<p style=”direction: rtl;”>العوامل المؤثرة على تصميم الآبار البحرية the factors that affect on Offshore Wells Design
ملاحظة مهمة: هذا المقال حصري لموقع AONG ، لا يمكن نقله وإعادة نشره في موقع آخر إلا بذكر رابط المقال.
مقدمة عامة :
تتعرض المنشآت البحرية Offshore Platforms لأنواع عديدة من العوامل البيئية والمناخية طوال فترة عملها وبالتالي يكون تحديد موقع هذه المنشآت مرتبطا بالمعطيات عن تغيرات القوى والمؤثرات المختلفة خلال الزمن كالرياح والتيارات والأمواج وهذه المعطيات يتم جمعها خلال سنوات متعددة وتحديد الظواهر المحلية والدورية للتقلبات المناخية وتقلبات الطقس.
وفي بعض المواقع نحتاج أيضا إلى معلومات عن الظواهر تحت سطح البحر كالزلازل التي تضرب قاع البحر وتتشكل نتيجتها التيارات , أو من خلال خلخلة في استقرار قاع البحر بسبب عملية الانتاج وسحب المواد الهيدروكربونية من المنطقة التي تقع أسفل المنشأة البحرية خلال دورة حياة عملها . كما يجب الانتباه إلى خطر الثلج والجليد في مناطق الاستثمار في القطب المتجمد.
إن تصميم الآبار البحرية Offshore Wells يبدأ بشكل رئيسي باختيار نوع المنصة Offshore Platforms والتخطيط لإمكانية إرسائها في الموقع المحدد ثم يتم التخطيط للعمليات المختلفة من حفر وغيرها , التي تشبه إلى حد بعيد تصميم البئر على اليابسة وتختلف بشكل اساسي في المعدات المستخدمة كالماسورة الصاعدة والشجرة القاعية.
بشكل عملي وكي يتم تصميم الآبار البحرية و اختيار نوع المنصة المناسبة لا بد من دراسة وتحديد العوامل التي تؤثر على التصميم .وبشكل عام يتضمن تصميم الآبار البحرية ما يلي :
1-دراسة العوامل المختلفة(رياح, أمواج بحرية ,..) التي تؤثر على تصميم الآبار البحرية كي يتم اختيار نوع المنصة البحرية الملائمة والمعدات المناسبة .
2-جمع معلومات عن قاع البحر والشكل المورفولوجي لهذا القاع ونوعية التوضعات التي سيتم بدء الحفر بها.
3-تحديد المقطع الليتولوجي المتوقع والعمق النهائي.
4-اختيار المنصة البحرية المناسبة.
5-تصميم برنامج التغليف.
6-اختيار سوائل الحفر المناسبة وخواصها.
7-تصميم تشكيلة الحفر والدقاقات المناسبة.
8-اختيار موانع الاندفاع والشجرة المناسبة.
9-تحديد أعماق مجالات اخذ العينات الاسطوانية والطبقات التي سيتم اختيارها.
10-قواعد الأمن والسلامة المهنية.
و سنركز في مقالنا هذا على تبيان و دراسة تأثير قوى الرياح و الأمواج البحرية على المنصات البحرية من حيث التأثير على آلية الاختيار و نوع المنصات المستخدمة .
دراسة قوى الرياح المؤثرة على المنصات البحرية :
تعد الرياح من المؤثرات المهمة جداً على تصميم الآبار البحرية ، ويجب التنويه إلى أن الرياح تتسبب بكثير من الكوارث البحرية وتؤدي في الحالات الخفيفة إلى إيقاف العمل , كما أن للرياح تأثيرا مشتركا إذ أنها تسبب بحدوث الأمواج البحرية الممتدة على مسافات كبيرة . إن سرعة الرياح هي الجزء المهم في بارامترات قوة الرياح و تتم دراسة العواصف خلال 100 سنة لمعرفة القيم العظمى لشدة الرياح.
مثل كل الظواهر البيئية للرياح خصائص تعتمد على الوقت والمكان والتي عادة ما تتميز بتقلبات كبيرة جدا في السرعة والاتجاه والتي تكون إحدى مهمات الأرصاد الجوية التي تقوم بإعطاء معدل سرعة الرياح على فترات محدودة من الوقت تتراوح بين 1 إلى 60 دقيقة أو أكثر والاختلاف في السرعة المتوسطة بطيء إذا ما قورن بفترة الموجة من حيث التقلبات حول القيمة المتوسطة .
