حفاری جهت دار افقی

از لوله های پلی اتیلن با استفاده از حفاری جهت دار افقی برای انتقال گاز، آب و شاه لوله‌های فاضلاب، کانال‌های مخابراتی، کانال‌های انتقال برق و ...استفاده می کنند.

حفاری جهت دار افقی (Horizontal Directional Drilling(HDD

مقدمه

صنعت حفاری جهت‌دار افقی (HDD) رشد زیادی را در دو دهه اخیر تجربه کرده و به روشی پیش پا افتاده برای نصب، بدل شده است. این رشد هم مرهون مزایایی است که نصیب دارندگان اینگونه ابزارها می‌شود (مثل حذف اختلالات ترافیکی و حداقل تخریب‌های سطحی) و هم نبوغی که پیمانکاران در توسعه این تکنولوژی به خرج داده‌اند. مهندسی لوله - حفاری جهت‌دار افقی در حال حاضر روی روش‌های نصب تمرکز کرده است. لوله در بسیاری از موارد، حداکثر بارگذاری در عمر کاری خود را در زمان انجام عملیات کشش معکوس تجربه می‌کند.
هدف از این مقاله، آشناسازی خواننده با برخی از ملاحظات مهم در انتخاب لوله پلی‌اتیلن مناسب است. در انتخاب صحیح لوله نه تنها باید ملاحظات فاکتورهای طراحی نصب، مثل محدودیت‌های نیروی کشش معکوس و مقاومت فروپاشی لوله، مد نظر قرار داشته باشند، بلکه عملکرد دراز مدت لوله بعد از نصب در حفره چاه هم می‌بایست لحاظ شده باشد. اطلاعات ارائه شده در اینجا، جامعیت ندارند؛ به این معنا که ممکن است پارامترهایی وجود داشته باشند که توضیح داده نشده‌اند اما اثر چشم گیری روی مهندسی صحیح یک کاربرد و انتخاب لوله داشته باشند.

پیشینه

برخی از اولین کاربردهای لوله‌های پلی‌اتیلن قطور، استفاده از آن‌ها در حفاری جهت‌دار به منظور گذر از رودخانه‌ها بود. این‌ها پروژه‌های مهندسی بزرگی بودند که ضمن نیاز به طراحی، نصب و ساخت و سازی دقیق، در رودخانه‌های عمیق، با کمترین آسیب زیست محیطی یا رخنمون بیرونی و همچنین بدون ایجاد اختلال در جریان رودخانه، پوشش بستری ایمنی را برای کارفرمایان فراهم می‌نمودند. استفاده از لوله‌های پلی‌اتیلن، بدلیل مقاومت در برابر خراشیدگی و سیستم اتصال جوشی که منجر به اتصالی با نشتی برابر با صفر و ظرفیت کششی برابر با خود لوله می‌شود، برای چنین کاربردهایی مناسب است.
امروزه لوله‌های پلی‌اتیلن را با استفاده از حفاری جهت دار، برای انتقال گاز، آب و شاه لوله‌های فاضلاب، کانال‌های مخابراتی، کانال‌های انتقال برق، و انواع گوناگونی از خطوط انتقال مواد شیمایی، نصب کرده‌اند. این پروژه‌ها نه تنها شامل عبور از رودخانه می‌شدند، بلکه شامل عبور از بزرگراه‌ها و حریم‌های قانونی در حومه نواحی توسعه یافته، به منظور عدم اختلال در خیابان‌ها، کوچه‌ها و مراکز تجاری نیز بودند.

فرآیند حفاری جهت‌دار افقی

فرآیند HDD با حفر یک چاله کوچک و افقی (حفره پایلوت) زیر مانع عبوری (مثلاً بزرگراه) با رشته‌ای پیوسته از میله حفاری فولادی، آغاز می‌شود. وقتی که سر چاله و میله، از طرف دیگر مانع عبوری، بیرون می‌زند، یک مته مخصوص که به آن تراشنده گفته می‌شود، به سر میله فولادی متصل شده و از درون حفره پایلوت، به عقب کشیده می‌شود. تراشنده، حفره پایلوت را گشاد می‌کند بطوریکه بتوان لوله را از درون آن کشید. لوله معمولاً از سمتی از زیرگذر که روبروی دکل حفاری قرار دارد، کشیده می‌شود.

