اصول حفاری و حفاری در سنگهای سخت

چکیده........................................................................................................ 3
مقدمه........................................................................................................ 4

فصل اول


شاخصهاي حفاري........................................................................................ 6

سختي........................................................................................................ 6

سفتي......................................................................................................... 7

سايندگي..................................................................................................... 7

اندازه و يكنواختي دانه‌ها................................................................................. 9

جدايش...................................................................................................... 9

تقسيم بندي سنگها بر اساس شاخصهاي حفاري.................................................... 10

سنگهاي آذرين ساينده................................................................................... 11

سنگهاي آذرين نيمه ساينده.............................................................................. 11

سنگهاي آذرين با سايندگي كم.......................................................................... 12

سنگهاي آذرين تجزيه .................................................................................. 12

سنگهاي متامورفيك...................................................................................... 13

سنگهاي متامورفيك سخت و ساينده................................................................... 13

سنگهاي متامورفيك نيمه سخت و نيمه ساينده....................................................... 14

سنگهاي متامورفيك نرم................................................................................. 14

سنگهاي رسوبي.......................................................................................... 14

سنگهاي سخت سيليسي.................................................................................. 15

سنگهاي رسوبي ساينده با سختي كم.................................................................. 15

شكننده اما ساينده......................................................................................... 16

نسبتاً سخت اما فاقد خاصيت سايندگي................................................................ 16

سنگهاي رسوبي نرم و فاقد , خاصيت سايندگي..................................................... 17





فصل دوم


مشخصات و پارامترهاي سنگ براي حفاري ...................................................... 18

حفاري پذيري اوليه....................................................................................... 22

پارامترهاي پيشرفت.................................................................................... 23

پارامترهاي خوردگي ابزار............................................................................. 24

دانه بندي................................................................................................... 26

حفاري پذيري كلي‌....................................................................................... 27

خصوصيات جرم سنگ................................................................................. 27

قرار گرفتن ناپيوستگي‌ها............................................................................... 29

نتيجه گيري .............................................................................................. 30





فصل سوم


حفاري ضربه‌اي......................................................................................... 31

3-1 حفاري كابلي........................................................................................ 32

3-1 الف) تميز كردن چال.............................................................................. 33

3-1 ب) نظريه حفاري كابلي......................................................................... 35

3-1- ج) امتيازات حفاري كابلي..................................................................... 38

3-1- د) نقاط ضعف و معايب اين سيستم............................................................ 39

3-2 دستگاه حفاري چكشي............................................................................. 40

3-2-1 اصول عمليات حفاري توسط اين ماشين‌ها............................................... 42

3-3 انديس گذاري ....................................................................................... 47

3-4 توليد و انتقال انرژي در سيستم حفاري ضربه‌اي............................................ 50

3-4-1 اتلاف انرژي در طول لوله حفاري.......................................................... 54

3-5 انتقال انرژي در سطح تماس مته با سنگ از اولين موج ايجاد شده...................... 56

3-6 تراست مورد نياز در حفاري ضربه‌اي....................................................... 60

3-7 تأثير شكل سرمته در حفاري ضربه‌اي......................................................... 62

آزمايشات تعيين مشخصات در سيستم حفاري ضربه‌اي.......................................... 63





فصل چهارم


.سيستم حفاري چرخشي.................................................................................. 69

4-1 حفر چال‌هاي انفجاري با استفاده از سيستم حفاري چرخشي............................... 71

4-2 عوامل مؤثر بر ميزان نفوذ سرمته در داخل سنگ.......................................... 72

4-3 سرمته‌هاي حفاري چرخشي...................................................................... 78

4-4 انواع مختلف طراحي.............................................................................. 79

4-5 اساس كار سرمته‌هاي مخروطي گردنده....................................................... 81

4-6 عمل فشارش و ايجاد شكست در سنگ......................................................... 83

4-7 آناليز عمل متقابل سرمته و سنگ با در نظر گرفتن ميزان انرژي ذخيره شده......... 87

4-7-1 عمل اوليه سرمته............................................................................... 87

4-7-2 عمل ثانويه سرمته............................................................................. 89

4-8 طوق چرخشي..................................................................................... 90




فصل پنجم


حفاري الماسه............................................................................................ 93

