پروژه بررسی کمی و کیفی باریت و بنتونیت در صنعت حفاری بخصوص گل حفاری

مهندسی شیمی-صنایع پتروشیمی

-1 مقدمه

حفاری به معنی نفوذ در سنگ است. نفوذ در سنگها گاهی به منظور خرد کردن آنها انجام می گیرد. برای خرد کردن سنگها باید چالهای انفجاری حفر کرد و در داخل آنها مواد منفجره قرار داد. با منفجرکردن چالها، سنگها خرد می شوند، و با خرد شدن سنگها، استخراج و برداشت آسانتر است و با هزینه کمتری انجام می گیرد. در استخراج کلیه معادن به استثنای موارد نادر، مانند استخراج سنگهای ساختمانی یا برداشت بعضی از سنگهای سست، حفاری جزء عملیات اجتناب ناپذیر محسوب می شود. این نوع حفاری را حفاری استخراجی می گویند. حفاری در معادن تنها به منظور استخراج نیست؛ بلکه قبل از استخراج یا به هنگام استخراج، برای اکتشاف نیز انجام می پذیرد.

حفاری اکتشافی ممکن است به منظور کشف و پی بردن به وجود کانی یا ماده معدنی، ویا به منظور پی بردن به شرایط کیفی سنگها صورت گیرد. با توجه به بالا بودن هزینه حفاری اکتشافی و بعضی مشکلات فنی توصیه می شود که هر دو گروه متخصصانی که به دنبال کشف کانی یا در جستجوی کشف شرایط کیفی سنگها هستند، مطالعات خود را همزمان شروع کنند، علاوه بر حفاری استخراجی و حفاری اکتشافی، حفاری به منظور کارهای تکنیکی مانند حفاری به جهت تزریق سیمان در داخل درزه ها، حفاری جهت خارج کردن گازها از لایه ذغال یا حفاری به منظور منجمدکردن آب در داخل طبقات نیز انجام می گیرد. لذا عملیات حفاری در زمینه های مختلف مهندسی و علوم کاربرد وسیعی دارد. امروزه بیش از95 درصد حفاریها به روش مکانیکی و با ماشینهای ضربه ای، چرخشی و ماشینهای ضربه ای- چرخشی انجام می گیرد. در روش مکانیکی نفوذ در سنگ با انرژی مکانیکی و از طریق اعمال ضربه های پی در پی، یا در اثر تماس انجام می گیرد. قطر چالهایی که با روش مکانیکی حفر می شوند بین2/1 اینچ تا24 اینچ و عمق آنها از چند تا سانتیمتر تا چند هزار متر متغیر است. عمق غالب چالهای انفجاری کمتر از20 متر و قطر آنها در معادن زیرزمینی کم است. اما امروزه در معادن روباز، برای پایین نگهداشتن هزینه های حفاری و انفجار و نهایتا کاهش هزینه استخراج قطر چالهای انفجاری را زیاد             می گیرند؛ از این رو بین ماشینهایی که چالهای انفجاری در معادن روبار حفر می کنند و ماشینهای حفاری اکتشافی و ماشینهایی که به منظور استخراج نفت، گاز و آب به کار       می روند، مشابهت زیادی وجود دارد. به طور مصطلح در حفاریهایی که به منظور دسترسی و استخراج سیالاتی مانند نفت ، گاز و آب انجام می گیرد، و همچنین در حفاری اکتشافی به جاری واژه چال از واژه چاه استفاده می شود. در به کارگیری واژه چال یا چاه صرفنظر از نقش سیال، ژنومتری، بویژه، عمق چال یا چاه نیز موثر است. چالها معمولا عمق کمی دارند؛ درحالی که عمق چاه بیشتر است. درهر صورت، شکل چالها یا چاهها سیلندری است و قطر آنها از عمق کمتر است. غیر از روش حفاری مکانیکی، روشهای دیگر نیز وجود دارد که در دست تحقیق و توسعه اند؛ مانند روشهای حفاری حرارتی، و حفاری لیزری که نفوذ در سنگها تنها به کمک انرژی مکانیکی انجام نمی گیرد؛ بلکه ابتدا از طریق حرارت یا فعل و انفعالات شیمیایی، سنگ را سست می کنند؛ سپس به کمک ماشینهای حفاری عمدتا چرخشی، در سنگ سست نفوذ می کنند تا چال یا چاه ایجاد شود. در این روشها که به انها روشهای پیشرفته حفاری نیز می گویند، هرچند سرعت حفاری200 تا400 درصد افزایش می یابد،مشکلات فنی متعددی وجود دارد که تا رفع این عیوب به زودی قابل استفاده نخواهد بود.

