ما هو أنبوب الحفر؟ وما وظيفته؟
أنبوب الحفر هو أنبوب فولاذي ذو ذيل ملولب، يُستخدم لربط المعدات السطحية لمنصة الحفر بمعدات الحفر والطحن أو جهاز قاع البئر. يُعد أنبوب الحفر المكون الأساسي لسلسلة الحفر في عمليات حفر النفط والغاز. ويُستخدم بشكل رئيسي لنقل الطاقة (عزم الدوران والشد) ونقل سوائل الحفر، وربط منصة الحفر السطحية بأدوات الحفر في قاع البئر (مثل أطواق الحفر، ورؤوس الحفر، إلخ). تنقسم أنابيب الحفر إلى ثلاث فئات: أنابيب الحفر المربعة، وأنابيب الحفر، وأنابيب الحفر الموزونة.
الوظائف الرئيسية لأنابيب الحفر:
1. نقل الطاقة: ينتقل عزم الدوران والضغط المحوري لمنصة الحفر السطحية إلى رأس الحفر لتحقيق سحق التكوينات.
2. قناة سائل الحفر: تعمل هذه القناة على تبريد رأس الحفر وحمل بقايا المواد الخام إلى السطح.
3. زيادة عمق البئر: من خلال إطالة مجموعة أنابيب الحفر، يزداد عمق البئر تدريجيًا.
الغرض من أنبوب الحفر هو نقل طين الحفر إلى لقمة الحفر، ورفع أو خفض أو تدوير جهاز قاع البئر مع لقمة الحفر. يجب أن تكون أنابيب الحفر قادرة على تحمل الضغوط الداخلية والخارجية الهائلة، والالتواء والانحناء والاهتزاز. يمكن استخدام أنابيب الحفر عدة مرات أثناء استخراج وتكرير النفط والغاز.
المكونات الشائعة لسلسلة الحفر هي: لقمة الحفر، طوق الحفر، أنبوب الحفر، المثبت، الوصلة الخاصة، وأنبوب الحفر المربع.
الهيكل الأساسي لأنبوب الحفر:
جسم الأنبوب:
عادةً ما يكون مصنوعًا من أنبوب فولاذي غير ملحوم، بسمك جدار يتراوح بين 9 و11 مم، ويتم تكثيف طرفيه (تكثيف داخلي، تكثيف خارجي، تكثيف داخلي وخارجي) لتعزيز متانته.
المظهر: أنبوب فولاذي مجوف سميك الجدران، مزود بوصلات أداة سميكة (وصلة الأداة) في كلا الطرفين، متصل بسلسلة الحفر بواسطة خيوط. الوصلة: تُقسم إلى وصلات ملولبة ذكرية وأنثوية، تُربط بجسم الأنبوب عن طريق اللحام الاحتكاكي أو التوصيل الملولب، وهي مسؤولة عن نقل عزم الدوران وحمل الشد وسد سائل الحفر.
الوصلة الذكرية (الدبوس): مزودة بخيوط خارجية، تُدخل في الوصلة الأنثوية لأنبوب الحفر التالي.
الوصلة الأنثوية (الصندوق): مزودة بخيوط داخلية، تُستخدم لتوصيل الوصلة الذكرية.
نوع الفولاذ وحجم أنبوب الحفر:
المادة: فولاذ سبائكي عالي القوة، بدرجات E-75، X-95، G-105، S-135 وفقًا لمعايير API. كلما ارتفع نوع الفولاذ، زادت قوة الخضوع. يجب أن يتمتع بمقاومة جيدة للشد والالتواء والتعب.
الحجم:
يُحدد حجم أنبوب الحفر بشكل أساسي من خلال القطر الخارجي (OD) والقطر الداخلي (ID) والوزن لكل قدم، ويتوافق مع معيار API 5DP.
