تجهیزات مورد نیاز عملیات حفاری

تجهیزات مورد نیاز عملیات حفاری چیست؟

در ابتدا باید اشاره به تاریخچه ای از حفاری نمود چرا که كندن چاه و رسيدن به هدف مورد نظر را حفاري مي گويند حفاري از امور پيچيده و گران و طاقت فرسا وتخصصي در صنعت و معدن بشمار مي رود. هر كاري كه ما قبل از حفاري انجام داده باشيم در صورتي كه عمل حفاري بدرستي انجام نگيرد بي فايده است.
بنابراين به حفاري دارای اهمیت ویژه ای می باشد ، قبل از حفاري ما فقط با تخيل و فرضيات مختلف لايه ها و عمق ها را تعيين مي كنيم ولي در حفاري با واقعیت ها مواجه خواهیم شد، زمين شناس، مهندس راه و ساختمان، حفار و … همه دست به دست هم مي دهند تا حفاري به طور مداوم انجام شود. چون هزينه دستگاه و لوازم حفاري بسیار بالا می باشد بنابراين حفاري در دو شیفت متوالی انجام میپذیرد.
تعيين محل حفاري نيز مهم  می باشد فاصله نقاط حفاری  از یکدیگر  و تعیین شبکه اکتشافی بسیار مهم و حائز اهمیت می باشد.

مانه
به منظور آگاهی از شرایط زمین شناسی و ژئوتکنیکی اعماق بیشتر زمین ، معمولا گمانه‌هایی حفر می‌شود. گمانه در واقع چاه قائمی است که توسط وسایل مکانیکی در خاک یا سنگ حفر می‌شود. گمانه‌های کم عمق گاه توسط دستگاه ساده‌ای به نام اوگر که طرز کار آن بصورت مارپیچ همانند مته نجاری می باشد، حفر می‌شوند.
حفاری گمانه‌ها به صورتهای مختلف انجام می‌شود. در روش حفاری ضربه‌ای پیشروی توسط ضربات پی در پی به سر مته انجام می‌شود و مواد کنده شده و خرد شده هر چند مدت یکبار بوسیله ابزار مخصوصی به نام گل کش از چاه خارج می‌شود. حفاری ضربه‌ای بیشتر در آبرفتها و رسوبات ناپیوسته به کار برده می شود  و نمونه‌هایی که به این ترتیب بدست می‌آید، کاملا دست خورده خواهد بود.

تجهیزات مورد نیاز حفاری چیست؟

اجزا اصلی یک حفاری مطالعاتی یا مغزه گیری عبارت است از:

دستگاه  حفاری

 لوله‌های جدار چاه  یا کیسینگ ها

 لوله‌های حفاری یا راد

 سرمته‌های حفاری

ابزارهای نمونه گیر یا کربارل ها

دستگاه حفاری از چه قسمت هایی تشکیل شده است؟

ماشین حفاری متشکل از یک منبع تولید نیرو ، یک دکل برای بلند کردن وسایل ، یک پمپ برای جریان انداختن آب و گل یا یک کمپرسور برای حفاری با هوا  است. وظیفه ماشین حفاری پایین بردن ، چرخاندن و بالا آوردن وسایل حفاری و گرفتن نمونه است. انواع متنوعی از ماشینهای حفاری و وسایل حفر چاه وجود دارد.

لوله‌های جدار یا کیسینگ چیست؟

لوله‌های جدار چاه جهت نگاه داشتن گمانه در حالت عادی ، در آغاز حفاری و جلوگیری از ریزش دیواره آن، بکار می‌رود. مخارج حفر یک گمانه بطور مستقیم بستگی به لوله جدار و قطر گمانه دارد. در صورتی که نیاز به قرار دادن لوله جدار در اعماق مختلف باشد، چاه شکلی تلسکوپی به خود می‌گیرد.

