نقش شرکت ملی حفاری در دستیابی به انرژی های نو

۱)مقدمه
نگرانی های ناشی از توقف جریان سوخت های فسیلی به کشورهای غربی در دهه ۷۰ میلادی نیاز به یافتن منابع جایگزین را در این کشورها شدت بخشید . در سه دهه اخیر نیز درک واقعیت هایی درباره آسیب های جبران ناپذیرناشی از استفاده از منابع انرژی فسیلی به طبیعت، محیط زیست و در نهایت سلامت انسان، نیاز به جستجوی منابعی مطمئن تر و حتی الامکان محلی را تقویت کرده است. یکی از منابعی که دارای قابلیتهای فراوان برای جایگزین کردن منابع انرژی فسیلی شناخته شده انرژی زمین گرمایی است . این منبع می تواند نگرانی های موجود درباره منابع انرژی فسیلی را کاهش دهد، زیرا در بسیاری از کشورهایی که در مناطق زلزله خیز و آتشفشانی قراردارند می توان با آن بخشی از برق مورد نیاز این مناطق را تأمین کرد و در مناطق دیگرنیز از این منبع انرژی می توان برای تأمین گرمای مورد نیاز ساختمان های مسکونی و محیط های کار استفاده نمود . استفاده از این منبع انرژی کمترین آسیب را به طبیعت وارد می آورد زیرا فاقد هرگونه آلایندگی است، تأمین آن در محل امکان پذیر است و نیازی به انتقال آن از هزاران کیلومتر دورتر وجود ندارد . به دلیل قابلیت فراوانی که این منبع انرژی دارا است بسیاری از کشورهای صنعتی که نیاز وافر به منابع انرژی دارند سرمایه گذاری های گسترده ای برای استحصال این منبع انرژی پایدار و پاکیزه انجام داده اند .
با توجه به این که کشور ایران دارای منابع انرژی زمین گرمایی قابل بهره برداری برای تأمین برق و گرمایش مستقیم ساختمان ها در مناطق گوناگون است . استفاده از این منابع می تواند نتایج فراوان اقتصادی برای جامعه به بار آورد . و از مصرف انرژی فسیلی در مواردی که امکان جایگزینی آنها با منابع دیگر وجود دارد بکاهد . بدون تردید بهره برداری هرچه بیشتر از این منابع جایگزین از هدر رفتن ثروت های خدادادی ملی جلوگیری می کند و امکان استفاده بهتر را برای نسل های آینده فراهم خواهد آورد .
۲) انرژی زمین گرمایی
ـ «زمین‌گرمایی» یعنی چه؟
زمین‌گرمایی ترجمه مستقیم واژه یونانی "Geothermal" است که از دو بخش geo (زمین) و thermal (گرمایی) تشکیل شده است.
ـ انرژی زمین‌گرمایی چگونه به وجود می آید؟
به طور طبیعی درون زمین انرژی زیادی به صورت گرما وجود دارد. این گرما حاصل تجزیه ایزوتوپ‌های رادیواکتیو و وجود گازهای گداخته‌ای است که از حدود ۵/۴ میلیارد سال پیش (هنگام تشکیل سیاره زمین) درون زمین وجود دارد. دمای درون زمین در عمق ۶۵۰۰ کیلومتری حدود۵۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است که می تواند سنگ‌ها را ذوب ‌کند.
این گرما پیوسته از بخش مرکزی به سوی پوسته زمین در حرکت است. گرمایی که به این صورت به پوسته زمین می‌رسد ۴۲ میلیون ترمال مگاوات (watts ۱۰۱۲ * ۴۲) تخمین‌زده شده است. بخش زیادی از این گرما مهار شدنی نیست و به تدریج در پوسته زمین پراکنده می‌شود، اما فرایندی که آن را با نام"تکتونیک صفحه‌ای می‌شناسیم (فرایندی که موجب زمین لرزه، تشکیل توده‌ها و آتشفشان‌ها می‌شود) بخشی از این گرما را در قسمت‌هایی از اعماق زمین متمرکز می‌کند.
