ما هو طوق الحفر؟
يُعد طوق الحفر أحد المكونات الأساسية لسلسلة الحفر في حفر النفط والغاز. يقع في أسفل سلسلة الحفر ويتصل مباشرةً بلقمة الحفر. يُستخدم بشكل أساسي لتوفير ضغط الحفر والحفاظ على استقرار سلسلة الحفر. من أهم خصائصه سماكة جداره الكبيرة (عادةً ما تتراوح بين 38 و53 مم، أي ما يعادل 4 إلى 6 أضعاف سماكة جدار أنبوب الحفر)، وقوة جاذبيته وصلابته العالية. لتسهيل عملية الحفر، يُمكن تجهيز السطح الخارجي للسن الداخلي لوز الحفر بأخاديد معلقة وأخاديد منزلقة.
وظيفة طوق الحفر:
(1) تطبيق ضغط الحفر على لقمة الحفر.
يُمكّن الوزن العالي لوز الحفر نفسه (يتراوح وزن وحدة الطول بين 4 إلى 6 أضعاف وزن أنبوب الحفر) لقمة الحفر من كسر الصخور بفعالية وضمان عمق الحفر.
(2) ضمان القوة اللازمة في ظروف الضغط.
(3) تقليل اهتزاز لقمة الحفر وتأرجحها وقفزها، مما يضمن عملها بسلاسة. يُعزز هيكل الجدار السميك الصلابة ويُقلل من قفزة رأس الحفر وانحراف البئر، خاصةً في الآبار العمودية.
(4) التحكم في ميل البئر ودعم الحفر الاتجاهي.
في عمليات الحفر الاتجاهي، يتم التحكم في مسار البئر بواسطة الجاذبية بالتزامن مع استخدام المُثبتات، ويُستخدم في الآبار الأفقية أو الاتجاهية.
(5) تحسين تدفق سائل الحفر.
يُمكن لصغر القطر الداخلي أن يزيد من معدل تدفق سائل الحفر ويُعزز قدرة تنظيف قاع البئر.
مميزات أطواق الحفر:
1. وزن ثقيل: وزن وحدة الطول أكبر بكثير من وزن أنبوب الحفر (على سبيل المثال، يزن طوق حفر بقطر 6¼ بوصة حوالي 100 رطل/قدم).
2. تصميم جدار سميك: يتراوح سمك الجدار بين 3 و5 أضعاف سمك أنبوب الحفر، ويتميز بمقاومة عالية للانحناء.
3. صلابة عالية: يقلل من اهتزاز سلسلة الحفر ويحافظ على عمودية البئر.
4. خيار غير مغناطيسي: تُستخدم أطواق الحفر غير المغناطيسية (التيار المستمر غير المغناطيسي) لتسجيل البيانات أثناء الحفر (MWD/LWD).
تصنيف أطواق الحفر:
تُقسم أطواق الحفر عمومًا إلى ثلاثة أنواع: أطواق الحفر المتكاملة، وأطواق الحفر الحلزونية، وأطواق الحفر غير المغناطيسية.
1. طوق الحفر المتكامل هو أنبوب دائري أملس سميك الجدران مزود بخيوط توصيل مُعالجة من كلا الطرفين، وهو مناسب للحفر التقليدي للآبار العمودية.
2. يُعالج طوق الحفر الحلزوني ثلاثة أخاديد حلزونية يمينية على الجانب الخارجي. السطح الأسطواني لطوق الحفر الدائري يقلل مساحة التلامس مع جدار البئر، مما يمنع التصاق فرق الضغط بالحفر بفعالية، وهو مناسب للتكوينات سهلة الالتصاق بالحفر (مثل طبقات الصخر الزيتي والملح).
3. تُستخدم أطواق الحفر غير المغناطيسية بشكل رئيسي للمراقبة أثناء حفر النفط، وبنيتها مطابقة لبنية أطواق الحفر المتكاملة. تُصنع أطواق الحفر غير المغناطيسية من فولاذ N1310 منخفض الكربون، والذي يُشكَّل بعد تحليل دقيق للتركيب الكيميائي. خضعت المادة لاختبارات خواصها الميكانيكية لضمان مطابقة صلابتها ومتانتها وقوة تحملها للصدمات ومقاومتها للتآكل للمعايير، كما تتميز بنفاذية مغناطيسية منخفضة وأداء تشغيل ممتاز.
لتسهيل عملية الحفر، يمكن تجهيز السطح الخارجي للسن الداخلي لطوق الحفر بأخاديد معلقة وأخاديد منزلقة. تتميز أنواع مختلفة من أطواق الحفر (مثل أطواق الحفر الحلزونية وأطواق الحفر ذات الأخدود المنزلق) بوظائف إضافية في ظروف محددة، مثل الهيكل الحلزوني الذي يقلل من خطر التصاق الحفر، والأخدود المنزلق. يُسهّل التصميم التركيب السريع لمعدات الرفع.
نطاق حجم طوق الحفر:
نطاق القطر الخارجي:
يتراوح نطاق القطر الخارجي الشائع بين 4 بوصات و9 بوصات، مثل 4¾ بوصة، 6¼ بوصة، 8 بوصات، إلخ. يجب أن يتوافق حجم القطر الخارجي مع قطر لقمة الحفر، والذي عادةً ما يكون أصغر بمقدار 0.25 بوصة إلى 0.5 بوصة من لقمة الحفر. على سبيل المثال، عند استخدام لقمة حفر بقطر 12¼ بوصة، يكون القطر الخارجي لطوق الحفر المطابق في الغالب 11¾ بوصة.