لوله‌های حفاری

لوله‌های حفاری ، ماشین حفاری را به مته حفاری یا نمونه گیرها وصل می‌کند. انتخاب لوله مناسب به عواملی مثل عمق پیش بینی شده برای گمانه نوع نمونه گیر انتخاب شده و قطر مغزه حفاری و از همه مهمتر قدرت ماشین بستگی دارد.

مته حفاری  

مته برای بریدن خاک و سنگ بکار می‌رود. سر مته از انواع مختلفی برخور دارند. مانند مته‌های الماسه، مته‌های تیغه‌ای ، مته‌های دکمه ای و مته‌های مغزه گیر.

1– مته های تیغه ای :
این نوع مته ها از دو یا سه یا چهار تیغه تشکیل شده اند . که با فاصله 180 درجه ، 120 درجه و 90 درجه در کنار یکدیگر قرار گرفته اند . نوع دو تیغه ای آن را دم ماهی نیز می نامند . جنس تغه ها معمولاً از تنگستن کارباید است و هرچه طول آنها کمتر باشد بازدهی مته بیشتر خواهد بود و به روی مته ها منافذی تعبیه شده که گل حفاری پس از عبور از این منافذ قطعات خرد شده ته چال یا چاه را به سطح منتقل و باعث تمیز شدن ته چاه می شود .
عمر مته های تیغه ای به دلیل کاربرد در سنگهای نرم معمولا بیش از 300 متر خواهد بود و اساس کارکرد آن میزان فشار وارد شده از دستگاه بروی مته خواهد بود.

2-مته های الماسي(( Diamond bits:
الماس سخت ترین ماده ای است که تاکنون شناخته شده است و از کربن خالص تشکیل شده جسمی است متبلور و به مراتب سخت تر از کانی ها و سنگ هایی است که باید حفاری گردند و مته هایی که جنس آنها از الماس است برای سنگهای سخت و کانی و سنگ هایی با خاصیت خراش اندازی از نظر فنی و اقتصادی مناسب ترین مته می باشند ، از این نوع مته ها بیشتر برای تهیه مغزه یا نمونه برداری استفاده می شود و در این نوع مته قطر نمونه ها کمتر از 100 میلیمتر  است . برای ساختن مته هایی الماسی ابتدا مته ساده از فولاد ساخته می شود و سپس این مته را به یا لوله نگهدارنده و یا وزنه اضافی متصل می کنند و بعد ذرات الماس به روی قالب مته جای گزاری می گردد و سطح الماسی به اشکال مختلف  با هندسه مشخص ساخته می شوند.
مته های الماسی معمولا برای سنگ های سفت و سخت به کار برده می شود و با مقایسه با مته های تیغه ای و مخروطی حساسیت آن نسبت به گل حفاری نسبتا کمتر می باشد اما اعتقاد بر این است که گل حفاری هر چه دقیق تر باشد بازدهی مته بهتر و از نظر اقتصادی نیز با صرفه تر است .

همچنین هر چه قطر مته ی الماسی کوچکتر باشد صرف نظر از ارزان تر بودن هزینه اولیه مته ، بازدهی آن نیز نسبت به مته دارای قطر زیاد تر بیشتر خواهد بود . یکی از مشکلات عمده ی مته های الماسی صرفنظر از هزینه اولیه آن ،ظرافت و ترد بودن آن است . بنابراین توصیه می شود هر بار که گل حفاری به جریان انداخته شود ( با پمپاژ گل حفاری ) چون امکان به نوسان در آمدن لوله حفاری وجود خواهد داشت در این صورت باید مواظب بود که این نوسان موجب کوبیدن مته به ته چاه نگردد . در غیر اینصورت امکان شکستن این نوع مته وجود دارد.

