حفاری دورانی (روتاری، چرخشی)

از جمله رایج ترین و متداول ترین روش حفاری معادن، روش حفاری روتاری (حفاری چرخشی) است که اصطلاحا به آن روش حفاری مته دورانی نیز گفته می شود. این روش از سرعت نسبتا بالایی نسبت به سایر روش های حفاری در عملیات معدن، برخوردار است.

در روش حفاری روتاری (حفاری چرخشی) عموما از تعدادی لوله های توخالی که بیشتر از جنس فولاد و آلومینیوم هستند، استفاده و بهره برداری می شود. با اتصال مته به انتهای این لوله ها، گشتاور و نیروی موتور به مته منتقل شده و باعث حرکت آن می شود. حرکت دورانی مته، باعث شکستن سنگ می شود و به وسیله آن، می توان عملیات حفاری را تا عمق معین انجام داد. در این روش، برای خارج کردن مواد خرد شده به گل حفاری نیاز داریم.

گل حفاری در حقیقت حاصل ترکیب خاک رس و آب می باشد. گل حفاری به جای آب در محل حفر چاه به گردش در می آید. این ماده به هیچ عنوان چسبندگی ندارد و در برخی حفاری ها به ویژه حفاری هایی که به منظور اکتشاف واستخراج نفت صورت می گیرند، مورد استفاده قرار می گیرد. گل حفاری عموما با نام های تجاری گوناگونی از جمله بنتونیت و آکوا ژل شناخته می شود.

در فناوری حفاری به روش حفاری دورانی (روتاری، چرخشی)، از یک مته چرخشی قدرتمند و تیز و وارد آوردن فشار رو به پایین جهت برش یا خرد کردن سطح سنگ استفاده می شود. انرژی حاصل از ضربه از طریق چکش ضربه ای، در سطح زمین تامین می شود. این نیروی ضربه باعث تداوم عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی) می گردد. بسته به نوع سازند، پوشش مته با حفر چاه پیشروی می کند. روش ها و تکنیک های متعددی وجود دارد که هر کدام برای اجرا در شرایط زیرسطحی مختلف، مناسب می باشند. عموما تفاوت این روش ها در نحوه برش و استخراج نمونه است.

 استخراج مداوم قطعات برش خورده توسط مته در تمامی روش های حفاری روتاری (حفاری چرخشی) برای تمیز نگه داشتن چاه و همچنین حرکت آزادانه مته، لازم و ضروری می باشد. از جمله روش های حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، می توان به روش روتاری (چرخش) هوا، روتاری (چرخش) گل، روتاری (چرخش) دوگانه و روتاری (چرخش) معکوس اشاره کرد. در ادامه به توضیح و شرح جداگانه هر یک از این روش ها می پردازیم:

حفاری معدن به روش روتاری (چرخش) گل، اغلب اوقات در مناطقی که دارای رسوبات نرمی هستند و ممکن است از آب های زیرزمینی اشباع شده باشند، مورد استفاده قرار می گیرد. پیشروی گمانه توسط حفاری روتاری (چرخش) گل، به کمک چرخش سریع مته ای که در انتهای لوله حفاری نصب شده است، صورت می گیرد. در این روش مته، سازند را به قطعات کوچک برش خورده تقسیم می کند؛که با پمپاژ سیال حفاری که همان گل حفاری می باشد، به کمک لوله حفاری، از طریق فضای بین گمانه و لوله حفاری خارج می گردد. از دیگر وظایف سیال حفاری می توان به خنک کردن مته و تثبیت دیواره گمانه، جلوگیری از اتلاف سیال در سازند و کاهش آلودگی سفره‌ های آب زیرزمینی اشاره نمود. پس از رسیدن گل حفاری به سطح زمین، گل مجددا به داخل چاه بازگردانده می شود.

حفاری معدن به کمک روش روتاری (چرخش) هوا، فرایندی است که جهت حفاری گمانه های عمیق در سازندهای سنگی استفاده می شود. در این روش حفاری، از هوا به عنوان یک محیط در گردش برای خنک کردن مته، آوردن برش های مته به سطح و حفظ یکپارچگی گمانه استفاده می شود. هنگامی که هوا و قلمه ها به سطح زمین می رسند، تجمیع شده و قلمه ها از قسمت کف خارج می شوند.

