الحفر الموجه

الحفر الموجه (أو الحفر المائل ) هو ممارسة حفر آبار غير رأسية . ويمكن تقسيمه إلى أربع مجموعات رئيسية: الحفر الموجه لحقول النفط ، والحفر الموجه لتركيب المرافق، والحفر الموجه (الحفر الأفقي الموجه - HDD)، والحفر السطحي في الطبقة (SIS)، والذي يتقاطع أفقياً مع هدف حفر رأسي لاستخراج غاز الميثان من طبقات الفحم .

ساهمت العديد من المتطلبات الأساسية في جعل هذه المجموعة من التقنيات منتجة. ولعل أول هذه المتطلبات كان إدراك أن آبار النفط ، أو آبار المياه ، لا يشترط أن تكون رأسية. وقد كان هذا الإدراك بطيئًا، ولم يلفت انتباه صناعة النفط إلا في أواخر عشرينيات القرن الماضي، عندما رُفعت عدة دعاوى قضائية تزعم أن الآبار المحفورة من منصة حفر في موقع ما قد تجاوزت حدود الموقع واخترقت خزانًا في موقع مجاور. في البداية، قُبلت أدلة غير مباشرة، مثل تغيرات الإنتاج في آبار أخرى، لكن هذه القضايا حفزت تطوير أدوات ذات أقطار صغيرة قادرة على مسح الآبار أثناء الحفر. وتتطور منصات الحفر الأفقية الموجهة نحو نطاق واسع، وتصغير دقيق، وأتمتة ميكانيكية، والعمل في الطبقات الصخرية الصلبة، متجاوزةً بذلك الحفر الموجه بالطول والعمق. ^{[ 1 ]}

يُعدّ قياس ميل البئر (انحرافه عن الوضع الرأسي) بسيطًا نسبيًا، إذ لا يتطلب سوى بندول. أما قياس السمت (اتجاه البئر بالنسبة للشبكة الجغرافية التي يمتد فيها البئر عن الوضع الرأسي) فكان أكثر صعوبة. في بعض الحالات، كان من الممكن استخدام المجالات المغناطيسية، لكنها كانت تتأثر بالقطع المعدنية المستخدمة داخل الآبار، وكذلك بالقطع المعدنية المستخدمة في معدات الحفر. تمثلت الخطوة التالية في تعديل البوصلات الجيروسكوبية الصغيرة من قِبل شركة سبيري ، التي كانت تصنع بوصلات مماثلة للملاحة الجوية. قامت سبيري بذلك بموجب عقد مع شركة صن أويل (التي كانت طرفًا في دعوى قضائية كما ذُكر سابقًا)، وتم تأسيس شركة فرعية باسم " سبيري صن "، وهي العلامة التجارية التي لا تزال مستخدمة حتى اليوم، بعد اندماجها في شركة هاليبرتون . تُقاس ثلاثة عناصر عند أي نقطة معينة في البئر لتحديد موقعها: عمق النقطة على طول مسار البئر (العمق المقاس)، وميل النقطة، والسمت المغناطيسي عند النقطة. تُعرف هذه المكونات الثلاثة مجتمعة باسم "المسح". يلزم إجراء سلسلة من المسوحات المتتالية لتتبع تقدم وموقع البئر.

أرست التجارب السابقة في الحفر الدوراني عدة مبادئ لتكوين معدات الحفر في قاع البئر (مجموعة أدوات الحفر السفلية أو "BHA")، والتي كانت عرضة لـ"حفر بئر مائل" (أي زيادة الانحرافات الأولية العرضية عن الوضع الرأسي). كما منحت التجارب السابقة رواد الحفر الموجه مبادئ لتصميم مجموعة أدوات الحفر السفلية وممارسات الحفر، مما ساعد على تقريب البئر المائل من الوضع الرأسي.

في عام ١٩٣٤، أصبح إتش. جون إيستمان ورومان دبليو. هاينز من لونغ بيتش، كاليفورنيا ، من رواد الحفر الموجه، عندما أنقذوا، برفقة جورج فيلينغ من إينيد، أوكلاهوما ، حقل كونرو النفطي في تكساس . كان فيلينغ قد حصل مؤخرًا على براءة اختراع لشاحنة حفر متنقلة. وكان قد أسس شركته في عام ١٩٣١ عندما قام بتوصيل جهاز حفر بشاحنة ووحدة نقل طاقة. سمح هذا الابتكار بالحفر السريع لسلسلة من الآبار المائلة. وكانت هذه القدرة على حفر آبار إغاثة متعددة بسرعة وتخفيف ضغط الغاز الهائل أمرًا بالغ الأهمية لإخماد حريق كونرو. ^{[ ٢ ]} في مقال نُشر في مايو ١٩٣٤ في مجلة العلوم الشعبية الشهرية ، ذُكر أن "قلة قليلة من الرجال في العالم يمتلكون القدرة العجيبة على جعل مثقاب، يدور على عمق ميل تحت الأرض في نهاية أنبوب حفر فولاذي، يشق طريقه في منحنى أو حول زاوية حادة، للوصول إلى الهدف المنشود". ستصبح شركة إيستمان ويبستوك، إنك، أكبر شركة توجيه في العالم في عام 1973.

