پروژه اصول حفاری و حفاری در سنگهای سخت

 

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 ۵ فصل مطرح گردیده که عبارتند از :

۱ – شاخصهاي حفاري
۲ – مشخصات و پارامترهاي سنگ براي حفاري
۳ – حفاري ضربه‌اي
۴ – سيستم حفاري چرخشي
۵ – 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 ۱

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 ۷ 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.

سايندگي

در كار حفاري , سايندگي به خاصيتي از سنگ اطلاق مي‌شود كه قادر است سرمته را كه ممكن است از جنس فولاد كربور تنگستن يا الماس باشد از بين ببرد. سايندگي به طور كيفي ارزيابي مي‌شود و به سختي كانيها بستگي دارد. اما شكل دانه‌ها و كليواژ نيز در كيفيت اين خاصيت تأثير دارد. به همين دليل در سالهاي نه چندان دور در ايامي كه تنها مته هاي فولادي مورد استفاده قرار

مي‌گرفتند عمر اين مته در سنگهاي حاوي كوارتز مثل ماسه سنگ در حد چند سانتي‌متر بود هر چند كوارتز سختي بيشتري نسبت به فولاد دارد. اما شكل ذرات نيز بي تأثير در كاهش عمر مته نبوده است. اين مشكل با جانشين كردن مته هايي از جنس كربور تنگستن به جاي مته هاي

فولادي برطرف شده است. خرده سنگهاي گوشه‌دار و نيز در مقايسه با خرده سنگهاي گرد بر روي مته خراشهاي عميق ايجاد مي‌كنند و مانع از آن مي‌شوند تا انرژي منتقل شده به سطح مته موجب خرد شدن سنگ شود. از سوي ديگر خرده‌هاي ريز و گرد سنگ نيز باعث صيقل دادن سر مته و كندي حفاري مي‌شوند. سنگهايي كه خاصيت سايندگي آنها در حفاري بايد مورد توجه قرار گيرند عبارتند از : ۱) سنگهاي حاوي كوارتز كوارتزيت , ماسه سنگ , گريت ۱ و سنگهاي آذرين

اسيدي ۲) سنگهاي حاوي سيليس مثل چرت ۲ فلينت ۳ و سنگهاي اوليوين دار مثل دونايت ۴ و بعضي از انواع بازالت ۳) سنگهاي حاوي گارنت ۵ مثل گنيس گارنيت‌دار. در مقايسه با سيستم ضربه‌اي , سيستم حفاري چرخشي نسبت به خاصيت سايندگي حساسيت بيشتري دارد لذا در ارتباط با سيستم چرخشي , خاصيت سايندگي بسياري از سنگها ولو در مقياس كوچك بايد مورد توجه قرار گيرد ؛ كه البته كميت سايندگي مطرح خواهد بود تا كيفيت آن. براي مثال مدستون

سيلت‌دار سخت , در شرايط نرمال به علت نداشتن كميت بالاي خاصيت سايندگي به عنوان سنگ ساينده محسوب نمي‌شود اما براي سيستم چرخشي حتي در مقياس كم مضر است. كانيهايي همچون توپاز , كروندوم و بريل چون به ندرت در سنگها وجود دارند كمتر مورد توجه قرار مي گيرند.

اندازه و يكنواختي دانه‌ها

به طور كلي سرعت حفاري در سنگهاي دانه درشت زيادتر از سنگهاي دانه ريز است. در سنگهاي آذرين , دانه هاي درشت بيانگر كندي فرايند سرد شدن ماگماست يا آنكه ماگماٍ،كاني وسيال خاصي داشته است و دانه‌هاي ريز نشانه سرد شدن سريع ماگما , عمق كم و توده كوچك است. در سنگهاي رسوبي اندازه وشكل دانه ها بستگي به مسافتي دارد كه طي نموده است. دانه‌هاي متفاوت از نظر شكل بيانگر ته نشيني سريع است.

جدايش

برخي از سنگها مثل شيل اين خاصيت را دارند كه به موازات لايه‌بندي در امتداد كليواژ مثل اسليت و شيست به راحتي جدا شوند. حفاري در چنين سطوحي آسان و همچنين سرعت آن زيادتر است.

تقسيم بندي سنگها بر اساس شاخصهاي حفاري

به طور كلي سنگها به سه گروه تقسيم بندي مي‌شوند. گروه اول شامل آن دسته از سنگها است كه از سرد شدن ماگماي مذاب به وجود مي‌آيند. برحسب اينكه ماگما چگونه و در كجا سرد مي‌شود سه گروه سنگهاي آذرين قابل تشخيص است كه عبارتند از : ۱) سنگهاي آذرين پلوتنيك كه دانه درشتند. ۲) سنگهاي آذرين درونی كه از نظر اندازه دانه‌ها متوسط‌اند و نشان مي‌دهد كه سرد شدن ماگما در درون زمين صورت گرفته و ۳) سنگهاي آذرين بيروني كه دانه ريز و بافت شيشه‌اي دارند كه نشان دهنده آن است كه ماگما در سطح سرد شده است.

بسياري از سنگهاي آذرين هم سخت‌اند و هم سفت و بيشتر آنها بايد با سيستم ضربه‌اي حفاري شوند و اگر چه در بعضي از انواع ممكن است به كمك ماشينهاي چرخشي نيز حفاري انجام پذيرد. انتخاب ماشين حفاري با توجه به خاصيت زير انجام مي‌گيرد.

سنگهاي آذرين ساينده

دانه ريز مثل پرليت ,‌ابسيدين, رئوليت
دانه متوسط مثل آپليت , فلسايت , ميكروگرانيت , گرانوفير
دانه درشت مثل گرانوديوريت , گرانيت , پگماتيت.

