desander) مي‌باشند.

بخش اول

دكل‌هاي حفاري دريايي

1ـ1) تاريخچه دكل‌هاي دريايي

حفر چاه‌هاي نفت در خشكي از اواسط قرن نوزدهم ميلادي آغاز شد و تا نيم قرن بعد، عمليات اكتشاف و استخراج نفت تنها به ميادين موجود در خشكي محدود مي‌شد، در سال 1897 يك ميدان نفتي در ساحل با حفر يك چاه زيردريايي تا زير دريا گسترش داده شد، اما اولين دكل حفاري در دريا در سال 1920 ساخته شد. در اين زمان يك اسكله فلزي كه ربع مايل در دريا پيش مي‌رفت عمليات اكتشاف نفت را در دريا آغاز نمود. تا سال 1932 چاه‌هاي نفت در نزديكي ساحل و از روي اسكله‌هايي كه محل حفاري را به ساحل مرتبط مي‌ساخت، حفر مي‌شدند.

در سال 1932 يك كمپاني كوچك به نام Indian Petroleum Corp يك ميدان نفتي در دريا و در فاصله نيم مايلي از ساحل شناسايي نمود. آنها تصميم گرفتند به جاي ساخت يك سكوي طولاني كه چاه را به ساحل متصل مي‌كرد، يك جزيره كوچك فولادي در دريا بسازند، در سپتامبر 1932 آنها جزيره‌اي فولادي با ابعاد 90*60 فوت براي حفاري در عمق 38 فوتي آب ساختند، آنها جزيره خود را با ساخت دكل و عرشه‌اي كه 25 متر با سطح آب فاصله داشت، كامل كردند و به اين ترتيب اولين سكوي حفاري در درياي آزاد كه به ساحل متصل نمي‌شد، ساخته شد. اين دكل در سال 1940 در اثر يك توفان دريايي از بين رفت. در سال 1938، يك ميدان نفتي در دريا و در خليج مكزيك شناسايي شد و در سال 1941 اولين چاه نفت در دريا در فاصله 9000 فوتي ساحل تگزاس حفر گرديد، اما تا پايان جنگ جهاني دوم، فعاليت چشمگيري در زمينه حفاري در آب‌هاي دور از ساحل صورت نگرفت.

با پايان جنگ جهاني دوم، كشتي‌هاي به جا مانده از جنگ، در صنعت حفاري به خدمت گرفته شدند.

اولين كشتي جنگي مورد استفاده در صنعت نفت، يك لندينگ كرافت (Landing Craft) بود كه به عنوان يك كشتي پشتيبان (Tender) به كار گرفته شد، بدين صورت كه با نصب سيستم گل و سيستم‌هاي توليد برق روي آن و ذخيره‌سازي برخي از موارد مورد نياز دكل حفاري، ميزان بار روي دكل به يك دهم مقدار قبلي كاهش يافت. گسترش اين روش، منجر به پديدآمدن دكل‌هاي متحركي گشت كه براي حفر چاه‌هاي اكتشافي (Exploratory Wells) مورد استفاده قرار مي‌گرفت از آنجا كه پس از اتمام حفاري نياز به باقي ماندن تجهيزات و سازه در محل نبود، استفاده از اين دكل‌هاي متحرك به شدت هزينه‌هاي حفاري را كاهش داد. استفاده از اين دكل‌هاي متحرك در دهه‌هاي 1940 و 1950 به شدت رو به افزايش گذاشت.

با گذشت زمان نوع ديگري از دكل‌هاي متحرك براي آب‌هاي كم عمق مورد استفاده قرار گرفت.

اين سيستم متشكل از يك Barge متحرك بود كه دكل حفاري و تجهيزات آن، روي ستون‌هاي فولادي متصل به Barge نصب مي‌شد. Barge در محل موردنظر به ته آب مي‌رفت و دكل حفاري و تجهيزات آن بيرون آب باقي مي‌ماند. پس از آن، از سكوهايي استفاده شد كه داراي پايه‌هاي عمودي بزرگي بود كه نيروي شناوري لازم را به هنگام حركت دادن مجموعه فراهم مي‌نمود.

اين مجموعه هم در محل مورد نظر در آب فرو مي‌رفت و عرشه و دكل حفاري بيرون از آب قرار مي‌گرفت.

اين دكل‌ها كه شبيه دكل‌هاي Submersible امروزي است، مقدمه‌اي براي ساخت Jack Up‌ها به شمار مي‌آيد. دكل‌هاي بعدي يا همان Jack Up ها، از يك بدنه Barge مانند تشكيل شده بود كه اين بدنه به پايه‌هاي عمودي متصل مي‌شد از استقرار در محل مورد نظر، پايه‌ها به كف دريا فرو مي‌رفت و پس از رسيدن به كف دريا، بدنه روي پايه‌ها به سمت بالا حركت مي‌نمود و خارج از آب قرار مي‌گرفت. اين دكل‌ها امكان حفاري را در آب‌هايي تا عمق ft400 پديد آورد.

باز هم استفاده از كشتي‌هاي جنگي باعث پيشرفت صنعت حفاري گرديد. اين بار تجهيزات حفاري روي عرشه‌اي به كناره بدنه كشتي متصل شد و كشتي كه بعدها به Drill Ship معروف شد، به عنوان يك واحد حفاري متحرك مورد استفاده قرار گرفت. اين كشتي، از سال 1953 مورد استفاده قرار گرفت و حفاري را تا اعماق 3000 فوتي امكان پذير ساخت.

با گذشت زمان و به منظور تسهيل فرآيند حفاري و پايدارتر شدن كشتي، كشتي‌هايي ساخته شد كه در آن يك سوراخ (Moon pool) جهت انجام حفاري در وسط كشتي تعبيه شده بود و تجهيزات حفاري روي آن نصب مي‌شد.

