اصول حفاری و حفاری در سنگهای سخت

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 معدنی زیربنای اقتصاد و صنعت در جامعه را تشكیل می‌دهند. بشر از همان آغاز آفرینش خود و در طول تاریخ، بر حسب نیازمندیها و شناخت از مواد معدنی استفاده كرده است. اكنون نیز انسان از تمامی مواد معدنی به حالت‌ها و شیوه‌های گوناگون بهر‌ه‌برداری می‌نماید. به دیگر سخن همین مواد معدنی هستند كه پایه و اساس تمدن را تشكیل می‌دهند. عوامل مؤثر بر آستانه اقتصادی شدن مواد معدنی  عواملی چون عرضه، تقاضا و مسائل سیاسی می‌باشد . میزان تولید مواد معدنی در دهه گذشته افزایش شایانی داشته است.

  عواملی كه موجب این افزایش می باشند عبارتند از : پیشرفت در تکنولوژی و روشهای حفاری ، پیشرف در زمینه اكتشاف به دلیل مشخص شدن منشاء محیط و چگونگی تشكیل ذخایر مختلف، مثلاً نظریه تكتونیك صفحه‌ای كمك‌های مؤثری در رابطه با كشف ذخایر مس پروفیری نمود‌ه ‌است . در دهه اخیر بكارگیری روش‌های نوین ژئوفیزیكی و ژئوشیمیایی در كشف ذخایر جیدد بخصوص آنهایی كه در اعماق زمین قراردارند كمك مؤثری نمود. همچنین ماشینهای جدید استخراج موجب شده تا ذخایری كه در اعماق قرار داشته قابل بهر‌ه‌برداری شوند و با كمك از این ماشین الات میزان تولید روزانه بالا رود. پیشرفت در زمینه صنعت تلغیظ و تصفیه موجب گردید تا بسیاری از ذخایر عمیق دور از دسترس نیز قابل بهر‌ه برداری شوند. همزمان با بالارفتن تولید، میزان مصرف موادمعدنی نیز افزایش 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

 چکیده........................................................................................................ 3 

مقدمه........................................................................................................  4

 فصل اول

 شاخصهای حفاری........................................................................................ 6

 سختی........................................................................................................ 6

 سفتی......................................................................................................... 7

 سایندگی..................................................................................................... 7

 اندازه و یكنواختی دانه‌ها................................................................................. 9

 جدایش...................................................................................................... 9                                

 تقسیم بندی سنگها بر اساس شاخصهای حفاری.................................................... 10                 

 سنگهای آذرین ساینده................................................................................... 11

 سنگهای آذرین نیمه ساینده..............................................................................  11

سنگهای آذرین با سایندگی كم.......................................................................... 12

 سنگهای آذرین تجزیه .................................................................................. 12

 سنگهای متامورفیك......................................................................................  13

 سنگهای متامورفیك سخت و ساینده...................................................................  13

 سنگهای متامورفیك نیمه سخت و نیمه ساینده.......................................................  14

 سنگهای متامورفیك نرم.................................................................................  14

 سنگهای رسوبی..........................................................................................  14

 سنگهای سخت سیلیسی..................................................................................  15

 سنگهای رسوبی ساینده با سختی كم..................................................................  15

 شكننده اما ساینده.........................................................................................  16

 نسبتاً سخت اما فاقد خاصیت سایندگی................................................................  16

 سنگهای رسوبی نرم و فاقد , خاصیت سایندگی.....................................................  17

 فصل دوم

 مشخصات و پارامترهای سنگ برای حفاری ...................................................... 18

 حفاری پذیری اولیه....................................................................................... 22

 پارامترهای پیشرفت....................................................................................  23

 پارامترهای خوردگی ابزار............................................................................. 24

 دانه بندی................................................................................................... 26

 حفاری پذیری كلی‌....................................................................................... 27

 خصوصیات جرم سنگ................................................................................. 27

 قرار گرفتن ناپیوستگی‌ها............................................................................... 29

 نتیجه گیری .............................................................................................. 30

 فصل سوم

  حفاری ضربه‌ای......................................................................................... 31

 3-1 حفاری كابلی........................................................................................ 32

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

 3-1 ب) نظریه حفاری كابلی......................................................................... 35

 3-1- ج) امتیازات حفاری كابلی.....................................................................  38

 3-1- د) نقاط ضعف و معایب این سیستم............................................................ 39

 3-2 دستگاه حفاری چكشی............................................................................. 40

 3-2-1 اصول عملیات حفاری  توسط این ماشین‌ها............................................... 42

 3-3 اندیس گذاری ....................................................................................... 47

 3-4 تولید و انتقال انرژی در سیستم حفاری ضربه‌ای............................................ 50

 3-4-1 اتلاف انرژی در طول لوله حفاری.......................................................... 54

 3-5 انتقال انرژی در سطح تماس مته با سنگ از اولین موج ایجاد شده...................... 56

 3-6 تراست مورد نیاز در حفاری ضربه‌ای....................................................... 60

 3-7 تأثیر شكل سرمته در حفاری ضربه‌ای......................................................... 62

 آزمایشات تعیین مشخصات در سیستم حفاری ضربه‌ای.......................................... 63

   فصل چهارم

 .سیستم حفاری چرخشی.................................................................................. 69

 4-1 حفر چال‌های انفجاری با استفاده از سیستم حفاری چرخشی............................... 71

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

 4-3 سرمته‌های حفاری چرخشی...................................................................... 78

 4-4 انواع مختلف طراحی.............................................................................. 79

 4-5 اساس كار سرمته‌های مخروطی گردنده....................................................... 81

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

 4-7 آنالیز عمل متقابل سرمته و سنگ با در نظر گرفتن میزان انرژی ذخیره شده......... 87

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

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

 4-8 طوق چرخشی..................................................................................... 90

  فصل پنجم

 حفاری الماسه............................................................................................ 93

 5-1 انواع سرمته‌های الماسه......................................................................... 95

 5-1-1 سرمته‌های دارای قطعات الماس بر روی سطح بدنه................................... 95 

 5-1-2 سرمته‌های دارای قطعات الماس در داخل تركیب بدنه................................. 96

 5-2 مقایسه هزینه ها در حفاری‌های الماسه....................................................... 97

 5-3 لوله‌های مغزه‌گیری............................................................................... 99

 5-3 الف) لوله‌های مغزه گیری انفرادی.......................................................... 100

 5-3 – ب) لوله‌های مغزه گیری دو جدار......................................................... 101

 5-3-ج) لوله‌های مغزه گیری دو جداره اصلاح شده........................................... 103

 5-4 تكنیك حفاری با خطوط سیمی................................................................ 105

 5-4-1 سیستم حفاری سیمی......................................................................... 105

 5-4-2 پایداری چال در حفاری سیمی............................................................. 107

 5-4-3 رشته لوله‌های حفاری سیمی.............................................................. 108

 5-4-4 محفظه مغزه گیری در حفاری سیمی.................................................... 108

 5-4-5 سیستم با قابلیت جمع شدن.................................................................. 109

 5-4-6 امتیازات و مزایای سیستم حفاری سیمی................................................ 110

 سرمته‌های مغزه گیری در حفاری سیمی......................................................... 111

 5-5 هزینه‌ها........................................................................................... 111

 5-6 محاسبات عملی در حفاری الماسه........................................................... 112

 5-7 نظریه حفاری بر مبنای عمل سایش......................................................... 115

 5-8 تأثیر خواص سنگ در میزان نفوذ سرمته‌های الماسه نوع او.ل....................... 119

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