براي اين گروه از سنگها در صورتي كه قطر چال كمتر از ۲ اينچ باشد بايد از چكش حفاري سنگين يا سينكر استفاده كرد و براي چالهاي با قطر بين ۲ تا ۴ اينچ از دريفتر و چالهايي با قطر بين ۴ تا ۶ اينچ از D-T-H و چكشهاي حفاري با مته‌هاي قلمي با جنس كربور تنگستن بايد استفاده شود. لازم به توضيح است كه در همه اين ماشينها بايد از قدرت وتراست حداكثر استفاده را به عمل آورد. در غير اين صورت حفاري به كندي صورت مي‌گيرد.

سنگهاي آذرين نيمه ساينده

دانه ريز مثل داسیت , و بازالت اوليوين دار.
دانه درشت مثل دونايت , گابراواوليوين دار , ديوريت كوارتزدار , پريودوتيت

سنگهاي آذرين با سايندگي كم

دانه ريز مثل آندزيت , بازالت , تراشيت
دانه متوسط مثل دولريت , دياباز , لمپروفي .
دانه درشت مثل ديوريت , گابرو , نوريت , پورفريت , سينيت.
در دو طبقه بندي بالا براي چالهاي با قطر كم و عمق كم از سينكر يا چكش حفاري نيمه سنگين بايد استفاده شود , براي چالهاي با قطر ۶ اينچ مي‌توان از ماشين چرخش سنگين و براي مورد بينابين اين دو از D-T-H استفاده كرد.

سنگهاي آذرين تجزيه شده

دانه ريز مثل بازالت قرمز.
دانه متوسط مثل سرپانتين.
دانه درشت مثل گرانيت كائولينه شده.

بدون استفاده از حفاري و انفجار نيز مي‌توان بازالت قرمز را به كمك بولدوز آماده بهره‌برداري كرد اما گزينه ديگر , استفاده از ماشين حفاري چرخشي با مته تيغه‌اي است در مورد سر پانتين به قطر چال بستگي دارد. براي چالهاي با قطر كم مي‌توان از ماشين ضربه‌اي و براي چالهاي با قطر زيادتر مي‌توان از D-T-H يا ماشين حفاري چرخشي يا چرخشي – ضربه‌اي استفاده كرد كه از اين نوع ماشينها براي سر پانتين و گرانيت كائولينه شده نيز به كار گرفته مي‌شوند.

سنگهاي متامورفيك

اين گروه از سنگها در اثر حرارت يا فشار يا هر دو بر روي سنگهاي رسوبي و آذرين به وجود آمده‌اند و طيف وسيعي از سنگها را شامل مي‌شوند بعضي از اين سنگها از نظر حفاري مشابه آذرين و بعضي ديگر مشابه رسوبي‌اند.

سنگهاي متامورفيك سخت و ساينده

دانه ريز مثل گرانوليت , كوارتزيت و شيست كوارتزدار.
دانه درشت مثل گنيس.
كوارتزيت خاصيت سايندگي زيادي دارد و حفاري با آن بسيار دشوار است. چه در مورد كوارتزيت و چه در ساير موارد , ماشينهاي حفاري ضربه‌اي سنگين اولويت دارند. انتخاب يكي از انواع ضربه‌اي بستگي به قطر چال دارد.

سنگهاي متامورفيك نيمه سخت و نيمه ساينده

دانه متوسط مثل شيست – هورنبلند و ميكا-شيست
دانه درشت مثل ماربل دولوميته. در موارد ياد شده بالا مي‌توان از ماشين حفاري ضربه‌اي نيمه سنگين و يا سنگين استفاده كرد.

سنگهاي متامورفيك نرم

دانه ريز مثل اسليت.
دانه متوسط مثل فلينت , شيست , كلرايت .
دانه درشت مثل ماربل.
براي چالهاي با قطر كم از چكش حفاري سبك و يا نيمه سنگين و براي چالهاي با قطر زياد از دريفتر يا D-T-H يا ماشين چرخشي با تراست زياد بايد استفاده كرد.

سنگهاي رسوبي

اين گروه از سنگها از فرسايش و تخريب سنگهاي قديمي‌تر به وجود آمده اند و از نظر حفاري طيف وسيعي را شامل مي‌شوند. در ميان سنگهاي رسوبي , سنگهايي را مي‌توان يافت كه به دليل سختي به دشواري حفاري مي‌شوند ضمناً موادي را از اين گروه مي‌توان نام برد كه به مانند خاك عمل مي‌كنند. مثل ماسه و رس. گروه‌بندي همه سنگهاي رسوبي در اينجا امكان‌پذير نيست آنچه كه در ذيل بدان اشاره خواهد شد تقريبي است و بيشتر عمليات حفاري در آنها انجام مي‌گيرد.

سنگهاي سخت سيليسي

دانه ريز مثل چرت , فلينت.
دانه متوسط مثل كوارتزيت رسوبي , مانند سنگ سيليسي. دانه درشت مثل گري‌وك كنگلوامرا.
اين گروه از سنگها به ماشين حفاري ضربه‌اي با قدرت زياد نياز دارند , عمر مته نيز كمتر از حفاري‌هاي معمولي است. انتخاب ماشين حفاري چرخشي مشكل خواهد بود.

سنگهاي رسوبي ساينده با سختي كم

دانه ريز مثل سيلتستون , سنگ آهك سيليسي و خاكستر آتشفشاني.
دانه متوسط مثل بسياري از ماسه سنگها , توف و آركوز.
دانه درشت مثل گريتستون , آگلومرا.
براي حفر چالهاي تا قطر ۳ اينچ از جنس سنگهاي مذكور مي‌توان از دريفتر متوسط استفاده كرد و براي چالهاي با قطر زيادتر از D-T-H دريفتر سنگين ماشين حفاري ضربه‌اي – چرخشي استفاده كرد.

شكننده اما ساينده

دانه ريز مثل سيلتستون شكننده.
دانه متوسط مثل ماسه سنگ آرژيلاسيوس , ماسه سنگ آهكي , ماسه سنگ شكننده دانه درشت مثل بعضي گريتستون.
اين سنگها به طور كلي نرمند و حفاري در آنها آسان است و با ماشينهاي چرخشي به راحتي حفاري مي شوند.