1-2  تاریخچه حفاری

به طور 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. پروفسور« هرمن بائر» در کتاب هیدرولوژی آبهای زیرزمینی و پروفسور«کی.مک گرگر» در کتاب حفاری در سنگ معتقدند که هنوز آثاری از تونل، قنات و چاههای عمیق حفر شده توسط ایرانیان و چینی های قدیم دیده می شود. و مصریان قدیم نیز به وسیله کروندم، درمیان سنگهای پورفیری چالهایی حفر کرده اند. تا چند دهه قبل، سیستم حفاری دستی جهت ایجاد چال برای احداث تونل، خط راه آهن و معدن متداول بود، و بدون شک، در مناطقی که امکان دسترسی به برق نیست. این روش حفاری هنوز کاربرد دارد. روش ابتدایی سیستم حفاری دستی بیشتر برای حفر چال کم عمق در سنگهای با مقاومت ضعیف یا متوسط مورد استفاده داشته است. برای انجام این روش، وجود یک حفاری کافی است. حفار معمولا با یک دست، مته را روی سنگ قرار می دهد. و با دست دیگر، به وسیله ضربه زدن یا چکش حفاری(با وزن4 پوند یا8/1 کیلوگرم)، ضربه ای روی مته جهت نفوذ آن در سنگ وارد می کند. حداکثر سرعت در این روش،3/0 متر(یک فوت) در ساعت است و بیشترین حد ممکن برای عمق60 سانتی متر( دو فوت) و برای قطره حدود32 میلیمتر              ( اینچ) است. حفاری دستی، بنا به ضرورت، تکامل تدریجی یافت؛ به نحوی که امکان ایجاد چال با عمق بیشتر نیز ممکن گردید. در این مرحله، معمولا یک نفر مته را روی سنگ مورد نظر قرار می دهد و یک یا دو نفر دیگر با وارد کردن ضربه کمک چکشهای حفاری2/3 تا5/4 کیلوگرمی(7 تا10 پوندی) موجبات نفوذ در سنگ را فراهم می کردند. برای حفر یک چال با عمق8/1 متر(6فوت) در سنگهای سخت و آذرین، مانند گرانیت، وجود یک گروه دو یا سه نفره حفار با کار مداوم5 تا6 ساعته کافی است. البته، بدون شک شرایط حفاری در سرعت حفاری موثر است؛ به عنوان، مثال، سرعت حفاری در سنگهای رسوبی دو برابر سرعت حفاری در سنگهای آذرین است(تاثیر جنس سنگ).با گذشت زمان و افزایش نیاز به حفاریهای عمیق، بویژه برای دسترسی به آب، روش دیگری از حفاری دستی به نام روش کابلی متداول شد که درآن، طول مته بیشتر بود و برای ضربه زدن از کابل فولادی استفاده می شد. در این روش که امکان حفر چالهای تا15 متر(50 فوت) را فراهم آورد، مته فولادی طویلتری به کابل فولادی متصل بود. به طور معمول، سه یا چهار نفر با حرکت کابل به سمت بالا و فرود آوردن آن روی محل مورد نظر، حفاری را انجام می دادند. با این روش، امکان حفر چالهای عمیقتر با قطر بیشتر در زمان کمتر فراهم شد. به عنوان مثال با این روش در سنگهای آهکی نسبتا نرم حفر چالهایی با قطر50 میلیمتر(2 اینچ) و عمق7 متر(20 فوت) توسط یک گروه حفار سه نفره طی3 ساعت عملی گردید. با این روش، فقط چالهای قائم حفر می شود.

طی سالیان دراز، تنها منبع تامین انرژی مورد نیاز درحفاری، نیرو انسانی بوده است. به تدریج با رواج یافتن استفاده از ماشین بخار، الکتریسیته، و سوختهای گازی و مایع، ساخت انواع ماشینهای حفاری مکانیکی نیز توسعه یافت؛ به نحوی که امروزه، امکان بیشتری برای افزایش عمق و سرعت در عملیات حفاری وجود دارد. در اینجا به پاره ای از تحولات در زمینه حفاری می پردازیم:

1-بین سالهای1820-1810، سیستم حفاری چرخشی ساخته شد که منبع انرژی آن، ماشین بخار بود(Trevithick).

2-بین سالهای1840-1830 سیستم حفاری کابلی توسعه یافت که منبع انرژی آن نیز ماشین بخار بود(Issac Singer).

3-بین سالهای1860-1850 ، دستگاه حفاری مجهز به الماس(روی مته های آن) ساخته شد(Bullock) و دستگاه ضربه ای نیز که ضربه زدن آن پیستون بود و منبع انرژی آن هوای فشرده در تونل آلپین، در آمریکا مورد استفاده قرار گرفت.