پوسته زمین از ۱۲ صفحه بزرگ جدا از هم ساخته شده است. هر یک از این صفحه‌ها خود شامل چندین قطعه کوچک‌تر است. شکل این صفحه‌ها و شکل قرارگیری آن‌ها را نشان می‌دهد.
ـ حرارت موجود در اعماق زمین از لبه‌های محل تماس این صفحه‌ها با یکدیگر به بیرون راه می‌یابد. به همین دلیل مناطقی در جهان که منبع زمین گرمایی دارند در حاشیه و لبه این صفحه‌ها قرار دارند. معمولا سنگ‌های ذوب شده (مواد مذاب) به صورت گدازه‌های شناور به لایه‌های بالایی صعود کرده و به پوسته می‌رسند و گاهی به شکل آتشفشان از درون زمین به بیرون فوران می‌کنند، ولی بیشتر وقت‌ها این گدازه‌ها زیر پوسته زمین باقی مانده و دمای ذخایر آب مجاورشان را افزایش می‌دهند. دمای این آب‌ها تا C°۳۵۰ می‌رسد. قسمتی از این آب‌ها از میان گسل‌ها و شکاف‌ها به سمت بالا حرکت می‌کنند و در سطح زمین به شکل چشمه‌ها و آبفشان‌های داغ ظاهر می‌شوند، اما بیشتر آنها در شکاف‌ها و حفره‌های سنگی در اعماق زمین باقی می‌مانند. به این نوع ذخیره طبیعی آب گرم، مخزن آب زمین‌گرمایی می‌گویند.
مناطق بسیاری در جهان دارای مخازن آب زمین‌گرمایی قابل دسترس هستند. این ذخایر آب گرم پدیده‌های پایداری هستند که از چند صد هزار سال تا بیش از یک میلیون سال قدمت دارند. شکل زیر نحوه نفوذ آب باران و آب‌های سطحی را به لایه‌های گداخته زمین و شکل‌گیری بسترهای آب گرم در حفره‌ها و شکاف‌های زمین را نشان می‌دهد.
● کاربردهای انرژی زمین‌گرمایی
امروزه با حفر چاه‌هایی آب‌گرم موجود در این منابع را به سطح زمین می‌آورند، و از آن‌ برای تامین حرارت و تولید برق استفاده می‌کنند. زمین‌شناس ها ، شیمیدان‌ها و مهندسان تقریباً همه مکان‌هایی را که دارای منابع انرژی گرمایی قابل استفاده هستند شناسایی کرده‌اند. استفاده‌هایی که در حال حاضر از انرژی زمین‌گرمایی می‌شود عبارت اند از: تولید برق، گرمایش مستقیم ساختمان و تامین گرما و سرما با استفاده از پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی.
برای تولید برق از منابع زمین‌گرمایی، معمولاً باید دمای آب گرم بالا تر از۱۵۰ درجه سانتیگراد باشد . برای دستیابی به این منابع معمولاً چاه‌ حفر می‌شود و بخار یا آب داغ به سطح زمین هدایت شده و توسط لوله به نیروگاه‌ برای به حرکت آوردن توربین‌های بخار و تولید الکتریسیته منتقل می‌شود. این آب مجدداً به داخل منابع تلمبه می‌شود و این چرخه ادامه می‌یابد. با توجه به این‌که سوخت نیروگاه‌های زمین‌گرمایی همیشه در دسترس است، این نیروگاه‌ها به صورت شبانه‌روزی کار می‌کنند و به همین دلیل برای تولید الکتریسیته بسیار مفیداند.
