امروزه در صنعت نفت، صنعت حفاری از بالاترین درجه اهمیت برخوردار است و ملاک قدرت شرکت های نفتی محسوب می شود. حفاری به ۲ روش انجام می شود :

۱-حفاری دورانی (Rotational drilling)

۲-حفاری ضربه ای (Cable tool drilling)

امروزه حفاری ضربه ای کاربرد زیادی ندارد و تقریبا تمامی چاه ها به روش حفاری دورانی حفر می شوند.

حفاری دورانی

در این روش حفاری، از مته های متنوعی استفاده می شود. مته ها با حرکت چرخشی روی سنگ باعث خرد شدن و

ساییده شدن آن می شوند و انرژی لازم برای به چرخش در آوردن مته و لوله با کمک سیستم دورانی تامین می گردد.

از مهمترین عواملی که موجب افزایش سرعت حفاری می شود گل حفاری است که در عملیات حفاری همانند خون در

بدن انسان عمل میکند بدین صورت که به هنگام چرخش مته از نازل های(سوراخ) موجود بر روی مته خارج شده و

را با بهره مندی از خاصیت حمل به سطح زمین انتقال میدهد که این عمل باعث (Cutting) کنده های حفاری

افزایش سرعت حفاری شده و از قفل شدن مته در چاه جلوگیری می کند. امروزه تقریبا در همه جای دنیا برای حفر چاه

های نفتی یا گازی از سیستم حفاری دورانی استفاده می شود.

حفاری ضربه ای

دستگاه های حفاری ضربه ای و یا سیستم های ضربه ای، دستگاههای ساده ای هستند که برای پژوهشهای آب یابی

بسیار مناسب هستند. از این دستگاهها بیشتر برای حفر چاه هایی که در داخل سنگهای مقاوم قرار دارند، استفاده

می کنند. اصول کار سیستم های ضربه ای خردکردن سنگهاست که این عمل بوسیله مته ای به نام مته حفاری یا ترپان انجام می گیرد. مته ها بطور منظم از ارتفاع ثابتی روی سنگ فرود می آیند. دستگاه مجهز به یک خرک چهار قطبی و یا یک دکل است که مته های حفاری با یک قرقره برگشت دهنده روی آن آویزان می گردند. این مته ها دارای حرکت رفت و برگشتی می باشند و برای اجرای مانورهای حرکتی پائین و بالا، از دستگاه رفت و برگشت جدا گردیده و به وسیله ای به نام چرخ قرقره که برای نصب لوله ها نیز بکار می رود،اتصال می یابند. خرکهای جدا شونده، چوبی و یا

فلزی هستند. پایه ها روی دالهای سیمانی که قبل از مونتاژ دستگاه آماده می شوند، قرار می گیرند. دکل های خم شونده یا تلسکوپی، دستگاههای خودکار قابل حمل حفاری را مجهز می نمایند. این دکلها به صورت دائمی در پشت یک

کامیون نیز می توانند ثابت شده باشند. دکلها باید با کابلهای محکم روی بلوکهای سیمانی استوار شوند.

عمیق ترین چاه با روش ضربه ای

عمیق ترین چاه که با این روش در ایالت نیویورک توسط شرکت گاز طبیعی ایالت نیویورک از سال ۱۹۴۸ تا ۱۹۵۳ و با

عمق ۱۱۱۴۵ فوت حفر گردیده بود که به نفت نرسیده بود.

مشکلات حفاری

۱-ورود سیالات از سازندها به درون چاه (blow out)

گلی که به داخل چاه فرستاده می شود دارای فشار مشخصی است که با استفاده از این فشار، سازندها و سیالات موجود در این سازندها را کنترل می کنند. اگر فشار گل کمتر از فشار سازند باشد، باعث می شود سیالات موجود در این سازندها به درون چاه نفوذ کنند. اگر این سیال گاز یا بخار آب باشد بسیار خطرناک است؛ حتی اگر سیال وارد شده مایع باشد نیز زیان آور است و باعث تغییر ماهیت گل می شود و می تواند گل را از بین ببرد.حالت عکس نیز یعنی زمانی که فشارگل به حدی زیاد است که گل حفاری به داخل سازند نفوذ مینماید و باعث هدر رفتن گل حفاری می شود را اصطلاحا (Mud Loss) گویند .اگر این امر در لایه ی مخزنی اتفاق بیافتد، باعث پرشدن خلل و فرج توسط کیک گل (Mud Cake) شده و به این ترتیب میزان بهره دهی مخزن کاسته می شود. در بهترین حالت از دست رفتن گل حفاری باعث ایجاد خسارت مالی می شود.

باید یادآور شد که گل حفاری پیچیده ترین سیالی است که بشر به آن دست یافته است و ماده ارزان قیمتی نیست.

۲-هرز رفتن آب گل حفاری (Filler loss)

گاهی گل به طور کامل وارد سازند نمی شود و فقط آب این ترکیب داخل سازند می شود که این امر باعث خراب شدن

گل حفاری شده و کارایی آن را کاهش می دهد.