نطاق الطول:
يبلغ طول طوق الحفر الواحد في الغالب 30 قدمًا (حوالي 9.1 متر) أو 31 قدمًا (حوالي 9.45 متر). في الاستخدام الفعلي، يتم توصيل عدة أطواق حفر لتشكيل مجموعة، ويمكن أن يصل الطول الإجمالي إلى مئات الأمتار.
الطول القياسي لطوق الحفر هو 9.1 متر (30 قدمًا). يعتمد تصميم الطول هذا على الاعتبارات التالية:
1. سهولة النقل والتشغيل: طول 9.1 يُعدّ استخدام أطواق حفر أحادية أطول مناسبًا للنقل البري والرفع في موقع البئر، مع تقليل عدد الوصلات وتحسين كفاءة الحفر.
2. تحسين الخواص الميكانيكية: يُمكن لأطواق الحفر المفردة الأطول أن تُقلل من نقاط التوصيل الملولبة، وتُقلل من خطر فشل التعب، وتُحسّن الاستقرار العام لسلسلة الحفر.
3. الاستخدام التاريخي: حدّت معدات منصات الحفر المبكرة وارتفاعات الأبراج من طول أطواق الحفر، وأصبح 9.1 متر مواصفةً مقبولةً على نطاق واسع في الصناعة.
تجدر الإشارة إلى أن بعض ظروف العمل الخاصة (مثل الآبار فائقة العمق أو حفر الآبار الصغيرة) قد تستخدم أطواق حفر بأطوال غير قياسية، مثل 4.5 متر أو 12 مترًا، ولكن يلزم تصميمات مُخصصة وتقييمات سلامة.
مواصفات خاصة:
يمكن أن تغطي المواصفات المُخصصة لأطواق الحفر غير المغناطيسية نطاق طول يتراوح بين 1 و6 أمتار، ويمكن أن يصل القطر الخارجي إلى 16-200 مم.
معلمات الحجم الرئيسية:
1. مبدأ اختيار القطر الخارجي (OD)
مطابقة حجم البئر: القطر الخارجي لـ عادةً ما يكون طوق الحفر عُشر قطر البئر. 70% إلى 85%، على سبيل المثال: عادةً ما يستخدم بئر بقطر 8.5 بوصة طوق حفر بقطر 6.5 بوصة.
متطلبات الصلابة: كلما زاد القطر الخارجي، زادت مقاومة الانحناء، وتتطلب الآبار الأفقية قطرًا خارجيًا أكبر.
2. خصائص تصميم القطر الداخلي (ID)
طوق الحفر التقليدي: قطر داخلي أصغر (من 2 إلى 3 بوصات)، مما يزيد من معدل تدفق سائل الحفر.
طوق الحفر غير المغناطيسي: قطر داخلي أصغر (من 1.5 بوصة إلى 2.5 بوصة)، مما يوفر مساحة للأجهزة.
طوق الحفر الحلزوني: نفس القطر الداخلي للتقليدي، مع أخاديد حلزونية على الجدار الخارجي.
يمكن استخدام أحجام مخصصة لبعض ظروف العمل الخاصة:
طوق حفر بقطر خارجي كبير جدًا: من 10 إلى 12 بوصة (لبئر بقطر 20 بوصة فأكثر).
طوق حفر بقطر داخلي صغير جدًا: قطر داخلي أقل من بوصة واحدة (للحفر التوربيني).
التطبيقات النموذجية للحفر الأطواق:
1. حفر الآبار العمودية
توفير ضغط حفر مستقر من خلال الوزن لمنع ارتداد لقمة الحفر.
2. البئر الاتجاهي/البئر الأفقي
التحكم في مسار البئر باستخدام المثبت ومحرك قاع البئر.
3. التسجيل أثناء الحفر (LWD/MWD)
تتكيف أطواق الحفر غير المغناطيسية مع أجهزة الميل لتجنب التداخل المغناطيسي.
4. البئر العميقة/البئر فائقة العمق
تتحمل أطواق الحفر الفولاذية عالية الجودة (مثل الفئة 3) الأحمال الشديدة.
مقارنة بين طوق الحفر وأنبوب الحفر:
طوق الحفر: وظيفته الرئيسية هي توفير ضغط الحفر وتثبيت سلسلة الحفر. وهو ثقيل للغاية (من 4 إلى 6 أضعاف وزن أنبوب الحفر)، وله جدران سميكة للغاية (صلابة عالية)، ويقع في أسفل سلسلة الحفر.
أنبوب الحفر: وظيفته الرئيسية هي نقل عزم الدوران ونقل سائل الحفر. وهو خفيف الوزن، ورقيق سمك الجدار (المرونة مطلوبة)، وله صلابة عالية، ويقع في الجزء الأوسط والعلوي من سلسلة الحفر.
الخلاصة: تُعدّ طوق الحفر حجر الموازنة لعمليات الحفر. تكمن قيمته الأساسية في توفير ضغط الحفر وتثبيت سلسلة الحفر. عند الاختيار، من الضروري اختيار النوع المناسب وفقًا لعمق البئر ونوعه وخصائص التكوين (مثل طوق الحفر الحلزوني المقاوم للانحشار، وطوق الحفر غير المغناطيسي المزود بخاصية التسجيل)، والالتزام الصارم بالمعايير العامة الدولية (مثل API SPEC 7-1) لضمان السلامة والموثوقية.
Read more: What is Drill Pipe? A Complete Guide