تؤثر الرياح على المنشآت البحرية Offshore Petroleum Facilities على القسم المعرض للهواء ولكن لا يقتصر تأثير الرياح فقط على التأثير المباشر على الهيكل وانما تتفاعل الريح مع المياه , فالرياح على سطح المياه تسبب اضطرابات على مستوى الماء العادي وهكذا تتولد أمواج وتيارات التي تنتج عنها قوة تؤثر على قسم الهيكل المغمور بالمياه وهذا يحدده تأثير الرياح.
والمعلومات المطلوبة حول الرياح وشروط العواصف يجب أن تجمع من مجال اوسع من مكان تركيب المنصة فقط حيث أن الأمواج والتيارات ستتولد من الرياح .
Offshore Platforms Structure and the Wind Effect
إقرأ أيضاً Offshore Petroleum Platforms منصات البترول البحرية
قوى الأمواج و تأثيرها على المنصات البحرية :
تعد الأمواج الخطر البيئي الأكثر وضوحاً على منشآت الحفر البحري فهي تسبب تمايل ورفع واهتزاز وتأرجح هذه المنشآت وهي السبب الرئيسي لتقليل كفاءة العمل وتأثير الأمواج يكون المهيمن عند تصميم المنصات البحرية الثابتة.
إن السبب الرئيسي لتشكل الأمواج هي الرياح التي تهب فوق سطح الماء , حيث تنتقل طاقة الرياح إلى المياه بسبب الاحتكاك والتي بدورها تخلق الأمواج . إن الأمواج المحلية هي الأمواج التي ما تزال تحت تأثير قوة الرياح , أما الأمواج الممتدة فهي الأمواج التي انتقلت بعيدا عن مكان تأثير الرياح . ويمكن أن تنشأ أمواج البحر من بعض الظواهر أيضا مثل :
تأثير التيارات القوية والانزلاقات الأرضية والانفجارات في البحار والزلازل . تنتقل هذه الأمواج على سطح المياه بشكل مضطرب وهذه الاضطرابات بدورها تنتقل وجزيئات المياه الموجودة ضمن الأمواج المتحركة تدور ضمن مجال بيضوي مغلق تقريبا وتتحرك قليلا للأمام.
يتعلق ارتفاع الأمواج بسرعة الرياح ومدة تأثيرها, ويمكن توقع شدة الأمواج وارتفاعها من خلال منحنيات إحصائية لسرعة الرياح وشدتها في المناطق البحرية والتي تشكل مرجعا جيدا عند تصميم المنشآت البحرية.
إن ارتفاع الموجة يتبع مباشرة لسرعة وزمن الرياح واتساع المنطقة المفتوحة التي تهب فوقها الرياح، تمكننا الدراسات الإحصائية للريح وتأثيرها على الأمواج من التوصل إلى ما يلي :
1-بزيادة مسافة تأثير الرياح على مياه البحر ب 10 أضعاف يزداد الأمواج مرتين ونصف.
2-إن زيادة سرعة الرياح ب 5 أضعاف يؤدي إلى زيادة ارتفاع الأمواج ب 13 مرة .
3-الزمن المحدد على الشكل يحدد الزمن اللازم للرياح لإحداث موجة ذات ارتفاع معين وكلما كانت الرياح قوية كلما قل زمن تشكيل هذه الأمواج.
إن طاقة الموجة الكاملة تتناسب طرداً مع مربع ارتفاع الموجة , ويعد ارتفاع الموجة من البارامترات الهامة , وتوازي في الأهمية مدة تأثير الأمواج على المنشآت ،إن الموجة ذات مدة التأثير الطويلة تمتلك طاقة عظمى , وإذا كان طول السفينة أقل من نصف طول الموجة فإن قوة الدفع الديناميكية سوف تزداد كثيرا .
تتنوع الأمواج في الموقع نفسه لذا فهي توصف من خلال ارتفاع الموجة ومدتها المحدودة . يتم الحصول على هذه البارامترات من خلال خبراء الملاحة الذين يسجلونها في فترة العواصف.
