حفاری آبرفت عمیق

در حفاری آبرفت عمیق و عمليات احداث تونل‌ها و فضاهاي امن زيرزميني همواره چالش‌ها و مشكلات متعددي وجود دارد. که اغلب روند پيشرفت کار را با کندي يا توقف مواجه مي سازد. يکي از این چالش‌ها، حفاري در زمين هاي سست بوده، که در مناطق آبدار و در لايه هاي خاص، ساختاري ويژه را به وجود مي آورد. لذا در چنين شرايطي آگاهي از روش هاي مناسب جهت بهبود وضعيت زمين استفاده می‌شود.

روش هاي حفاري مناسب به منظور دستيابي به حداکثر ايمني و بازدهي عمليات بسيار حائز اهميت است. در مطالعات انجام شده در تحقیق حفاری تونل انتقال آب گلاس در بخش آبرفتی حاکي از آن است که محدوده ي مورد مطالعه، جز مناطق پر خطر محسوب مي شود. وضعيت پايداري اين تونل در اجراي روش هاي NATM، EPB TBM و ADECO– RS مورد بررسي قرار گرفته است.
طراحي تونل و شرايط پروژه با استفاده از نرم افزار FLAC3D انجام شده. در روش EPB پايداري سينه کار با استفاده از روش عددي و روش هاي تحليلي جانسز و استينر و کواري و آنگونستا مورد بررسي قرار گرفته است. با توجه به تطابق بسيار خوب نتايج در هر دو روش و به خصوص روش کواري و آنگونستا، مقدار فشار سینه کار 13 بار در شرايط فعلي پروژه باعث کنترل مناسب ناپايداري‌ها خواهد شد.
در ادامه مقدار نيروي پيشران دستگاه براي پيشروي در حفاری آبرفت عمیق پروژه MN 826/105 محاسبه شده است. با توجه به پيش محدوديت هاي اعمال شده در جلوي سينه کار در روش ADECO– RS تونل به لحاظ پايداري در مقايسه با روش NATM وضعيت بهتري دارد. سيستم نگهداري پيشنهاد شده در تونل، در برابر نيروهاي مخرب از مقاومت كافي برخوردار است.

انواع چاه‌ها برای حفاری آبرفت عمیق

چاه های دستی:

این چاه‌ها قدیمی و ابتدایی ترین چاه های آب به شمار می‌روند. که در گذشته، بیشتر از امروز متداول بوده و مورد استفاده واقع می‌شدند. در روستاهای ایران چاه های دستی زیاد است و از آب آن برای مصارف شرب استفاده و یا دام استفاده می‌شود. چاه های دستی را اغلب در رسوبات آبرفتی و با وسایل ابتدایی (کلنگ و بیل) حفر می‌کنند.
هنگام حفر باید تا عمق برخورد به سطح آب زیرزمینی و تا چند متری زیر آن حفر ‌کنند. چون حفر چاه با دست در اعماق زیاد، با مشکلات فراوان همراه است، لذا این چاه‌ها را اغلب در نقاطی حفر می‌کنند که عمق برخورد به سطح آب زیرزمینی زیاد نباشد (بین 5 تا 40 متر). به منظور ایمنی و جلوگیری از ریزش دیواره چاه، آن را توسط تخته سنگ، آجر، بتون و یا لوله جدار پوشش می‌دهند.

چاه های نیمه عمیق:

عده ای چاه هایی که تا اولین سفره ی آب زیرزمینی حفر می‌شوند، چاه نیمه عمیق می‌گویند. عده ای هم می‌گویند که تا وقتی که کیفیت آب در زیر زمین تغییر نکند، چاه حفر شده در آن چاهی نیمه عمیق است. اما نظر غالب این است چاهی که تا اولین سفره ی آب زیرزمینی حفر می‌شود، چاهی است نیمه عمیق به شرطی که عمق آن از 100 متر تجاوز نکند.

مقاله پیشنهادی: استفاده از بیل مکانیکی برای حفاری چاه

چاه های عمیق:

به چاه هایی گفته می‌شود که عمق آن زیاد است و با دستگاه حفاری حفر می‌شوند. بیشتر چاه های کشاورزی و چاه هایی که در سفره های عمیق، یعنی در سفره هایی که سطح آب آن‌ها در اعماق زیاد واقع است، حفر می‌شوند که از نوع عمیق می‌باشند. قطر چاه های عمیق برای حفاری آبرفت عمیق متفاوت است. در عین حال قطر بیشتر چاه های عمیق بین 12 تا 18 اینچ می‌باشد.

