الاستخدام الصحيح لريش المثقاب ثلاثية المخاريط
كيف تؤثر طبيعة الصخور على فشل المثقاب؟ تؤثر طبيعة الصخور على أداء الحفر بطرق متعددة: فهي تؤثر على معدل الاختراق وطول الحفرة، ويمكن أن تُسبب مشاكل حفر معقدة مثل فقدان الدوران، وتدفق السوائل المفاجئ، وانهيار البئر، وانحشار الأنابيب، كما تُغير من سلوك سائل الحفر، وتؤثر على جودة البئر (انحراف البئر وعدم انتظام الأقطار)، مما يؤثر بدوره على جودة التثبيت. يُعد تحليل طبيعة الصخور وسلوكها أثناء الحفر أمرًا ضروريًا لاختيار المثقاب المناسب وتقييم مدى جدوى استخدامه.
الطين والحجر الطيني والصخر الزيتي: تمتص هذه التكوينات بسهولة الماء الحر من سائل الحفر وتتمدد، مما يقلل من قطر البئر ويخلق مقاومة للاختراق قد تؤدي إلى انحشار الأنابيب. كما أن التشبع المطول بالماء قد يتسبب في انزلاق الرواسب وتوسع البئر مما يؤدي إلى انهياره. استخدم الماء العذب أو طينًا منخفض الكثافة واللزوجة كلما أمكن. تتميز الصخور الزيتية الكربونية بتماسك ضعيف وهي عرضة للانهيار. أما التكوينات الطينية الناعمة والغنية بالطين فتُحفر بسرعة ولكنها عرضة لتراكم الرواسب على رأس الحفر.
الأحجار الرملية: تختلف خصائص الأحجار الرملية اختلافًا كبيرًا باختلاف حجم الحبيبات والتركيب المعدني ونوع المادة الرابطة. فالحبيبات الدقيقة، والمحتوى العالي من الكوارتز، والمادة الرابطة الغنية بالسيليكا أو الحديد، تجعل الصخر أكثر صلابةً وكشطًا، مما يزيد من تآكل المثقاب (مثل أحجار الكوارتز الرملية). أما زيادة المادة الرابطة الطينية أو الميكا أو الفلسبار فتجعل الصخر أكثر ليونةً وأسهل في الحفر. بينما تزيد الحبيبات الخشنة وضعف التماسك من النفاذية وترفع من خطر فقدان السوائل؛ وقد تتشكل طبقة سميكة من الرواسب على جدار البئر، مما يسبب التصاقًا لزجًا ومشاكل في الالتصاق، ويؤدي إلى خلل في عمل المثقاب.
الصخور المتكتلة: غالبًا ما يتسبب الحفر في الصخور المتكتلة في ارتداد المثقاب، واهتزازه، وانهيار جدار البئر. إذا كان معدل ضخ الماء منخفضًا أو كانت لزوجة الطين غير كافية، فإن الجزيئات بحجم الحصى لا تعود إلى السطح بسهولة؛ وقد تتسبب نواتج الحفر الكبيرة في تلف مخاريط وأسنان المثقاب.
الحجر الجيري: يتميز عادةً بصلابته وبطء اختراقه ومحدودية طول الحفر. تتشكل في العديد من أنواع الحجر الجيري شقوق وفجوات وتجاويف، وقد يؤدي الاصطدام بها إلى توقف المثقاب، وتآكله، وفقدان دوران الطين، وأحيانًا إلى اندفاعات مفاجئة أو انفجارات. يؤثر الحجر الجيري بشكل كبير على الاختراق، ومعدل الحفر، وتآكل المثقاب. تزيد الطبقات المتناوبة الصلبة واللينة (مثل الطين المتداخل مع الحجر الرملي الصلب) والتكوينات شديدة الميل من احتمالية انحراف مسار البئر، ويزداد احتمال تلف المثقاب عند حفر آبار شديدة الانحراف. يمكن لطبقات الأملاح الذائبة (الجبس، الهاليت، إلخ) أن تُضعف خصائص الطين وتُعيق أداء المثقاب الطبيعي.