این روش در مناطقی که دارای بار های اضافه مانند ماسه، شن، سنگ ‌فرش و تخته سنگ هستند، بهترین کارایی را خواهد داشت. عموما  سایر متد ها در این گونه مناطق، با مشکل مواجه شده و عملکرد خوبی نخواهند داشت. این مزیت، سبب گردیده تا روتاری (چرخش) دوگانه به عنوان یکی از کارآمدترین و مقرون به صرفه ترین روش ها برای حفاری چاه در سازند های سخت، شناخته شده و مورد استفاده قرار گیرد.

بر خلاف سایر سیستم های حفاری که در آن ها فقط از یک درایو بالایی استفاده می‌شود، روش حفاری روتاری ( حفاری چرخش) دوگانه، از یک درایو بالایی و همچنین یک درایو پایینی برای پیش راندن مته استفاده می‌کند. نیروهای چرخشی از طریق فک های دستگاه، به بدنه منتقل می شوند. یک کفشک با میخی از جنس کاربید، که به انتهای اولین قسمت بدنه، جوش داده شده است، پوشش را قادر می‌سازد تا راه خود را از میان بار اضافی پیدا کند. یک سر چرخشی درایو بالا به طور همزمان، رشته حفاری مته که مجهز به چکش پایین چاه می باشد؛ و مته مخروطی غلتشی را تحت کنترل خود در می آورد تا فرایند حفاری ادامه یابد.

در عملیات  حفاری معدن به روش روتاری (گردش) معکوس، انرژی چرخشی و ضربه ای، مشابه روش روتاری (چرخش) هوا عمل می نمایند؛ با این تفاوت که نمونه ها زمانی به دست می آیند که هوای فشرده با فشار بالا در فضای حلقه ای بین میله مته و گمانه وارد می شود و از وسط میله مته خارج می گردد. نمونه‌های به دست آمده از روش حفاری روتاری (حفاری گردش) معکوس، دست نخورده تر هستند و در عملیات حفاری معدن جهت اکتشاف مواد معدنی، بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

گفته می شود، نخستین چاهی که به روش حفاری روتاری (حفاری چرخشی) حفر گردیده است؛ چاهی به نام اسپیندل تاپ در سال 1901  می باشد. این چاه به منظور عملیات  اكتشافي در نزديكي بيومونت در ایالت تگزاس کشور آمریکا حفر شد. لازم به ذکر است فرایند حفر چاه به کمک روش های ابتدایی حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، به مدت پنج سال در منطقه مذکور انجام می شده است. معدن کاران مشغول به فعالیت در پروژه اسپيندل تاپ، از مجموع تجاربی که در طی پنج سال اخیر خود در مورد حفاري دوراني یا چرخشی داشته ‏اند، بهره گرفته و عملیات حفاری را به سر انجام رسانده اند. آنها به کمک  متد حفاری روتاری (حفاری چرخش) گل و با استفاده از ذرات خرد شده نوعي سازند نرم غيرقابل ريزش، حفاری روتاری (حفاری چرخشی) را انجام داده اند.

احتمالا منبع گل حفاری مورد نياز در این پروژه، خود چاه تحت عملیات بوده است. این بدین معناست که كنده‏های نوعی رس که  متعلق به سازند بوده، با آبی كه در چاه مذکور به گردش درمی آمده است، در طی عملیات مخلوط و گل حفاری قابل گردش در چاه را تهیه و مورد استفاده قرار می دادند.

تجهيزات مورد نياز برای عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، به مرور زمان پيشرفت كرده و تکامل یافته است. با این وجود، اساس كار و مکانیزم آن ها ثابت بوده و بدون تغییر باقی مانده است. دو فاکتور مهم و اساسی در عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی) باید مد نظر قرار داده شوند؛ یکی ساق حفاری مورد استفاده در حفاری روتاری (حفاری چرخشی) مورد نظر، به منظور دوران دادن مته و دیگری نوع سیال حفاری که قرار است در چاه به گردش درآورده شود.

سیال مورد استفاده در این نوع حفاری، باید درون ساق حفاری پمپاژ شده و با گذشتن از مته، به سطح زمین راه پیدا کند.

به طور کلی در طی یک عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، مته مورد استفاده و همچنین لوله حفاری به چرخش درآمده و باعث خرد شدن سنگ و پیشروی در حفر چاه می گردند. با وارد آمدن فشار لازم روی مته، عملیات تداوم یافته و چاه را تا عمق مناسب حفر می کنند. انرژی مورد نیاز جهت چرخش مته و لوله حفاری، توسط صفحه دوار یا همان صفحه روتاری (چرخشی) یا Rotary Table فراهم می شود.

