أجزاء ومكونات برج الحفر

شكل (1)

يعتبر الأنبوب عالقًا أثناء عمليات الحفر إذا تعذر تحريره من تجويف البئر دون إتلاف الأنبوب، ودون تجاوز الحد الأقصى المسموح به لحمل الخطاف لجهاز الحفر. يمكن تصنيف إلتصاق الأنابيب الى فئتين:

• إلتصاق الأنبوب بفعل الضغط التفاضلي (Differential-pressure pipe sticking)
• إلتصاق الأنبوب ميكانيكياً (Mechanical pipe sticking)

يعتبر إلتصاق الأنابيب احدى مشاكل الحفر.

Differential-pressure pipe sticking

يحدث إلتصاق الانابيب بفعل الضغط التفاضلي عندما يصبح جزء من خيط الحفر (drill string) ملتصقاً في قالب طين الحفر (mud cake) (طبقة غير نفاذة من المواد الصلبة الدقيقة) تتشكل على جدار تكوين نفاذ أثناء الحفر.

الإلتصاق التفاضلي (Differential-pressure)

إذا كان ضغط الطين (P_m)، الذي يؤثر على الجدار الخارجي للأنبوب، أكبر من ضغط مائع التكوين (P_ff)، وهو ما يحدث عمومًا (باستثناء الحفر غير المتوازن underbalanced drilling)، فيُقال إن الأنبوب عالق بشكل تفاضلي (انظر الشكل 1).

يمكن التعبير عن الضغط التفاضلي الذي يؤثر على جزء من أنبوب الحفر ويسبب التصاقة في قالب الطين على النحو التالي:

معادلة رقم 1

قوة السحب (F_p) المطلوبة لتحرير الأنبوب العالق هي دالة للضغط التفاضلي (p) ومعامل الاحتكاك (f) ومنطقة التلامس (A_C) بين أسطح الأنبوب وقالب طين الحفر (mudcake).

معادلة رقم 2

من المصدر رقم 1:

معادلة رقم 3

حيث

معادلة رقم 4

في هذه الصيغة، (L_ep) هو طول المنطقة النفاذة، (D_op) هو القطر الخارجي للأنبوب، (D_h) هو قطر تجويف البئر، و (h_{mc) هو سمك قالب الطين. يمكن أن يختلف معامل الاحتكاك (f)، من أقل من 0.04 للطين ذو الأساس النفطي إلى 0.35 للطين ذو الأساس المائي (WBF) المرجح بدون مواد تزييت او تزليق (lubricity) مضافة.}

قوة إلتصاق الانابيب (Pipe sticking force)

المعادلات 2 و 3 تظهر معلمات يمكن التحكم فيها والتي ستؤدي إلى ارتفاع قوة إلتصاق الانابيب واحتمال عدم القدرة على تحرير الأنبوب العالق. وهذه المعلمات هي:

• ضغط تفاضلي مرتفع غير ضروري
• قالب طين سميك (فقدان السوائل المستمر العالي للتكوين)
• قالب طين منخفض التزييت او التزليق (معامل احتكاك مرتفع)
• طول الأنبوب الملتصق بشكل مفرط في الطين (تأخير الوقت في عمليات التحرير)

على الرغم من أن أقطار التجويف والأنابيب وزاوية التجويف تلعب دورًا في قوة التصاق الانابيب، إلا أنها متغيرات لا يمكن السيطرة عليها بمجرد اختيارها لتلبية أهداف تصميم البئر. ومع ذلك، فإن شكل أطواق الحفر (drill collars)، مثل المربع، أو استخدام أطواق الحفر ذات الأخاديد الحلزونية ووصلات الأدوات الخارجية المضطربة يمكن أن تقلل من قوة الالتصاق.