نسبتاً سخت اما فاقد خاصيت سايندگي

دانه ريز مثل سنگ آهك متراكم , بعضي از مدستونها , شيل سخت , ماربل.
دانه متوسط مانند برخي از سنگهاي آهكي ساختماني.
براي چالهاي كم قطر مي‌توان از ماشينهاي ضربه‌اي نيمه سنگين تا سنگين يا D-T-H استفاده كرد.
براي چالهاي با قطر حول وحوش ۶ اينچ از ماشين چرخشي سنگين بايد استفاده كرد , مته عمر خوبي دارد مگر آنكه از تراست زيادي استفاده شود.

سنگهاي رسوبي نرم و فاقد , خاصيت سايندگي

دانه ريز مثل مارل , بعضي از مدستونها , شيل نرم , گچ , ذغال سنگ.
دانه متوسط مثل اثوليت.
دانه درشت مثل پيزوليت
براي اين گروه از سنگها ماشينهاي حفاري چرخشي مناسب‌ترند و به ندرت از سيستم ضربه اي بايد استفاده شود.

حفر تونل , برش , حفاري و انفجار در سنگهاي سخت.۲

مشخصات و پارامترهاي سنگ براي حفاري

خلاصه : تخمين پايداري تونل يك بحث كليدي در حين بررسي اوليه سايت مي‌باشد. در مقابل , مشكلات حفاري بشدت ناديده گرفته شده است. انتخاب يك روش تونل زني اقتصادي در حين مرحله طراحي از اولويت بالايي برخوردار است و همچنين تمركز تحقيقات خاصي روي اجزاء سنگ است كه امروزه به انجام مي‌رسد.

در اين قسمت سعي مي‌كنيم پارامترهاي كليدي مثل جرم سنگ در حفاري , سايش و برش با TBM وroad header در مسير را بررسي كنيم.
پيشرفت در برش و حفاري مانند خوردگي ابزار و تجهيزات در كارهاي حفاري جز عوامل مهم در تصميم گيري مي‌باشند. تخمين اين پارامترها در شرايط سنگ تخمين زده شده مي‌تواند باعث ايجاد ريسك بالاي هزينه شود. بنابراين تخمين و كنترل در بهبود پيشرفت در برش و ميزان مصرف مته

مطلوب نظر خواهد بود. در طي سالهاي متوالي فرآيند اوليه حفاري سنگ و ميزان خوردگي مته در حين تونل زني در سنگهاي سخت بررسي شده است. همچنين مطالعات گسترده در كارهاي آزمايشگاهي براي ثبت ارتباطات بين برخي خصوصيات ژئولوژيكي و ژئوتكنيكي از يك سو و پارامترهاي تكنيكي مثل پيشرفت در ميزان برش و حفاري و مصرف مته از سوي ديگر انجام شده است. در مبني ضمينه ۲۴ پروژه تونل زني در اروپا در زير دريا در مناطق مختلف جغرافيايي كمابيش بررسي شده است.

قابليت حفاري عبارتي است كه در ساختارهاي زير زميني براي توصيف تأثير تعداد پارامترها روي نرخ حفاري سايش و يا برش بكار برده مي‌شود و خردگي ابزار حفاري TBM وroad header است.
واكنش فاكتورهاي اصلي در شكل زير نشان داده شده است. ( شكل ۱).
اين عبارت در ساختارهاي زير زميني مانند سطحي بكار مي‌روند. در اين نظريه تنها رويكرد مرتبط با تونل زني مطرح شده است.

در اولين واكنش پيشرفت حفاري پارامترهاي خرد ماشين حفاري انتخابي روند عمليات را تحت تأثير قرار مي‌دهد مانند توان نصب شده , نوع ابزار حفاري يا سري برش و همچنين ميزان پيشرفت ابزار برشي . به غير از پارامترهاي تكنيكي پارامترهاي ژئولوژيكي ( جغرافيايي ) نيز مي‌تواند روي پيشرفت كار و خوردگي ابزار آلات تأثير بگذارد.

خصوصيات اصلي سنگها و جرم سنگ مي‌تواند در نهايت با كمك خصوصيات مكانيك سنگ در روابط گذاشته شود : اما شرايط خود سنگ نيز بستگي زيادي با تاريخچه جغرافيايي , شرايط آب و هوايي , تغييرات هيدروترمال و ساختار ناپيوستگي دارد. فاكتوري نهايي مهم كه پيشرفت حفاري را متأثر مي‌كند خود فرآيند كاري است.

در اول، عمليات آرام و نگهداري دایمی ابزار سبب پيشرفت موفقيت آميز كاري مي‌شود. دوم نرخ بالاي گسترش در رويه تونل زني بصورت اتوماتيك سبب پيشرفت بالاي سري تونل زني مي‌شود. بنابراين مسئله درك صحيح خود سيستم حفاري قبل از بكارگيري متخصصان براي بررسي پيشرفت حفاري قابل توجه مي‌باشد.