-3 مته های چرخشی مخروطی:
مته های چرخشی مخروطی یا غلتکی بر حسب نوع ساختمان آنها به چند زیر گروه تقسیم می شوند این تقسیم بندی اولین بار در سال 1909 توسط هوارد هیوز آمریکایی  ارائه شده است.
در بعضی مته های مخروطی شکل نحوه قرار گیری مخروط نسبت به یکدیگر شبیه علامت بعلاوه ، ضربدر یا صلیبی است که به آنها مته های مخروطی شکل تقاطعی می نامند . این نوع مته ها در سنگهای سخت ، بازدهی خوبی دارند .
تعداد مخروط مته می تواند یک ، دو ، سه ، چهار ، پنج یا حتی شش عدد برسد اما رایج ترین آنها مته های مخروطی سه عددی است .

باید توجه داشت که به دلیل نیاز به حفر چال یا چاه در سنگهای بسیار سخت در سال های اخیر تغییراتی در این نوع مته ها به وجود آمده است . در این مته ها ارتفاع دندانه ها بسیار کم و جنس آنها از کربورتنگستن و سر دندانه ها کاملاً گرد و صاف است و چون شبیه دگمه اند بدان مته های دگمه ای و در بازار حفاری راک بیت  می گویند .

روش حفر گمانه

مراحل مختلف حفر یک گمانه اکتشافی را به نحو زیر می‌توان خلاصه نمود.

1. نمونه سطحی گرفته می‌شود.
2. لوله جدار آغازین تا عمق 1 متری رانده می‌شود.
3. خاکهای داخل لوله جدار تا 10 سانتیمتری پایین تر از لبه خارج می‌شود
4. نمونه گرفته می‌شود.
5. حفاری چاه برای یک متر بعد ادامه می‌یابد. پیشروی با راندن لوله جدار و برداشتن خاکهای داخل آن (مثل مرحله 3) یا با استفاده از گل روان (جهت تثبیت دیواره چاه و بالا آوردن نمونه‌ها) انجام می‌شود.
6. چرخه فوق آن اندازه ادامه می‌یابد تا به عمق دلخواه برسیم (در حفاری یا برنامه‌های حفاری تکمیلی فواصل نمونه گیری به 3 متر افزایش می‌یابد.)
7. در برخورد با سنگ لبه لوله جدار را در سطح سنگ قرار داده تا بتوان مغره گیری را با آب تمیز  ادامه داد. آب سر مته را خنک و تمیز نگهداشته ، ازسوخته شدن الماس آن جلوگیری می‌کند.
8. موقعیت لوله جدار ، لوله حفاری و سر مته و ابزارهای نمونه گیری ، در شروع هر مرحله پیشروی به دقت اندازه گیری و یادداشت می‌شود. باید دقت شود که چاه ریزش نکرده باشد و سر مته درست در ته چاه قرار گرفته باشد. همچنین نمونه گیری باید در 10 سانتیمتری زیر لوله جدار یا در عمق نهایی حفاری قبل از آغاز نمونه گیری باشد.

برنامه ریزی عملیات حفاری

هرگونه برنامه ریزی باید با توجه به هدفهای حفاریها و مغره گیری ، یعنی دستیابی به نمونه‌هایی از مصالح زمین شناسی برای بررسی ، طبقه بندی و انجام آزمونهای آزمایشگاهی ، اندازه گیری مشخصات فیزیکی و مهندسی مصالح برجا و دستیابی به اطلاعاتی در مورد آب زیر زمینی صورت گیرد. نحوه تکوین یک برنامه ریزی را به شرح زیر می‌توان خلاصه کرد.

انتخاب وسایل

در انتخاب وسایل باید مرحله مطالعات ، شکل سطح زمین و قابلیت دسترسی آن ، شرایط زمین شناسی ، عمق حفاری و نوع نمونه‌های مورد نیاز مورد توجه قرار گیرد.

فاصله بین گمانه‌ها

در مراحل شناسایی مقدماتی و توجیهی ، گمانه‌ها در جایی حفر می‌شود که بتواند همبریها را ، آنگونه که در نقشه زمین شناسی مهندسی رسم شده ، مشخص نماید. در شرایط یکنواخت طراحی شبکه‌ای از گمانه‌ها که فاصله آنها با توجه به وسعت ناحیه مورد بررسی ممکن است از 30 تا 100 متر باشد، واقع می‌شود.

