حفاری سنگ دارای تاریخچه ای بسیار طولانی و مبهم می باشد. به طور کلی از گذشته های دور، ملت های متمدن جهت دستیابی به آب و برخی ساختارهای کریستالی با ارزش، فرایند حفاری سنگ را به انجام می رساندند. در طی دهه های قبل، سیستم حفاری سنگ به صورت دستی جهت حفر چال به منظور احداث تونل، حفاری معدن و … انجام می شده است. پس از گذشت مدت زمان اندکی و با افزایش نیازهای انسان برای حفر چاه ها و گودال های عمیق در سطح زمین، تکنیک دیگری از حفاری دستی، که حفاری به روش کابلی نامیده می شد، رایج و متداول گردید. در این روش، از یک مته با طول بیشتر استفاده می شد و یک کابل از جنس فولاد جهت ایجاد ضربه به کار برده می شد.
معدنکاران مجارستانی و آلمانی به کمک کابل های بزرگ و با استفاده از چکش هایی که حدود ۲ اینچ قطر و حدود ۴۰ اینچ طول داشتند، عملیات حفاری سنگ را انجام می دادند. سپس حفره های ایجاد شده را با حدود ۱۶ گرم پودر و مواد اشتعال زا پر می کردند و آن را منفجر می کردند . از آن زمان تا کنون، تکنیک انفجار به منظور حفاری و شکستن سنگ در همه نقاط جهان رایج گردید.
روش های حفاری شامل موارد مختلفی هستند که بسته به شرایط سنگ، هدف حفاری، قطر حفاری و … یکی از روش هایی که در زیر معرفی میشود مورد استفاده قرار میگیرد.
حفاری چرخشی
از جمله رایج ترین و متداول ترین روش حفاری معادن، روش حفاری روتاری (حفاری چرخشی) است که اصطلاحا به آن روش حفاری مته دورانی نیز گفته می شود. این روش از سرعت نسبتا بالایی نسبت به سایر روش های حفاری در عملیات معدن، برخوردار است.
در روش حفاری روتاری (حفاری چرخشی) عموما از تعدادی لوله های توخالی که بیشتر از جنس فولاد و آلومینیوم هستند، استفاده و بهره برداری می شود. با اتصال مته به انتهای این لوله ها، گشتاور و نیروی موتور به مته منتقل شده و باعث حرکت آن می شود. حرکت دورانی مته، باعث شکستن سنگ می شود و به وسیله آن، می توان عملیات حفاری را تا عمق معین انجام داد. در این روش، برای خارج کردن مواد خرد شده به گل حفاری نیاز داریم.
در فناوری حفاری به روش حفاری دورانی (روتاری، چرخشی)، از یک مته چرخشی قدرتمند و تیز و وارد آوردن فشار رو به پایین جهت برش یا خرد کردن سطح سنگ استفاده می شود. انرژی حاصل از ضربه از طریق چکش ضربه ای، در سطح زمین تامین می شود. این نیروی ضربه باعث تداوم عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی) می گردد. بسته به نوع سازند، پوشش مته با حفر چاه پیشروی می کند. روش ها و تکنیک های متعددی وجود دارد که هر کدام برای اجرا در شرایط زیرسطحی مختلف، مناسب می باشند. عموما تفاوت این روش ها در نحوه برش و استخراج نمونه است.
استخراج مداوم قطعات برش خورده توسط مته در تمامی روش های حفاری روتاری (حفاری چرخشی) برای تمیز نگه داشتن چاه و همچنین حرکت آزادانه مته، لازم و ضروری می باشد. از جمله روش های حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، می توان به روش روتاری (چرخش) هوا، روتاری (چرخش) گل، روتاری (چرخش) دوگانه و روتاری (چرخش) معکوس اشاره کرد.
روش حفاری روتاری (چرخش گل)
حفاری معدن به روش روتاری (چرخش) گل، اغلب اوقات در مناطقی که دارای رسوبات نرمی هستند و ممکن است از آب های زیرزمینی اشباع شده باشند، مورد استفاده قرار می گیرد. پیشروی گمانه توسط حفاری روتاری (چرخش) گل، به کمک چرخش سریع مته ای که در انتهای لوله حفاری نصب شده است، صورت می گیرد. در این روش مته، سازند را به قطعات کوچک برش خورده تقسیم می کند؛که با پمپاژ سیال حفاری که همان گل حفاری می باشد، به کمک لوله حفاری، از طریق فضای بین گمانه و لوله حفاری خارج می گردد. از دیگر وظایف سیال حفاری می توان به خنک کردن مته و تثبیت دیواره گمانه، جلوگیری از اتلاف سیال در سازند و کاهش آلودگی سفره های آب زیرزمینی اشاره نمود. پس از رسیدن گل حفاری به سطح زمین، گل مجددا به داخل چاه بازگردانده می شود.