براي بحث بيشتر در اين ضمينه بعضي از عبارتهاي پايه تكنيك حفاري زير زميني بايد توصيف شود. عبارت قابليت سوراخ كاري در مورد دريل و بلاست تونل در هنگام حفر سوراخهاي بلاست براي بولت گذاري و انفجار سنگ براي قطر بين ۳۲ تا ۱۰۰ ميليمتر بكار مي‌رود. براي مطالعه فاكتور فوق دو پارامتر كليدي ارزشمند شناخته شده‌اند : نرخ حفاري به متر در دقيقه و عمر مته به متر در مته حفاري كه در بخش همگن تونل بدست مي‌آيد. بدليل اينكه خوردگي در شش فرم پايه روي

مي‌دهد در كل با توجه به جنس سنگها برخي از رويكردهاي كيفی خوردگي ابزار با تحليل مته حفاري خراب شده بدست مي‌آيد. عبارت بلاست پذيري تنها در مورد سوراخكاري و بلاست تونل و مصرف مواد منفجره مرتبط با انفجارپذيري مصرف خاص مواد منفجره در بخش همراه سنگهاي همگن ثبت مي‌شود. مقدار مواد منفجره مصرفي مي‌تواند حاصل مصرف كل مواد منفجره در يك انفجار

تقسيم بر حجم انفجار يافته باشد. بعنوان يك مقدار استاتيك مصرف خاص مواد منفجره تنهاميزان ماده منفجره مورد نياز براي انفجار حجم خاص از سنگ را نشان مي‌دهد. به دليل اينكه مهندس انفجار بايد اين مقدار را با توجه به حجم سنگ تخمين بزند تجربيات نشان داده اختلاف زيادي در

مقدار مصرفي وجود دارد و بنابراين مقدار خاص مواد منفجره مصرف شده است. عبارت برش پذيري وقتي بكار مي‌رود كه با سري حفاري يا TBM كار كنيم. در اصل اين عبارات براي تكنيك‌هاي مشابه برش و شكل دهي خيابان هم بكار مي‌رود. دو پارامتر كليدي براي توصيف پارامترهاي فوق بصورت آنالوگ بكار مي‌رود. در حفاري با سري برش , پيشرفت برش با حجم سنگ حفاري شده به مترمربع در ساعت كاري اندازه گيري مي‌شود و خوردگي مته با تعداد مته‌هاي تخريب شده كه بايد پس از

حفاري يك متر مربع عوض شوند اندازه‌گيري مي‌شوند. به دليل اينكه خوردگي مته برشي در هفت حالت پايه روي مي‌دهد كه بستگي به شرايط جرم سنگ دارد برخي رويكردهاي كيفی خوردگي ابزار با تحليل مته بكار رفته شناسايي مي‌شود. در حين برش با TBM پيشرفت برش بعنوان انتشار خاص در سنگ در برابر حجم سنگ برداشته شده به متر مربع در هر ساعت كاري اندازه‌گيري مي‌شود. اين امكان انجام مقايسه بين انواع TBM ها را فارهم مي‌كند.

در مواد سنگي مختلف خوردگي كاتر در فاصله خاص ديسك برش به كيلومتر با مصرف ديسك كاتر در مترمربع سنگ حفاري شده بيان مي‌شود. به دليل اينكه فاصله خرابي ديسك برش بالاست واضح است كه با توجه به اختلاف ژئولوژيكي و پترولوژيكي بسيار اندك مي‌باشد , اين پارامتر براي خصوصيات سنگ قابل بكارگيري نيست.
(حفاري پذيري اوليه )

خصوصيات سنگ : براي بررسي حفاري پذيري بايد حفاري پذيري اوليه كه توسط سنگ و حفاري پذيري كلي كه با خصوصيات جرم سنگ سنجيده مي‌شود شناسايي شود. بعبارت ديگر جرم كلي سنگ در خصوصيات كلي در نظر گرفته مي‌شود. اگر جرم سنگ همگن باشد و ايزومتر—يك , خصوصيات سنگ بايد با پيشرفت حفاري و خصوصيات پترولوژيكال ارتباط داده شود و يا توان سنگ با خوردگي ابزار.

پارامترهاي پيشرفت : در بالا خصوصيات مختلف سنگ , يا نرخ حفاري كاملاً توصيف شده است. با وجود بكارگيري اين تكنيك‌ها براي ساير فرآيندهاي حفاري بهترين رابطه با فعاليت تخريبي در نظر گرفته شده است.

از نقطه نظر فيزيكي تركيب منحني تنش و كرنش مقياسي از انرژي مرتبط با حجم تغير شكل است. به دليل اينكه اين فعاليت مورد نياز براي تخريب نمونه سنگ است خصوصيات جديد تعريف شده سنگ با عنوان فعاليت تخريبي خاص wd تعريف شده است كه مربوط به انرژي كرنش نيز مي‌باشد. بعنوان محصول تنش و كرنش فعاليت تخريبي نشاندهنده شكل نمونه سنگ در منطقه از پيش

تخريب شده است. شكل ۲ رابطه بين تخريب و پيشرفت در حفاري با نشان مي‌دهد كفايت روابط با توان فشردگي به اين خوبي نيست. رابطه خوبي بين پيشرفت TBM وقتي نرخ انتشار خاص در برابر فعاليت تخريبي نشان داده شده وجود دارد. براي حصول روابط بهتر تنها TBM در بخشهاي خاصي از تونل بكار مي‌رود كه ترك حاصل از اتصالات كم است و ساختار مصرف خاص مواد منفجره با فعاليت

تخريبي در نظر گرفته شده است. نوع سنگ تست شده شامل سنگ رسي , شن و سنگ آهك و كنگولومرا , شيست و انواع كليست‌ها را شامل مي‌شود. فعاليت تخريبي داراي پارامترهاي كفايت بالاي مرتبط با پيشرفت حفاري است. نمودار مشخص كننده روابط بين نرخ حفاري و فعاليت تجربي است. برخلاف ارتباط ذكر شده روابط بين خصوصيات مكانيكي سنگ و نرخ حفاري كفايت كلي را

نشان مي‌دهد. وقتي ميزان مصرف خاص مواد منفجره با فعاليت تخريبي سنجيده مي‌شود , تخمين بخش همگن تونل و مواد منفجره با خصوصيات ذكر شده قابل قياس و شرايط انفجار قابل مقايسه است.

بطور خلاصه خصوصيات مكانيكي سنگها بخصوص در فعاليت تخريبي مي‌تواند. بعنوان يك مقياس خوب براي پيشرفت حفاري و بنابراين براي حصول اطلاعات مفيد براي بررسي سايت با توجه به قابليت حفاري پذيري مي‌باشد. محدوديت‌هاي ابتدايي و عواملي همچون همگن بودن سنگ و ايزو تروپيك بودن , تغيير ساختار جغرافيايي و۰۰۰ به ندرت در نظر گرفته مي‌شود.

