پایان نامه بررسی کمی و کیفی باریت و بنتونیت در صنعت حفاری

-1 مقدمه

حفاري به معني نفوذ در سنگ است. نفوذ در سنگها گاهي به منظور خرد كردن آنها انجام مي گيرد. براي خرد كردن سنگها بايد چالهاي انفجاري حفر كرد و در داخل آنها مواد منفجره قرار داد. با منفجركردن چالها، سنگها خرد مي شوند، و با خرد شدن سنگها، استخراج و برداشت آسانتر است و با هزينه كمتري انجام مي گيرد. در استخراج كليه معادن به استثناي موارد نادر، مانند استخراج سنگهاي ساختماني يا برداشت بعضي از سنگهاي سست، حفاري جزء عمليات اجتناب ناپذير محسوب مي شود. اين نوع حفاري را حفاري استخراجي مي گويند. حفاري در معادن تنها به منظور استخراج نيست؛ بلكه قبل از استخراج يا به هنگام استخراج، براي اكتشاف نيز انجام مي پذيرد.

حفاري اكتشافي ممكن است به منظور كشف و پي بردن به وجود كاني يا ماده معدني، ويا به منظور پي بردن به شرايط كيفي سنگها صورت گيرد. با توجه به بالا بودن هزينه حفاري اكتشافي و بعضي مشكلات فني توصيه مي شود كه هر دو گروه متخصصاني كه به دنبال كشف كاني يا در جستجوي كشف شرايط كيفي سنگها هستند، مطالعات خود را همزمان شروع كنند، علاوه بر حفاري استخراجي و حفاري اكتشافي، حفاري به منظور كارهاي تكنيكي مانند حفاري به جهت تزريق سيمان در داخل درزه ها، حفاري جهت خارج كردن گازها از لايه ذغال يا حفاري به منظور منجمدكردن آب در داخل طبقات نيز انجام مي گيرد. لذا عمليات حفاري در زمينه هاي مختلف مهندسي و علوم كاربرد وسيعي دارد. امروزه بيش از95 درصد حفاريها به روش مكانيكي و با ماشينهاي ضربه اي، چرخشي و ماشينهاي ضربه اي- چرخشي انجام مي گيرد. در روش مكانيكي نفوذ در سنگ با انرژي مكانيكي و از طريق اعمال ضربه هاي پي در پي، يا در اثر تماس انجام مي گيرد. قطر چالهايي كه با روش مكانيكي حفر مي شوند بين2/1 اينچ تا24 اينچ و عمق آنها از چند تا سانتيمتر تا چند هزار متر متغير است. عمق غالب چالهاي انفجاري كمتر از20 متر و قطر آنها در معادن زيرزميني كم است. اما امروزه در معادن روباز، براي پايين نگهداشتن هزينه هاي حفاري و انفجار و نهايتا كاهش هزينه استخراج قطر چالهاي انفجاري را زياد             مي گيرند؛ از اين رو بين ماشينهايي كه چالهاي انفجاري در معادن روبار حفر مي كنند و ماشينهاي حفاري اكتشافي و ماشينهايي كه به منظور استخراج نفت، گاز و آب به كار       مي روند، مشابهت زيادي وجود دارد. به طور مصطلح در حفاريهايي كه به منظور دسترسي و استخراج سيالاتي مانند نفت ، گاز و آب انجام مي گيرد، و همچنين در حفاري اكتشافي به جاري واژه چال از واژه چاه استفاده مي شود. در به كارگيري واژه چال يا چاه صرفنظر از نقش سيال، ژنومتري، بويژه، عمق چال يا چاه نيز موثر است. چالها معمولا عمق كمي دارند؛ درحالي كه عمق چاه بيشتر است. درهر صورت، شكل چالها يا چاهها سيلندري است و قطر آنها از عمق كمتر است. غير از روش حفاري مكانيكي، روشهاي ديگر نيز وجود دارد كه در دست تحقيق و توسعه اند؛ مانند روشهاي حفاري حرارتي، و حفاري ليزري كه نفوذ در سنگها تنها به كمك انرژي مكانيكي انجام نمي گيرد؛ بلكه ابتدا از طريق حرارت يا فعل و انفعالات شيميايي، سنگ را سست مي كنند؛ سپس به كمك ماشينهاي حفاري عمدتا چرخشي، در سنگ سست نفوذ مي كنند تا چال يا چاه ايجاد شود. در اين روشها كه به انها روشهاي پيشرفته حفاري نيز مي گويند، هرچند سرعت حفاري200 تا400 درصد افزايش مي يابد،مشكلات فني متعددي وجود دارد كه تا رفع اين عيوب به زودي قابل استفاده نخواهد بود.

