چاه‌های افقی استخراج نفت

کشف معادن نفت روسپوماره در دریای آدریاتیک باعث گردید تا پژوهشگران شرکت فرانسوی الف اکیتن، در مورد شروع یک حفاری که تا وضع افقی منحرف شده باشد تصمیم قطعی بگیرند. این معدن که حاوی نفت سنگین است از بدی اتفاق، در بالای یک سفره‌ی آبِ تحت فشار، قرار گرفته بود و تمام چاه‌های عمودی که حفر شد به علت پدیده‌ای به نام کونیک، پر از آب می‌شد. پمپاژ نفت باعث پایین آمدن فشار بین چاه و معدن می‌شد و آبِ تحت فشار به علت ویسکوزیته‌ی کم‌تر بالا می‌آمد و به صورت مخروطی دهانه‌ی پایینی چاه را در بر می‌گرفت. بنابراین لازم بود راه حل دیگری برای استخراج نفت یافت شود. این شرکت تصمیم گرفت یک چاه افقی در سقف معدن نفت ایجاد نماید.
توضیح تصویر: اختلاف فشار بین چاه و معدن، حرکت نفت را از طبقه‌های مولد به طرف چاه امکان‌پذیر می‌سازد. ولی وجود یک طبقه آب در زیر این معدن می‌تواند بهره‌برداری از آن را توسط چاه‌های عمودی غیرممکن گرداند. درواقع آب از همان قوانین پیروی کرده (و به خاطر چسبندگی کم‌ترش) با بالا آمدنش تشکیل یک مخروط می‌دهد که روی چاه متمرکز شده و به تدریج آن را فرا می‌گیرد. این پدیده کونیک نام دارد. امروزه به لصف چاه‌های افقی می‌توان نفت را در این نواحی به دست آورد. با طی مسافت زیادی در طبقه‌ی مولد، هم اختلاف فشار لازم برای به حرکت درآوردن مقدار معین نفت، کاهش می‌یابد، و هم چاه از سطح آب فعال دور نگاه داشته می‌شود.
با این کار، از یک سو، طبقه‌ی آب‌خیز به طور دائم از عملیات حفاری به دور می‌ماند و از سوی دیگر، چون طول حفاری افقی در سقف طبقه‌ی مولد زیاد است و از این رو فشار آب زیرین در سطح بسیار بیش‌تری پخش می‌شود از بروز پدیده‌ی کونیک ممانعت به عمل می‌آمد.
تمایل به تولید نفت از معدن روسپوماره، و به طور کلی از بعضی از معدن‌هایی که بهره‌برداری از آن‌ها اشکال‌هایی در بر دارد، موجب شد تا در سال 1978 میلادی پروژه‌ای پژوهشی، علمی، و فنی توسط الف آکیتن و مؤسسه‌ی فرانسوی نفت عرضه شود. فکر حفاری افقی چیز جدیدی نبود چون نیم قرن بود که صنعت حفاری نفت را به خود مشغول داشته بود. ولی کوشش‌هایی که تا همین چند دهه پیش در این زمینه به ویژه در چین، روسیه، و امریکای شمالی صورت گرفته بود ظاهراً با شکست مواجه شده بود زیرا هیچ گونه کاربرد صنعتی در پی نداشت.
به نظر می‌رسد که اشکال‌هایی که شرکت‌های نفتی غیرفرانسوی با آن برخورد کرده‌اند کم‌تر مربوط به خودِ تکنیک‌های حفاری می‌شده تا تجهیزات چاهی که در صدد تولید از آن بودند. سپس تقریباً تمام کوشش‌های پژوهشی روی این نکته متمرکز شد. پس از آزمایش‌های گوناگونی که توسط مرکز نفتی بوسانس (فرانسه) روی معدن‌های لاک و کاسترالو (نزدیک ناحیه‌ی پو) و معدن روسپوماره انجام شد، شرکت الف آکیتن مصمم به تولید نفت از معدن آخری شد.