 

پارامترهاي خوردگي ابزار : با بحث در مورد برخي فاكتورهاي اثر گذار روي نرخ پيشرفت , حال در مورد پارامترهاي خوردگي ابزار صحبت مي‌كنيم. پارامترهاي تكنيكي و تست مدل براي مطالعات حفاري پذيري مناسب بنظر نمي‌آيند با وجود اين تستهاي سختي سنجي زيادي براي خصوصيات سنگ انجام شده است. بيشتر آنها هدف خاصي را دنبال مي‌كنند و زياد مورد توجه قرار نگرفته‌اند. تنها چند مورد از آنها توجه بين المللي را به خود جلب كرده است مانند نرخ حفاري DRI يا CAI ,

نكته اينجاست كه هيچ خصوصيت فيزيكي براي توصيف سختي سنگ وجود ندارد. با وجود اينكه چندين پارامتر پتروگرافيك مثل تركيب سنگ و مواد معدني براي تخمين خوردگي ابزار و قابليت حفاري بكار برده شده اند , اما روش بكار برده شده بسيار زمان بر است و در عمل بكار گرفته

نشده است. مشخص است كه توان سنگ در ابتدا حاصل ميزان مواد معدني خارج شده با توجه به جنس ابزار است. كوارتز معمول‌ترين ماده معدني است. براي نمونه‌گيري از تمامي مواد ميزان مشابهي از كوارتز eQU با ضخامت نازك بررسي مي‌شود كه يعني اين مقدار ماده معدني داراي سختي برابر مقدار فوق كوارتز است. بنابراين هر ميزان ماده معدني در كوارتز ضرب شود مي‌شود :
رابطه دقيق بين Rosiwal , mohs در شكل ۷ ارائه شده است.

وقتي سختي mohs را بدانيم تخريب پذيري ماده معدني با دقت رضايت بخشي بدست مي‌آيد.
روش تخمين eQU در بين توليد كنندگان ابزار بسيار معمول و پركاربرد است و مهندسان و ژئولوژيست ها براي بررسي‌هاي اوليه سايت و براي جلوگيري از خوردگي ابزار از آنها استفاده مي‌كنند. در شكل ۸ عمر مته در حين حفاري و تونل زني انفجاري براي انواع سنگها آمده است. مي‌توان ديد كه خوردگي مته با افزايش ميزان كوارتز بيشتر مي‌شود. با ذكر جزئيات بيشتر اين رابطه نشان دهنده پارامتر تأثيرگذار بيشتر براي تخريب سنگ است.

دانه بندي : يك مقايسه بسيار ساده مي‌تواند آنرا توضيح دهد : هر دو ماده شن كوارتز و سيليكات كوارتز داراي كوارتز ۱۰۰% هستند. در مورد نظريه حفاري هر دو ماده تنها شن سبب خوردگي قابل ذكر مي‌شود كه در اين مورد مستقيماً بستگي به دانه بندي كوارتز دارد.
برخي از انواع سنگها داراي منحني خاص خود هستند.
a) شن , بخصوص آنهايي كه خلوص بالاتري دارند و در سيمان‌هاي سیلیسی يافت مي‌شوند.
b) سنگهايي كه در اثر واكنش هيدروترمال ايجاد شده‌اند.

در هر يك از اين سنگهاي خاص , ققل شدن دانه‌ها در زير ساختارها متداخل مي‌باشد. بنابراين براي تخمين هر نوع سنگ بايد بصورت مجزا بحث شود. در شكل ۹ گروهي از انواع سنگها با مرز دانه به دانه با استفاده از منحني لگاريتمي بحث شده است. براي انتخاب گروه سنگها رابطه بسيار نزديك بوده و مي‌تواند براي پيشبيني خوردگي ابزار با تساوي مقدار مشابه به كوارتز بكار رود. توانايي سنگ RAI تحليل خوردگي ژئوتكنيكي جديد است و بخشي از فرايند تخميني براي نرخ

خوردگي مته مي‌باشد. اين فرآيند برنامه بررسي با فرض مقياس كل مواد معدني مي‌باشد.
بر اساس مقياس معدني و مقياس سنگ RAI با ضرب توان سنگ مربوط در ميزان تشابه كوارتز. بدست مي‌آيد. اطلاعات مقياس جرم سنگ با فاكتور منفي يا مثبت در نظر گرفته مي‌شود كه مي‌توان سبب افزايش يا كاهش طول عمر مته از دياگرام تخميني RAI شود.

(حفاري پذيري كلي‌)

خصوصيات جرم سنگ : با وجود اينكه خصوصيات مكانيكي سنگ نقش كليدي دارد. پارامترهاي ژئولوژيكي در بيشتر پروژه‌ها به ندرت بصورت كامل وجود دارد. در برخي موارد تأثير خصوصيات ژئولوژيك بسيار مهم تر از خصوصيات سنگ است. مشكلات ژئولوژيك تأثير زيادي روي اقتصاد خصوصيات ساختاري جاري بخصوص وقتي سيستم حفاري انتخاب شود براي شرايط ذكر شده نامناسب

خواهد بود. بنابراين مي‌توان گفت كه خصوصيات ژئولوژيك و مترولوژيك سنگ با درجه مشابهي از توان مانند ژئوتكنيك بايد محاسبه شود. بعلاوه پارامترهاي مكانيكي مقاديري محدود هستند كه اگر سنگ آنيزوتروپيك و غير همگن باشند , اين دو تنش نقش كليدي در فرآيند خردشدن سنگ بازي مي‌كنند.