حفره پایلوت

تراش یا گشاد کردن حفره پایلوت، کلید رسیدن به موفقیت در یک پروژه حفاری جهت‌دار است. این مسئله در خطوط لوله HDD به اندازه جایگذاری خاکریز روی خطوط لوله روباز، اهمیت دارد. سطح تعلیم دیدگی کارکنان می‌تواند تعیین کننده موفقیت یا عدم موفقیت در انجام برنامه حفاری باشد. مؤسسات مختلفی وجود دارند که برنامه‌های آموزش اپراتورها را ارائه می‌دهند، یکی از آن‌ها مرکز آموزش و تحقیقات زیرساخت‌های زیرزمینی دانشگاه تگزاس در آرلینگتون (CUIRE) است. حفر حفره پایلوت، مسیر میله حفاری («مسیر حفاری») و متعاقب آن، محل لوله پلی‌اتیلن را مشخص می‌کند. معمولاً نوک حفره بوسیله تجهیزات الکترونیکی رهگیری می‌شود تا بتوان مسیر حفره را منطبق بر پیکربندی‌های از پیش طراحی شده، هدایت نمود. یکی از ملاحظات کلیدی در طراحی مسیر حفاری، بوجود آورن بزرگ‌ترین شعاع خمش ممکن در محدوده حریم قانونی است که موجب کمینه سازی انحنا می‌شود. انحنا موجب شکل‌گیری تنش‌های خمشی و افزایش بار کشش معکوس ناشی از اثر لنگر می‌شود. اثر لنگر به معنای افزایش نیروی اصطکاکی در هنگام کشیدن لوله در یک انحناست که به دلیل وجود مؤلفه نیروی کششی که بصورت عمود بر مسیر منحنی بر لوله وارد می‌شود، شکل می‌گیرد. تنش‌های کششی بالا موجب کاهش مقاومت لوله می‌شوند. معمولاً انحنای مسیر حفاری، هم راستا با پروفیل عمودی آن است. الزامات انحنا، وابسته به هندسه محل کار (طول گذر، عمق مورد نیاز برای فراهم کردن پوششی ایمن، محل سکوی کار و غیره) بستگی دارد. اما درجه انحنا توسط شعاع خمش میله حفاری و لوله، محدود می‌شود. در اغلب موارد، شعاع خمش مجاز میله حفاری، انحنا را کنترل می‌نماید و بنابراین تنش‌های خمشی چشم گیری در لوله بوقوع نمی‌پیوندد. طراح می‌بایست تعداد انحنا را به کمترین حد ممکن رسانده و شعاع انحنای هر یک را با انتخاب دقیق نقاط ورود و خروج، به حداکثر ممکن در حریم قانونی نیل دهد. همچنین حفار باید وقوع انحناهای خارج از برنامه که ناشی از نوسانات (پا سگی) حاصل از تصحیح‌های مکرر راستا یا تفاوت‌های موجود در لایه‌های خاکی یا سنگفرش‌ها هستند را به حداقل برساند.