یک امتیاز مهم – فایده‌ی اقتصادی حفاری افقی را نمی‌توان نادیده گرفت زیرا تعداد زیادی از انواع معدن‌ها با اِشکال فراوان از طریق حفاری‌های سنتی، قابل استفاده است. این موضوع به ویژه در مورد معادنی با ضخامت کم صدق می‌کند که لازم است برای آن چاه‌های متعدد عمودی حفر نمود، و به خاطر همین کار بازدهی ندارند. این امر همچنان‌که دیدیم در مورد معدن روسپوماره و بعضی از معادنی که در بالای سفره‌ی آب قرار گرفته‌اند صادق است. ولی این مورد در معادنی که در صخره‌های سخت و به‌هم فشرده و با قابلیت نفوذ کم واقع هستند نیز به چشم می‌خورد که در شکاف‌های عمودی آن‌ها نفت متمرکز و محبوس گشته است. گذشته از آن، شرکت‌های نفتی همواره درصدد سوددهی تولید برون ساحلی هستند که مستلزم تأسیساتی است که مرتباً پرخرج‌تر می‌شوند. شرکت‌های نفتی، تکنیک چاه‌های مورب را توسعه داده‌اند که از طریق تنها یک سکو به چندین نقطه‌ی یک معدن دست یابند. با وجود این، زاویه‌ی انحراف کم است (به ندرت بیش از شصت درجه نسبت به خط عمودی). چون عبور از طبقه‌ی مولد همیشه در مسافت کمی نسبت به ابعاد معدن صورت می‌گیرد، سال‌ها طول می‌کشد تا نفت موجود در یک قسمتِ دور افتاده‌ی معدن، به آن‌جا برسد. جهت ایجاد امکان در تسریع این پدیده، و این که از نقطه نظر اقتصادی با صرفه باشد، مطلوب این است که چاه‌هایی که تا حد افقی منحرف شده‌اند حفر شوند. بدین گونه، این چاه‌ها در مسافت‌های طولانی در طبقه‌ی مولد قرار گرفته و بازدهی آن‌ها بهتر می‌گردد.
توضیح تصویر: ابداع تکنیک حفاری افقی، نوآوری مهمی در تولید و استخراج نفت بود. حوزه‌های اصلی کاربرد این روش آن‌هایی است که در آن‌ها شیوه‌های حفاری نوع کلاسیک مؤثر نبوده است: معدن‌های کم‌ضخامت که مستلزم حفر چاه‌های متعدد عمودی است (بنابراین سوددهی ندارند)، معدن‌های مجاور یک ناحیه‌ی آب‌خیز که خطر ایجاد کونیک را در بر دارد، معدن‌های واقع در صخره‌های سخت و به هم فشرده که شامل شکاف‌های عمودی است (که در آن‌ها نفت متمرکز شده است) و چاه‌های افقی می‌توانند آن‌ها را قطع کنند، وغیره. این تکنیک امکان می‌دهد تا در تولید برون ساحلی، تعداد سکوهای استخراج را کاهش داده و با در دسترس قرار دادن مناطقی که خارج از شعاع عمل‌کرد چاه‌های مورب واقعند، سکوهایی را که از قبل موجود بوده‌اند به سوددهی برسانند.
برای حفر چاه افقی باید به ویژه تکنیک‌های مختلف و وسایلی متفاوت با آن‌چه که برای نوع مرسوم به کار می‌رود انتخاب نمود تا در شرایط تازه قابل عمل‌کرد باشند. درواقع، هنگام حفر چاه عمودی، نیروی گرانش که عامل خوبی به شمار می‌رود در سطح افقی وجود ندارد و مشکل عمده‌ای را در حفاری در این سطح ایجاد می‌کند. با این حال، همین نیرو است که اجازه می‌دهد تا سرمته‌ی حفاری، تحت تأثیر وزن میله‌ها به پیش برود. در حال حاضر یک دسته میله‌ی سنتی که مجهز به یک اتصال زانویی است (برای قسمت خمیده)، و یک توربین که فقط برای چرخاندن سرمته‌ی حفاری اختصاص یافته است، به کار می‌رود. در ضمن برای اطمینان از این که شروع حفاری در معدن که در وضعیت افقی بوده هم‌چنان در این وضعیت باقی مانده و طبق جهت انتخابی جا‌به‌جا می‌شود (و خطری در قطع کردن سایر چاه‌ها وجود ندارد)، کنترل‌های متعددِ مسیری که بر روی آن مسیر، حفاری می‌شود صورت می‌گیرد.