بفضل دمج أدوات المسح وتصاميم مجموعة أدوات الحفر السفلية، أصبح الحفر الموجه ممكنًا، إلا أنه كان يُنظر إليه على أنه تقنية معقدة. وشهد العقد الماضي تطورًا كبيرًا آخر، حيث شاع استخدام محركات الحفر في قاع البئر (المعروفة أيضًا بمحركات الطين ، والتي تعمل بالطاقة الهيدروليكية لطين الحفر المتدفق عبر سلسلة الحفر). سمحت هذه المحركات لرأس الحفر بالاستمرار في الدوران على سطح القطع في قاع البئر، بينما بقي معظم أنبوب الحفر ثابتًا. وسمح استخدام أنبوب مثني (يُسمى "الوصلة المثنية") بين أنبوب الحفر الثابت وأعلى المحرك بتغيير اتجاه البئر دون الحاجة إلى سحب جميع أنابيب الحفر وتركيب جهاز توجيه إضافي. ومع تطور أدوات القياس أثناء الحفر (باستخدام تقنية قياس نبضات الطين عن بُعد ، أو الأنابيب المتصلة شبكيًا أو سلكيًا، أو تقنية القياس الكهرومغناطيسي ، والتي تُمكّن الأدوات الموجودة في قاع البئر من إرسال بيانات الاتجاه إلى السطح دون التأثير على عمليات الحفر)، أصبح الحفر الموجه أسهل.

لا يمكن حفر بعض التكوينات بسهولة أثناء دوران أنبوب الحفر. يتطلب الحفر الموجه باستخدام محرك قاع البئر إيقاف دوران أنبوب الحفر من حين لآخر، ثم "تحريكه" عبر القناة بينما يقوم المحرك بشق مسار منحني. قد يكون "التحريك" صعبًا في بعض التكوينات، وهو دائمًا أبطأ وبالتالي أكثر تكلفة من الحفر أثناء دوران الأنبوب، لذا فإن القدرة على توجيه رأس الحفر أثناء دوران أنبوب الحفر أمر مرغوب فيه. طورت العديد من الشركات أدوات تسمح بالتحكم في الاتجاه أثناء الدوران. تُعرف هذه الأدوات باسم أنظمة التوجيه الدوراني (RSS). وقد أتاحت تقنية RSS الوصول والتحكم في الاتجاه في التكوينات التي كانت سابقًا غير قابلة للوصول أو التحكم.

يتم حفر الآبار بشكل موجه لعدة أغراض:

• زيادة طول الجزء المكشوف من الخزان عن طريق الحفر عبر الخزان بزاوية.
• الحفر في الخزانات التي يصعب أو يستحيل الوصول إليها عمودياً. على سبيل المثال، حقل نفطي تحت مدينة، أو تحت بحيرة، أو تحت تكوين يصعب الحفر فيه.
• يُتيح تجميع عدد أكبر من رؤوس الآبار في موقع سطحي واحد تقليل عمليات نقل منصات الحفر، والحد من اضطراب مساحة السطح، وتسهيل عملية إكمال الآبار وإنتاجها وخفض تكلفتها. فعلى سبيل المثال، في منصة نفطية أو هيكل بحري، يمكن تجميع 40 بئراً أو أكثر. وتتفرع هذه الآبار من المنصة إلى الخزانات الجوفية. ويجري تطبيق هذا المفهوم على الآبار البرية، مما يسمح بالوصول إلى مواقع متعددة تحت سطح الأرض من منصة واحدة، وبالتالي خفض التكاليف.
• يسمح الحفر على طول الجانب السفلي من صدع يقيد الخزان بإكمال طبقات رملية منتجة متعددة عند أعلى النقاط الطبقية.
• حفر بئر إغاثة لتخفيف الضغط الناتج عن بئر منتجة بغزارة ( انفجار ). في هذه الحالة، يمكن حفر بئر أخرى تبدأ من مسافة آمنة من موقع الانفجار، ولكنها تتقاطع مع البئر المتضررة. بعد ذلك، يُضخ سائل ثقيل (سائل إخماد) إلى بئر الإغاثة لكبح الضغط العالي في البئر الأصلية المسبب للانفجار.

يُزوَّد معظم حفارات الآبار الموجهة بمسار محدد مسبقًا باللون الأزرق، مُعدّ من قِبل المهندسين والجيولوجيين قبل بدء عملية الحفر. عند بدء عملية الحفر، تُجرى مسوحات دورية باستخدام جهاز داخل البئر لتوفير بيانات المسح (الميل والاتجاه) لجدار البئر. ^{[ 3 ]} تُؤخذ هذه الصور عادةً على فترات تتراوح بين 10 و150 مترًا (33 و492 قدمًا) ، حيث يشيع استخدام 30 مترًا (98 قدمًا) أثناء التغييرات النشطة في الزاوية أو الاتجاه، بينما تكون المسافات النموذجية بين 60 و100 متر (200 و330 قدمًا) أثناء "الحفر للأمام" (دون إجراء تغييرات نشطة في الزاوية والاتجاه). أثناء التغييرات الحرجة في الزاوية والاتجاه، وخاصةً عند استخدام محرك داخل البئر، تُضاف أداة قياس أثناء الحفر (MWD) إلى سلسلة الحفر لتوفير قياسات مُحدَّثة باستمرار، والتي يمكن استخدامها لإجراء تعديلات (شبه) فورية.