الأحجام الشائعة تشمل 2⅜"، 2⅞"، 3½"، 4½"، 5"، 5½"، 6⅝"، إلخ (وفقًا لمعيار API).
الطول: يتراوح طول أنبوب الحفر الواحد عادةً بين 9 و12 مترًا (30-40 قدمًا)، ويمكن أن يصل إلى عدة آلاف من الأمتار بعد توصيل عدة أنابيب.
سمك الجدار: أرق من أطواق الحفر، ولكنه أكثر سمكًا من أنابيب الفولاذ العادية، مما يجعله يتحمل الضغط العالي والأحمال المعقدة.
المعايير الرئيسية لحجم أنبوب الحفر:
(1) القطر الخارجي (OD)
النطاق: عادةً بين 2⅜" و6⅝" (60.3 مم إلى 168.3 مم)، مع إمكانية تخصيص الأحجام الأكبر.
أساس الاختيار: حجم البئر، سعة منصة الحفر، متطلبات إزاحة سائل الحفر.
(2) القطر الداخلي (ID)
التأثير: يحدد معدل تدفق سائل الحفر وسرعة العودة الحلقية. كلما كان القطر الداخلي أصغر، كلما زاد القطر، زاد معدل التدفق (لكن مع زيادة انخفاض الضغط).
القطر الداخلي = القطر الخارجي - 2 × سمك الجدار
أبعاد أنواع خاصة من أنابيب الحفر:
(1) أنبوب حفر ثقيل
القطر الخارجي: مماثل لأنبوب الحفر التقليدي (مثل 3.5 بوصة، 4.5 بوصة، 5 بوصات).
وزن الوحدة: أعلى بنسبة 20% إلى 50% من أنبوب الحفر العادي.
الاستخدام: استبدال جزء من طوق الحفر لتقليل خطر انحشار الحفر، ويُستخدم غالبًا في قسم الانتقال في الآبار الاتجاهية.
(٢) أنبوب حفر ذو ثقب رفيع (أنبوب)
القطر الخارجي: أقل من ٢⅜ بوصة (مثل ١⅞ بوصة، ٢⅛ بوصة)، ويُستخدم للآبار الصغيرة أو الحفر الجانبي.
التحديات: يتطلب قوة التواء منخفضة، وفولاذ عالي الجودة (مثل S-135).
أنواع أنابيب الحفر:
تنقسم أنابيب الحفر إلى ثلاث فئات: أنبوب حفر مربع، وأنبوب حفر، وأنبوب حفر مرجح. ترتيب التوصيل هو: أنبوب حفر مربع (قطعة واحدة) + أنبوب حفر (عدد القطع، يُحدد حسب عمق البئر) + أنبوب حفر مرجح (عدد القطع، يُحدد حسب تصميم مجموعة أدوات الحفر).
١. أنبوب حفر مربع
يقع أنبوب الحفر المربع في أعلى سلسلة الحفر، وله نوعان: مربع وسداسي.
الوظيفة:
١. أثناء الحفر، يتعاون أنبوب الحفر المربع مع الجلبة وجلبة القرص الدوار لنقل عزم دوران الأرض إلى أنبوب الحفر لدفع سلسلة الحفر ومثقاب الحفر للدوران؛
٢. يتحمل الوزن الكامل سلسلة الحفر؛
③ قناة دوران سائل الحفر.
الهيكل:
يتكون قضيب الحفر المربع من وصلات علوية وسفلية وجسم أنبوب. يتكون جسم الأنبوب من هيكلين: مربع أو سداسي (غالبًا ما يكون مربعًا في حفر النفط)؛ الوصلة العلوية عبارة عن خيط أنثوي أيسر (خيط عكسي)، متصل بالصنبور. أثناء عملية الدوران، يمنع الخيط الأنثوي الأيسر الخيط العكسي؛ الوصلة السفلية عبارة عن خيط ذكر أيمن، متصل بقضيب الحفر. أثناء العمل، يكون الطرف العلوي لقضيب الحفر المربع دائمًا فوق سطح القرص الدوار، والجزء السفلي أسفل سطح القرص الدوار.