البته خصوصيات سنگ و نرخ حفاري بستگي زيادي به ساختار ضعف محل و جهت تست يا پيشرفت دارد. يعني وقتي جهت انتشار زاويه راست ساختار باشد , مواد سنگ در سمت راست فشرده شده اما با آن موازي بريده مي‌شوند. با وجود اينكه در اثر فشردگي ترك بوجود مي‌آيد , ترك موازي با انتهاي حفره براي برش بكار خواهد رفت. معمولاً در اين مورد بالاترين نرخ انتشار در حفاري با TBM حاصل مي‌شود. انتشار خاص با توان برشي در جنس مواد كنترل مي‌شود. در اينجا كار تخريبي

حداقل است و سبب برش بزرگ و حداكثر پيشرفت حفاري مي‌شود. اگر محور انتشار موازي با پيشرفت باشد , فشردگي نيز موازي است اما تنش شياري در زاويه راست است. بايد مشخص باشد كه تركهاي كمتر به دليل توان بالاتر در زاويه راست گسترش بوجود مي‌آيند. انتشار به وسیله توان كرنش موازي با انتشار ترك كوچك بوده و حداقل پيشرفت حفاري بدست مي‌آيد.

مطمئناً در مورد موازي خصوصيات سنگ بالا و نرخ حفاري پائين است. اين روابط براي تمامي انواع مواد حفاري شده مطالعه گرديده است. بنابراين اگر محور تونل موازي حركت اصلي باشد , شرايط حفاري بسيار ضعيف در نظر گرفته مي‌شود.

قرار گرفتن ناپيوستگي‌ها : البته نرخ حفاري همچنين بستگي به ناپيوستگي بين سنگها دارد. نا پيوستگي بعنوان يك قانون ضعف در بدنه سنگهاست بنابراين قانون خاصي براي شكست سنگها بكار مي‌رود.

فضاي ناپيوستگي به مترمربع تعريف شده و پارامتري براي پيش تركيدگي سنگ است. در نمودار شكل ۱۳ تأثير ناپيوستگي نامشخص است اگر فضا با ابعاد تونل يا TBM بزرگ باشد. در اينجا خصوصيات سنگ نامحتمل و پيشرفت تنها بر اساس فرايند برش است. با نزديكتر شدن ناپيوستگي نرخ انتشار افزايش مي‌يابد اين امر با افزايش تركهاي كوچك به هم پيوستني نا پيوستگي‌هاي بزرگ روي مي‌دهد. در اينجا شرايط جرم سنگ بي فايده و دستگاه TBM كه شروع به بيرون آوردن

قطعات بزرگ سنگ از تونل مي‌كند كار آمد است. در نقطه اي خاص ديسك برش توسط ذرات خاص كه توسط دستگاه كنده شده و بيرون آورده شده است سبب توقف كاري مي‌شود. بدين وسيله انتشار سريع بخصوص در منطقه خطا يا در مناطق پر تنش مي‌تواند بسيار زود به اتمام برسد.

نتيجه گيري : پس از تمامي اين دريافتها مشخص است كه هيچ يك از تستهاي آزمايشگاهي يا سايتي , جغرافيايي به تنهايي با تجربه و طراحي تجهيزات تجربه اپراتور نمي‌تواند سبب شود كه حفاري تبديل به يك فرمول خوب و كلي تعريف شده شود. ابتدا با چارت روابط براي خصوصيات

مكانيكي و پتروگرافيكي نرخ حفاري قابل تخمين مي‌گردد و خوردگي ابزار براي نوع سنگ مورد بررسي بصورت رضايت بخشي بدست مي‌آيد. اما در كنار خصوصيات سنگ مشكل اصلي پراكندگي پديده‌هاي ژئولوژيك است كه نمي‌توانند در اشكال يا خصوصيات سنگ قرار گيرند.

 

حفاري ضربه‌اي ۳

دستگاههاي حفاري ضربه‌اي از نظر مكانيكي عملكردي شبيه چكش حفاري دستي دارند. نيروي لازم جهت انجام حركت رفت و برگشتي پيستون معمولاً توسط هواي فشرده و گاهاً توسط سيالات هيدروليك ( تراكم ناپذير) تأمين شده و انرژي توليد شده از طرق مختلفي به سنگ منتقل مي‌گردد. عمل اين دستگاهها از طريق هواي فشرده , پيستون , سندان , ميله حفاري و سرمته (يعني محل برخورد مته با سطح سنگ ) انجام مي‌پذيرد.

سه روش عمده براي انجام حفاري ضربه‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرد :
۱- حفاري كابلي
۲- چكش حفاري
۳- روش D.T.H

۳-۱ حفاري كابلي :

در اين روش عمل پيستون , ميله و مته توسط مكانيسم رفت و برگشتي با كمك نيروي جاذبه زمين انجام مي‌شود.
با وجود اينكه حفر چال‌هايي با قطر ۱۵۰ تا ۳۰۰ ميليمتر در تمامي سنگ‌ها با سختيهاي مختلف ممكن مي‌باشد , ولي اين روش بيشتر براي حفاري در سنگهاي با سختي متوسط بكار مي‌رود. حمل و جابجايي ماشين‌هاي حفاري كابلي توسط سيستمي كه بر روي خود دستگاه نصب شده است انجام مي‌شود. و روي هم سوار شدن و بالا بردن آنها در حين عمليات حفاري توسط جك‌هاي هيدروليكي انجام مي‌شود. اين دستگاهها مي‌توانند هم به وسيله الكتريسيته , هم با سوخت ديزل كار كنند , ولي با اين حال دستگاههايي كه با سوخت ديزل حركت مي‌كنند براي حفاري در مناطق دور افتاده , به دليل قابليت جابجايي آسان‌تر ترجيح داده مي‌شوند.