 هنگامی که صفحه دوار به چرخش در می آید، لوله حفاری و مته نيز مي‏چرخند؛ از این رو به این متد حفاری روتاری (حفاری چرخشی) یا مته روتاری (دورانی) گفته می شود. مته مورد استفاده در حفاری، تنش مماسی را به سنگ وارد مي کند و به همین دلیل باید مقاومت برشي سنگ ها را مدنظر قرار داد تا سنگ ها از طریق برش، به قطعات کوچکتر شکسته شوند. چنانچه گفته شد انرژي چرخشي از طريق صفحه دوار تأمين مي‏شود و بنابراین، این عضو نقش مهمی در طی عملیات حفاری روتاری (چرخشی) دارد. لازم به ذکر است بار روی مته در این روش حفاری، به وسیله لوله‏ هاي پشت مته و ارتباط آن ها با پايه تيرهاي ستوني در سطح از طريق كابل ها، سيلندر هيدروليكي و عوامل دیگر تأمين مي‏گردد.

سرعت پیشبرد عملیات حفاري در سیستم حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، به عوامل مختلفی از جمله جنس مته مورد استفاده ، نوع سازند، میزان انرژي چرخشي و تراست بستگي دارد.

انتخاب دستگاه حفاری مناسب جهت انجام عملیات حفاری به روش حفاری دورانی (روتاری، چرخشی) بسیار مهم و حائز اهمیت می باشد. به طور کلی یک دستگاه حفاری روتاری (حفاری چرخشی) از قسمت های زیر تشکیل شده است:

• قسمت دكل که سنگینی و فشار ناشی از لوله ها به کمک کابل به آن انتقال می یابد.
• خط جريال گل که در واقع همان مسير حركت گل روی سطح زمين می باشد.
• غربال كننده ی ذرات حفاري از گل که باعث جدا شدن گل از ذرات حفاری مي گردد.
• قسمت مخزن گل که گنجایش آن بين 300 تا 700 بشكه گل می باشد.
• پمپ گل حفاري که وظیفه پمپاژ گل حفاري از مخزن گل را به عهده دارد.
• سيستم كنترل كننده مرکزی كابل‏ها که وظیفه افزایش یا کاهش طول کابل ها را در فرایند حفاری به عهده دارد.
• صفحه دوار یا Rotary Table که همان گونه که ذکر گردید، وظیفه گردش لوله حفاری و مته را به عهده دارد.
• مته که عضو مهمی در عملیات حفاری است و انرژی لازم را به سنگ وارد کرده و باعث شکستن سنگ می گردد.
• موتور که تأمين كننده قدرت انرژي دستگاه حفاری می باشد.
• پايه دكل كه نقش نگهدارنده و تکیه گاه دکل را ایفا می کند و فشارهاي وارده از جانب دکل را تحمل مي‏كند. در دستگاه های حفاري روتاری (چرخشي) عموما از موتورهاي ديزلي و برقي استفاده مي‏شود. گفتنی است استفاده از موتورهای دیزلی در دستگاه های حفاری به روش روتاری (چرخشی) رایج تر و معمول تر می باشد؛ اگرچه موتور های برقي کارآمد تر بوده و راندمان بالاتری در عملیات حفاری دارند اما اغلب اوقات، تهيه موتور های برقی پر قدرت برای چاه های حفاری کار آسانی نخواهد بود. موتور دستگاه حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، انرژی مورد نیاز براي ایجاد انرژي جنبشي در ‏تراست، كشيدن كابل های حفاری، عبور سيال حفاري از درون لوله حفاري برای انتقال قطعات کوچک حفاري از انتهای چاه و تراز نمودن جك ها مصرف مي‏شود. میزان قدرت مورد نیاز هر عملیات حفاری توسط موتور تامین می گردد و اين مقدار توسط مهندسان ذی ربط در فرایند حفاري  برحسب اسب بخار محاسبه می گردد.
• تاج دكل كه كابل هاي حفاری دستگاه روتاری (چرخشی) از آن عبور می کنند.
• كابل هاي حفاري که نقش به سزایی در عملیات حفاری داشته و علاوه بر عبور دادن طناب خور، لوله‏ هاي حفاري را نگهداری می کنند.
• طناب خور و یا اصطلاحا تراولينگ بلوک که وظیفه عبور دادن كابل هاي بالابر و پایین‏ بر لوله‏ ها را عهده دار می باشد.
• قلاب که به آن هاك نیز گفته می شود، در قسمت انتهای طناب خور قرار دارد و از انتقال چرخش لوله های مورد استفاده در حفاری به کابل های حفاری ممانعت به عمل می آورد.
• هرز گرد قسمتی است که اتصال شيلنگ گل حفاري را به لوله چند بر میسر می سازد و از انتقال نيروي روتاری (چرخشي) لوله چند بر به لوله ی عمودی حفاری و شيلنگ حفاري ممانعت به عمل می آورد.
• لوله چند بر به صفحه دوار متصل شده است و وظیفه انتقال انرژي چرخشي به لوله ‏های حفاری را به عهده دارد.
• لوله خرطومي يا شيلنگ گل حفاري در حقیقت واسطه بین هرزگرد و لوله قائم حفاری بوده و باعث عبور گل حفاری از طریق هرزگرد به داخل لوله های حفاری می شود.
• لوله ی قائم عبور دهنده ی گل که همانطور که از نام آن پیداست ، با عبور دادن گل حفاری از درون این لوله، آن را وارد شیلنگ گل حفاری می نماید.