انواع چاه های اکتشافی برای حفاری آبرفت عمیق

چاه های اکتشافی:

این چاه‌ها را صرفا به منظور اکتشاف حفر می‌کنند. در مناطقی که هنوز چاهی حفر نشده و از دست کم و کیف سفره ی آب اطلاعی در دست نیست تنها با حفر چاه های اکتشافی که زیر نظر کارشناس یا محقق انجام می‌شود، می‌توان از سفره آب شناخت کافی بدست آورد. بهترین روش به دست آوردن خصوصیات سفره ی آب، حفر و پمپاژ چاه های اکتشافی است.

چاه های پیزومتری:

چاه های پیزومتری را به منظور مطالعه حفاری آبرفت عمیق، نوسان های سطح آب زیرزمینی، تهیه نقشه های تراز آب و محاسبه حجم آب ورودی جانبی زیرزمینی و خروجی سفره حفر می‌کنند. قطر این چاه‌ها را برای پایین آوردن هزینه حفر، کم (6-10 اینچ) انتخاب می‌کنند.

چاه گمانه:

در اصل نوعی چاه اکتشافی به حساب می‌آیند. وقتی که کارشناس در نظر دارد در منطقه ای که وجود و خصوصیات سفره آب برایش ناشناخته است، محلی را برای حفر چاه تعیین نماید، پیشنهاد حفر چاه گمانه را می‌دهند. با این عمل در حقیقت بر وجود آب زیرزمینی مشکوک بوده و مسئولیت عدم موفقیت چاه را به صاحبان چاه واگذار می‌نماید.

چاه های مشاهده ای:

به چاه هایی که در اطراف چاه پمپاژ حفر می‌کنند تا تغییرات سطح آب را در حین آزمایش های پمپاژ اندازه گیری کنند، چاه های مشاهده ای می‌گویند. گاهی به چاه های پیزومتری نیز مشاهده ای می‌گویند. چون سطح آب آن را اندازه گیری و داده‌ها را مشاهده می‌کنند.

چاه های آرتزین:

وقتی که حفاری به یک سفره ی محصور یا تحت فشار برخورد می‌کند، آبی که تحت فشار رسوبات بالای سفره است،در درون چاه بالا می‌آید. ولی اغلب به سطح زمین نمی‌رسد می‌گویند. در نوع چاه به سفره ای که تحت فشار زیاد است برخورد می‌کند و آب از دهانه چاه به بیرون فوران می‌کند.

روش حفاری آبرفت عمیق ضربه‌ای

اکثر چاه‌های آب به صورت ضربه‌ای حفر می‌شوند. در این روش، عمل حفر چاه با بلند کردن و رها ساختن متوالی رشته‌هایی از ابزار حفاری انجام می‌گیرد. ضربات متوالی مته در کف چاه موجب خرد شدن آبرفت یا سنگ‌ها سست می‌شود. در این روش عمل حفر متناوباً قطع می‌گردد و مواد حفاری شده توسط گِل کش بیرون آورده می‌شود. به دلیل سرعت کم، به کارگیری روش ضربه‌ای در حفاری سنگ‌های سخت معمول نیست.
گل کش لوله‌ای استوانه‌ای است که با وارد کردن آن به درون چاه دریچه‌اش باز می‌شود و مواد حفاری شده وارد آن می‌گردد. با بالا کشیدن گل کش، دریچه بسته شده و مواد حاصل از حفاری به سطح زمین انتقال یافته و تخلیه می‌شود. سرعت حفاری ضربه ای در آبرفت های نسبتاً نرم و سخت نشده به چندین متر در روز ولی در سنگ‌های سخت به نیم متر در روز می‌رسد.
سرعت حفاری آبرفت عمیق ضربه‌ای به نوع سنگ، وزن و قطر مته‌ی حفاری، جنس و مشخصات سر مته، فاصله‌ی افتادن مته، تعداد ضربات مته در واحد زمان، فاصله‌ی زمان خارج کردن مواد حاصل از حفاری و فواصل زمانی لوله‌گذاری وابسته است. تجربه‌ی حفار نیز در افزایش یا کاهش سرعت حفاری عاملی تعیین کننده می‌باشد.

