بقلم د. نبيل سامح
المقدمة
يعد سلامة عمود الحفر من العوامل الأساسية لضمان عمليات حفر آمنة وفعّالة. يتكون عمود الحفر من أنابيب الحفر، وأنابيب التثخين، وتجهيزات القاع (BHA)، ويتعرض أثناء الحفر لقوى ميكانيكية متعددة. من بين هذه القوى، يلعب الاهتزاز دورًا كبيرًا في التأثير على الأداء، السلامة، وعمر عمود الحفر.
الاهتزازات هي تذبذبات ديناميكية يمكن أن تنشأ نتيجة لعدة عوامل، منها معايير الحفر، خصائص التكوين الصخري، وتفاعل المعدات. فهم التأثير النظري للاهتزاز على عمود الحفر يساعد المهندسين على توقع المشاكل، تصميم استراتيجيات تخفيف مناسبة، والحفاظ على استقرار البئر وكفاءة العمليات.
تقدم هذه المقالة نظرة شاملة على أنواع الاهتزازات في الحفر، تأثيراتها على مكونات عمود الحفر، والمبادئ النظرية للحفاظ على سلامته.
1. أنواع الاهتزاز في عمود الحفر
يمكن تصنيف الاهتزازات في الحفر إلى ثلاثة أنواع رئيسية:
الاهتزاز الطولي (Axial Vibration):
يتمثل في تكرار حركات الانضغاط والتمدد على طول محور عمود الحفر. غالبًا ما يحدث بسبب ظاهرة الالتصاق والانزلاق (Stick-Slip)، حيث يلتصق البت بالصخور لفترة قصيرة ثم يتحرك فجأة.
الاهتزاز الجانبي (Lateral Vibration):
ينشأ الاهتزاز الجانبي نتيجة لقوى غير متوازنة على البت أو انحناءات في البئر. يؤدي هذا النوع من الاهتزاز إلى انحناء العمود، مما يزيد من إجهاد الأنابيب ومكونات القاع.
الاهتزاز الدوراني (Torsional Vibration):
يتعلق بالالتواءات المتكررة حول محور العمود. غالبًا ما يحدث عند اختلاف مقاومة الصخور أو عند التغير المفاجئ في عزم الدوران. هذا النوع يمكن أن يؤدي إلى تآكل شديد للبت وزيادة احتمالية فشل الأنابيب.
2. مصادر الاهتزازات
تحدث الاهتزازات نتيجة تفاعل عوامل متعددة، منها:
ظروف التكوين الصخري:
التغير المفاجئ في صلابة الصخور، وجود شقوق أو فجوات، يمكن أن يولد موجات اهتزازية تنتقل عبر العمود.
معايير الحفر:
سرعة الدوران، ضغط الطين، وقوة الدفع على البت، جميعها تؤثر في توليد الاهتزازات.
تفاعل المعدات:
عدم توازن البت، خصائص السوائل الحفرية، أو مرونة العمود يمكن أن تزيد من شدة الاهتزازات.
3. تأثير الاهتزاز على مكونات عمود الحفر
3.1 أنابيب الحفر
الاهتزازات تؤدي إلى إجهاد ميكانيكي متكرر يمكن أن يقلل من عمر أنابيب الحفر، ويسبب تشققات أو كسور مع مرور الوقت.
3.2 أنابيب التثخين
تتعرض لضغط إضافي نتيجة الاهتزازات الطولية والجانبية، مما قد يؤدي إلى تآكل داخلي أو تشوهات ميكانيكية تؤثر على أداء العمود.
3.3 تجهيزات القاع (BHA)
تتعرض هذه التجهيزات للاهتزاز الدوراني والجانبي، مما قد يؤدي إلى فشل المكونات الدقيقة، زيادة التآكل، وفقدان كفاءة الحفر.
4. تأثير الاهتزاز على كفاءة الحفر
الاهتزازات تؤثر مباشرة على الأداء العملي للحفر من خلال:
تقليل معدل الاختراق: الاهتزازات غير المنتظمة تؤثر على تلامس البت بالصخور.
زيادة الوقت غير المنتج: الحاجة إلى تعديل المعايير أو إصلاح الأعطال الناتجة عن الاهتزاز.
فقدان التحكم في الاتجاه: الاهتزازات الجانبية والدورانية يمكن أن تحرف العمود عن المسار المخطط للبئر.
5. تأثير الاهتزاز على سلامة البئر
انهيار جدار البئر: الاهتزازات المتكررة قد تضعف التكوين حول البئر.
انسداد البئر أو التعلق: الاهتزازات قد تؤدي إلى تراكم القطع أو تشابك أجزاء العمود.
فقدان السوائل: الاهتزازات قد تسبب فقدان الطين في مناطق ذات مسامية عالية أو شقوق، مما يؤثر على الضغط الهيدروستاتيكي.
6. المبادئ النظرية للحد من تأثير الاهتزازات
حتى دون استخدام معادلات أو جداول، يمكن النظر في المبادئ النظرية التالية:
تحسين اختيار البت وعمود الحفر: اختيار البت المناسب لنوع التكوين يقلل من اهتزازات الالتصاق والانزلاق.
تعديل معايير الحفر: التحكم في سرعة الدوران، قوة الدفع، وخصائص الطين لتقليل الاستجابة الاهتزازية.
تصميم مرونة العمود: استخدام وصلات مرنة أو أنابيب مقاومة للاهتزازات لتقليل تأثيرها على المكونات.
مراقبة الاستجابة الديناميكية: فهم كيف يستجيب العمود للتغيرات في الصخور والمعايير لتقليل الإجهاد الميكانيكي.
7. التفاعلات النظرية بين أنواع الاهتزاز
الاهتزاز الطولي يمكن أن يفاقم الاهتزاز الدوراني إذا لم يتم التحكم في عزم الدوران.
الاهتزاز الجانبي يزيد من إجهاد الانحناء، مما يؤثر على عمر العمود ويزيد من خطر الانكسار.
التفاعل بين الأنواع المختلفة من الاهتزازات يتطلب فهمًا نظريًا لتوزيع الإجهاد وتحديد نقاط الضعف المحتملة.
الخاتمة
تأثير الاهتزاز على سلامة عمود الحفر يمثل تحديًا رئيسيًا في عمليات الحفر. تشمل المخاطر الناتجة عن الاهتزازات تقليل عمر المكونات، انخفاض كفاءة الحفر، مشاكل في استقرار البئر، وفقدان السيطرة على مسار الحفر.
الفهم النظري لهذه الظواهر يساعد المهندسين على:
توقع نقاط ضعف العمود
تعديل معايير الحفر بشكل استباقي
تصميم استراتيجيات لتخفيف تأثير الاهتزازات
باختصار، السيطرة على الاهتزازات من خلال التخطيط والتحليل النظري تعزز السلامة، الكفاءة، وفعالية عمليات الحفر في جميع أنواع التكوينات الصخرية.
بقلم د. نبيل سامح
-مدير تطوير الأعمال في شركة نيلكو
-مدرب دولي معتمد في قطاع النفط والغاز
-أستاذ في عدة شركات تدريب واستشارات، بما في ذلك Enviro Oil و ZAD Academy و Deep Horizon وغيرها
-محاضر في جامعات داخل مصر وخارجها
-مساهم في مقالات قطاع النفط لمجلات
Petrocraft و Petrotoday وغيرها