۳) تاریخچه انرژی زمین گرمایی درایران
اکتشاف انرژی زمین گرمایی در ایران با توجه به قرار گرفتن این کشور در کمربند انرژی زمین گرمایی از اوایل دهه ۱۳۵۰ آغاز شد . وزارت نیرو در سال ۱۳۵۴ به منظور مطالعه و تحقیق در باره انرژی زمین گرمایی در ایران قراردادی با شرکت ملی برق ایتالیا منعقد نمود مطالعات مقدماتی نشان داد که چهار منطقه سبلان دماوند ماکو خوی و سهند به مساحت تقریبا ۳۱۰۰۰ کیلومتر مربع بهترین نواحی برای مطالعات تفصیلی و اکتشافات به شمار می روند .
بدین ترتیب اکتشافات زمین شناسی شیمی و فیزیک زمین و شناخت آبهای زیرزمینی در چهار منطقه یاد شده انجام گرفت و گزارشهای نهایی در سال ۱۳۶۱ به وزارت نیرو ارائه شد .این گزارشها در سال ۱۳۶۹ از سوی کارشناسان زمین گرمایی سازمان ملل بررسی و پردازش شد در همین راستا مرکز تحقیقات نیرو از سال ۱۳۷۱ به منظور نهایی کردن اکتشافات و در جهت دسترسی به انرژی زمین گرمایی در ایران کلیه گزارشها و اظهار نظر کارشنا سان را مورد بررسی و ارزیابی قرارداد و به این نتیجه دست یافت که ناحیه مشکین شهر از منطقه سبلان برای تکمیل اکتشاف و احداث نیروگاه انرژی زمین گرمایی در اولویت قرار دارد .
● منطقه سبلان
منطقه سبلان در غرب شهر اردبیل بین شهرهای اهر در شمال غرب، مهربان در جنوب غرب، سراب در جنوب و وکیل آباد در جنوب شرق قرار دارد در مرکز منطقه کوه آتشفشان خاموش سبلان به ارتفاع ۴۸۰۰ متر از سطح دریا قرار گرفته که قلعه آْن همیشه پوشیده از برف است در قلعه و اطراف کوه سبلان در نتیجه بارشهای جوی و ذوب برف ها دریاچه های آب شیرین تشکیل شده اند .آبهای نفوذی از طریق شکستگیهای موجود در سنگها باعث تغذیه دائم سفره های آبی کم عمق و عمیق می گردند . سفره های آب های زیرزمینی در جوار منابع حرارتی غنی اعماق زمین منطقه تشکیل مخازن زمین گرمایی را می دهند که چشمه های متعدد آب گرم قینرجه موئیل شهابیل قطور رسوبی ایلاوند و..... به دمای ۲۵ تا ۸۳ درجه سانتیگراد در اطراف کوه سبلان از ذخایر عظیم انرژی زمین گرمایی در منطقه سبلان محسوب گردیده .
پس از بررسیها و مطالعات اکتشافی کارشناسان مرکز تحقیقات نیرو ناحیه جنوب مشکین شهر از منطقه سبلان به دلایل ذیل برای حفر اولین چاه اکتشافی تولید برق و نهایتا توسعه میدان زمین گرمایی به منظور احداث اولین نیروگاه انرژی زمین گرمایی در ایران پیشنهاد گردید .
ـ تراکم چشمه های آب گرم متعدد در جنوب مشکین شهر نزدیک گسل و دهانه آتشفشان سبلان
ـ وجود گرمترین چشمه آب داغ ایران با دمای ۸۳ درجه ساتیگراد که تقریبا در ۱۶ کیلومتری جنوب مشکین شهر و ارتفاع ۲۰۵۰ متری از سطح دریا واقع شده است .
ـ دمای مخازن از طریق حرارت سنجی شیمیایی در این ناحیه حدود ۲۴۰ درجه سانتیگراد برآورد شده است .
ـ به دلیل ارتفاع بیشتر ناحیه و نزدیکی مخزن آب گرم های ناحیه مشکین شهر به سرچشمه حرارتی سیستم همرفتی آب های داغ سریعتر و گرمتر می باشد .
