حفاری در نگاه اول عملیاتی دشوار و صنعتی است (تا نگاه آخر هم همینطور خواهد ماند) ولی در واقع ترکیبی از زمینشناسی، فناوری، مهندسی و مدیریت ریسکهاست. نزدیکترین مفهومی که به هنگام صحبت از حفاری به ذهن متبادر خواهد شد،ایجاد چاهی عمیق است. چاه میتواند برای آب، یا استخراج نفت، گاز و مواد معدنی باشد؛ همچنین برای عملیات ژئوتکنیک نیز حفر چاه و ایجاد فضای مناسب ضروری است.
برای دستیابی به هدف حفاری، یعنی ورود از سطح زمین یا دریا به لایههای عمیقتر و کشف و استخراج مواد، نیازمند ابزار، سیستم مناسب و تکنیکهای مختلف متناسب با نیازهای مختلف هستیم. دکل حفاری در تمامی این مصادیق حرف اول و آخر را خواهد زد.
دکل حفاری
دکل حفاری سازهای مجهز به ملزومات حفاری است. این سازه در انواع ثابت و متحرک، برای خشکی و شناور در دریا وجود دارد. دکلهای خشکی دکل حفاری زمینی نامیده میشود و همین تجهیزات در دریا با عناوینی چون سکوهای ثابت، نیمه شناور و کشتیهای حفاری شناخته میشود. دکل حفاری چون کارخانهای کامل و جامع عمل میکند: از تولید نیرو تا کنترل فشار و از گردش گل حفاری تا مدیریت لولهها همه در سیستمی گنجانده شده است که زیر چتر عنوان دکل حفاری قرار میگیرد.
فرآیند حفاری
فرآیند حفاری با چالی سطحی آغاز میشود و سپس با استفاده از لولههای حفاری و مته، عمق چاه مرحله به مرحله افزایش می یابد. متهی حفاری نوک لولهها قرار داشته و با چرخش و فشار سنگها و لایههای مختلف زمین را شکافته و میتراشد تا به جلو براند. انواع مته برای انواع نوع سنگ و اهداف مختلف طراحی شده است و از سنگهای سخت تا نرم و همچنین کاربردهای خاص را پوشش میدهد. نیروی چرخش مته یا از روی دکل و یا از سیستمهای داخل لولهها تامین میشود.
گل حفاری
گل حفاری همراه همیشگی حفاری است، ولی در ادبیات عامه و رسانهها کمتر از دکلها و عملیات آنها شناخته میشود. گل حفاری سیالی مخصوص است که وارد چاه شده و وظایف متعددی بر عهده دارد. این سیال ۱. مته را خنک نگاه میدارد ۲. براده و خردهسنگها ا به سطح زمین منتقل میکند و ۳. دیوارهی چاه را پایدارسازی میکند. در نهایت ۴. در کنترل فشارهای زیر زمین هم به سایر سیستمها کمک میکند. عدم کنترل فشار زیر زمین مترادف است با فوران و آسیب جدی به دکل و تیم حفاری. سیستمهای BOP یا کنترل فوران بر سر چاه نصب میشود تا در مواقع ریسک فشاری چاه را ببندد. BOP در انگلیسی مخفف Blowout Prevention است.
دکل اصلی = دریک
برج بلند دکل حفاری که اصطلاحا دکل اصلی نیز نامیده میشود شامل لولههای متحرک و تجهیزات جانبی بوده و نیروی اصلی را تامین میکند. طبقهی لولهها، موتورخانه، موتورهای دیزلی، ژنراتورها، پمپها و سیستمهای کنترلی همگی در داخل این قسمت قرار گرفته است.