1-2  تاريخچه حفاري

به طور 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. پروفسور« هرمن بائر» در كتاب هيدرولوژي آبهاي زيرزميني و پروفسور«كي.مك گرگر» در كتاب حفاري در سنگ معتقدند كه هنوز آثاري از تونل، قنات و چاههاي عميق حفر شده توسط ايرانيان و چيني هاي قديم ديده مي شود. و مصريان قديم نيز به وسيله كروندم، درميان سنگهاي پورفيري چالهايي حفر كرده اند. تا چند دهه قبل، سيستم حفاري دستي جهت ايجاد چال براي احداث تونل، خط راه آهن و معدن متداول بود، و بدون شك، در مناطقي كه امكان دسترسي به برق نيست. اين روش حفاري هنوز كاربرد دارد. روش ابتدايي سيستم حفاري دستي بيشتر براي حفر چال كم عمق در سنگهاي با مقاومت ضعيف يا متوسط مورد استفاده داشته است. براي انجام اين روش، وجود يك حفاري كافي است. حفار معمولا با يك دست، مته را روي سنگ قرار مي دهد. و با دست ديگر، به وسيله ضربه زدن يا چكش حفاري(با وزن4 پوند يا8/1 كيلوگرم)، ضربه اي روي مته جهت نفوذ آن در سنگ وارد مي كند. حداكثر سرعت در اين روش،3/0 متر(يك فوت) در ساعت است و بيشترين حد ممكن براي عمق60 سانتي متر( دو فوت) و براي قطره حدود32 ميليمتر              ( اينچ) است. حفاري دستي، بنا به ضرورت، تكامل تدريجي يافت؛ به نحوي كه امكان ايجاد چال با عمق بيشتر نيز ممكن گرديد. در اين مرحله، معمولا يك نفر مته را روي سنگ مورد نظر قرار مي دهد و يك يا دو نفر ديگر با وارد كردن ضربه كمك چكشهاي حفاري2/3 تا5/4 كيلوگرمي(7 تا10 پوندي) موجبات نفوذ در سنگ را فراهم مي كردند. براي حفر يك چال با عمق8/1 متر(6فوت) در سنگهاي سخت و آذرين، مانند گرانيت، وجود يك گروه دو يا سه نفره حفار با كار مداوم5 تا6 ساعته كافي است. البته، بدون شك شرايط حفاري در سرعت حفاري موثر است؛ به عنوان، مثال، سرعت حفاري در سنگهاي رسوبي دو برابر سرعت حفاري در سنگهاي آذرين است(تاثير جنس سنگ).با گذشت زمان و افزايش نياز به حفاريهاي عميق، بويژه براي دسترسي به آب، روش ديگري از حفاري دستي به نام روش كابلي متداول شد كه درآن، طول مته بيشتر بود و براي ضربه زدن از كابل فولادي استفاده مي شد. در اين روش كه امكان حفر چالهاي تا15 متر(50 فوت) را فراهم آورد، مته فولادي طويلتري به كابل فولادي متصل بود. به طور معمول، سه يا چهار نفر با حركت كابل به سمت بالا و فرود آوردن آن روي محل مورد نظر، حفاري را انجام مي دادند. با اين روش، امكان حفر چالهاي عميقتر با قطر بيشتر در زمان كمتر فراهم شد. به عنوان مثال با اين روش در سنگهاي آهكي نسبتا نرم حفر چالهايي با قطر50 ميليمتر(2 اينچ) و عمق7 متر(20 فوت) توسط يك گروه حفار سه نفره طي3 ساعت عملي گرديد. با اين روش، فقط چالهاي قائم حفر مي شود.

طي ساليان دراز، تنها منبع تامين انرژي مورد نياز درحفاري، نيرو انساني بوده است. به تدريج با رواج يافتن استفاده از ماشين بخار، الكتريسيته، و سوختهاي گازي و مايع، ساخت انواع ماشينهاي حفاري مكانيكي نيز توسعه يافت؛ به نحوي كه امروزه، امكان بيشتري براي افزايش عمق و سرعت در عمليات حفاري وجود دارد. در اينجا به پاره اي از تحولات در زمينه حفاري مي پردازيم:

1-بين سالهاي1820-1810، سيستم حفاري چرخشي ساخته شد كه منبع انرژي آن، ماشين بخار بود(Trevithick).

2-بين سالهاي1840-1830 سيستم حفاري كابلي توسعه يافت كه منبع انرژي آن نيز ماشين بخار بود(Issac Singer).

3-بين سالهاي1860-1850 ، دستگاه حفاري مجهز به الماس(روي مته هاي آن) ساخته شد(Bullock) و دستگاه ضربه اي نيز كه ضربه زدن آن پيستون بود و منبع انرژي آن هواي فشرده در تونل آلپين، در آمريكا مورد استفاده قرار گرفت.