عمق گمانه

با توجه به نوع ماده معدنی و همچنین نقشه های زمین شناسی و اطلاعات برداشت شده از گمانه حین عملیات حفاری همگی اطلاعات تکمیلی را جهت تعیین عمق نهایی گمانه مشخص می نماید.

جهت یابی گمانه

گمانه‌های اکتشافی معمولا به صورت قائم حفر می‌شوند. از حفاری زاویه دار اغلب در توده‌های سنگی و برای اکتشاف درزها ، گسلها و حفرات انحلالی یا قرار دادن مهار در سنگ و خاک استفاده می‌شود. استفاده از حفاری افقی معمولا برای اکتشاف مسیر تونلها ،گمانه پیشاهنگ ،تعبیه میل مهار در سنگ و قرار دادن ابزارهای اندازه گیری یا انجام زهکشی افقی است.

باید توجه داشت که دستیابی به گمانه کاملا افقی با اغلب روشهای موجود امکان پذیر نیست. زیرا معمولا در آغاز حفاری ، گرانش زمین سر مته را به سمت پایین می‌کشد. سپس با افزایش پیشروی ، نیرو گرانش به روی وزن زیاد لوله‌های حفاری عمل می‌کند که ممکن است حرکت به سمت بالای سر مته را باعث شود.

در زیر برخی اصطلاحات حفاری اشاره میکنیم:
1) Hook
قلاب آویزان یا هرزگرد جهت بلند کردن لوله های حفاری توسط وینچ
2) Swivel
واتر سویل یا هرزگرد قطعه ایست که گل حفاری را به داخل لوله های حفاری هدایت می نماید
3) Mud line
مسیر انتقال گل یا آب به واتر سویل و انتقال به داخل چاه
4) Mast
دکل حفاری که بصورت تلسکوپی و یا ساده هدایت راد های حفاری را به داخل چاه انجام می دهد
5) power head

گیربکس چند سرعته که برای به حرکت درآوردن دورانی لوله های حفاری استفاده میگردد و نیروی خود را عمدتا هیدرولیکی بدست می آورد.
6) Rod
لوله های حفاری که در سیستم مغزه گیری عمدتا سه متری و در سایز NQ,HQ,PQ,BQ
7) core barrel
سیستم نمونه گیر که خود از اجزا مختلفی تشکیل شده است و قبل از سرمته قرار میگیرد و نمونه داخل آن جمع می شود.
8) Reaming shel
بغل تراش که عمدتا چند میلیمتر از سرمته بزرگتر می باشد و وظیفه آن نگهداری بدنه کربارل از تماس با دیواه چاه می باشد
9) plat form
زیر ساخت اصلی دستگاه حفاری می باشد که برای استقرار و ستاپ دستگاه بسیار اهمیت دارد
10) Foundation
پی بتونی اولیه جهت استقرار دستگاه حفاری  
11) head core barrel
قسمت هرزگرد و ارتباط بین لوله داخلی و لوله خارجی کربارل که عملا با اتصال به لوله داخلی امکان خروج مغزه میسر میگردد.
12) inner tube  
بخش داخلی کربارل نمونه ها داخل آن ذخیره شده و خارج می شود
13) overshot
قطعه ای که برای خروج لوله داخلی کربارل به داخل لوله ها ارسال شده و با گرفتن هد و لوله داخلی را به خارج چال می آورد.
14) Shale shaker
محل تفکیک گل حفاری از مواد و سنگ ریزه های حفاری شده
15) Screen
توری فلزی یا الک برای گرفتن کاتینگ خروجی از چاه
16) Return tank
مخزن یا محل تجمع گل برگشتی از چاه جهت ته نشینی مواد
17) Mud pump
پمپ های ارسال گل و آب به داخل چاه و چرخش آن  