5-1 انواع سرمته‌هاي الماسه......................................................................... 95

5-1-1 سرمته‌هاي داراي قطعات الماس بر روي سطح بدنه................................... 95

5-1-2 سرمته‌هاي داراي قطعات الماس در داخل تركيب بدنه................................. 96

5-2 مقايسه هزينه ها در حفاري‌هاي الماسه....................................................... 97

5-3 لوله‌هاي مغزه‌گيري............................................................................... 99

5-3 الف) لوله‌هاي مغزه گيري انفرادي.......................................................... 100

5-3 – ب) لوله‌هاي مغزه گيري دو جدار......................................................... 101

5-3-ج) لوله‌هاي مغزه گيري دو جداره اصلاح شده........................................... 103

5-4 تكنيك حفاري با خطوط سيمي................................................................ 105

5-4-1 سيستم حفاري سيمي......................................................................... 105

5-4-2 پايداري چال در حفاري سيمي............................................................. 107

5-4-3 رشته لوله‌هاي حفاري سيمي.............................................................. 108

5-4-4 محفظه مغزه گيري در حفاري سيمي.................................................... 108

5-4-5 سيستم با قابليت جمع شدن.................................................................. 109

5-4-6 امتيازات و مزاياي سيستم حفاري سيمي................................................ 110

سرمته‌هاي مغزه گيري در حفاري سيمي......................................................... 111

5-5 هزينه‌ها........................................................................................... 111

5-6 محاسبات عملي در حفاري الماسه........................................................... 112

5-7 نظريه حفاري بر مبناي عمل سايش......................................................... 115

5-8 تأثير خواص سنگ در ميزان نفوذ سرمته‌هاي الماسه نوع او.ل....................... 119

5-9 سرمته‌هاي الماسه نوع دوم................................................................... 120




حفاری به معنی نفوذ در سنگ است . نفوذ در سنگ گاهی به منظور خرد کردن آن انجام میگیرد .
به طور کلی صرف نظر از نوع روش و منشا انرژی ، عملیاتی را که به حفر چال در سنگ منجر می شود ، نفوذپذیری می نامند.

مواد معدني زيربناي اقتصاد و صنعت در جامعه را تشكيل مي‌دهند. بشر از همان آغاز آفرينش خود و در طول تاريخ، بر حسب نيازمنديها و شناخت از مواد معدني استفاده كرده است. اكنون نيز انسان از تمامي مواد معدني به حالت‌ها و شيوه‌هاي گوناگون بهر‌ه‌برداري مي‌نمايد. به ديگر سخن همين مواد معدني هستند كه پايه و اساس تمدن را تشكيل مي‌دهند. عوامل مؤثر بر آستانه اقتصادي شدن مواد معدني عواملي چون عرضه، تقاضا و مسائل سياسي مي‌باشد . ميزان توليد مواد معدني در دهه گذشته افزايش شاياني داشته است.

عواملي كه موجب اين افزايش می باشند عبارتند از : پیشرفت در تکنولوژی و روشهای حفاری ، پيشرف در زمينه اكتشاف به دليل مشخص شدن منشاء محيط و چگونگي تشكيل ذخاير مختلف، مثلاً نظريه تكتونيك صفحه‌اي كمك‌هاي مؤثري در رابطه با كشف ذخاير مس پروفیری نمود‌ه ‌است . در دهه اخير بكارگيري روش‌هاي نوين ژئوفيزيكي و ژئوشيميايي در كشف ذخاير جيدد بخصوص آنهايي كه در اعماق زمين قراردارند كمك مؤثري نمود. همچنين ماشينهاي جديد استخراج موجب شده تا ذخايري كه در اعماق قرار داشته قابل بهر‌ه‌برداري شوند و با كمك از اين ماشين الات ميزان توليد روزانه بالا رود. پيشرفت در زمينه صنعت تلغيظ و تصفيه موجب گرديد تا بسياري از ذخاير عميق دور از دسترس نيز قابل بهر‌ه برداري شوند. همزمان با بالارفتن توليد، ميزان مصرف موادمعدني نيز افزايش داشته است.

از میان عوامل ذکر شده در فوق، در این متن به توضیح و بحث در خصوص روشهای حفاری، بخصوص حفاری در سنگهای سخت می پردازیم .