2. قضيب الحفر
الوظيفة:
يُعد قضيب الحفر المكون الأساسي لسلسلة الحفر. وظيفته الرئيسية هي نقل عزم الدوران ونقل سائل الحفر، ويعتمد على الدوران التدريجي لقضيب الحفر. يؤدي الإطالة إلى زيادة عمق البئر. لذلك، يحتل أنبوب الحفر مكانة بالغة الأهمية في حفر النفط.
الهيكل:
يتكون هيكل أنبوب الحفر من أنبوب فولاذي غير ملحوم، يتراوح سمك جداره عادةً بين 9 و11 مم؛ ويتكون من جزأين: جسم أنبوب الحفر ووصلة أنبوب الحفر. يُلحم جسم الأنبوب والوصلة معًا باستخدام اللحام الاحتكاكي.
3. أنبوب الحفر الموزون
يشبه أنبوب الحفر الموزون أنبوب حفر النفط، وهو أيضًا عمود فولاذي مجوف يبلغ طوله حوالي 10 أمتار. ومع ذلك، فإن وزن القضيب الواحد أثقل من وزن أنبوب حفر النفط، ويبلغ سمك جداره ضعفي أو ثلاثة أضعاف سمك جدار أنبوب الحفر. يُوصل أنبوب الحفر الموزون بين أنبوب الحفر وطوق الحفر لمنع تلف التعب الناتج عن تغيرات المقطع العرضي لسلسلة الحفر. كما يُمكن استخدامه لاستبدال جزء من طوق الحفر، ولكن تعليقه سهل، وعملية الحفر مريحة، ويُوفر وقت الحفر.
التصنيف حسب الغرض الخاص:
1. أنبوب الحفر الموزون
سمك جداره أكثر سمكًا من أنبوب الحفر العادي، ووزنه قريب من طوق الحفر. يُستخدم لاستبدال جزء من طوق الحفر لتقليل خطر الالتصاق. الحفر.
يُستخدم عادةً في قسم الانتقال في الآبار الاتجاهية والأفقية.
2. أنبوب حفر مضاد للكبريت
يستخدم مواد خاصة (مثل SS-75 وSS-95) لمنع تآكل كبريتيد الهيدروجين (H₂S).
يُستخدم في حقول النفط والغاز المحتوية على الكبريت.
3. أنبوب حفر عالي المتانة
يُحسّن عملية المعالجة الحرارية لتحسين مقاومة الصدمات، وهو مناسب للبيئات شديدة البرودة أو في أعماق البحار.
التطبيقات النموذجية لأنبوب الحفر:
1. الحفر الدوراني: ينقل عزم دوران منصة الحفر ويدفع لقمة الحفر للدوران، مما يُساعد على كسر الصخور.
2. الآبار الاتجاهية/الأفقية: تتكيف بمرونة مع تغيرات مسار البئر، باستخدام محركات قاع البئر (PDM) أو أنظمة التوجيه الدوراني (RSS).
3. الآبار العميقة/الآبار فائقة العمق: تُستخدم أنواع فولاذية عالية القوة (مثل S-135) لتحمل الشد وعزم الدوران الهائلين.
4. الحفر غير المتوازن: تمنع أنابيب الحفر عالية الضغط الانفجارات.