مؤشرات الأنابيب العالقة التفاضلية

بعض مؤشرات الأنابيب العالقة بالضغط التفاضلي أثناء حفر مناطق نفاذة أو مناطق ضغط مستنفدة معروفة هي:

• زيادة عزم الدوران والسحب.
• عدم القدرة على توجيه خيط الحفر (drill string) الى الامام او الوراء، وايضا في بعض الحالات عدم القدرة على تدوير خيط الحفر.
• تدوير سائل الحفر بشكل متواصل ودون انقطاع.

منع أو تخفيف الأنابيب العالقة التفاضلية

يمكن منع التصاق أنابيب بفعل الضغط التفاضلي أو التخفيف من حدوثه إذا تم اتخاذ بعض أو كل الاحتياطات التالية:

• الحفاظ على أقل خسارة مستمرة في السوائل مع الالتزام بالأهداف الاقتصادية للمشروع.
• الحفاظ على أدنى مستوى من المواد الصلبة المحفورة في نظام الطين، أما إذا كان اقتصاديًا، تزال جميع المواد الصلبة المحفورة.
• استخدم أقل ضغط تفاضلي مع السماح بضغط المسح (swab pressure) وضغط التموَّر (surge pressure) أثناء عمليات سحب خيط الحفر واعادة إنزالة (tripping operation).
• تحديد نظام الطين الذي سينتج قالب طين ناعم (معامل احتكاك منخفض).
• الحفاظ على دوران خيط الحفر في جميع الأوقات، إن أمكن.

على الرغم من تطبيق هذه الاحتياطات قد لا يتم منع مشاكل الالتصاق بالضغط التفاضلي تمامًا. تشمل الممارسات الميدانية الشائعة لتحرير الأنبوب العالق في حالة الالتصاق هي:

• تخفيض ضغط الطين الهيدروستاتيكي في المجال الحلقي (annual)
• التحديد الدقيق لبقع النفط حول الجزء العالق من خيط الحفر
• غسل الأنبوب العالق

بعض الطرق المستخدمة لتقليل الضغط الهيدروستاتيكي في المجال الحلقي تتضمن ما يلي:

• تقليل وزن الطين بالتخفيف
• تقليل وزن الطين بالتغويز (gasifying) بالنيتروجين
• وضع جهاز للحشوات في التجويف فوق نقطة الالتصاق

Mechanical pipe sticking

أسباب إلتصاق الأنبوب ميكانيكياً هي عدم كفاية إزالة الفتات الصخري (cutting) المحفور من المجال الحلقي بسبب عدم استقرار البئر (borehole instabilities)، مثل انهيار او تهدم تجويف البئر بسبب زحف قطع من الطفل (السجيل shall) أو الملح المضغوط و أيضاً يحدث الالتصاق بسبب ظاهرة key seating.

أسباب إلتصاق الأنابيب ميكانيكياً

Drilled cutting

يمكن أن يؤدي التراكم المفرط للفتات الصخري في المجال الحلقي الناجم عن التنظيف غير السليم للتجويف إلى التصاق الأنبوب الميكانيكي، خاصة في الحفر الموجه. إن ترسيخ كمية كبيرة من الفتات الصخري المعلقة في القاع عند إغلاق الضخ، أو اثناء الانزلاق (التحرك بسلاسة) إلى أسفل طبقة ثابتة من الفتات الصخري على الجانب المنخفض من البئر الاتجاهي يمكن ان يؤدي إلى تعبئة معدات مجموعة تجويف البئر السفلية (bottomhole assembly)، مما يتسبب في حدوث إلتصاق الأنبوب.

قد تتشكل في الحفر الاتجاهي طبقة ثابتة من الفتات الصخري على الجانب المنخفض من البئر (انظر الشكل 2). إذا كانت هذه الحالة موجودة أثناء عمليات الـ tripping فمن المحتمل جدًا أن يحدث إلتصاق الأنبوب. هذا هو السبب في أنه من الممارسات الميدانية الشائعة هو التدوير من الأسفل إلى الأعلى عدة مرات مع وجود المثقاب (bit) من الأسفل لطرد أي طبقة تتكون من الفتات قبل القيام بسحب انبوب الحفر أثناء عمليات الـ tripping out. تُعد الزيادات في عزم الدوران/السحب، وأحيانًا في ضغط أنبوب الحفر الدائر، مؤشرات على تراكمات كبيرة من الفتات الصخري في المجال الحلقي ومشاكل محتملة تسبب إلتصاق انابيب الحفر.