اين دستگاهها از كابل فولادي , ضربه زن‌ها , ميله حفاري و مته تشكيل شده‌اند. اين اجزا ( از بالا به پائين ) توسط بست و اتصالات به يكديگر وصل شده‌اند. نيروي لازم براي انجام عمل حفاري در سنگ‌ها توسط اين دستگاه كه از چهار قسمت اصلي فوق الذكر تشكيل شده , از طريق وزن آن تأمين مي‌شود. ( شكل ۳-۱) براي نگه داشتن كابل از سوكت‌هايي استفاده مي‌شود كه مستقيماً به ضربه زن ها متصل هستند. بخش عمده وزن دستگاه كه براي انجام عمل حفاري و همچنين براي هدايت بخش‌هاي متحرك دستگاه مورد نياز است , توسط ميله حفاري تأمين مي‌گردد.

حفاري در اين سيستم در يك امتداد ثابت انجام مي‌شود كه طي آن در حين كشيدگي كابل , مته با ته چال برخورد مي‌كند به دليل خاصيت الاستيسيته و قابليت بازي كردن كابل , با كشيده شدن كابل انحناي خود را از دست داده و با قطع كشش آن را باز مي‌يابد. پس از خارج كردن اجزاء دستگاه حفاري از داخل چال وسيله ديگري براي تميز كردن به داخل چال هدايت مي‌گردد.
اجزاء حفاري و اجزاء تميز كاري توسط خطوط يا كابلهاي متفاوت و مستقل از هم به داخل چال هدايت مي‌گردند.

۳-۱ الف) تميز كردن چال :

تميز كردن شامل خارج كردن تكه‌ها و خرده‌هاي حفاري از داخل چال مي‌باشد كه توسط

دستگاههاي بنام گل كش يا دستگاه پمپاژ گل انجام مي‌شود. ( شكل ۳-۲) دستگاه گل كش داراي لوله‌اي به طول ۵/۳ متر و قطري معادل ۳/۰ برابر قطر چال مي‌باشد. در پائين داراي يك شير يك طرفه مي‌باشد كه زمانيكه دستگاه در ته چال قرار مي‌گيرد , باز شده و به گل اجازه ورود را مي‌دهد و پس از انتقال دادن گل شير بسته مي شود. ضرورتي ندارد كه براي ممكن ساختن عمل شير , دستگاه را مقداري بالاتر از ته چال بكشیم. دستگاه گل كش پس از خروج اجزاء دستگاه حفاري , به خاك ته چال كاملاً چسبيده مي‌شود.

در تشكيلات ماسه‌اي و شن كه دستگاه گل كش نمي‌تواند مواد را بالا بكشد از نوعي پمپ ماسه استفاده مي‌شود. اين دستگاه شامل يك لوله وشير و يك پلانجر يا قسمت پيستون مانند مي‌باشد كه قادر به حركت در داخل لوله مي‌باشد ( شكل۳-۳)
لوله انتقال ماسه به قسمت فوقاني ميله پلانجر متصل مي‌باشد. پمپ ماسه به پائين چال فرستاده شده و به پلانجر امكان حركت تا قسمت تحتاني پمپ داده مي‌شود. با حركت پلانجر به طرف بالا و با انجام عمل مكش , مواد به سمت دستگاه گل مكش هدايت مي‌شوند.

زماني كه پلانجر به بالاترين نقطه مي‌رسد , پمپ بلند شده و شير بسته مي‌شود. عمل تخليه پمپ با آزاد شدن ضامني كه در كنار قسمت تحتاني آن واقع شده و نيز با چرخش يك چهارم دور آن تحقق مي‌پذيرد.
وجود يك شير در قسمت تحتاني بعضي از پمپها باعث سرعت دادن به عمل تخليه پمپ مي‌گردد. پمپ‌هاي ماسه معمولاً در طولهاي سه متر , شش متر ساخته مي‌شوند.

۳-۱ ب) نظريه حفاري كابلي :

كار انجام شده توسط دستگاه را مي‌توان بصورت رابطه ۱-۳ تعريف كرد. كه در اين رابطه
كميت‌هاي زير عبارتند از :

(۳٫۱)….
(۳٫۲)…
W : نيروي وزن دستگاه برحسب kgf .
M : جرم دستگاه بر حسب كيلوگرم ؛
: سرعت دستگاه در لحظه تماس بر حسب متر بر ثانيه ؛
a: شتاب دستگاه در داخل چالي كه در آن گل وجود دارد برحسب متر بر مجذور ثانيه ؛
g: شتاب ثقل بر حسب متر بر مجذور ثانيه ؛
h: ارتفاع برحسب متر ؛
همچنين كار انجام شده در مدت زمان يك دقيقه طبق رابطه ۳-۳ بدست مي‌آيد.
(۳٫۳)….
( در اين رابطه n نشان دهنده تعداد ضربات در مدت زمان يك دقيقه مي‌باشد ) حجمي از سنگ كه در مدت زمان يك دقيقه حفاري مي‌شود نيز از رابطه ۴-۲ به دست مي‌آيد كه d قطر چال بر حسب سانتيمتر و PR عمق يا ميزان حفاري در اين مدت بر حسب سانتيمتر بر دقيقه مي‌باشد.
ميزان كار ويژه انجام شده طبق رابطه ۵-۲ مي‌باشد.

(۳٫۴) …
(۳٫۵)…
مقدار اين كار در حفاري كابلي براي يك نوع سنگ خاص تقريباً ثابت بوده و بين ۵ براي سنگهاي بسيار نرم و ۱۰۰ براي سنگهاي بسيار سخت متغير مي‌باشد.
از تركيب روابط ۳-۳ و ۴-۳ و ۵-۳ مي‌توان ميزان نرخ نفوذ مته در سنگ را طبق روابط ۶-۳ و
۷-۳ محاسبه كرد.
(۳٫۶)…
(۳٫۷)..
اگر ۱t مدت زمان حركت دستگاه به سمت بالا و ۲t مدت زمان حركت آن به طرف پائين باشد , بيشترين مقدار راندمان را زماني خواهيم داشت كه مقدار t1 با مقدار t2 برابر باشد.
اگر مقدار t1 بزرگتر از مقدار t2 باشد , همانند يك ترمز , شدت ضربه گرفته خواهد شد.
اگر مقدار t2 بزرگتر از مقدار t1 باشد , دستگاه قبل از رسيدن به ماكزيمم ارتفاع خود , حركت به سمت پائين را شروع خواهد كرد.

