سلسلة الحفر

اعتمد النجاح الميكانيكي لحفر الآبار باستخدام أدوات الكابلات بشكل كبير على جهاز يُسمى "الجرار"، اخترعه ويليام موريس، وهو حفار آبار يعمل بنظام الأعمدة، في أيام آبار الملح في ثلاثينيات القرن التاسع عشر. لا يُعرف الكثير عن موريس سوى اختراعه وذكره مقاطعة كاناوا (التي تقع الآن في ولاية فرجينيا الغربية) كعنوان له. حصل موريس على براءة اختراع ^{[ 1 ]} لهذه الأداة الفريدة عام 1841 لحفر الآبار الارتوازية . لاحقًا، وباستخدام الجرار، تمكن نظام أدوات الكابلات من تلبية متطلبات حفر آبار النفط بكفاءة عالية.

تم تحسين الجرار بمرور الوقت، لا سيما على أيدي عمال حفر آبار النفط، ووصلت إلى التصميم الأمثل والأكثر عملية بحلول سبعينيات القرن التاسع عشر، بفضل براءة اختراع أخرى حصل عليها إدوارد غيلود من تيتوسفيل، بنسلفانيا، عام 1868، والتي تناولت استخدام الفولاذ على أسطح الجرار الأكثر عرضة للتآكل. ^{[ 2 ]} وبعد سنوات عديدة، في ثلاثينيات القرن العشرين، صُنعت جرار من سبائك فولاذية شديدة المتانة.

كانت مجموعة المطارق تتألف من وصلتين متشابكتين قابلتين للتداخل. في عام ١٨٨٠، كان لديهما مسافة حركة تبلغ حوالي ١٣  بوصة، بحيث يمكن رفع الوصلة العلوية ١٣  بوصة قبل تعشيق الوصلة السفلية. يحدث هذا التعشيق عند التقاء رأسي الوصلة. اليوم، يوجد نوعان رئيسيان: المطارق الهيدروليكية والميكانيكية. على الرغم من اختلاف تصميميهما، إلا أن طريقة عملهما متشابهة. تُخزن الطاقة في سلسلة الحفر وتُطلق فجأة بواسطة المطرقة عند تشغيلها. يمكن تصميم المطارق للضرب لأعلى أو لأسفل أو كليهما. في حالة الضرب لأعلى فوق مجموعة أدوات الحفر السفلية العالقة، يسحب الحفار سلسلة الحفر ببطء لأعلى، لكن مجموعة أدوات الحفر السفلية لا تتحرك. بما أن الجزء العلوي من سلسلة الحفر يتحرك لأعلى، فهذا يعني أن سلسلة الحفر نفسها تتمدد وتخزن الطاقة. عندما تصل المطارق إلى نقطة التشغيل، فإنها تسمح فجأة لجزء منها بالتحرك محوريًا بالنسبة لجزء آخر، حيث يُسحب لأعلى بسرعة، تمامًا كما يتحرك أحد طرفي زنبرك مشدود عند إطلاقه. بعد بضع بوصات من الحركة، يصطدم هذا الجزء المتحرك بكتف فولاذي، مما يؤدي إلى إحداث حمل صدمي.

بالإضافة إلى النسختين الميكانيكية والهيدروليكية، تُصنف المطارق إلى مطارق حفر ومطارق استخراج. يتشابه تشغيل النوعين، ويُحدث كلاهما ضربة صدمية متقاربة، إلا أن مطرقة الحفر مصممة لتحمل أحمال الدوران والاهتزاز المصاحبة للحفر بشكل أفضل. صُممت المطارق بحيث يُمكن إعادة ضبطها بسهولة عن طريق تحريك سلسلة الأنابيب، وهي قابلة للتشغيل المتكرر قبل استخراجها من البئر. تُحدد فعالية الطرق بمدى سرعة صدم الوزن في المطارق. عند الطرق بدون مُركب أو مُسرع، يعتمد الأمر فقط على تمدد الأنابيب لرفع أطواق الحفر لأعلى بعد تحرير المطرقة، مما يُحدث الصدمة الصاعدة فيها. غالبًا ما تُقلل هذه الحركة الصاعدة المُتسارعة بسبب احتكاك سلسلة العمل على جوانب تجويف البئر، مما يُقلل من سرعة حركة أطواق الحفر الصاعدة التي تصطدم بالمطرقة. في الأعماق الضحلة، لا تتحقق الصدمة المطلوبة للمطرقة بسبب عدم تمدد الأنابيب في سلسلة العمل.

عندما لا يكفي تمديد الأنابيب وحده لتوفير الطاقة اللازمة لتحرير السمكة، تُستخدم أجهزة التمديد أو التسريع. يتم تنشيط هذه الأجهزة عند سحب سلسلة العمل بقوة زائدة، مما يؤدي إلى ضغط سائل قابل للانضغاط لمسافة قصيرة، وفي الوقت نفسه يتم تفعيل وعاء الاستخراج. عند تحرير وعاء الاستخراج، ترفع الطاقة المخزنة في جهاز التمديد/التسريع حلقات الحفر لأعلى بسرعة عالية، مما يُحدث صدمة قوية داخل الوعاء.

تعتمد الجرار على مبدأ شد الأنبوب لتوليد طاقة كامنة مرنة، بحيث عندما ينطلق الجرار، فإنه يعتمد على كتلة أنبوب الحفر وأطواق التثبيت لاكتساب السرعة، ثم يصطدم بجزء السندان من الجرار. ينتج عن هذا الاصطدام قوة، أو ضربة، تتحول إلى طاقة.