مزایای روش حفاری آبرفت عمیق ضربه‌ای: نمونه‌گیری بدون گل حفاری انجام می‌شود. با تغییر جنس لایه‌ها، مقطع زمین شناسی از چاه تهیه می‌گردد. تغییرات سطح ایستابی قابل اندازه‌گیری است. هنگام عبور از لایه‌های آبدار می‌توان نمونه‌گیری انجام داد.
معایب روش حفاری آبرفت عمیق ضربه‌ای: سرعت حفاری کم است. عمق حفاری محدود می‌باشد و با افزایش عمق، حفاری دشوارتر و کندتر می‌شود. در حفاری‌های عمیق، بیرون کشیدن لوله‌ها و لوله‌گذاری مشکلاتی ایجاد می‌کند.

روش حفاری آبرفت عمیق چرخشی

حفاری چرخشی که به آن حفاری دورانی نیز گفته می‌شود، جهت انجام حفاری‌های اکتشافی و به منظور افزایش سرعت حفاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، مته به انتهای یک سری لوله‌های توخالی که لوله حفاری نامیده می‌شوند، متصل شده و حرکت موتور به وسیله‌ی لوله‌های حفاری به مته منتقل می‌گردد. با حرکت مته سنگ خرد شده و برای خارج کردن مواد خرد شده از گل حفاری استفاده می‌شود.
گل حفاری علاوه بر خارج کردن سنگ‌های خرد شده از چاه، موجب خنک کردن سر مته و تسهیل عملیات حفاری می‌شود. همچنین، اگر آبرفت سست باشد، از ریزش دیواره‌ی چاه جلوگیری می‌کند. از امتیازات حفاری دورانی این است که ضمن حفاری، به ندرت لوله جداری لازم می‌شود، زیرا همانطور که ذکر شد، گل حفاری دیواره‌ی چاه را گل اندود می‌کند. ماده‌ی اصلی گل حفاری، آب و نوعی رس به نام بنتونیت است.
سرعت حفاری دورانی به سختی سنگ، مقاومت سنگ، اندازه و نوع مته، سرعت چرخش مته، خواص گل حفاری و فشار گل در ته چاه وابسته است. سرعت حفاری در رسوبات سخت نشده ممکن است به ۱۰۰ متر در روز هم برسد، ولی در سنگ‌ها و رسوبات سخت شده به چند متر در روز می‌رسد.

مزایای حفاری آبرفت عمیق چرخشی: سرعت بالای حفاری. عدم احتیاج به لوله جداری در بیشتر مواقع. عدم وجود محدودیت عمق حفاری. عدم انحراف قائم چاه. امکان حفاری در انواع مختلف سازندها.
معایب حفاری آبرفت عمیق چرخشی: هزینه ی بالای حفاری و تجهیزات و در نتیجه نداشتن صرفه‌ی اقتصادی در بسیاری از موارد. لزوم استفاده از گل حفاری. دشوار بودن حمل و نقل تجهیزات به ویژه در مناطق دور دست.

سوالات متداول :
مزایا و معایب حفاری آبرفت عمیق ضربه‌ای و چرخشی چیست؟ در کشورهای کم آب مانند ایران، چاه‌های آب نقشی حیاتی در صنعت کشاورزی ایفا می‌کنند. به طور کلی بسته به عمق سفره‌ی آب زیرزمینی، نوع چاه آب می‌تواند کم عمق، نیمه عمیق و یا عمیق باشد. چاه‌های کم عمق معمولاً به صورت دستی حفر می‌شوند ولی چاه‌های با عمق بیشتر جهت حفر نیازمند دستگاه‌های حفاری می‌باشند و پس از اتمام حفاری بایستی مورد تکمیل و تجهیز قرار گیرند و در نهایت با استفاده از پمپ آب چاه به سطح زمین منتقل گردد.
سرعت حفاری آبرفت عمیق دورانی به چه عواملی بستگی دارد؟ سرعت حفاری دورانی به سختی سنگ، مقاومت سنگ، اندازه و نوع مته، سرعت چرخش مته، خواص گل حفاری و فشار گل در ته چاه وابسته است. سرعت حفاری در رسوبات سخت نشده ممکن است به ۱۰۰ متر در روز هم برسد، ولی در سنگ‌ها و رسوبات سخت شده به چند متر در روز می‌رسد.