18) Casing
لوله های دیوار بندی استوانه ای شکل از جنس ورق های فولادی که با توجه به قطر حفاری به سایزها وضخامتهای مختلف طراحی وساخته می شود.این وسیله باعث می شود که بستری مناسب در بالاترین نقطه حفاری ایجاد شودکه از ریزش خاکها به درون منطقه مورد حفاری جلو گیری ومسیر حفاری نیزتوسط کیسینگ بصورت دقیقتر مشخص می شود.
19) Annulus
مجرای برگشت گل و مواد حفاری شده از چاه به خارج
20) Drill pipe
لوله حفاری که راد نامیده می شوند و وظیفه چرخش ابزار درون چاه و گردش سیال حفاری را برعهده دارند.
21) Bit
مته حفاری
عملیات حفاری مغزه گیری معمولا بصورت دو شیفت انجام میشود و در گمانه های عمیق توقف بسیار سخت و حتی غیر ممکن می باشد و  همه افرادی که برای حفاری استخدام میشوند بصورت اقماری هستند و باید هر زمان که لازم باشد آماده کار باشند . کما اینکه در بعضی موارد حتی تا 3 روز یا بیشتر فرد وقت استراحت ندارد . عمل طاقت فرسا / وقت گیر / پر هزینه / خطرناک /الوده کننده محیط زیست /…. انجام میگیرد تا چاه به نتیجه برسد.

انواع روشها و تکنیکهای حفاری

1-حفاري مکانيکي
علاوه بر حفر چاه به روش دستی که هم اکنون نیز در بسیاری از جاها رایج است، فنون حفر چاههای مکانیکی نیز به وفور استفاده می‌شود. در اين روش ، به يکي از سه روش ضربه اي ،چرخشي يا ترکيبي از اين دو ، انرژي مکانيکي به سنگ منتقل مي شود . در اصطلاح عملياتي را که به روش مکانيکي موجب حفر چال در سنگ مي شوند حفاري مکانيکي مي گويند . امروزه ۹۸ درصد حفاريها به روش مکانيکي حفر مي شوند . در معادن سطحي و حفاري هاي نيمه عميق و عميق عمدتاً از ماشين هاي حفاري چرخشي با مته هاي مخروطي شکل و ماشينهاي ضربه اي سنگين استفاده مي شود ؛ اما در معادن زير زميني يا به طور کلي درعمليات زير زميني از ماشين هاي ضربه اي استفاده مي گردد. مته‌های ضربه‌ای که تا اواسط قرن نوزدهم برای حفر چاههای نفت مورد استفاده قرار می‌گرفت و به متد کانادایی معروف بود، به دیلم بلند و قطوری شباهت داشت که قادر بود تا چندین صد متر به درون زمین رخنه نماید.

گرچه اکنون اکثر چاههای نفت با روش دورانی حفر می‌گردد، لکن هنوز در برخی کشورهای نفت خیز مخصوصا ایالات متحده آمریکا هنوز از روش ضربه‌ای استفاده می‌شود و حدس می‌زنند نزدیک به 25 تا 30 درصد چاههای نفت آمریکا با روش ضربه‌ای حفر می‌گردد. حفاری دورانی اولین بار در سال 1901 در میدان نفتی Spindletop ، نزدیک تگزاس مورد استفاده قرار گرفت و به سبب مزایایی که نسبت به ضربه‌ای داشت، دامنه کاربرد آن به زودی گسترش یافت. بطوری که در دهه 1920 اکثر حفاری هایی که برای استخراج نفت در سراسر جهان صورت می‌گرفت با این روش بود. بررسیهای زمین شناسی با وجود تمام دقتی که می‌شود، تنها امکان وجود مخازن را پیش بینی می‌کند. برای اطمینان از وجود نفت تنها وسیله حفر چاه است. حفر چاه همچنین برای استخراج  آبهای زیزمینی نیز استفاده می‌شود.

2-حفاری بوسیله فشار آب

3-حفاری به روش انفجار