براي محاسبه زمان بالا آمدن دستگاه مي‌توان از رابطه ۸-۳ استفاده كرد. كه در اين رابطه , a زاويه چرخش دستگاه بر حسب درجه مي باشد.
مقدار t2 را مي‌توان از رابطه ۹-۳ بدست آورد.
با مساوي قرار دادن t2,t1 مي‌توان n ( تعداد ضربات وارده در زمان يك دقيقه ) و PR ( عمق حفاري شده در اين مدت زمان را محاسبه كرد.

همانطور كه از روابط مربوط مشخص مي‌گردد , نرخ نفوذ مته در سنگ , ارتباط مستقيمي با وزن , ارتفاع و شتاب دستگاه دارد.
جهت اجتناب از مقاومت بيش از حد سنگ در برابر دستگاه , قطر ميله حفاري را نبايد بيش از ۷۵/۰ تا ۸۵/۰ برابر قطر چال در نظر گرفت. همچنين با افزايش طول دستگاه طبيعتاً بر وزن آن نيز افزوده مي شود. به همين علت ارتفاع دستگه حتي الامكان نبايد از ۲/۱ متر تجاوز كند.
شتاب دستگاه نيز تأثير بسزايي در نرخ حفاري دارد كه وابسته است به مقدار و كيفيت گل مورد استفاده بعنوان سيال حفاري. با كاهش مقدار گل , نرخ نفوذ و سرعت آن افزايش پيدا مي‌كند ولي بر روند كلي كار تأثير منفي مي‌گذارد زيرا زمان بيشتري جهت انتقال خرده‌ها تلف مي‌گردد.
تعداد ضربات وارده و ارتفاع دستگاه كه نيروي وزن از آن نتيجه مي‌شود رابطه نزديكي با ظرفيت و توان موتور دارد. بايد يادآوري شود كه بيشترين مقدار كار انجام شده در هنگام بالا بردن اجزاء دستگاه رخ مي‌دهد. اين كار از روابط ۱۲-۳ الي ۱۴-۳ بدست مي‌آيد.
(۳٫۱۲) …
(۳٫۱۳)…
(۳٫۱۴)…
كه N : قدرت موتور بر حسب kw ؛
W : نيروي وزن بر حسب كيلوگرم ؛
: كارآيي و راندمان دنده ؛ زمان بالا بردن دستگاه و
h: فاصله‌اي كه دستگاه در مدت زمان يك دقيقه بالا برده مي‌شود , است.

۳-۱- ج) امتيازات حفاري كابلي :

۱- نمونه گيري دقيق تر از تشكيلات زمين ميسر مي‌باشد.
۲- در حين حفاري , تك تك لايه‌ها از لحاظ كميت و كيفيت آب قابل بررسي مي‌باشند.
۳- ميزان آب كمتري براي انجام عمليات حفاري لازم است.
۴- در بسياري از موارد , دستگاه حفاري كابلي نسبتاً سبكتر بوده و جابجايي آن نيز در سطوح ناهموار آسانتر مي‌باشد.

۵- هزينه اوليه دستگاه و قطعات آن كمتر مي‌باشد.
۶- هزينه‌هاي حفاري به ازاي هر متر , نسبتاً ارزانتر تمام مي شود.
۷- شناسايي تشكيلات آب دار و پيشگيري از ايجاد مزاحمت توسط آن ممكن مي‌باشد.
اما نقاط ضعف اين سيستم در مقايسه با نقاط قوت آن , به قدري داراي اهميت زيادي مي‌باشند كه استفاده از يك سيستم تركيبي ترجيح داده مي‌شود.

۳-۱- د) نقاط ضعف و معايب اين سيستم عبارتند از :
۱- از دستگاه حفاري كابلي فقط براي ايجاد حفر و چالهاي عمودي مي‌توان استفاده نمود ؛
۲- ميزان بهره‌وري به ازاي متراژ حفاري شده در هر شيفت بسيار پائين مي‌باشد ؛
۳- ايجاد خرابي‌هاي زيادي در امتداد خط حفاري ؛
۴- براي حفاري چال‌هاي عميق , مخصوصاً در تشكيلات سخت‌تر , نامناسب مي‌باشد.
به دليل زمان زيادي كه جهت بالا كشيدن قطعات و دستگاه تلف مي‌شود و همچنين به خاطر مشكلات فرعي ناشي از فشار طبقات و نيز وزن‌هاي تركيبي ماسه و آب باعث شده كه اين روش به تدريج به دست فراموشي سپرده شود.

۳-۲ دستگاه حفاري چكشي :

دستگاههاي حفاري ضربه‌اي به اندازه‌هاي مختلف ساخته مي‌شوند و مي‌توان آنها را به دسته‌هاي زير تقسيم بندي نمود.
چكش حفاري ۱ دريفتر۲ و استاپر ,۳ , جامبودريل ۴ و واگن دريل.۵
چكش حفاري , وسيله دستي و كوچكي است كه وزن آن بين ۱۰ تا ۳۰ كيلوگرم متغير مي‌باشد. از اين دستگاه يعني چكش حفاري براي حفر چالهاي كم عمق و نيز براي چالهاي انفجاري اوليه و ثانويه استفاده مي شود.

نيروي اعمال شده جهت حفر چالهاي كوچك انفجاري به قطر بيست و پنج تا چهل ميليمتر , توسط نيروي وزن شخص تأمين مي‌شود. از اين دستگاه , هم براي حفر چالهاي عمودي و هم براي حفر چال‌هاي افقي استفاده مي‌شود.