ـ براساس نتایج ثقل سنجی بیشترین ناهنجاری منفی و یا به عبارت دیگر وسیعترین حوزه رسوبی با چگالی کم وتخلخل و تراوایی بالا در ناحیه جنوب مشکین شهر واقع شده است .
۴) پروژه زمین گرمایی
با توجه به اینکه بیشترین پتانسیل حرارتی انرژی زمین گرمایی در منطقه سبلان در ناحیه مشکین شهر ذخیره شده است مرکز تحقیقات نیرو این ناحیه را جهت حفاری چاههای اکتشافی انتخاب تا پس از پردازش داده های حاصله نسبت به توسعه میدان زمین گرمایی و طرح نصب و احداث نیروگاه اقدام نماید .
در راستا تولید برق از انرژی های پاک وزارت نیرو طی یک مناقصه بین المللی شرکت ملی حفاری ایران را در سال ۱۳۷۸ در خصوص انجام موضوعات قراردای ذیل در مدت زمان ۲ سال برگزید :
ـ حفاری ۶ حلقه چاه مشتمل بر ۳ حلقه چاه اکتشافی و ۳ حلقه چاه تزریقی و انجام آزمایشات مربوطه و ارائه سایر خدمات .
ـ تامین کلیه تجهیزات مواد و نیروی انسانی متخصص و غیر متخصص
● مشکلات شروع پروژه حفاری چاههای زمین گرمایی
پس از بررسی های مدیریتی و فنی موضاعات قراردادی پروژه زمین گرمایی مشکلات و راهکارهای قید شده در ذیل عنوان و مرتفع گردید .
نیاز به آموزش در زمینه حفاری چا ههای زمین گرمایی
با توجه به تجربه بالا کارشناسان شرکت ملی حفاری در زمینه حفاری چاههای نفت و گاز خلا تجربه در این زمینه در راستای اجرای بهینه پروژه دارای نمودی خاص بوده که مدیریت پروژه با اخذ مجوزهای لازم از مدیریت عالی شرکت توانست طی یک مناقصه بین المللی در خصوص آموزشهای قید شده در ذیل :
ـ تشریح تفاوت اساسی بین چاههای زمین گرمایی و نفت و گاز
ـ ویژگی های چاههای زمین گرمایی
ـ استانداردهای مرتبط
ـ مبنای طراحی و برنامه چاه
ـ وسایل و دستگاههای حفاری مورد نیلز حرارت های بالا
ـ طراحی جداری، تاج چاه، سیال حفاری، سیمان و آزمایش سیمان
ـ آزمایشات تکمیلی و آزمایش چاه
شرکت سنچوری از کشور نیوزلند را با توجه به تجارب بالا در زمینه انرژی زمین گرمایی برگزیده و تعدادی نفر از کارشناسان ملی حفاری در این راستا در محل آن شرکت در نیوزلند با موفقیت دوره آموزشی را طی نمودند .
▪ تامین کالا و مواد پروژه
کالا و مواد پروژه به سه دسته قید شده در ذیل تقسیم می شوند :
ـ درون چاهی، برون چاهی، مواد شیمیایی
درون چاهی از قبیل :
ـ مته ، لوله های جداری ، متعلقات لوله های جداری
برون چاهی از قبیل :
ـ تاج سرچاهی
مواد شیمیایی از قبیل :
ـ سیمان و مواد افزودنی وموادسیال حفاری
با توجه به اهمیت مقاومت حرارتی مورد نیاز کالا و مواد چاههای زمین گرمایی و لزوم رعایت استانداردهای خاص پس از بررسی های فنی بعمل آمده از طرف مهندسی کالا شرکت ملی حفاری لزوم تامین این اقلام و مواد از برخی شرکت های خارجی که ساخت این اقلام را در انحصار خود داشتن را مورد تائید و طی یکسری مناقصات محدود تامین و دیگر اقلام از منابع داخلی با رعایت استانداردهای مورد نیاز چاههای زمین گرمایی تامین گردیدند .