طی عملیات حفاری به روش روتاری (چرخشی)، سنگ ها از طریق خراشیدگی و تراش به قطعات کوچکتری که سایز آن ها بین 8/1 تا 1 اینچ می باشد، تقسیم می شوند.

همان طور که اشاره شد، سرعت حفاری در سیستم حفاری روتاری (حفاری چرخشی) عمدتا به نوع مته، نوع سنگ، مقدار انرژی چرخشی و تراست یا همان بار اعمال شده روی مته بستگی دارد .

رشته لوله حفاري هنگامی که چاه تا عمق مد نظر حفاري مي شود و یا  مته ساييده می شود و باید تعویض گردد، باید از چاه خارج گردد ویا اینکه امکان جداره گذاری چاه فراهم شود. به فرایند خارج کردن رشته حفاری از چاه و وارد کردن مجدد آن، پیمایش می گویند.

در مرحله اول برای انجام پیمایش، می بایست هرز گرد را از قلاب جدا کرده و میله چهار بر و هرزگرد را در  درون یک غلاف که اصطلاحا به آن غلاف لانه خرگوشی (Rat Hole) گفته می شود، قرار داده شود. در این مرحله هرز گرد هنوز توسط شلنگ به پمپ گل حفاری متصل است. پس از آن در مرحله بعد، رشته حفاري را تا ارتفاع  خاصی که عموما  به اندازه سه برابر طول يك لوله ی حفاري در نظر گرفته می شود، به وسیله  دستگاهی به سمت بالا منتقل می کنند.

سپس به وسیله یک لوله گیر لوله ی بعدی به ميز دوران یا همان Rotary Table اتصال یافته و چفت مي شود. به كمك آچار مخصوص Tongs لوله های بالاتر از سایر رشته لوله حفاري جدا مي شود. سپس اين لوله های جدا شده از قسمت بالابر آويزان مي شوند. کارکنان عملیات حفاري قسمت انتهای این لوله ها را با هل دادن از محل اتصال خود جدا می کنند. فرد مسئول دكل در عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی) که Derrick Man نامیده می شود، روی سكوي ايمنيMonkey Board  می ایستد و قسمت بالابر را جدا می کند و انتهاي بالایی سه لوله مذکور را در درون Pipe Rack  قرار مي دهد. لازم به ذکر است در طی عمليات پيمايش، چرخش مته و گردش جريان سيال مورد استفاده در عملیات حفاری متوقف شده و مته و سیال ساکن هستند.

مرحله دوم از عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، مرحله جداره گذاری نام دارد. پس از حفر چاه به روش روتاری (چرخشی) تا عمق مورد نظر نیاز به جداره گذاری چاه می باشد. جداره گذاری چاه باعث جلوگيري از فروپاشي ديواره چاه و انسداد آن می شود و به نگهداري سالم چاه براي سال های آینده کمک می کند.

برای شروع فرایند جداره گذاری ابتدا می بایست لوله هاي جداره گذاري را درون چاه مورد نظر قرار دهیم. بدیهی است قطر لوله های به کارگرفته شده در جداره گذاری باید مقداری کمتر از قطر چاه باشد. این امر موجب می شود تا فاصله بين جداره های قرار داده شده در چاه و ديواره چاه بسیار اندک شده و اجرای فرایند مذکور حساس تر شود.

لوله هاي مخصوص جداره گذاري  به ترتیب و تک به تک درون چاه قرار داده شده و استقرار می یابند. سپس داخل این لوله ها دوغاب سیمان مانند گل حفاری پمپاژ می گردد.