روش حفاری روتاری (چرخش هوا)
حفاری معدن به کمک روش روتاری (چرخش) هوا، فرایندی است که جهت حفاری گمانه های عمیق در سازندهای سنگی استفاده می شود. در این روش حفاری، از هوا به عنوان یک محیط در گردش برای خنک کردن مته، آوردن برش های مته به سطح و حفظ یکپارچگی گمانه استفاده می شود. هنگامی که هوا و قلمه ها به سطح زمین می رسند، تجمیع شده و قلمه ها از قسمت کف خارج می شوند.
روش حفاری روتاری (چرخش دوگانه)
این روش در مناطقی که دارای بار های اضافه مانند ماسه، شن، سنگ فرش و تخته سنگ هستند، بهترین کارایی را خواهد داشت. عموما سایر متد ها در این گونه مناطق، با مشکل مواجه شده و عملکرد خوبی نخواهند داشت. این مزیت، سبب گردیده تا روتاری (چرخش) دوگانه به عنوان یکی از کارآمدترین و مقرون به صرفه ترین روش ها برای حفاری چاه در سازند های سخت، شناخته شده و مورد استفاده قرار گیرد.
بر خلاف سایر سیستم های حفاری که در آن ها فقط از یک درایو بالایی استفاده میشود، روش حفاری روتاری ( حفاری چرخش) دوگانه، از یک درایو بالایی و همچنین یک درایو پایینی برای پیش راندن مته استفاده می‌کند. نیروهای چرخشی از طریق فک های دستگاه، به بدنه منتقل می شوند. یک کفشک با میخی از جنس کاربید، که به انتهای اولین قسمت بدنه، جوش داده شده است، پوشش را قادر می‌سازد تا راه خود را از میان بار اضافی پیدا کند. یک سر چرخشی درایو بالا به طور همزمان، رشته حفاری مته که مجهز به چکش پایین چاه می باشد؛ و مته مخروطی غلتشی را تحت کنترل خود در می آورد تا فرایند حفاری ادامه یابد.
روش حفاری روتاری (گردش معکوس)
در عملیات حفاری معدن به روش روتاری (گردش) معکوس، انرژی چرخشی و ضربه ای، مشابه روش روتاری (چرخش) هوا عمل می نمایند؛ با این تفاوت که نمونه ها زمانی به دست می آیند که هوای فشرده با فشار بالا در فضای حلقه ای بین میله مته و گمانه وارد می شود و از وسط میله مته خارج می گردد. نمونه‌های به دست آمده از روش حفاری روتاری (حفاری گردش) معکوس، دست نخورده تر هستند و در عملیات حفاری معدن جهت اکتشاف مواد معدنی، بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.
گفته می شود، نخستین چاهی که به روش حفاری روتاری (حفاری چرخشی) حفر گردیده است؛ چاهی به نام اسپیندل تاپ در سال ۱۹۰۱ می باشد. این چاه به منظور عملیات اکتشافی در نزدیکی بیومونت در ایالت تگزاس کشور آمریکا حفر شد. لازم به ذکر است فرایند حفر چاه به کمک روش های ابتدایی حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، به مدت پنج سال در منطقه مذکور انجام می شده است. معدن کاران مشغول به فعالیت در پروژه اسپیندل تاپ، از مجموع تجاربی که در طی پنج سال اخیر خود در مورد حفاری دورانی یا چرخشی داشته اند، بهره گرفته و عملیات حفاری را به سر انجام رسانده اند. آنها به کمک متد حفاری روتاری (حفاری چرخش) گل و با استفاده از ذرات خرد شده نوعی سازند نرم غیرقابل ریزش، حفاری روتاری (حفاری چرخشی) را انجام داده اند.