نقش گل حفاری

نخست، خارج کردن خرده سنگ های کنده شده از اطراف مته و آوردن آنها به سطح؛ دوم، خنک کردن و تقلیل

اصطکاک مته با زمین؛ سوم، محافظت دیواره چاه و ممانعت از ریزش طبقات؛ چهارم، ایجاد تعادل بین مایعات درون

طبقات و مایعات داخل چاه؛ پنجم، انتقال گاز و یا نفت از طبقات زیرزمینی به سطح و درون دستگاه های اندازه گیری

مثل دستگاه شناسایی گازها و یا دستگاه تعیین کننده نوع گاز.

۳-گیر کردن ابزار حفاری درون چاه

ممکن است در حین حفاری یا امور مربوطه که درون چاه انجام می شود، برخی از ابزارهای حفاری درون چاه گیر کرده

و یا به درون آن پرتاب شوند. متداول ترین این حوادث گیر کردن رشته های حفاری به دیواره چاه است که به آن

می گویند. (Fishing)

همچنین ممکن است قطعه ای به درون چاه پرتاب شود که در این صورت باید با روش ها و  ابزار های مانده یابی (Stacking)

آن قطعه را خارج کرد.

۴-ریزش لایه ها درون چاه

در حین حفاری ممکن است به لایه هایی برسیم که بسیار سست هستند و به درون چاه ریزش کنند، یا ممکن است

لایه ای که حفاری می کنیم از جنس رس باشد و در تماس با آب گل حفاری با آن سازند، افزایش حجم پیدا کند و چاه رامسدود کند. روشی که برای حل این مشکل پیشنهاد می شود این است که تا جایی که امکان دارد از گل پایه روغنی استفاده شود.

انواع روش های حفاری از نظر مسیر حفاری

۱-حفاری عمودی (vertical drilling)

در این روش، حفاری بصورت عمود نسبت به سطح زمین انجام می شود اما در هر حفاری یک انحراف  (drift)،از مسیر

وجود دارد که در روش عمودی این انحراف باید خیلی کم و در حد ۱ تا ۲ درجه باشد.

۲-حفاری انحرافی (Slant well)

در این روش، مسیر حفاری نسبت به محور عمود بر سطح زمین دارای زاویه است و حتی ممکن است بهنگام حفاری

عمودی در یک قسمت رشته های حفاری به دیواره چاه گیر کنند و آزاد کردن آنها ممکن نباشد و اجباراً به قطع آن

قسمت از لوله های حفاری که به دیواره چاه گیر کرده است بپردازیم و پس از سیمان کردن آن قسمت با استفاده از

روش حفاری انحرافی این منطقه را دور زده و دوباره به مسیر حفاری قبلی بازگردیم.

۳-حفاری افقی (Horizontal drilling)

حفاری در این روش، با زاویه ۹۰ درجه نسبت به محور چاه انجام می شود. این نوع حفاری می تواند درسنگ مخزن

بسیار بصرفه باشد چرا که سطح تماس مخزن را با چاه افزایش داده و در نتیجه باعث برداشت بیشتر و بهتر از مخزن

شود، اما این روش نیاز به تکنولوژی بالایی نیز دارد.

۴-حفاری چند جانبه (Multilateral Drilling)

این روش بیشتر در چاه هایی مورد استفاده قرار می گیرد که بر سطح دریا قرار دارند. در این روش از یک سکو در جهت های مختلف، حفاری انجام می شود به صورتی که هم زمان می توان چندین نقطه در یک مخزن یا مخازن مختلف را حفاری کرد.

۵-حفاری تحت فشار (Under Balance Drilling) UBD

این روش دارای سرعت حفاری بسیار بالایی است. در این تکنیک فشار گل حفاری را طبق استاندارد ها و معیارهای

مختلف که باعث فوران چاه نشود به میزانی پایین تر از فشار سازند و سیال موجود در آن می رسانند.کاربرد اصلی این

روش برای حفاری سازند های سخت می باشد به این ترتیب که اگر فشار روی این سازند ها کم باشد فشار خود سازند

موجب پاشیده شدن آن می شود و سرعت حفاری را تا حد زیادی بالا می برد البته این روش نیاز به تکنولوژی پیشرفته

ای دارد.

روش های نوین مورد  توجه در صنعت حفاری

۱-تکنولوژی حفاری لیزری

پژوهش در مورد استفاده از فناوری لیزر برای حفاری چاه نفت اولین بار در ارتش آمریکا در سال ۱۹۷۷ شروع شده

است. این آزمایش نشان داد که سرعت حفاری با استفاده از این روش بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر افزایش می یابد. هدف

اصلی تمامی آزمایش هایی که تاکنون با لیزر انجام شده است، دستیابی به بیشترین مقدار حفاری با کمترین هزینه می باشد.