وقتی که به طبقه‌ی مولد رسیدند لازم است تا حفاری را به کمک تثبیت کننده‌هایی در وضعیت افقی نگاه دارند. این تثبیت کننده‌ها به برکت قطرشان که بیش‌تر از میله‌هاست وجود وضعیتی مرکزی را برای سرمته‌ی حفاری تضمین می‌کنند. تمام این عملیاتِ تصحیح مسیر توسط تغییر اتصال‌های زانویی، و جابه‌جایی تثبیت کننده‌ها، با پیش‌رفت تدریجی حفاری و غیره، هر بار مستلزم بالا کشیدن یک دسته میله است که این امر، افزایش هزینه‌ی حفر چاه‌های افقی را نسبت به چاه‌های عمودی در بر دارد (به طور کلی هزینه متناسب با زمان حفاری است). پیش‌رفت‌هایی که به خاطر آزمایش‌ها حاصل شده است امکان می‌دهد تا این زمان به دو برابر یک حفاری نوع مرسوم، کاهش داده شود. بنابراین در معادنی که امید بهبودی مشخصی در تولید می‌رود، بهتر است چاه‌های افقی حفر شود.
یک مرحله‌ی ظریف و دقیق: تجهیزات چاه‌ها – به طور کلی حفاری مشکل‌ترین مرحله نیست، بلکه در مورد عملیات پیش از بهره‌برداری از چاه‌هاست که تمام اقدامات در چندین سال با شکست مواجه شد. در چاه‌های افقی، اندازه‌گیری‌های اختصاصی معدن (شامل سوراخ‌‌های سنگ‌ها، قابلیت نفوذ، فشار، حرارت، چسبندگی مایعات، وغیره) را دیگر نمی‌توان همانند چاه‌های عمودی به وسیله‌ی دستگاه‌هایی که در انتهای کابلی به پایین فرستاده می‌شوند انجام داد. از این رو شرکت‌های الف اکیتن و آی. اف. پی. روشی به نام سمفور ابداع کردند که عبارت است از قرار دادن همین دستگاه‌ها در انتهای دسته‌ی میله‌ها. این دستگاه‌ها طی عملیات دسته میله‌ها، اندازه‌گیری‌هایی از پروفیل‌های مختص طبقه‌های زمینی که از آن عبور کرده، انجام می‌دهند.
وقتی روی این پروفیل‌ها، مثلاً مناطق شکاف برداشته‌ای انباشته از آب، مجاور معدن نشانه‌گذاری می‌شوند، از همان فنونی استفاده می‌شود که برای حفاری عمودی به کار می‌رود. برای جلوگیری از ورود آب به چاه، وسایل باد شدنی (که عبارتند از وسایل مجزا کننده‌ی جدار و لوله‌ی چاه نفت) دور لوله می‌گذارند که امکان می‌دهند نفت تا سطح زمین بالا بیاید. لوله‌ی چاه که بدین ترتیب توسط وسایل باد شده منزوی شده است، اجازه‌ی جریان یافتن طبیعی نفت بدون دردسری را می‌دهد. با این حال، مسائل در حفاری افقی بیش از این‌هاست. وسایل یاد شده غالباً هنگام گذر از قسمت‌های خمیده با ناشی‌گری دست‌کاری شده و هنگامی که آن‌ها را باد می‌کنند می‌ترکند. افزون بر این، مقطع چاه بسیار نامنظم است، زیرا مجموعه میله‌ها بر قسمت تحتانی سنگینی کرده و شکل آن‌را تغییر می‌دهد (به شکل یک سوراخ کلید به صورت معکوس). چنان‌چه فضای پرکردنی بسیار زیاد باشد، وسیله‌ی بادشدنی خواهد ترکید. بدین جهت ساخت یک نوع وسیله‌ی مخصوص توسط یک شرکت فرانسوی تحت بررسی بود. این وسیله باید تمام شکل‌های ممکن را در بر گرفته و با قطرهایی بیش از دو برابر قطر معمولی منطبق شود.
