يعود تاريخ حفر آبار النفط إلى أكثر من قرن. لكن بفضل التطورات العديدة في التقنية، قطع أشواطاً واسعة خلال تلك المدة. وكان هذا النمو في إنتاج النفط عاملاً أساسياً في تغيير وجه الحضارة.
في عام 1859، حفر إدوين دريك ما يُعدّ أول بئر نفط في تيتوسفيل بولاية بنسلفانيا. وفي تلك الفترة، كان النفط يُستخدم أساساً في صنع الكيروسين لأغراض الإنارة. غير أن تطور صناعة السيارات سرعان ما أوجد سوقاً جديدة للنفط وحفّز زيادة الإنتاج -- من 150 مليون برميل أُنتجت في العالم عام 1900 إلى أكثر من مليار برميل عام 1925.
كان الحفر الدوّار من أوائل الابتكارات التي طوّرت حفر آبار النفط، وقد استُخدم لأول مرة في ثمانينيات القرن التاسع عشر. ويعتمد على لقمة حفر دوّارة تخترق الأرض (خلافاً لطريقة دريك في الحفر بالدق بالكابل، التي كانت ترفع لقمة الحفر وتُسقطها في البئر). للمزيد عن الحفر الدوّار، وللاطلاع على نظرة عامة على عملية حفر آبار النفط، راجع مقال «كيف يعمل حفر آبار النفط».
لكن الحفر الدوّار لم يكن سوى البداية في سلسلة طويلة من التطورات الكبرى التي شهدها القرن العشرون. وقد أسهم بعض أبرزها، مما سنتناوله هنا، في رفع كفاءة إنتاج النفط وتيسير العثور عليه.
5: الحفر البحري والمركبات المشغّلة عن بُعد (ROVs)
لاحظ حفّارو النفط سريعاً أن الآبار القريبة من الشاطئ كثيراً ما كانت الأغزر إنتاجاً. وكان واضحاً أن ثمة مستقبلاً مربحاً في إيجاد طرق لاستخراج النفط من تحت قاع البحر. ومنذ ثمانينيات القرن التاسع عشر، أقام الحفّارون أجهزة حفر على الأرصفة البحرية. لكن لم تُنشئ شركة نفط أول بئر نفط حقيقية بعيداً عن اليابسة إلا في عام 1947.
ومنذ ذلك الحين، وبعد نزاع سياسي طويل في الولايات المتحدة حول من يملك حق تأجير المناطق البحرية لأغراض الحفر، انطلقت صناعة الحفر البحري للنفط. وكان من التقنيات التي حفّزت تطور الحفر البحري المركبات المشغّلة عن بُعد، أو ROVs، التي كان الجيش يستخدمها بالفعل لاستعادة المعدات المفقودة تحت الماء. ولأن الغوص في المياه العميقة محفوف بالمخاطر، طوّعت صناعة النفط مركبات ROV لأعمال الحفر في سبعينيات القرن العشرين.
والمركبة ROV جهاز آلي يُتحكم فيه من منصة الحفر فوق سطح الماء، ويتيح للمشغّلين الرؤية تحت الماء. وتتيح بعض أنواعها للمشغّل أن يجعل الأذرع الآلية للمركبة تؤدي وظائف مختلفة، مثل أعمال الربط تحت سطح البحر والتركيبات في المياه العميقة، على أعماق تصل إلى 10,000 قدم (3,048 متراً).
4: التكسير الهيدروليكي
طُوّرت عملية التكسير الهيدروليكي في أربعينيات القرن العشرين، وازدادت أهميتها في حفر آبار النفط باطّراد. وهي مفيدة في المكامن «المحكمة» -- حيث لا تحتوي الصخور الحاملة للنفط على مسامات كبيرة. ويعني ذلك أن تدفق النفط من الصخور ضعيف، وأن حفر بئر بسيطة في الصخر لن يُخرج قدراً كبيراً من النفط.
وللمساعدة على تحفيز البئر ودفع النفط المحتبس إلى الخارج، يلجأ الحفّارون إلى التكسير الهيدروليكي. وفي هذه العملية، يحقنون في البئر ماءً ممزوجاً بمواد كيميائية بضغط يكفي لإحداث شقوق في التكوينات الصخرية -- شقوق قد يمتد طولها مئات الأقدام. وللحيلولة دون انغلاق الشقوق مجدداً، يُنزل الحفّارون مادة داعمة (proppant)، وهي مزيج من السوائل والرمل والحبيبات. وتتيح هذه الشقوق للنفط أن يتدفق من الصخر بحرية أكبر.
ووفقاً لمعهد البترول الأمريكي، أسهم التكسير الهيدروليكي في الولايات المتحدة وحدها في ضخ 7 مليارات برميل إضافية من النفط من باطن الأرض.