معايير الحفر وتأثيراتها: من أهم معايير الحفر التي يمكن التحكم بها في عملية الحفر: وزن المثقاب (WOB)، وسرعة الدوران (RPM)، ومعدل دوران الطين. يجب اختيار هذه المعايير بناءً على ظروف التكوين، ونوع المثقاب، وقدرات جهاز الحفر، ومهارة المشغل. تُصنف معايير الحفر عادةً إلى:
معايير الحفر المُحسّنة: تلك التي تحقق أفضل النتائج الاقتصادية في ظل ظروف معينة.
معايير الحفر العدوانية (أو المحسنة): قيم أعلى من المعتاد لتحقيق معدلات اختراق أكبر.
تقنيات الحفر الخاصة: أساليب محددة أو مجموعات معايير مقيدة تستخدم لأهداف معينة.
تتطلب خيارات المعلمات المختلفة أنواعًا مختلفة من رؤوس الحفر؛ وتتعطل رؤوس الحفر بآليات مختلفة في ظل ظروف حفر مختلفة، ويجب التعامل معها وفقًا لذلك.
2.1 تأثير وزن المثقاب على رأس الحفر (WOB): يُعد وزن المثقاب على رأس الحفر شرطًا أساسيًا لتكسير الصخور عند رأس الحفر. يحدد مقدار وزن المثقاب على رأس الحفر نمط وخصائص تكسير الصخور، ويؤثر بشكل مباشر على معدل الاختراق وتآكل رأس الحفر. تحت تأثير الحمل المحوري وعزم الدوران، تتآكل أسنان القطع أو تصبح غير حادة أو تتلف أثناء ضغطها على الصخور وقصها، مما يؤثر بشكل واضح على الاختراق. مع زيادة وزن المثقاب على رأس الحفر، يزداد الاختراق عمومًا، ولكن تتآكل المحامل وأسنان القطع بشكل أسرع، مما يؤثر بدوره على الاختراق. تتغير العلاقة بين وزن المثقاب على رأس الحفر والاختراق عبر ثلاث مراحل متميزة:
مرحلة التصدع السطحي: عندما يكون وزن المثقاب على البرغي أقل من صلابة الصخر عند الضغط عليه، لا تستطيع أسنان القطع اختراق سطح الصخر بل تكتفي بكشطه. يكون التآكل مرتفعًا والاختراق منخفضًا، مع أن الاختراق يزداد تناسبًا مع زيادة وزن المثقاب على البرغي.
مرحلة الكسر الناتج عن الإجهاد: عندما يقترب وزن المثقاب من صلابة الصخور عند تعرضها للضغط، فإن العمل المتكرر للأسنان يولد العديد من الشقوق السطحية ويحدث تفتت تدريجي حتى بدون اختراق كامل.
مرحلة التكسير الكلي: عندما يتجاوز وزن المثقاب على المثقاب صلابة الصخر عند الضغط عليه، تخترق أسنان المثقاب الصخر وتُحدث تكسيرًا كليًا؛ فتصبح عملية الحفر فعّالة، وهذا هو نظام الحفر الطبيعي. لذلك، يجب أن يكون وزن المثقاب المُطبّق كافيًا للسماح لأسنان المثقاب بالاختراق وإحداث التكسير الكلي.