● طراحی و مهندسی سیمان و سیال حفاری
هر چند کارشناسان شرکت ملی حفاری با توجه به گذراندن دوره کوتاه مدت آموزشی مطالبی در ارتباط با چگونگی طراحی و مهندسی سیمان و سیال حفاری آموخته بودند ولی تجربه آزمایشگاهی و عملی در این ارتباط با توجه به نوع مواد مصرفی الزامی غیر قابل انکار داشت که کارشناسان و مهندسین این شرکت با توجه به اهمیت موارد قید شده در ذیل طی فعالیت های بسیار موق به کسب تجربه در این زمینه گردیدند .
سیمانکاری چاههای زمین گرمایی :
ـ نگرانی اصلی در مورد عملکرد مواد، پایداری و ثبات قدرت ترکیبات سیمانی تحت دمای ۳۵۰ درجه سانتیگراد دمای پیشبینی درون چاهی بود .
ـ همچنین اهمیت وجود باند سیمان قوی در نگهداری لوله های جداری با توجه به عدم استفاده از نگهدارنده (slips ) درون وسایل سرچاهی با توجه به تاثیر حرارت بر تغییر ابعاد و کش آمدن جداره باعث انحراف جداری به چپ یا راست بهم آمدن جداری و یا پاره شدن جداری می گردد
که این نگرانی ها با توجه به کوشش و همت مهندسین سیمان شرکت ملی حفاری وبا انتخاب مواد مناسب و طی آزمایشات بسیار و مشابه سازی با شرایط واقعی چاههای زمین گرمایی برطرف گردید .
سیال حفاری :
ـ نگرانی اصلی در مورد عملکرد مواد، پایداری تحت دمای ۳۵۰-۱۵۰ درجه سانتیگراد دمای پیشبینی درون چاهی بود. .
ـ خنک کردن سیال حفاری برگشتی از درون چاه قبل از باز فرستادن آن بدرون چاه
اهم نگرانی های فوق الذکر در خصوص سیال حفاری نیز با کوشش و همت مهندسین سیال حفاری با انتخاب موادمناسب و طی آزمایشات بسیار و مشابه سازی با شرایط واقعی چاههای زمین گرمایی(انتخاب سیال حفاری با ماده سطحی سدیمی ) و افزودن یک سیستم خنک کننده برای خنک کردن سیال قبل از باز فرستادن آن بدرون چاه برطرف گردید .
● آب و هوای منطقه عملیاتی
باتوجه به سرمای شدید منطقه عملیاتی ناحیه جنوب مشکین شهر از منطقه سبلان لزوم ایجاد پوشش زمستانه جهت دستگاه حفاری در خصوص جلوگیری از توقف عملیات حفاری الزامی بود که توسط پرسنل واحد سازندگی شرکت ملی حفاری در بدترین شرایط آب و هوایی به تحقق پیوست . (دمای محیط حداقل ۳۰- درجه سانتیگراد و میانگین ۷درجه سانتیگراد )
● عملیات حفاری چاههای زمین گرمایی
این عملیات اختلافات بنیادی با عملیات حفاری چاههای نفت و گاز را دارا می باشد
تعریف چاه زمین گرمایی :
ـ به منبع حرارتی (مواد مذاب) به سنگ مخزن نزدیک بوده
ـ نفوذپذیری سنگ مخزن در حد بسیار بالایی باشد بطوریکه بتوان آن را در گروهای سازندهای دارای گمشدگی کامل سیال حفاری قرار داد .
ـ وجود آب به عامل انتقال انرژی حرارتی از سنگ مخزن به سطح زمین
مخازن زمین گرمایی
ـ مخازن با سیستم بخار بالنده :در این سیستم بخار تنها فاز موجود در مخزن را تشکیل می دهد .