تراش حفره پایلوت

عملیات تراش یعنی استفاده از یک ابزار مناسب برای باز کردن حفره پایلوت تا اندکی بیش از قطر خط لوله حامل جریان، ‌شود. درصد این بزرگ‌تر بودن قطر حفره نسبت به قطر خط لوله حامل جریان به متغیرهای زیادی از جمله نوع خاک، پایداری خاک، عمق، گل حفاری، فشار هیدرواستاتیک حفره چاه و غیره بستگی دارد. معمولاً این درصد بزرگ‌تر بودن برابر با عددی بین 2/1 تا 5/1 برابر قطر لوله حامل جریان است. اگرچه بزرگ‌تر بودن حفره چاه، ضرورت دارد، اما این به آن معناست که لوله جایگذاری شده باید فشار عمودی زمین را بدون تأمین نگهدارندگی جانبی قابل ملاحظه‌ای از طرف خاک اطرافش، تحمل نماید.
معمولاً قبل از انجام کشش معکوس، یک دور تراش نهایی با استفاده از همان تراشنده‌ای که در هنگام کشش معکوس لوله مورد استفاده قرار خواهد گرفت، انجام می‌شود (دور لوله شویی). دور لوله شویی، حفره را تمیز کرده، سنگریزه‌ها یا دانه‌های رسی باقی مانده را می‌زداید و می‌تواند دیواره‌های حفره چاه را متراکم نماید.

گِل حفاری

معمولاً یک «گِل حفاری» مثل رس بنتونایت سیال، در طول برش و شستشو و به منظور پایدار سازی حفره و خارج کردن خاک‌های بریده شده، به درون حفره تزریق می‌شود. گل حفاری می‌تواند از رس یا پلیمرها ساخته شده باشد. اصلی‌ترین رس مورد استفاده در گل حفاری، مونت موریلونیت (بنتونایت) است. برای تولید «گِل»، بنتونیت تصفیه شده به آب شیرین افزوده می‌شود. تزریق گِل باعث کاهش گشتاور حفاری شده و به حفره حفر شده، پایداری و نگهدارندگی می‌دهد. این سیال (گِل حفاری) باید دارای استحکام ژل کافی باشد تا بتواند بریده‌ها را به منظور انتقال آن‌ها به سطح در حالت معلق درون خود نگهدارد، روی دیواره حفره چاه اصطلاحاً فیلتر کیکی بسازد که حاوی آب موجود در سیال حفاری باشد و در هنگام انجام عملیات کشش معکوس، بین لوله و حفره چاه بعنوان روان کننده عمل نماید. سیالات حفاری بگونه‌ای طراحی شده‌اند که با نوع خاک و بریده‌های حفاری، سازگار باشند. آن‌ها (سیال حفاری) را به منظور اطمینان از باز ماندن حفره چاه، عدم کار بیش از اندازه پمپ‌ها و حفظ گردش سیال در حفره چاه، در طول فرآیند، مورد بررسی و مانیتور قرار می‌دهند. از دست رفتن گردش سیال حفاری می‌تواند منجر به گیر کردن رشته حفاری و احتمالاً وارد شدن تنش بیش از اندازه به لوله در هنگام کشش معکوس می‌شود.
گل حفاری خاصیت تیکسوتروپی دارد، بنابراین در صوت ثابت ماندن بعد از عملیات کشش معکوس، غلیظ می‌شود. با این حال، گل غلیظ، سفت تر از رس خیلی نرم نیست، مگر در حالتی که عواملی سیمانی کننده به آن اضافه شده باشند. گل حفاری نگهدارندگی جانبی اندکی برای لوله مهیا می‌کند و تقریباً هیچ مقدار نگهدارندگی جانبی از طرف گل حفاری برای لوله متصور نیست.

کشش معکوس

عملیات کشش معکوس عبارت است از کشیدن کل طول خط لوله بصورت یکپارچه (معمولاً) از درون گل حفاری و در راستای مسیر حفره گشاد شده به عقب. باید از دستورالعمل‌های مناسبی برای جابجایی، کلاف بندی، کمینه سازی خمش، بازرسی سطحی و جوشکاری گرمایی لوله استفاده شود. میزان نیروهای کششی محوری، سرعت درج ثابت، گردش جریان گل / آهنگ خروج و طول‌های نصب شده از لوله را می‌بایست ثبت نمود. سرعت کشش معکوس معمولاً بین 1 تا 2 فوت در دقیقه است.