إذا كانت مدة الرياح القوية أقل من المدة الصغرى فإن ارتفاع الأمواج سوف يتناسب مع الجذر التربيعي لمدة تأثير الرياح العواصف الهوجاء هي التي تخلق الأمواج في البداية تخرج الأمواج ذات التردد الكبير أي ذات الفترات القصيرة , وينخفض ترددها مع تقدمها وبالتالي تنخفض فتراتها , وتكون الأمواج المحلية ذات فترة من (5 -15 ثانية)بينما تكون الأمواج الممتدة ذات فترة عظمى من (20-30 ثانية) وترتبط طاقة الأمواج الممتدة بطول هذه الموجة إن أصغر موجة يمكن أن تسبب قوة دفع على المنشآت البحرية واستقرارها .
إن الأمواج العميقة تسير بشكل سلسلة من الأمواج المرتفعة متبوعة بسلسلة من الأمواج المنخفضة , وسرعة مجموعة الامواج تساوي نصف سرعة الموجة المفردة الواحدة ويتم الانتظار حتى وصول سلسلة الأمواج المنخفضة للقيام ببعض الأعمال الحرجة لمنشآت الحفر البحرية مثل تركيب المنصات على قواعدها.
ويلاحظ أن التيارات لها تأثير كبير على طول الموجة وانحدارها وارتفاعها وإن التيارات المسايرة للأمواج تزيد من طول الموجة وتقلل من ارتفاعها , بينما التيارات المضادة لاتجاه الموجة تؤدي إلى تقليل طولها وتزيد ارتفاعها , وإذا التقت الموجة مع تيار بشكل زاوي فإن هذه الموجة سوف تصبح أقصر وأكثر حدة وأشد خطورة على عمليات الحفر البحري .
إن استمرارية الأمواج تشكل عاملا مهما يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار عند القيام بالعمليات البحرية المختلفة . ويدل هذا البارامتر عن عدد الأيام المتعاقبة التي تستمر فيها الحالة العاصفة للبحر خلال فصل محدد . بالنسبة للشركات النفطية يجب حصر الشذوذ عن الحدود القصوى لإمكانية العمل في الموقع ومن أجل هذا تم تطوير منحنيات توضح استمرارية الجو العاصف تبعا لاحتمالية حدوث الأمواج في مواقع مختلفة .
عندما تقترب الأمواج من الشاطئ فسوف تتباطأ نتيجة الاحتكاك مع القاع وسوف تنكسر بشكل متعامد مع الشاطئ حتى في الحالات التي تكون الرياح موازية لها .
إن الانكسارات المتعددة من الممكن أن تخلق حالة اضطرابية وتعيق القيام بأي من العمليات البحرية ،وفي حالات محددة فإن الانكسارات المتماثلة قد تسبب ارتفاعا في الأمواج وهذا يظهر بشكل واضح في الشواطئ الصنعية والمنشآت المدنية على الشاطئ .
إن الأمواج العادية لا يتجاوز طولها 400 متر حتى في الأجواء العاصفة وهذا هو الدافع وراء تسمية أمواج المياه العميقة والتي تبدأ من عمق 200 متر .
أغلب عمليات بناء منشآت الحفر البحرية منذ بضع سنوات حتى الآن حدثت في أعماق قليلة , وكانت خاضعة لتأثير المياه الضحلة ،الاضطرابات والتيارات المرافقة التي تخلق بواسطة الأمواج تسبب نقل الرسوبيات الرئيسية وانجراف القواعد الرملية تحت المنشاة وتسبب حت سريع للمنشأة , وتسبب الأمواج المنكسرة على المنشأة تيارات رافعة وهابطة للمنشآت البحرية .
إقرأ أيضاً مقالاً تفصيلياً عن أنواع أبراج الحفر البحرية Offshore Drilling Rigs
تقييم وتحديد بارامترات الأمواج :
إن القوى المتولدة عن الأمواج والرياح والتيارات البحرية هي من أهم القوى المؤثرة على المنصات البحرية المتحركة والمنشآت الأخرى .