احتمالا منبع گل حفاری مورد نیاز در این پروژه، خود چاه تحت عملیات بوده است. این بدین معناست که کندههای نوعی رس که متعلق به سازند بوده، با آبی که در چاه مذکور به گردش درمی آمده است، در طی عملیات مخلوط و گل حفاری قابل گردش در چاه را تهیه و مورد استفاده قرار می دادند.
تجهیزات مورد نیاز برای عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، به مرور زمان پیشرفت کرده و تکامل یافته است. با این وجود، اساس کار و مکانیزم آن ها ثابت بوده و بدون تغییر باقی مانده است. دو فاکتور مهم و اساسی در عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی) باید مد نظر قرار داده شوند؛ یکی ساق حفاری مورد استفاده در حفاری روتاری (حفاری چرخشی) مورد نظر، به منظور دوران دادن مته و دیگری نوع سیال حفاری که قرار است در چاه به گردش درآورده شود.
سیال مورد استفاده در این نوع حفاری، باید درون ساق حفاری پمپاژ شده و با گذشتن از مته، به سطح زمین راه پیدا کند.
به طور کلی در طی یک عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، مته مورد استفاده و همچنین لوله حفاری به چرخش درآمده و باعث خرد شدن سنگ و پیشروی در حفر چاه می گردند. با وارد آمدن فشار لازم روی مته، عملیات تداوم یافته و چاه را تا عمق مناسب حفر می کنند. انرژی مورد نیاز جهت چرخش مته و لوله حفاری، توسط صفحه دوار یا همان صفحه روتاری (چرخشی) یا Rotary Table فراهم می شود.
روش حفاری ضربه ای
تکنیک حفاری ضربه ای یکی از تکنیک های عمومی و کاربردی در حفر چاه و معادن روباز می باشد. در این تکنیک حفاری از دستگاه های انتقال نیرو استفاده می شود. حفاری چکشی نوع پیشرفته حفاری ضربه ای است که بر حسب موقعیتی که ضربه وارد می شود به دو روش چکش خارج چال و چکش درون چال دسته بندی می گردد. دستگاه های حفاری ضربه ای یا همان سوندوزهای ضربه‌ای در واقع برای پژوهش های آب یابی بسیار مناسب می باشند. این دستگاه ها در موقعیت هایی کاربرد دارند که سنگ های بسیار مقاومی در مسیر حفر چاه وجود دارد. سنگ هایی که در مسیر حفر چاه واقع شده اند باید توسط این دستگاه خرد شوند.
آنچه که وظیفه خرد کردن سنگ ها را به عهده دارد مته ای ست که به آن مته حفاری یا ترپان گفته می شود. این مته ها در فواصل مشخص و ارتفاع تنظیم شده به طور متناوب به سنگ ها ضربه می زنند تا ساختار آن ها را در هم شکنند. دستگاه حفاری ضربه ای دارای یک خرک چهار قطبی از جنس چوب یا فلز می باشد که مته ها حفاری توسط یک قرقره به آن متصل شده اند. مته های حفاری در واقع دارای حرکتی رفت و برگشتی می باشند و چنانچه نیاز به ایجاد نیروی بیشتر برای حفاری وجود داشته باشد اصولا مته ها را از سیستم رفت و برگشتی خارج می کنند و آن ها را به سیستمی تحت عنوان چرخ قرقره متصل می کنند تا امکان مانور بیشتر برای ایجاد ضربه وجود داشته باشد.
حفاری چکش خارج چال
حفاری چکش بالا سیستم ضربه زن (چکش) که به صورت هیدرولیک یا پنوماتیک عمل ضربه و دوران را تامین می نماید در بالای چال قرار گرفته و سرمته و رادها پس از آن و در پایین آن وارد چال می شود. در این روش وجود رادها بین ضربه زن (چکش) و سرمته باعث اتلاف انرژی در حین حفاری گردیده و با افزایش عمق، علاوه بر کاهش سرعت حفاری امکان انحراف چال و همچنین خطر گیر افتادن سرمته و رادها در چال وجود دارد. همچنین سیستم چکش بالا به دلیل مسائل ذکر شده در حفاری های قطر بالا دارای محدودیت می باشد.
با این سیستم چکش بالا به دلیل سرعت نفوذ مناسب به عنوان یکی از سیستم های پر طرفدار در حفاری های با قطر پایین مطرح می باشد.