ـ مخازن با سیستم آب بالنده :در این سیستم آب داغ تحت فشار مخزن تنها فاز موجود در مخزن را تشکیل می دهد (مخازن ایران از این نوع می باشند )
موارداساسی تفاوت چاه های زمین گرمایی با نفت و گاز
ـ وجود حرارت بسیار زیاد در اینگونه چاهها ۳۵۰-۱۵۰ درجه سانتیگراد
ـ وجود هرزروی مکرر در سازندها
ـ امکان بسیار زیاد حفاری بدون برگشت دردرون سنگ مخزن
ـ تعدد عملیات راندن لوله های جداری و انجام عملیات سیمانکاری مربوطه
ـ استفاده از مته با قطر بسیار زیاد و همچنین راندن جداری با قطر زیاد
ـ لزوم انجام عملیات سیمانکاری مناسب بطوریکه سیمان کاملا فضای پشت لوله جداری را پرکند
ـ کندی سرعت حفاری با توجه به سختی سنگ های آذرین تشکیل دهنده سازند
ـ استفاده از روش مخصوص جهت کنترل فشار چاه (اکثرا دارای فشار کم می باشند )
فاز اول عملیات حفاری پروژه زمین گرمایی از تاریخ ۱/۹/۸۱ شروع ودر مدت ۱۸ ماه تا تاریخ ۱۰/۲/۸۳ به پایان رسید
چاههای حفر شده عبارتند از :
▪ چاههای اکتشافی
اهداف :
ـ شناسایی بلوک های با طراوایی زیاد مانند گسلها
ـ بررسی ژئو شیمی
ـ دما و فشار سیال
ـ تعیین بهره دهی سازندهای مورد نظر
تعداد چاه های حفر شده در فاز اول ۳ حلقه به متراژ کلی ۸۶۳۸ متر
▪ چاههای تزریقی
اهداف:
ـ برگرداندن آب خروجی از توربین ها و سایر تجهیزات سطحی به مخزن و استفاده مجدد از سیال به صورت گردشی
ـ تعداد چاه های حفر شده در فاز اول ۲حلقه به متراژ کلی ۱۲۰۰ متر
ـ شماتیک چاه شماره ۳ پروژه زمین گرمائی
● نتیجه گیری
دستیابی به یک انرژی پاک انرژی که بهره برداری از آن برخلاف سایر انرژیهای تجدید پذیر محدود به فصل، زمان و شرایط خاصی نبوده و بدون وقفه قابل بهره برداری می باشد،پائین بودن قیمت تمام شده تولید برق نسبت به انرژیهای دیگر و مهمترین موفقیت بومی نمودن دانش در زمینه انرژی زمین گرمایی که در این راستا شرکت ملی حفاری ایران که از بدو تاسسیس تا آن زمان در زمینه حفر چاههای مختلف نفتی و گازی موفقیتهای چشم گیری بدست آورده یود توانست با شرکت در این پروژه ملی که برای اولین بار در خاور میانه به اجرا در می آمد اقدام به کسب تجربه در زمینه حفاری چاههای زمین گرمایی نموده و این تجربه عاملی مهم در دستیابی به امتیاز حفاری تعداد ۱۸ حلقه چاه اکتشافی توسعه ای و تزریقی در فاز دوم پروژه زمین گرمایی از طریق برگزیده شدن در مناقصه بین المللی برگزار شده از طرف سازمان انرژی های نو ایران گردد و هم اکنون این شرکت توانایی انجام پروژه های مشابه را به صورت کلید در دست دارا می باشد .

مراجع
تمجیدی، امیر و خسروی ،خسرو (۱۳۷۶) : انرژی زمین گرمایی در ایران ،مجله پیام متن، شماره ۱۸
خسروی، خسرو وطالبی، بهنام : مطالعات ژئو فیزیکی به منظور اکتشاف منابع انرژی زمین گرمایی درسبلان
تاریخچه چاههای سبلان اداره مهندسی حفاری شرکت ملی حفاری ایران

منبع : پترو گروپ