3: التصوير الزلزالي
في البداية، كان البحث عن موقع جيد للحفر عن النفط يعتمد ببساطة على العثور على الأماكن التي نزّ فيها إلى السطح. لكن لأن مكامن النفط قد تكون مدفونة في أعماق الأرض، فإن وجودها لا يكون ظاهراً دائماً من السطح. ولأن إقامة جهاز حفر وحفر بئر عميقة أمر مكلف، لا ترغب الشركات في إضاعة وقتها ومالها على موقع غير منتج. وفي نهاية المطاف، استُعين بالجيولوجيين لتحديد الأماكن التي يُرجَّح وجود النفط فيها عبر دراسة التكوينات الصخرية السطحية والمجالات المغناطيسية، بل وحتى التباينات الطفيفة في الجاذبية.
وكان التصوير الزلزالي ثلاثي الأبعاد (3-D) من أهم الابتكارات في استكشاف النفط. ويقوم على فكرة أن الصوت يرتد عن المواد المختلفة وينتقل عبرها بطرق متباينة قليلاً. وفي هذه العملية، يرسل مصدر طاقة، مثل شاحنة هزّازة، موجات صوتية إلى أعماق الأرض. وتُوضع على السطح أجهزة خاصة تسمى الجيوفونات، تستقبل الأصوات المرتدة إلى الأعلى وترسل المعلومات إلى شاحنات التسجيل.
ويدرس المهندسون والجيوفيزيائيون الموجات الصوتية المسجلة (في صورة خطوط متعرجة) لتفسير أنواع طبقات التكوينات الصخرية الموجودة في ذلك الموقع. وبهذه الطريقة، يستطيعون بناء صور ثلاثية الأبعاد (3-D) لما يوجد تحت السطح (أما التصوير رباعي الأبعاد 4-D فيأخذ عامل مرور الزمن في الحسبان كذلك). ومع أن هذه التقنية المتقدمة تساعد على تقليل عدد الآبار المحفورة وتفضي إلى آبار أكثر إنتاجاً، فإنها ليست معصومة من الخطأ: فالمهندسون يُعدّون محظوظين إن استطاعوا التنبؤ بدقة بمواقع مكامن النفط في نصف الحالات.
2: أنظمة القياس أثناء الحفر
كما رأينا للتو، حتى مع تقنيات التصوير الزلزالي المتقدمة اليوم، يصعب على مشغّلي الحفر أن يعرفوا على وجه الدقة ما سيواجهونه عند حفر بئر نفط. وحتى ثمانينيات القرن العشرين، كان يصعب كذلك معرفة تفاصيل ما يجري عند لقمة الحفر أثناء حفر البئر. وقد جرى التغلب على هذا التحدي بتقنية القياس أثناء الحفر (MWD).
تتيح تقنية MWD للمشغّلين تلقي معلومات آنية عن حالة الحفر، إضافة إلى القدرة على توجيه البئر في اتجاهات أخرى. وهي تنقل معلومات مثل أشعة غاما ودرجة الحرارة والضغط، وكذلك كثافة التكوينات الصخرية ورنينها المغناطيسي. ويؤدي ذلك وظائف لا حصر لها. فهو يساعد المشغّلين على الحفر بكفاءة أعلى مع منع الانفجارات وأعطال الأدوات. كما يساعدهم على إثبات أنهم لا يحفرون في مناطق غير مصرّح بها.
ولعل أكثر ما يثير الدهشة هو الطريقة التي تُنقل بها هذه المعلومات إلى السطح. فلأنه ليس من العملي مدّ سلك أو كابل داخل البئر من السطح إلى لقمة الحفر، تعتمد تقنية MWD بدلاً من ذلك على القياس عن بُعد بنبضات الطين. فطين الحفر الذي يُضخ في البئر ليحمل الفتات إلى الأعلى (عبر العمود الخارجي للبئر) يوفّر قناة صوتية مناسبة لإرسال نبضات الطين إلى الأعلى بشيفرة ثنائية تُفك على السطح.
1: الحفر الأفقي
من مزايا تقنية MWD التي سبق ذكرها أنها تساعد المشغّل على توجيه الحفر في اتجاهات مختلفة. وقد كانت القدرة على توجيه الحفر في اتجاهات غير الاتجاه الرأسي المباشر إلى الأسفل من أهم التطورات في تاريخ حفر آبار النفط.
ولأن كثيراً من مكامن النفط تمتد أفقياً، قد لا تستخرج الآبار الرأسية منها ما يكفي من النفط بكفاءة. تُحفر البئر الأفقية رأسياً إلى عمق كبير في البداية، ثم تغيّر اتجاهها (عند ما يسمى نقطة الانحراف) قبل أن تبلغ المكمن (عند نقطة الدخول) وتمتد أفقياً خلاله. لكن مزايا الحفر الأفقي تتجاوز زيادة إنتاجية البئر. فهو يتيح كذلك حفر الآبار بأمان تحت الأراضي الحساسة بيئياً والمحمية.
ومع أن أول بئر أفقية حُفرت عام 1929، فإن الآبار الأفقية كانت مرتفعة التكلفة، وسرعان ما حسّن تطور التكسير الهيدروليكي إنتاجية الآبار الرأسية. غير أن تطورات مثل تقنية MWD ومجموعات المحركات القابلة للتوجيه جعلت الحفر الأفقي خياراً أكثر جدوى بحلول ثمانينيات القرن العشرين.
المرجع:
https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/5-innovations-oil-drilling.htm