شكل (2) التصاق الأنبوب الميكانيكي الناجم عن الفتات الصخري المحفور: (أ) طبقة من الفتات الصخري أثناء الحفر، و (ب) القطع التي تتسبب في انحشار لقمة الحفر اثناء سحب انبوب الحفر خلال عمليات الـ tripping out.

Borehole instability

تحدث مشكلات عدم استقرار البئر الأكثر إزعاجًا عند حفر خلال صخور الطفل (shall). اعتمادًا على تكوين طين الحفر ووزن الطين، يمكن أن تنسلخ صخور الطفل أو تتدفق بشكل بلاستيكي إلى الداخل، مما تتسبب في التصاق الأنبوب الميكانيكي. في جميع أنواع التكوينات يمكن أن يؤدي استخدام الطين المنخفض الوزن للغاية إلى انهيار التجوبف، مما قد يتسبب في التصاق الأنبوب الميكانيكي. أيضًا، عند الحفر من خلال الملح الذي يُظهر سلوكًا بلاستيكيًا تحت ضغط التحميل الزائد، إذا لم يكن وزن الطين مرتفعًا بدرجة كافية، فإن الملح يميل إلى التدفق إلى الداخل، مما يتسبب في التصاق الأنبوب الميكانيكي. المؤشرات على وجود مشكلة محتملة في إلتصاق الأنابيب ناتجة عن عدم استقرار البئر هي:

• ارتفاع ضغط أنابيب الحفر اثناء الدوران
• زيادة في عزم الدوران
• عدم عودة سائل الحفر الى السطح

شكل (3) التصاق الأنابيب بسبب عدم استقرارية تجويف البئر.

Key seating

تعتبر Key seating هي سبب رئيسي للالتصاق الميكانيكي للانابيب. تتشكل الـ key seating عن طريق حصول اخدود يحيط بانبوب الحفر على الجانب من تجويف البئر. يحدث هذا الأخدود بسبب دوران خيط الحفر مع تأثير قوة جانبية عليه. يوضح الشكل (4) التصاق الأنابيب الناتج عن key seating. تحصل هذه الحالة إما في المناطق المنحنية (dogleg) أو في الحواف غير المكتشفة بالقرب من المنحدرات. سميت بـ key seating لان المقطع العرضي لهذه الظاهرة يشبة مقعد المفتاح.

شكل (4) النصاق الأنابيب بسبب key seating.

القوة الجانبية التي تميل إلى دفع الأنبوب باتجاه الجدار، والتي تسبب تآكل ميكانيكي وبالتالي تخلق key seat، يتم الحصول عليها من خلال:

معادلة رقم 5

حيث F_l هي القوة الجانبية، T هو التوتر في سلسلة الحفر فوق منطقة المقعد الرئيسي، و ϴ_dl هو التغيير المفاجئ في زاوية التجويف (يشار إليه عادة بزاوية dogleg).

بشكل عام ، يمكن أن تتسبب عمليات التشغيل الطويلة الى حصول key seating، لذلك من الشائع القيام  بعمليات المسح خلال ال tripping. أيضًا، يميل استخدام مجموعة تجويف البئر السفلية (BHAs) الأكثر صلابة إلى تقليل تكرارات dogleg الشديدة. اثناء سحب انبوب الحفر (tripping out)، تتم الإشارة إلى مشكلة إلتصاق أنبوب key seating عندما يتم سحب عدة دعامات من الأنابيب ثم تعلق.