4- بین سالهای1880-1870، سیستم حفاری مغزه گیر مجهز به الماس(روی مته آن) در آمریکا توسعه یافت؛ به نحوی که تا عمق670 متر(2200 فوت) را حفاری می کرد. شرکت ارائه دهنده این سیستم،« اینگرسل» (Ingersoll) نام دارد.

5-بین سالهای1890-1880، سیستم حفاری مغزه گیر الماسی در آمریکا ارائه شد که امکان حفاری تا عمق1750 متر(5734 فوت) را فراهم کردو

6-بین سالهای1900-1890، سیستمهای حفاری ضربه ای- چرخشی در آمریکا ساخته شد که منبع انرژی آن، هوای فشرده، بخار و الکتریسیته بود. در این فاصله سیستم حفاری چرخشی که منبع انرژی آن بخار بود، جهت حفر چاههای نفت توسعه داده شد.

7-بین سالهای1910-1900،مته هایی توسعه یافت که روی آن سه عامل برش دهنده مخروطی شکل یا خردکننده سنگ نصب شده بود.

8-بین سالهای1940-1920، برای اولین بار، مته هایی از جنس کربور تنگستن درآلمان به کار رفت.

9- بین سالهای1966-1940، مته های ساخته شده از جنس کربور تنگستن در حفاری بسیار متداول و رایج شد.

10-بین سالهای1975-1970، ماشین حفاری هیدرولیکی به صنعت حفاری معرفی شد که در این ماشین بر خلاف ماشینهای حفاری ضربه ای از روغن تحت فشار به جای فشار هوا در حفاری استفاده می شود.

11-بین سالهای1985-1970، تلاش کشورهای شوروی و آمریکا برای حفر چاههای عمیق با سیستم حفاری چرخشی به منظور دسترسی به نفت و گاز به نتیجه رسید. و در اکلاهمای آمریکا و سیبری شوروی، با استفاده از این روش، چاههای با عمق بیش از10000 متر(30000 فوت) حفر شد، و متعاقب آنها آلمانیها چاهی با عمق حدد13000 متر حفاری کردند.

با توجه به تاریخچه مزبور، سیستمهای حفاری توسعه یافته را می توان به پنج گروه تقسیم کرد:

سیستم حفاری دستی که ضربه زن آن چکش حفاری است و اعمال ضربه به کمک نیروی انسانی صورت می گیرد.

سیستم حفاری چکشی که ضربه زن آن چکش حفاری و مکانیکی است.

سسیستم حفاری کابلی که ضربه زن آن کابل فولادی است.

سیستم حفاری چرخشی که به جای ضربه زدن به مته، با چرخش لوله حفاری و مته، عمل نفوذ پذیری و حفر چال صورت می گیرد.

سیستم حفاری ضربه ای- چرخشی که اساس کار آن ضربه است و عامل چرخش        نیز دارد.

سیستم حفاری هیدرولیکی که به جای استفاده از فشار هوا از فشار روغن استفاده        می شود. در سالهای اخیر، حفاری مکانیکی به تدریج جایگزین حفاریهای دستی شده و بخار، هوای فشرده، الکتریسیته، و مابع، منبع اصلی انرژی برای دستگاههای            حفاری است.

1-3  واژه های اصلی مورد استفاده درحفاری

1-چاه یا چاه: فضا یا حفره استوانه ای که درآن، قطر از عمق کمتر است و در موارد ذیل کاربرد دارد:

الف) برقراری ارتباط بین بخشهای مختلف معدن

ب) کشف مواد معدنی

ج) انفجار، و استخراج مواد معدنی

د)دسترسی به آب، نفت، وگاز

ه) کارهای تکنیکی، مانند منجمد کردن آبهای داخل چال یا خارج کردن گاز متان از لایه ذغال.

2-شفت: این واژه که از اواخر قرن شانزدهم میلادی رایج گشت، به چاههای قائم یا دارای شیب بسیار کم اطلاق می گردد که به منظور کشف و یا استخراج ذغال و سایر مواد معدنی حفر می شد. در سالهای اخیر، این واژه به چاههای قائم یا دارای شیب بسیار کم اطلاق می شود که از سطح تا عمقی که ماده معدنی گسترش دارد ادامه می یابد. معمولا در کمر پایین ماده معدنی حفر می شود و از آن جهت دسترسی به ماده معدنی، ایاب و ذهاب کارکنان معدن، تهویه، و حمل مواد معدنی استفاده می شود.

3-حفار: این واژه بر کسی اطلاق می شود که به دلیل داشتن تجربه، دانش و توانایی کافی، مسئولیت حفظ و هدایت ابزار حفاری را به عهده می گیرد.