أظهرت اختبارات مضاعفة وزن المثقاب على رؤوس الحفر ثلاثية المخاريط أن الصخور المختلفة تستجيب بشكل مختلف: فالصخور متوسطة الصلابة (الفئات 6-7) تُظهر أكبر زيادة في معدل الاختراق، بينما تُظهر الصخور الأكثر ليونة (الفئات 4-5) والصلابة (الفئات 8-9) زيادات أقل. قد يتسبب حفر التكوينات اللينة المتماسكة في حدوث جسور طينية والتصاق رأس الحفر، لذا يجب أن يكون وزن المثقاب منخفضًا نسبيًا. في التكوينات شديدة الكشط، يؤدي عدم كفاية وزن المثقاب إلى تآكل مبكر، لذا يجب زيادته بشكل مناسب. عند مواجهة تكوينات متصدعة، يكون ارتداد رأس الحفر شائعًا، ويجب تقليل وزن المثقاب لتجنب كسر الأسنان أو تقشرها. لذلك، يُعد وزن المثقاب معيارًا حاسمًا يجب أن يوازن بين اختراق كافٍ للأسنان وتقليل تآكلها.
2.2 تأثير سرعة الدوران (RPM): تقيس سرعة الدوران مدى سرعة دوران مثقاب بقطر محدد. ولأن سلوك تكسير الصخور وتأثير وزن المثقاب (WOB) يختلفان باختلاف صلابة الصخور، فإن تأثير سرعة الدوران على تكسير الصخور والاختراق الميكانيكي يجب أن يأخذ في الاعتبار خصائص الصخور وعوامل زمن التكسير.
معدل الدوران في التكوينات الرخوة: في التكوينات الرخوة ذات اللدونة العالية والتآكل المنخفض (مثل الطبقات الطينية)، يتساوى سمك الرايش مع عمق اختراق السن، ويكون تآكل السن ضئيلاً. مع ثبات وزن المثقاب، يزداد معدل الدوران ومعدل الاختراق الميكانيكي بشكل متناسب تقريبًا.
سرعة الدوران في التكوينات متوسطة الصلابة والصلبة: في هذه التكوينات، تكون صلابة الانبعاج وقوة الكشط أعلى؛ فتتآكل الأسنان بسرعة أكبر، وتزداد مساحة التلامس، ويطول زمن انتشار الشقوق والتشوه. يتباطأ الاختراق، ويتطلب الأمر وزنًا أكبر على المثقاب. قد تؤدي زيادة سرعة الدوران في التكوينات الصلبة إلى إطالة زمن تكسير الصخور لكل دورة، لذا فإن زيادة سرعة الدوران بشكل مفرط قد تمنع التكسير الكامل قبل انفصال الأسنان، مما يقلل من فعالية الاختراق ويسرع التآكل. لذلك، لا ينبغي زيادة سرعة الدوران بشكل مفرط في التكوينات متوسطة الصلابة أو الصلبة.
اختلافات سرعة الدوران بين أنواع الصخور: لكل نوع من الصخور منحنى استجابة مميز وسرعة دوران قصوى. في الطين، يزداد معدل الاختراق طرديًا مع سرعة الدوران؛ أما في الصخور الصلبة شديدة الكشط، فيزداد الاختراق ببطء أكبر مع سرعة الدوران نظرًا لطول فترة تكسير الصخور وانخفاض سرعة الدوران القصوى - إذ أن تجاوز هذا الحد قد يقلل من الاختراق.
أظهرت نتائج الاختبارات التي أجريت على رؤوس الحفر ثلاثية المخاريط، عند مضاعفة سرعة الدوران، أن معدل الاختراق في الصخور من الدرجة الرابعة (مثل الرخام) ازداد بنحو 93%، بينما لم تتجاوز الزيادة 28% في الجرانيت البورفيري من الدرجة التاسعة. ومن الدرجة الرابعة إلى التاسعة، يتناقص معدل الاختراق مع زيادة سرعة الدوران وفق منحنى محدد. وبالتالي، فإن زيادة سرعة الدوران تُفيد التكوينات الصخرية اللينة ذات الاحتكاك المنخفض، ولكنها لا تُقدم فائدة تُذكر في التكوينات الصخرية الصلبة ذات الاحتكاك العالي.