تعد هذه القوى ديناميكية ومتغيرة باستمرار ولا يمكن وصفها بتابع رياضي مع الزمن لذلك يتم اللجوء لعلم الإحصاء ليحل مشكلة المعطيات حول هذه القوى وكيفية تخمين قيمها مع الزمن ويمكن أن نذكر انه من أقدم الطرق لتقدير قوة الموج على منشأة بحرية تعتمد على الحسابات وفقا لأكثر من تصميم في هذا المجال . لأنه وفي حالات كثيرة تؤدي الحسابات إلى قيم غير مقبولة في الواقع ولذلك وحتى الآن يمكن القول ان الطرق الإحصائية هي الطرق الوحيد المقبولة لتوصيف هذه القوى .
طورت الشركات كثيرا من الأبحاث المتعلقة بتأثير الأمواج وأنتجت عددا من برامج الكومبيوتر المتعلقة بمشاكل السفن , وهذه البرامج كانت ناجحة للسفن ويمكن استخدامها بشكل شائع وبنفس المبادئ والأساليب في منصات الحفر البحرية. تصمم المنشآت البحرية على أساس سرعة محددة للتيارات والرياح بالإضافة إلى ارتفاع ومدة هذه الأمواج , وهذه المعايير تكون إما وفقا لمعطيات من خمسين عاما أو مئة عام ونأخذ منها أسوأ الشروط للرياح والأمواج والتيارات .
على الرغم من أن وضع شروط الرياح والأمواج غير موحد , إلا أنه يعكس القيم العظمى المتوقعة على أساس إحصائيات طويلة المدى .
إن معايير التصميم النموذجي للمنشآت البحرية المثبتة أعدت لتعمل في منطقتين مختلفتين هما:
تقييم تأثير الأمواج على المنشآت البحرية :
كي يتم تقييم تأثير قوة السوائل على المنشآت وأقسامها المختلفة لا بد من معرفة الخواص الهيدروليكية الحركية لهذه السوائل , بالنسبة للمنشآت البحرية فإن هذه الخصائص تتغير مع الزمن وفقا للمؤثرات كالتيارات والريح والأمواج , وخاصة أن لهذه القوى تأثيرا مشتركا بشكل دائم .
تنشأ الأمواج عادة بواسطة الرياح , ويمكن تقييم العلاقة بين الأمواج والمنشآت من خلال مقياسين مختلفين :
مقياس لحظي:
يأخذ بعين الاعتبار الظواهر التي تحدث خلال دقائق أو ثواني , وهو ممتاز لوصف الملامح التفصيلية للرياح وفترات الأمواج السطحية , وهذا الزمن الأقصر للقياس يتناسب مع دراسة ردات الفعل اللحظية للمنصات الثابتة.
مقياس طويل الأمد:
يأخذ بعين الاعتبار الظواهر التي تحتاج زمنا طويلا من ساعات إلى أيام أو حتى سنوات , ويستخدم لدراسة الاختلاف في شدة الأمواج وحساباتها , وتغير متانة المنصات مع الزمن حيث يلاحظ أن المنصات يمكن أن تنخفض مقاومتها إلى الحد الأدنى المسموح فيه لتعب المعدن بعد أشهر أو سنوات
يوجد طريقتان أساسيتان لدراسة الأمواج:
الطريقة الإحصائية :
تستخدم لدراسة العلاقة بين الأمواج والمنشأة بشكل طويل الأمد ومن ميزاتها :
1- يمكن تقدير القوة الناتجة عن الأمواج على الشكل العام للمنشأة.
2- يمكن تقدير احتمال وصول المنشأة إلى الحد الأدنى للمقاومة.
الطريقة المحددة :
فتعتمد على تحديد العلاقة بشكل قصير الأمد وهي تعتمد على الطرق الرقمية وعلم النمذجة أو على نظرية الأمواج والطرق الكلاسيكية في الدراسة حيث يتم تقسيمها لطرق خطية أو غير خطية.
المراجع :
– الحفر الموجه و الحفر البحري ، د. إبراهيم ، نضال – د. عازار ، هيثم – منشورات جامعة البعث .
– تصميم الآبار البحرية ، د . سليمان ، مسرور – رسالة نيل درجة البكالوريوس في هندسة النفط .
– Off shore drilling technology .
ملاحظة مهمة: هذا المقال حصري لموقع AONG ، لا يمكن نقله وإعادة نشره في موقع آخر إلا بذكر رابط المقال .