تحرير الانبوب العالق ميكانيكياً

يمكن تحرير الأنبوب العالق ميكانيكيًا بعدة طرق، اعتمادًا على سبب الالتصاق. على سبيل المثال:

• إذا كان السبب هو تراكم الفتات الصخري المحفور او تهدم التجويف، فإن تدوير خيط الحفر وزيادة معدل التدفق دون تجاوز الحد الأقصى المسموح به لكثافة التدوير المكافئة (ECD) هو حل محتمل لتحرير الأنبوب.
• إذا كان التجويف ضيق نتيجة للصخر الطفلي (shall) البلاستيكي هو السبب، فإن زيادة وزن الطين قد تؤدي إلى تحرير الأنبوب.
• إذا كان التجويف ضيق نتيجة الملح هو السبب، فإن المياه العذبة المدوره يمكن أن تحرر الأنبوب.
• إذا كان الأنبوب عالقًا في منطقة الـ key seating، فإن الحل الأكثر نجاحًا هو تراجع الانبوب أسفل key seating والعودة إلى التجويف والحفر خلال الـ key seat لفتحه. وهذه تعتبر من عمليات الاصطياد (fishing operation).

يعد القرار المتعلق بمدة الاستمرار في محاولة تحرير الأنبوب العالق مقابل التراجع، ثم التوصيل مرة أخرى، ثم إتخاذ المسار الجانبي، مشكلة اقتصادية يتم تناولها بشكل عام من قبل الشركة المشغلة.

يمكن أن تمثل المضاعفات المتعلقة بالأنبوب العالق ما يقرب من نصف إجمالي تكلفة البئر، مما يجعل الأنابيب العالقة واحدة من أكثر المشاكل تكلفة التي يمكن أن تحدث أثناء عملية الحفر. غالبًا ما يرتبط الأنبوب العالق بأحداث التحكم في البئر (well-control) وفقدان تدوير الطين (lost-circulation) وهما الاضطرابان المكلفان لعمليات الحفر ويمثلان خطرًا كبيرًا في الآبار ذات الزاوية العالية والأفقية.

اعتمادًا على السبب المشتبه فيه للالتصاق، قد يكون من الضروري زيادة كثافة سائل الحفر (لتثبيت صخر الطفل shall) أو تقليله (لحماية المنطقة النفاذه وتجنب الالتصاق التفاضلي). يعتبر معامل الاحتكاك لسائل الحفر عاملاً مهمًا في فعاليته في منع الأنابيب العالقة و/أو تمكين الأنابيب العالقة من العمل بحرية. توفر سوائل الحفر التي أساسها النفط (OBFs) والسوائل المركبة (SBFs) أقصى قدر من التزليق (lubricity). يمكن معالجة السوائل ذات الأساس المائي المثبطة (WBFs) بمواد تزليق (عادةً ما تكون 1 إلى 5% من حيث الحجم) ويتم صياغتها لإنتاج قوالب راشح طينية رفيعة وغير منفذة توفر حماية متزايدة ضد الالتصاق. تُظهر WBFs عالية الأداء من البوليمر درجة عالية من التزليق الطبيعي وقد لا تتطلب إضافة مادة تزليق ،والتي هي مصممه خصيصا لتكون بمثابة بدائل لـ OBFs و SBFs.

المصادر

1. Bourgoyne, A.T., Millheim, K.K., Chenevert , M.E. et al. 1986. Applied Drilling Engineering. Richardson, Texas: Textbook Series, SPE.
2. "Stuck pipe". (د.ت). petrowiki.spe.org. تم الاسترجاع 2022-10-26.
3. "Differential-pressure pipe sticking". (د.ت). petrowiki.spe.org. تم الاسترجاع 2022-10-26.
4. "Mechanical pipe sticking". (د.ت). petrowiki.spe.org. تم الاسترجاع 2022-10-26.

إقرأ أيضاً

• عدم استقرار تجويف البئر
• حفر الآبار
• سوائل الحفر
• تسميت الآبار
• برج الحفر

تعديل المقال