امروزه اين كشتي‌ها مجهز به سيستم‌هاي پيشرفته‌اي براي مقابله با حركات ناشي از امواج آب (Motion Compensntor) سيستم‌هاي تنظيم موقعيت (Dynamic Positioning) و سيستم‌هاي ناوبري (Navigation) و… شده اند.

حساسيت اين كشتي‌ها به شرايط آب و هوايي، باعث رواج دكل‌هاي Semisubmersible گرديد. اين دكل‌ها نيز منتج از دكل‌هاي Submersible بود، بدين صورت كه استفاده از يك بدنه شناور (Buoyant)، اين امكان را محقق ساخت كه دكل حفاري به جاي آن كه در كف دريا بنشيند، روي دريا شناور بماند. اين دكل‌ها امروزه براي حفاري در آب‌هاي عميق، بسيار مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

به موازات گسترش دكل‌هاي متحرك، دكل‌هاي ثابت نيز براي شرايط آب و هوايي سخت مثل درياي شمال كه امكان استفاده از دكل‌هاي متحرك وجود نداشت، به كار گرفته شد. اين دكل‌ها متشكل از سازه‌هاي بتوني يا فلزي بود كه روي كف دريا مي‌نشست و تجهيزات حفاري روي آن نصب مي‌شد.

به علت هزينه زياد دكل‌هاي ثابت و عدم امكان جابجايي سازه پرهزينه آن پس از اتمام حفاري، امروزه استفاده از اين دكل‌ها تنها به شرايط آب و هوايي دشوار محدود مي‌شود. در خلال ساليان گذشته، انواع دكل‌هاي حفاري بسته به شرايط محيطي محل حفاري ساخته شده و مورد استفاده قرار گرفته‌اند، اما دكل‌هاي گفته شده، رايج‌ترين و متداول‌ترين دكل‌هاي مورد استفاده مي‌باشد. از طرفي، انواع ديگر دكل را مي‌توان جزئي از خانواده هر يك از دكل‌هاي مزبور قلمداد نمود.

1ـ2) تقسيم بندي دكل‌هاي حفاري

دكل‌هاي حفاري به خاطر تنوع مناطق نفت خيز در انواع گوناگوني يافت مي‌شوند و در يك تقسيم بندي كلي به دو گروه تقسيم مي‌شوند:

• دكل هايي كه براي حفاري در خشكي مورد استفاده قرار مي‌گيرند، با نام دكل‌هاي زميني (Land Rigs) شناخته مي‌شوند.
• دكل هايي كه براي حفاري در آب مورد استفاده قرار مي‌گيرند، دكل‌هاي دريايي (Offshore Rigs) ناميده مي‌شوند.

دكل‌هاي دريايي، بسته به عمق آب و شرايط حفاري در دو گروه طبقه‌بندي مي‌شوند:

• دكل‌هايي كه به نحوي روي كف دريا قرار داده مي‌شوند (Bottom Support Rig) كه خود به سه دسته تقسيم مي‌شوند Fixed Platform, Jack Up, Submersible:

2-  دكل‌هايي كه روي آب شناور مي‌باشند (Floating Rigs) كه در دو نوع Semisubmersible و Drill Ship يافت مي‌شوند.

شكل (1) به خوبي بيانگر نحوه تقسيم بندي دكل‌ها مي‌باشد.

شكل (1) انواع دكل‌هاي حفاري

1ـ2ـ1) دكل هايي كه در كف دريا قرار مي‌گيرند.

(Bottom Supported Rig)

1ـ2ـ1ـ1) Submersible Rigs

اين دكل‌ها معمولاً در آب‌هاي كم عمق مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در ساختمان آنها مخازن بزرگي تعبيه شده است كه به هنگام انتقال دكل، خالي هستند و پس از استقرار در محل مورد نظر با آب پر مي‌شوند. با پرشدن مخازن، دكل سنگين شده به داخل آب فرو مي‌رود و در كف دريا قرار مي‌گيردأ از آنجا كه سازه دكل روي كف دريا قرار دارد، بستر دريا در منطقه مورد نظر بايد به دقت مورد بررسي قرار گيرد. اين دكل‌ها معمولاً در آب‌هاي تا عمق ft30 و در مناطقي كه امواج و جريان‌هاي دريايي شديد نيست به كار مي‌روند.

1ـ2ـ1ـ2) Jack up Rigs

اين دكل از يك بدنه Barge شكل كه داراي سه يا چهار پايه است، تشكيل شده است (گاه تعداد پايه‌ها بيشتر مي‌شود) Jack up‌ها توسط كشتي يا يدك كش (Tug Boat) به محل مورد نظر حمل مي‌شوند. نحوه اتصال پايه‌ها به بدنه به گونه‌اي است كه مي‌توان آنها را در جهت عمود بر سطح بدنه به سمت بالا يا پايين حركت داد.

فهرست مطالب

مقدمه…………………………………………………………………………3

بخش اول:

دكل هاي حفاري دريايي……………………………………………..7

بخش دوم:

دكل هاي حفاري خشكي……………………………………………49

بخش سوم:

اجزاي دكل هاي حفاري…………………………………………….64

بخش چهارم:

تاپ درايو ………………………………………………………………134

بخش پنجم:

پمپ گل…………………………………………………………………167

بخش ششم:

گل حفاري وتجهيزات تصفيه آن…………………………………190

بخش هفتم:

لوله حفاري……………………………………………………………..235

بخش هشتم:

مته هاي حفاري……………………………………………………….271

بخش نهم:

نظر اجمالي برمراحل طراحي……………………………………286

پایان نامه بررسي دكل هاي حفاري در صنايع نفت