ايران كالا

اصول حفاري و حفاري در سنگهاي سخت

حفاري به معني نفوذ در سنگ است . نفوذ در سنگ گاهي به منظور خرد كردن آن انجام ميگيرد . به طور كلي صرف نظر از نوع روش و منشا انرژي ، عملياتي را كه به حفر چال در سنگ منجر مي شود ، نفوذپذيري مي 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 مي باشند عبارتند از : پيشرفت در تكنولوژي و روشهاي حفاري ، 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 پروفيري 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 ميان عوامل ذكر شده در فوق، در اين متن به توضيح و بحث در خصوص روشهاي حفاري، بخصوص حفاري در سنگهاي سخت مي پردازيم . بطور كلي تاريخچه حفاري مبهم است ،اما از زمانهاي دور، ملتهاي متمدن به منظور دسترسي به آب و بعضي كريستالها،عمليات حفاري را انجام داده اند .

تا چند دهه قبل ،سيستم حفاري دستي جهت ايجاد چال براي احداث تونل در معدن متداول بود.

با گذشت زمان و نياز به حفاريهاي عميق، روش ديگري از حفاري دستي بنام روش كابلي متداول شد كه در آن طول مته بيشتر بود و براي ضربه زدن از كابل فولادي استفاده مي شد .

پاره اي از تحولات در صنعت حفاري عبارتند از :

بين سالهاي 1820-1810 ،سيستم حفاري چرخشي با استفاده از ماشين بخار

بين سالهاي 1840-1830 سيستم حفاري كابلي با استفاده از ماشين بخار

بين سالهاي 1860-1850 دستگاههاي حفاري مجهز به الماس

بين سالهاي 1880-1870 سيستم حفاري مغزه گير مجهز به الماس

بين سالهاي 1900-1890 سيستم حفاري ضربه اي چرخشي

بين سالهاي 1940-1920 استفاده از مته هاي كربور تنگستن

بين سالهاي 1975-1970 ماشين حفاري هيدروليكي

چكيده........................................................................................................ 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

اصول حفاري و حفاري در سنگهاي سخت

حفاري به معني نفوذ در سنگ است . نفوذ در سنگ گاهي به منظور خرد كردن آن انجام ميگيرد . به طور كلي صرف نظر از نوع روش و منشا انرژي ، عملياتي را كه به حفر چال در سنگ منجر مي شود ، نفوذپذيري مي 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 مي باشند عبارتند از : پيشرفت در تكنولوژي و روشهاي حفاري ، 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 پروفيري 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 ميان عوامل ذكر شده در فوق، در اين متن به توضيح و بحث در خصوص روشهاي حفاري، بخصوص حفاري در سنگهاي سخت مي پردازيم . بطور كلي تاريخچه حفاري مبهم است ،اما از زمانهاي دور، ملتهاي متمدن به منظور دسترسي به آب و بعضي كريستالها،عمليات حفاري را انجام داده اند .

تا چند دهه قبل ،سيستم حفاري دستي جهت ايجاد چال براي احداث تونل در معدن متداول بود.

با گذشت زمان و نياز به حفاريهاي عميق، روش ديگري از حفاري دستي بنام روش كابلي متداول شد كه در آن طول مته بيشتر بود و براي ضربه زدن از كابل فولادي استفاده مي شد .

پاره اي از تحولات در صنعت حفاري عبارتند از :

بين سالهاي 1820-1810 ،سيستم حفاري چرخشي با استفاده از ماشين بخار

بين سالهاي 1840-1830 سيستم حفاري كابلي با استفاده از ماشين بخار

بين سالهاي 1860-1850 دستگاههاي حفاري مجهز به الماس

بين سالهاي 1880-1870 سيستم حفاري مغزه گير مجهز به الماس

بين سالهاي 1900-1890 سيستم حفاري ضربه اي چرخشي

بين سالهاي 1940-1920 استفاده از مته هاي كربور تنگستن

بين سالهاي 1975-1970 ماشين حفاري هيدروليكي

چكيده........................................................................................................ 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