تُشير هذه البيانات إلى ما إذا كان البئر يسير وفق المسار المُخطط له، وما إذا كان اتجاه مجموعة الحفر يُسبب انحراف البئر عن المسار المُخطط له. تُجرى التصحيحات بانتظام باستخدام تقنيات بسيطة، مثل تعديل سرعة الدوران أو وزن سلسلة الحفر (الوزن على القاع) وصلابتها، بالإضافة إلى طرق أكثر تعقيدًا وتستغرق وقتًا أطول، مثل إدخال محرك في قاع البئر. تُسجل هذه الصور، أو المسوحات، وتُحفظ كسجل هندسي وقانوني يصف مسار حفر البئر. عادةً ما تُؤكد صور المسح الملتقطة أثناء الحفر بمسح لاحق شامل للبئر، باستخدام جهاز "كاميرا متعددة اللقطات".

تقوم الكاميرا متعددة اللقطات بتحريك الفيلم على فترات زمنية بحيث يمكن مسح البئر بالكامل على فترات عمق منتظمة (كل 30 مترًا تقريبًا (98 قدمًا) هو الطول النموذجي لـ 2 أو 3 وصلات من أنبوب الحفر، والمعروف باسم "الوقفة"، نظرًا لأن معظم منصات الحفر "تعيد" الأنبوب المسحوب من البئر على هذه الزيادات، والمعروفة باسم "الوقفات").

يتطلب الحفر إلى أهداف بعيدة أفقياً عن موقع السطح تخطيطاً وتصميماً دقيقين. يدير أصحاب الأرقام القياسية الحاليون آباراً تبعد أكثر من 10 كيلومترات (6.2 ميل) عن موقع السطح بعمق رأسي حقيقي يتراوح بين 1600 و2600 متر (5200-8500 قدم) فقط . ^{[ 4 ]}    

يُمكن لهذا النوع من الحفر أن يُقلل من التكلفة البيئية والتشويه الذي يلحق بالبيئة. ففي السابق، كان لا بد من إزالة مساحات شاسعة من سطح الأرض، أما الآن فلم يعد ذلك ضرورياً مع الحفر الموجه.

قبل ظهور محركات الحفر الحديثة وأدوات قياس ميل واتجاه البئر المتطورة، كان الحفر الموجه والحفر الأفقي أبطأ بكثير من الحفر الرأسي، وذلك بسبب الحاجة إلى التوقف بانتظام وإجراء مسوحات تستغرق وقتًا طويلاً، بالإضافة إلى بطء عملية الحفر نفسها (انخفاض معدل الاختراق). وقد تضاءلت هذه العيوب بمرور الوقت مع ازدياد كفاءة محركات الحفر وإمكانية إجراء المسوحات شبه المستمرة.

يبقى الفرق في تكاليف التشغيل: ففي الآبار ذات الميل الأقل من 40 درجة، يمكن إنزال الأدوات اللازمة لإجراء التعديلات أو أعمال الصيانة بواسطة كابلات بفعل الجاذبية إلى داخل البئر. أما في الآبار ذات الميل الأعلى، فيجب استخدام معدات أكثر تكلفة لدفع الأدوات إلى أسفل البئر.

من عيوب الآبار ذات الميلان الشديد أن منع تدفق الرمال إليها كان أقل موثوقية ويتطلب جهداً أكبر. إلا أن هذا العيب قد تضاءل، بحيث أصبح من الممكن تنفيذه بكفاءة عالية شريطة التخطيط الجيد للتحكم في الرمال.

• مسح الانحراف
• التوجيه الجيولوجي
• التكسير الهيدروليكي
• تسجيل البيانات أثناء الحفر
• القياس أثناء الحفر
• محرك الطين
• مدون الطين
• نظام التوجيه الدوراني
• تقنية الحفر بدون خنادق

• "آبار النفط المائلة، تُحقق عجائب جديدة" مجلة العلوم الشعبية ، مايو 1934، مقال مبكر عن تكنولوجيا الحفر
• "التكنولوجيا وحفرة كونرو" الجمعية التاريخية الأمريكية للنفط والغاز
• فيديو قصير يشرح عملية الحفر الأفقي لاستخراج الغاز من الصخر الزيتي. ( المعهد الأمريكي للبترول )
• يمكنكم مشاهدة فيديو يوضح عملية الحفر الأفقي للصخور الزيتية هنا .
• "حفرة ميكانيكية تحفر آبارًا ملتوية." العلوم الشعبية ، يونيو 1942، ص  94-95.
• أسياد صناعة النفط المجهولون ، 21 يوليو 2012، مجلة الإيكونوميست