تصنيف وصلات أنابيب الحفر:
وصلة أنبوب الحفر هي أحد مكونات أنبوب الحفر، وتنقسم إلى وصلات ذكر وأنثى، متصلة بطرفي جسم أنبوب الحفر. لتعزيز قوة وصلة الوصلة، يجب زيادة سمك جدار جسم الأنبوب عند الوصلة. وفقًا لطريقة التكثيف، يمكن تقسيمها إلى ثلاثة أشكال: تكثيف داخلي، تكثيف خارجي، وتكثيف داخلي وخارجي. تحتوي الوصلة على خيوط على العربة (مشبك خشن)، تُستخدم لتوصيل كل أنبوب حفر. خيط وصلة أنبوب الحفر هو خيط أنبوب مدبب مع كتف مانع للتسرب. يتم شد سطح الكتف للإغلاق، ويعمل الخيط كوصلة فقط. يختلف نوع مشبك الخيط في الوصلة المقابلة باختلاف طرق التكثيف.
ثلاثة شروط يجب استيفاؤها لتوصيل المشبك:
1. تساوي الحجم؛
2. نفس نوع الخيط؛
3. تطابق المشبكين الذكر والأنثى.
وفقًا لنوع مشبك اللولب، تُقسم وصلات أنابيب الحفر إلى أربعة أنواع من الوصلات:
1. وصلة داخلية مسطحة (IF): تُستخدم بشكل رئيسي لأنابيب الحفر السميكة الخارجية. تتميز بأن قطرها الداخلي متساوٍ في جميع أنحاء جسم الأنبوب، ومقاومة تدفق سائل الحفر فيها منخفضة، بينما يكون قطرها الخارجي كبيرًا وسهل التآكل.
2. وصلة كاملة الفتحة (FH): تُستخدم بشكل رئيسي لأنابيب الحفر السميكة الداخلية والخارجية. تتميز بأن أنبوب الحفر له قطران داخليان، ومقاومة تدفق سائل الحفر فيه أكبر من النوع الداخلي المسطح، بينما يكون قطره الخارجي أصغر من النوع العادي.
3. وصلة عادية (REG): تُستخدم بشكل رئيسي لأنابيب الحفر السميكة الداخلية، ومثقاب الحفر، وأدوات الإنقاذ. تتميز بأن القطر الداخلي للوصلة السميكة أصغر من القطر الداخلي لجسم الأنبوب، ومقاومة تدفق سائل الحفر كبيرة، ومقاومة التدفق النسبية هي الأكبر بين أنواع الوصلات الثلاثة، بينما يكون القطر الخارجي هو الأصغر، والمتانة أكبر. تستخدم جميع أنواع الوصلات الثلاثة المذكورة أعلاه خيوطًا على شكل حرف V، إلا أن نوع الإبزيم، ومسافة الإبزيم، والتدريج، والحجم يختلف اختلافًا كبيرًا.
4. الوصلة المرقمة (NC): الوصلة الرقمية هي سلسلة الخيوط الخشنة القياسية الأمريكية. وقد اعتمدتها API كمعيار دولي. خيط NC هو أيضًا خيط على شكل حرف V. بعض وصلات NC لها نفس قطر الخطوة، والتدريج، والتدريج، وطول الخيط مثل وصلات API القياسية القديمة، ويمكن استخدامها بالتبادل.
معظم وصلات أنابيب حفر النفط تكون على شكل سماكة خارجية أو سماكة داخلية وخارجية. القطر الخارجي لوصلة أنبوب الحفر أكبر من القطر الخارجي لجسم الأنبوب. أثناء عملية الحفر، تكون على اتصال واحتكاك دائمين بجدار البئر أو الغلاف، مما يسبب التآكل. لتجنب حوادث الحفر مثل كسر أنبوب الحفر والتعثر الناتج عن تآكل الوصلة، يجب توفير حزام مضاد للتآكل لوصلة أنبوب الحفر على وصلة أنبوب الحفر الأنثوية.
ابتكار المواد:
بالإضافة إلى الفولاذ التقليدي، تُستخدم أنابيب الحفر المصنوعة من سبائك الألومنيوم وسبائك التيتانيوم والمركبة تدريجيًا في ظروف عمل خاصة نظرًا لخصائصها خفيفة الوزن وعالية القوة ومقاومة التآكل.