حفاری آف شور یا روی دریا
سکوهای نیمهشناور روی ستونهای عظیم سازهی اصلی سوار شده است و با لنگر یا سیستمهای دینامیکی در جای خود نگاه داشته شده است. کشتیهای حفاری به شهر کوچکی شناور بر روی آب میماند که علاوه بر خوابگاه، آشپزخانه و درمانگاه، تجهیزات حفاری هم دارند. این شناورها امکان سفر به نقاط دور از ساحل را داشته و از عمق چند هزار متری حفاری را شروع میکند. در دریا سیستمهای پیشگیری و کنترلی پیشرفتهتری در مقایسه با سکوهای ثابت و خشکی داریم.
پیش و پس از حفر چال
پیش از شروع به حفاری مطالعات زمینشناسی و ژئوفیزیک انجام میشود و بعد از حفاری تا عمق مورد نظر، مرحلهی لولهگذاری و کیسینگ خواهد بود.
در مطالعات زمینشناسی و ژئوفیزیکی ارزش نقطهی مورد نظر سنجیده میشود، عمق مناسب و قطر حفاری تعیین میگردد و سایر مختصات آن نیز مدنظر قرار میگیرد. از جملهی این مختصات میتوان به مراحل لازم برای لولهگذاری، نوع مته، نوع گل حفاری و ریسکسنجی است. در حین حفاری نیز دادههای فشار، سرعت حفاری، وضعیت مته و کیفیت گل به شکل منظم از اعمال چاه جمع آوری میشود.
هدف از لولهگذاری پساحفاری تثبیت دیوارهی چاه و جلوگیری از ورود سیالات ناخواسته است. فضای میان لوله و دیوارهی چاه را با سیمان میپوشانند و پس از آن چاه آمادهی استخراج و تکمیل است.
حفاری چاه آب و معادن
تا به اینجا به حفاری نفت و گاز پرداختیم، ولی دنیای حفاری محدود به چاههای نفتی و سکوهای دریایی نیست. از آب شهری و کشاورزی تا استخراج فلزات و سنگهای ارزشمند به سراغ حفاری خواهیم رفت. تحقیقات ژئوتکنیکی موردنیاز برای ساخت و سازهای بزرگ نیز نیازمند حفاری است. ابزار و تکنیک حفاری بسته به هدف حفاری تعیین میشود.
حفاری چاه آب
| بیشترین قطر پمپ | حداقل قطر لوله جدار چاه آب | ||
| اینچ | میلیمتر | اینچ | میلیمتر |
| ۴ | ۱۰۱.۶ | ۶ | ۱۵۲.۴ |
| ۵ | ۱۲۷ | ۸ | ۲۰۳.۲ |
| ۶ | ۱۵۲.۴ | ۱۰ | ۲۵۴ |
| ۸ | ۲۰۳.۲ | ۱۲ | ۳۰۴.۸ |
| ۱۰ | ۲۵۴ | ۱۴ | ۳۵۵.۶ |
| ۱۲ | ۳۰۴.۸ | ۱۴ | ۳۵۵.۶ |
| ۱۴ | ۳۵۵.۶ | ۱۶ | ۴۰۶.۴ |
ابتدا با مطالعات هیدروژئولوژی یا بررسی چاههای قدیمی محل آبخوان و عمق آن مشخص میشود. پس از تعیین محل حفر چاه، با توجه به جنس سنگ و عمق آب از دو روش حفاری ضربهای یا روتاری استفاده میشود. حفاری روتاری یا چرخشی برای حفر چاه آب از محبوبیت بیشتری برخوردار است و این از آن روست که سرعت و کنترل بهتری داشته و آسیب کمتری متوجه دیوارهی چاه خواهد شد.
در حفاری چاه آب از بنتونیت یا آب به عنوان گل حفاری استفاده میشود. لولهگذاری چاه آب نیز متفاوت است: در این مدل حفاری از لولههای مشبک استفاده میشود تا آب از لایههای زیرزمینی وارد سوراخها شود. دور لولهها با شن مخصوص پر میشود که علاوه بر پایدارسازی، خاصیت فیلتر نیز ایفا میکند. آخرین مرحله در حفر چاه آب نصب پمپ است تا چاه به بهرهبرداری برسد.