آزمایشی تحت عنوان پروژه میراکل توسط دودانشمند به نام های برین و گریوس انجام گرفت. در این آزمایش از امواجی با طول موج 8/3 μm و با توان ليزري 600 تا 1200 کيلو وات و تابش ليزري به مدت 4 ثانيه به عمق سه اينچ در ماسه سنگ، حفاري کنند. با انتخاب سیستم لیزری، قادر خواهیم بود سرعت حفاری را تا اندازه قابل توجهی افزایش دهیم. استفاده از تکنولوژی لیزری برای حفاری چاه نفت، پیامد های برجسته ای را به همراه دارد. از جمله مهم ترین آنها می توان به ایجاد دیواره سرامیکی در چاه، کاهش احتمال توقف عملیات حفاری، کاهش تعداد روز های حفاری، ایجاد قطر یکسان از سطح تا انتهای چاه، کاهش احتمال گیرکردن لوله های حفاری، امکان استفاده از لوله های سبک به جای لوله ها سنگین، کاهش آلودگی زیست محیطی و افزایش سرعت حفاری از ۱۰ تا ۱۰۰ برابر اشاره کرد.یکی از مهم ترین معایب حفاری لیزری انتقال انرژی لیزر از منبع آن در سطح چاه به عدسی آن در انتهای چاه می باشد. مکانیزم حفاری بوسیله لیزر به این ترتیب است که با برخورد اشعه لیزر، سنگ ها خرد شده و سپس ذوب و در مرحله سوم بخار می شوند. دراین مرحله جت سیالی، بخار تولید شده را به جداره چاه چسبانده که خود به ایجاد دیواره سرامیکی در جداره چاه می گردد. ایجاد جداره سرامیکی فواید فراوانی را به همراه دارد.

۲-تکنولوژی حفاری کانال پلاسما (PCD)

ابداع روش های حفاری به منظور کاهش هزینه و آسان شدن عملیات از موضوعات مهم محققین این حوزه از صنعت می باشد. با توجه به وجود مخازن هیدروکربوری در مناطق سخت و دشوار و همچنین کاهش طول دوره حفاری که هزینه ثابت سنگینی را به دنبال دارد، متخصصین این رشته همواره در پی آن هستند تا مناسب ترین روش را براساس دانش فنی روز برای حفاری چاه نفت شناسایی کرده و آماده فرایند عملیاتی کنند. یکی از روش های نوین حفاری، روش حفاری کانال پلاسما می باشد. ابداع روش هاي حفاري به منظور کاهش هزينه و آسان شدن عمليات، از موضوعات مهم محققان اين حوزه از صنعت است. با توجه به وجود مخازن هيدروکربوري در مناطق سخت و دشوار و همچنين کاهش طول دوره حفاري که هزينه ثابت سنگيني را به دنبال دارد، متخصصان اين رشته همواره در پي آن هستند تا مناسب ترين روش را براساس دانش فني روز براي حفاري چاه نفت شناسايي و آماده فرآيند عملياتي کنند. يکي از روش هاي نوين حفاري، روش حفاري کانال پلاسماست.

گروهي از محققان در دانشگاه Strathclydeاسکاتلند، استفاده از برق پالسي و پلاسما با قدرت الکتريکي بالا را براي حفاري در سنگ بررسي کردند و تخمين زدند که با استفاده از روش هاي جديد اکتشاف، مي توان تنها از چاه هاي موجود در درياي شمال، حجمي معادل 1/3 ميليارد بشکه نفت استخراج کرد، ضمن اينکه با استفاده از اين فناوري ها و از طريق عمليات ترميمي در چاه هاي موجود و اکتشاف با هزينه کاراتر و توسعه ذخاير دست نخورده، مي توان سطح توليد موجود در فلات قاره بريتانيا را براي 15 تا 20 سال آينده حفظ کرد. در همين زمينه، اين گروه براي ايجاد "کانال پلاسما" در سنگ حفاري، از برق پالسي ولتاژ بالا استفاده مي کنند، به طوري که با عبور جريان برق پالسي، انفجار فوق العاده سريع کانال پلاسما در داخل سنگ در مدت کمتر از يک ميليونيم ثانيه اتفاق مي افتد و باعث شکستگي و خرد شدن سنگ مي شود. سنگ هاي خرد شده بر اثر نيروي انفجار به ديواره مي چسبند و يک ديواره سنگ ريزه در جداره چاه ايجاد مي شود. حفاري کانال پلاسما، در بطن سنگ محل حفاري با نيروي تخليه الکتريکي بسيار سريع پلاسما صورت مي گيرد. در اين روش، پلاسما بسرعت منفجر شده و انرژي از طريق آن به سنگ منتقل مي شود. اين انفجار سريع مثل يک پيستون بر سنگ مورد نظر اثر مي گذارد و آن را خرد و متلاشي مي کند. با استفاده از فناوري پرقدرت برق پالسي، پلاسما چند بار در ثانيه تشکيل مي شود. نتيجه اين روند مکرر، حفاري کنترل شده با کارايي بالاست.