تکنیک دیگری مبنی بر سیمان کردن کرپین (لوله‌ای که سطحش پر از سوراخ است و امکان استخراج و نگهداری جدار چاه را می‌دهد) در چاه حفر شده است و فقط آن را در قسمت‌هایی سوراخ می‌کنند (توسط موار منفجره با عمل‌کردی شبیه بازوکا) که توسط آب احاطه نشده باشد. وضعیت افقی چاه احتمالی، بد سیمان کردن چاه را افزایش داده و مثلاً ممکن است گل و لای با سیمان مخلوط شود. یا چنان‌چه پمپاژ سیمان غیرکافی باشد، قسمت بالای چاه امکان دارد از بقیه مجزا شود.
برای تسلط کامل بر این تکنیک‌ها، چهار سکوی آزمایشی پنجاه متری در بوسانس ساخته شد و آزمایش‌هایی روی یک سکوی به طول سی‌صد متر انجام شد. وضعیت پژوهش‌ها به قدر کافی پیش‌رفت نمود تا حفاری چاه‌های افقی صورت حقیقت به خود گیرد. حفاری راسپوماره بدون هجوم آب، چهار صد و پنجاه متر مکعب نفت خام در روز تولید می‌کرد و ضریب تولید (مقدار نفت تولیدی در روز) بیست بار بیش‌تر از تولید چاه‌های عمودی در همان محل بود، درحالی که هزینه‌ی آن تنها 3ر2 بار بیش‌تر از یک چاه از نوع معمولی بود. این موفقیت و پیش‌رفت‌های به دست آمده در این زمینه، شرکت الف اکیتن را مصمم به بهره‌برداری از تمامی معادن توسط این سیستم نمود.
آینده‌ی حفاری‌های افقی – بنابراین، چاه‌های افقی ثابت نموده‌اند که می‌توانند به طور قابل ملاحظه‌ای تولید را در ناحیه‌ای نفت‌خیز بهبود بخشیده و برخی از معادنی را که استخراج آن‌ها مشکل بود قابل دسترسی گردانند. موفقیت تجاری، مؤید موفقیت تکنیکی است، زیرا شرکت هورول (که توسط شرکت‌های الف اکیتن و آی. اف. پی. تأسیس شد) چندین سفارش دریافت داشت که یکی از مهم‌ترین آن‌ها از جانب امریکا بوده است. با وجود این لازم بود که پیش‌رفت‌هایی در زمینه‌ی تجهیزات این نوع چاه‌ها صورت پذیرد. برای تسلط بیش‌تر به این طریق حفاری، الف کیتن حفاری یک چاه عمودی به ژرفای چهار هزار و پانصد متر در معدنی به‌هم فشرده با شکاف‌های عمودی را در جنوب فرانسه و آزمایش دیگری با عمق کم (شش‌صد متر) در ناحیه‌ی مرکزی فرانسه را در دست اجرا داشت.
گفتنی است که غیر از طبقه‌های مولد شکاف‌دار، چاه‌های افقی تنها با پنج ضریب تولیدی، افزایشی نسبت به چاه‌های عمودی مجاور خواهند داشت. ولی علاوه بر بازدهی نواحی تولید، این نوع حفاری بسیار بر اطلاعات متخصصان در شناخت معدن‌ها می‌افزاید: ازجمله در موضوع تغییرهای ضخامت (طبقه‌ها)، شکاف سنگ‌ها، و تعیین اندازه‌ی خرده سنگ‌ها. این پدیده‌های جانبی در بررسی نمونه‌برداری‌هایی از جنس طبقه‌هایی که به طور عمودی حفاری شده بود ناشناخته مانده بود (طبقه‌ی روی مقطع چاه شناخته می‌شد).
در میان امتیازهای فراوانی که حفاری افقی دارد می‌توان از امکان دست‌یابی به منطقه‌ای زیر یک شهر، یا در زمینه‌ی کاهش تعداد چاه‌های لازم در توسعه‌ی یک ناحیه‌ی تولیدی برون ساحلی نام برد. تمام این امتیازها دلایلی است که بر اساس آن‌ها می‌توان آینده‌ی درخشانی برای این نوع حفاری پیش‌بینی کرد.