بطور کلی تاریخچه حفاری مبهم است ،اما از زمانهای دور، ملتهای متمدن به منظور دسترسی به آب و بعضی کریستالها،عملیات حفاری را انجام داده اند .
تا چند دهه قبل ،سیستم حفاری دستی جهت ایجاد چال برای احداث تونل در معدن متداول بود.
با گذشت زمان و نیاز به حفاریهای عمیق، روش دیگری از حفاری دستی بنام روش کابلی متداول شد که در آن طول مته بیشتر بود و برای ضربه زدن از کابل فولادی استفاده می شد .

پاره ای از تحولات در صنعت حفاری عبارتند از :

بین سالهای 1820-1810 ،سیستم حفاری چرخشی با استفاده از ماشین بخار
بین سالهای 1840-1830 سیستم حفاری کابلی با استفاده از ماشین بخار
بین سالهای 1860-1850 دستگاههای حفاری مجهز به الماس
بین سالهای 1880-1870 سیستم حفاری مغزه گیر مجهز به الماس
بین سالهای 1900-1890 سیستم حفاری ضربه ای چرخشی
بین سالهای 1940-1920 استفاده از مته های کربور تنگستن
بین سالهای 1975-1970 ماشین حفاری هیدرولیکی


در ذیل به شرح روشهای متداول حفاری پرداخته شده و همچنین سعی شده تا مزایا و معایب هر روش بطور جداگانه مورد بررسی قرار گیرد.
شایان ذکر است که اکثر منابع بکار رفته شده در این بررسی از سایتهای اینترنتی می باشد که آدرس آنها در پایان ضمیمه شده است .




پروژه ای که ملاحظه میفرمایید به معرفی و بحث در مورد روشهای حفاری بویژه حفاری در سنگهای سخت پرداخته است .

مطالب فوق در 5 فصل مطرح گردیده که عبارتند از :

1 - شاخصهاي حفاري
2 - مشخصات و پارامترهاي سنگ براي حفاري
3 - حفاري ضربه‌اي
4 - سيستم حفاري چرخشي
5 - حفاري الماسه

در فصول فوق سعی شده تا ابتدا به معرفی روشها و پارامترهای مهم در امر حفاری پرداخته شود و در ادامه به بحث در مورد عوامل پیشرو در راندمان حفاری و مقایسه روشهای مختلف حفاری و ذکر معایب و مزایای هر کدام بطور جداگانه و همچنین بحث هزینه ها پرداخته شده است .
شایان ذکر است که روش مطالعه و جمع آوری مطالب در این پروژه از نوع مطالعات میدانی می باشد و اکثر مطالب از سایتهای اینترنتی مربوط به حفاری جمع آوری و ترجمه شده است که آدرس سایتهای فوق در قسمت منابع ذکر شده است .
شاخصهاي حفاري 1
از ميان شاخصهاي متعدد حفاري , به شاخصهايي كه در نمونه‌هاي دستي در صحرا و با امكانات اوليه قابل ارزيابي‌اند اشاره مي‌شود.
سختي
سختي كانيها با ابزاري همچون ناخن دست , سوزن برنجي , جسمي فولادي يا كوارتز در مقياس موهر قابل سنجش است. اما ارزيابي سختي سنگها پيچيده است زيرا علاوه بر آنكه به سختي كانيها بستگي دارد به سختي باندهاي متصل كننده و منشاء سنگ نيز وابسته است. براي مثال كوارتزيت كه از دانه‌هاي كوارتز با باند سيليس تشكيل شده و داراي منشاء دگرگوني سنگي است بسيار سخت و درجه سختي آن معادل 7 مي‌باشد , اما ماسه سنگ آهكي با منشاء رسوبي با چاقو خط بر مي‌دارد در حالي كه درصد قابل توجه‌اي از كاني سنگ , كوارتز است.
سفتي
سفتي سنگ به سختي آن بستگي دارد. در سنگهاي رسوبي سفتي سنگ به باند متصل كننده كانيها و در سنگهاي آذرين به بافت سنگ ( شكل و اندازه كانيها ) و در سنگهاي متامرفيك به ساختمان سنگ بستگي دارد. سفتي سنگ در صحرا با شكستن آن به چند قطعه يا چكش قابل اندازه‌گيري است.