نشأ مفهوم استخدام الاهتزاز لتحرير الأجسام العالقة في آبار النفط في أربعينيات القرن العشرين، وربما يعود أصله إلى استخدام الاهتزاز في ثلاثينيات القرن نفسه لدقّ الركائز في الاتحاد السوفيتي. كان استخدام الاهتزاز في بداياته لدقّ الركائز واستخراجها مقتصراً على الترددات المنخفضة، أي الترددات الأقل من تردد الرنين الأساسي للنظام، وبالتالي، ورغم فعاليته، لم يكن سوى تحسينٍ طفيفٍ على معدات الطرق التقليدية. حاولت براءات الاختراع والتعليمات المبكرة شرح العملية والآلية المعنية، لكنها افتقرت إلى قدرٍ كافٍ من التعقيد. في عام ١٩٦١، حصل أ. ج. بودين على براءة اختراع ^{[ ٣ ]} أصبحت فيما بعد "براءة الاختراع الأم" لاستخراج الأنابيب من حقول النفط باستخدام التقنيات الصوتية. قدّم السيد بودين مفهوم الاهتزاز الرنيني الذي ألغى فعلياً جزء المفاعلة من المعاوقة الميكانيكية ، مما أدى إلى وسيلة فعّالة لنقل الطاقة الصوتية. لاحقاً، حصل السيد بودين على براءات اختراع إضافية موجهة لتطبيقات أكثر تركيزاً لهذه التقنية.

نُشرت أول دراسة حول هذه التقنية في ورقة بحثية قدمتها جمعية مهندسي البترول (SPE) عام 1987 في المؤتمر الدولي لمقاولي الحفر في دالاس، تكساس ^{[ 4 ]،} حيث شرحت طبيعة العمل والنتائج التشغيلية المحققة. وقد حقق العمل المذكور نجاحًا كبيرًا في استخراج الأنابيب الداخلية وأنابيب الإنتاج وأنابيب الحفر. أما المرجع الثاني ^{[ 5 ]،} الذي عُرض في المؤتمر والمعرض الفني السنوي لجمعية مهندسي البترول في أنهايم، كاليفورنيا، في نوفمبر 2007، فيشرح نظرية الاهتزاز الرنيني بمزيد من التفصيل، بالإضافة إلى استخدامها في استخراج الأنابيب الطويلة العالقة في الطين.

تعتمد المهتزات الرنانة السطحية على مبدأ دوران أوزان لا مركزية متعاكسة لإحداث حركة توافقية جيبية من السطح إلى سلسلة العمل عند السطح. يوفر المرجع الثالث (أعلاه) شرحًا وافيًا لهذه التقنية. يتم ضبط تردد الدوران، وبالتالي اهتزاز سلسلة الأنابيب، على تردد الرنين للنظام. يتكون النظام من المهتز الرنان السطحي، وسلسلة الأنابيب، والسمكة، ووسط الاحتجاز. وتستند القوى الناتجة المؤثرة على السمكة إلى المنطق التالي:

• تنتج قوى التوصيل من السطح عن قوة السحب الساكنة من جهاز الحفر، بالإضافة إلى مكون القوة الديناميكية للأوزان اللامركزية الدوارة.
• اعتمادًا على مُركِّبة قوة السحب الساكنة، يمكن أن تكون القوة المحصلة عند السمكة إما شدًا أو ضغطًا بسبب مُركِّبة موجة القوة الجيبية من المُذبذب
• في بداية تشغيل المهتز، يلزم بذل قوة لرفع وخفض كتلة الحمل بالكامل. وعندما يضبط المهتز على تردد الرنين للنظام، تتلاشى معاوقة الحمل التفاعلية لتصبح صفرًا، وذلك بفضل تساوي مفاعلة الحث (كتلة النظام) مع مفاعلة المرونة أو الصلابة (مرونة الأنبوب). أما المعاوقة المتبقية للنظام، والمعروفة بمعاوقة الحمل المقاومة، فهي التي تُبقي الأنبوب عالقًا.
• أثناء الاهتزاز الرنيني، تنتقل موجة جيبية طولية عبر الأنبوب إلى السمكة مع كتلة أنبوب مصاحبة تساوي ربع طول موجة تردد الاهتزاز الرنيني .
• تحدث ظاهرة تُعرف باسم تمييع حبيبات التربة أثناء الاهتزاز الرنيني ، حيث تتحول المادة الحبيبية التي تقيد الأنبوب العالق إلى حالة سائلة تُبدي مقاومة ضئيلة لحركة الأجسام عبرها. وبذلك، تكتسب خصائص ومميزات السائل.
• أثناء اهتزاز الأنابيب، يحدث تمدد وانكماش في جسم الأنبوب، يُعرف بنسبة بواسون ، بحيث عندما يتعرض الأنبوب العالق لإجهاد محوري ناتج عن التمدد، ينكمش قطره. وبالمثل، عندما ينضغط طول الأنبوب، يتمدد قطره . ولأن طول الأنبوب المهتز يتعرض لقوى شد وضغط متناوبة على شكل موجات على طول محوره الطولي (وبالتالي إجهادات طولية)، فإن قطره يتمدد وينكمش بالتزامن مع موجات الشد والضغط المطبقة. وهذا يعني أنه في لحظات متناوبة خلال دورة الاهتزاز ، قد يكون الأنبوب في الواقع منفصلاً فعلياً عن مكانه.