حفاری چکش داخل چاه
حفاری داخل چاه، یک روش حفاری است که اساساً شامل یک چکش حفاری در پایین یک رشته مته می باشد. یک مته سوراخ دار که معمولاً DTH نامیده می شود، در واقع یک چکش است که در پایین یک رشته مته پیچ می شود. فعالیت سریع چکش سنگ سخت را به تکه های کوچک و گرد و غبار تبدیل می کند. حفاری درون چاهی یا DTH از طریق به حرکت درآوردن چکشی عملی می شود که در پشت مته توسط هوای فشرده از طریق لوله مته هدایت می شود. پیستون مستقیماً به مته برخورد می کند، در حالی که سیلندر خارجی چکش، هدایت مستقیم و پایدار مته را می دهد. این روند باعث می شود تأثیر انرژی در مفاصل دستگاه از بین نرود و امکان حفاری ضربه ای بسیار عمیق تر را فراهم کند. علاوه بر این، نیروی ضربه بر روی سنگ در پایین سوراخ عمل می کند که کارآمدتر و مستقیم تر از سایر روش های عملیات حفاری است.
امروزه از سیستم های چکش پایین در عملیات های زیرزمینی نیز استفاده می شود و از سال ۱۹۷۵ در روش های چال بلند و ته چال معکوس استفاده می شوند. این سیستم در حال حاضر در عملیات های سطحی برای چالزنی در سنگ های سخت با قطر بیش از ۱۵۰ میلیمتر در رقابت با دستگاه های چالزنی چرخشی مجهز به تجهیزات چکش بالای هیدرولیکی پیشرفته هستند.
مزایای حفاری ضربه ای
از جمله مزیت های روش حفاری ضربه ای باید به صرفه اقتصادی این روش اشاره کرد. در واقع میزان سرمایه اولیه ای که برای اجرای این تکنیک حفاری مورد نیاز است نسبت به روش های دیگر هزینه ای مقرون به صرفه و اقتصادی می باشد. هزینه ای که برای انرژی های سوختی در این روش پرداخت می شود نیز به نسبت روش های دیگر صرفه بیشتری دارد. در روش حفاری ضربه ای نمونه گیری بدون گل انجام خواهد شد. همچنین می توان تغییرات سطح ایستایی را اندازه گیری کرد و هنگام عبور از لایه های آبدار اقدام به نمونه گیری نمود.
گل حفاری
گل حفاری در مهندسی ژئوتکنیک، به مخلوطی از آب و رس اطلاق می‌گردد، که برای حمل مواد حفر شده در سیستم‌های حفاری، به سطح زمین از آن استفاده میشود. گل حفاری غیر از بالا آوردن تراشه‌های زمین کاربردهای دیگری نیز در ته چاه انجام می‌دهد، که عبارتند از خنک کردن و روان کردن مته. علت اینکه بجای آب از گل حفاری استفاده میشود این است که خرده سنگ‌های حفاری شده، دارای وزن مخصوص زیادی هستند و با اینکه گل بعلت سرعت زیاد آنها را با خود بالا می‌آورد، ولی باید گرانروی گل بحدی باشد، که بتواند خرده سنگها را با سهولت و به سرعت، از چاه خارج نماید.
گلی که بدین ترتیب خرده سنگها را از چاه بیرون می‌کشد و بدرون صافی مخصوصی که شبیه غربال است هدایت میشود در آنجا خود گل از صافی عبور کرده اما خرده سنگها روی صافی باقی می‌مانند و گل پس از عبور از صافی در مخزنی جمع‌آوری و از آنجا مجدداً بداخل رشته حفاری تلمبه میشود. بدین ترتیب جریان دائمی گل از درون کاسه گردان به داخل رشته حفاری و سرمته و از آنجا به فضای بین رشته حفاری و چاه و تا صافی مخزن ادامه پیدا می‌کند.
گل حفاری باعث میشود ستون گل حفاری به دیوار چاه فشار آورد و مانع ریزش آن شود. به علاوه بدنه چاه را اندود کرده و منافذ آن را میگیرد و دیگر آنکه در مواقعی که مته در اعماق زیاد به لایه گاز یا نفت (در حفاری‌های نفت و گاز) می‌رسد ستون گل مانع میشود که گاز یا نفت از منافذ لایه مذکور که ممکن است فشار زیاد هم داشته باشد بروی چاه راه یابد. به همین جهت غلظت و وزن گل حفاری باید بیش از وزن آب و بحدی باشد که بتواند فشار لایه متخلخل مذکور را خنثی کند.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.