در این مرحله، دوغاب سيمان از داخل لوله هاي جداره گذاري عبور می کند و وارد فضاي حلقوي ایجاد شده بین چاه و لوله های جداره گذاری  مي شود و به سمت بالا حرکت می کند. این دوغاب پس از مدتی خشک و سفت می گردد و به اين ترتيب کل قسمت محصور میان لوله جداره گذاري و ديواره چاه از يک لايه بادوام و مستحکم اشباع می شود. اين مرحله را می توان از مهم ترین مراحل حفاری چرخشی دانست.

مرحله بعدی، مرحله نصب تجهيزات سرچاهي می باشد. پس از پایان یافتن مراحل فرایند جداره گذاري و سیمان ریزی در چاه، لازم است تا امکانات و تجهيزات مورد نياز جهت آب بندی کردن چاه در قسمت بالایی آن فراهم شود.

در نهایت، به مرحله پایانی عملیات میرسیم که مرحله تكميل سازي چاه می باشد؛ در اين مرحله تجهيزات لازم جهت بهره برداري چاه در داخل چاه قرار می گیرند و عملیات حفاری روتاری (حفاری چرخشی)، به پایان می رسد.

حفاری روتاری (حفاری چرخشی) هیچ محدودیتی در عمق حفاری ندارد. امکان حفر چاه قائم بدون انحراف در آن و همچنین سرعت بالای حفاری از مزایای این روش محسوب می شود و از محدودیت های آن می توان به هزینه نسبتا بالای تجهیزات، مشکلات حمل و نقل تجهیزات به خصوص در مناطق صعب العبور و همچنین استفاده از گل حفاری اشاره کرد.

در ادامه به بررسی و شرح دستگاه های مورد استفاده در حفاری روتاری (حفاری چرخشی) می پردازیم؛

دستگاه دریل واگن از  6 بخش زیر بندی، دکل با ابعاد مختلف، کنترل پنل، سیستم روتیشن یا دوران، پاوریونیت، سیستم پیشروی با سیستم جک و قرقره مرکب و یا همان سیستم موتور و گیربکس تشکیل شده است.قسمت های مختلف این دستگاه شامل مته حفاری، میله حفاری، دکل حفاری، سیستم جلوبرنده مته، سیستم ضد قفل مته، جک های هیدرولیکی، فرمان و تابلوی کنترل دستگاه، سیستم روشنایی دستگاه، چرخ ها وموتور دیزلی یا الکتروموتور ، کمپرسور، سیلندرها شامل سیلندرهای هیدرولیکی روی لاستیک ها جهت تراز کردن ماشین و مخزن روغن و قسمت های دیگر می باشد.

دستگاه دریل واگن، دستگاهی دارای سه درجه آزادی می باشد و می توان آن را در ابعاد و ظاهر متفاوت طراحی و تولید کرد. کنترل این دستگاه به صورت هیدرولیک و پنوماتیک یا بادی می باشد که از طریق کنترل پنل، این کنترل اعمال می گردد. این دستگاه از جمله دستگاه های حفاری ضربه ای نیز می باشد که در آن مجموعه پاورهد به وسیله واگن به دکل متصل گردیده است و می تواند بر روی دکل به صورت خشاب وار حرکت رفت و برگشتی و متناوب انجام دهد.

دستگاه حفاری دریل واگن چرخ شنی، نوع خاصی از دستگاه های دریل واگن می باشد که در آن مجموعه پاورهد و دکل روی زیر بندی از نوع چرخ شنی، مونتاژ می شود که این امر موجب تسهیل در اجرای عملیات حفاری و همچنین تسریع در فرایند چال زنی انبوه می گردد.

از کاربرد های دیگر این دستگاه، می توان به استفاده در عملیات حفاری معادن، سدسازی، راه سازی ، تونلینگ، ژئوترمال و … اشاره کرد. از مزایای استفاده از این دستگاه، صرفه جویی در زمان تخصیص یافته به عملیات حفاری، عدم نیاز به تثبیت در زمین به دلیل وزن زیاد دستگاه، ارائه در دو نوع هیدرولیک دیزلی و هیدرولیک برقی، جابجایی به صورت خودکششی و… می باشد.

دستگاه  حفاری دریل واگن در دو نوع دستگاه حفاری عمود زن و دریل واگن نیلینگ  طراحی و تولید می شود. قطر حفاری انجام شده توسط این دستگاه، عموما بین 50 تا 150 میلی متر و قطر راد بین 50 تا 90 میلی متر می باشد. طول راد در آن 3 متر  بوده و حداکثر عمق حفاری انجام شده توسط دریل واگن، 150 متر است؛ همچنین وزن این دستگاه حدود 5000 کیلوگرم و طول پیشروی آن، 4 متر است.

بیشتر بخوانید: نیلینگ چیست؟