4- بين سالهاي1880-1870، سيستم حفاري مغزه گير مجهز به الماس(روي مته آن) در آمريكا توسعه يافت؛ به نحوي كه تا عمق670 متر(2200 فوت) را حفاري مي كرد. شركت ارائه دهنده اين سيستم،« اينگرسل» (Ingersoll) نام دارد.

5-بين سالهاي1890-1880، سيستم حفاري مغزه گير الماسي در آمريكا ارائه شد كه امكان حفاري تا عمق1750 متر(5734 فوت) را فراهم كردو

6-بين سالهاي1900-1890، سيستمهاي حفاري ضربه اي- چرخشي در آمريكا ساخته شد كه منبع انرژي آن، هواي فشرده، بخار و الكتريسيته بود. در اين فاصله سيستم حفاري چرخشي كه منبع انرژي آن بخار بود، جهت حفر چاههاي نفت توسعه داده شد.

7-بين سالهاي1910-1900،مته هايي توسعه يافت كه روي آن سه عامل برش دهنده مخروطي شكل يا خردكننده سنگ نصب شده بود.

8-بين سالهاي1940-1920، براي اولين بار، مته هايي از جنس كربور تنگستن درآلمان به كار رفت.

9- بين سالهاي1966-1940، مته هاي ساخته شده از جنس كربور تنگستن در حفاري بسيار متداول و رايج شد.

10-بين سالهاي1975-1970، ماشين حفاري هيدروليكي به صنعت حفاري معرفي شد كه در اين ماشين بر خلاف ماشينهاي حفاري ضربه اي از روغن تحت فشار به جاي فشار هوا در حفاري استفاده مي شود.

11-بين سالهاي1985-1970، تلاش كشورهاي شوروي و آمريكا براي حفر چاههاي عميق با سيستم حفاري چرخشي به منظور دسترسي به نفت و گاز به نتيجه رسيد. و در اكلاهماي آمريكا و سيبري شوروي، با استفاده از اين روش، چاههاي با عمق بيش از10000 متر(30000 فوت) حفر شد، و متعاقب آنها آلمانيها چاهي با عمق حدد13000 متر حفاري كردند.

با توجه به تاريخچه مزبور، سيستمهاي حفاري توسعه يافته را مي توان به پنج گروه تقسيم كرد:

سيستم حفاري دستي كه ضربه زن آن چكش حفاري است و اعمال ضربه به كمك نيروي انساني صورت مي گيرد.

سيستم حفاري چكشي كه ضربه زن آن چكش حفاري و مكانيكي است.

سسيستم حفاري كابلي كه ضربه زن آن كابل فولادي است.

سيستم حفاري چرخشي كه به جاي ضربه زدن به مته، با چرخش لوله حفاري و مته، عمل نفوذ پذيري و حفر چال صورت مي گيرد.

سيستم حفاري ضربه اي- چرخشي كه اساس كار آن ضربه است و عامل چرخش        نيز دارد.

سيستم حفاري هيدروليكي كه به جاي استفاده از فشار هوا از فشار روغن استفاده        مي شود. در سالهاي اخير، حفاري مكانيكي به تدريج جايگزين حفاريهاي دستي شده و بخار، هواي فشرده، الكتريسيته، و مابع، منبع اصلي انرژي براي دستگاههاي            حفاري است.

منابع و ماخذ:

1.Hartman ,H.L;”Basic Studies of Percussion Drilling";Trans.AIME,1959,Vol.214.pp.68-75.

2-Williamson,T.N.;”Rotary Drilling";chapt.6.3,Surface Mining,E P.Pfleider,ed.AIME,1968,New York,pp.300-324.

3.Clark,G.B.;”Principle of Rock Dilling and Bit Wear I”;Quar terly Colorado School of Mines 1982,Vol.77 No1,Jan.118pp.

4-McGregor,K.;The Drilling of Rock;CR Books Ltd.1969.

5-Chillingarian,G.V.and P.Vorabutr;Drilling and Drilling Fluid;El-sevier,1983,p.1-16.

6-Chillingarian G.V.and P.Vorabutr;Drilling and Drilling Fluid;El-sevier,New York,1983,pp.293-579.

7-Gatlin,Carl; Drilling and Well Completions;Prentice Hall,1960.

8-Darley,H.C.H.,and R.G.Gray; Composition and Properties of Drilling and Completion Fluid;Fifth Ed 1988 ,pp.38-346.

9-McCray,W.A.,and Cole W.F.;Oil Well Drilling Technology;Uni-versity of Oklahoma,Norman,1976;p.443-462.

10-Craft,Holden and Graves;Well Design:Drilling and Production;Prentice, Hall Inc.,1962,p.158-256.

11-Gatlin,Carl;Drilling and Production;Prentice Hall;1960.