بنتونیت نوعی خاک رس جاذب است که از خاکستر آتشفشانی تشکیل شده و به دلیل خاصیت پفکنندگی بالا در آب، در صنایع مختلفی مانند حفاری چاههای نفت، ساختوساز، کشاورزی و تصفیه روغن کاربرد دارد. این ماده با جذب آب میتواند تا هشت برابر حجم خود منبسط شود، که این خاصیت آن را برای آببندی و تثبیت خاک مفید میکند.
حفاری معدنی
برای دسترسی به کانسارهای عمیق چاه عمودی، تونل یا سوراخهای انفجاری زده میشود. در حفاری معدن، همانطور که پیشتر به آن پرداخته شد، دو روش حفاری اکتشافی و غیراکتشافی داریم که به نوع دوم حفاری معدنی نیز گفته میشود.
کانسار یک آنومالی ژئوشیمیایی است که مقدار بعضی از عناصر در آن بیش از مقدار آنها در نقاط دیگر زمین است. در همین موضوع فرهنگسرای زبان و ادب آورده است:
{ore deposit} [زمین شناسی] توده سنگ حاوی کانی های باارزش به مقداری که استخراج آن مقرون به صرفه باشد را گویند.
حفاری اکتشافی پیش از معدنکاری است و به وسیلهی آن سنگهای موجود در عمق زمین شناسایی و ارزشگذاری میشود. در این مرحله از حفاری مغزهگیری استفاده میشود که طی آن متهی مغزهگیری استوانهای از سنگ را از زیرزمین خارج میکند. مغزه یا استوانهی خارج شده به آزمایشگاه فرستاده میشود تا نوع سنگ، کیفیت کانسار، درصد فلزات و شکستگیهای آن تعیین شود.
در گام بعد و برای معادن روباز و تونلسازی به سراغ حفاری انفجاری میرویم. مجموعه سوراخهایی با عمق و فاصلهی مشخص ایجاد میشود و داخل آن مواد انفجاری تعبیه میشود. پس از انفجار لایهی سنگی خردشده را بارگیری کرده و به کارگاه منتقل میسازند. متههای این مدل حفاری چکشی بوده و با ضربه و چرخش همزمان سنگ را میشکنند.
حفاری تهویه و مسیرزنی
برای دسترسی به معادن زیرزمینی و همچنین شکلدهی سیستم تهویهی آنها نیز نیازمند حفاری معدنی و چاهزنی هستیم. برای این منظور از تجهیزات و تکنیکهای قویتری چون ریزبورینگ (Raise Boring) استفاده میشود. در این روش سوراخی کوچک از بالا به پایین زده شده و پس از آن متهی بزرگتر از پایین متصل میشود تا کل مسیر با قطری بزرگتر حفاری شود. محصول این فرآیند دایره ای عمودی یا افقی بین دو سطح یا تونل موجود در معدنی زیرزمینی است که شفت یا کانال خوانده میشود.
ژئوتکنیک و حفاری شهری
برای تشخیص ظرفیت زمین از این نوع حفاری استفاده میشود تا بر روی سایت مشخص شده برج ساختمانی یا سد آب بنا شود. حفاری ژئوتکنیک عمق کمتری داشته و هدف آن مشابه حفاریهای اکتشافی تست و نمونهبرداری است. در انواع دیگری از حفاری نیز برای نصب شمعها، میکروپایلینگ، بتونریزی یا پایدارسازی شیب اقدام به دریل میکنند. در این موارد دقت و ایمنی محور کار است.
میکروپایل یا ریزشمع یکی از روشهای بهسازی خاک بوسیله مکانیزم های تزریق و تسلیح است.در این روش شمعهایی با قطر کم و تعداد بالا ایجاد می شوند.
در نهایت تکنولوژی حفاری در صنایع مختلف بده بستان دارد. برای مثال مته الماس فشرده یا PDC و سیستمهای جمعآوری دیتا ابتدا در حفاری نفتی به کار گرفته شد و کم کم راه خود را به حفاری معدنی نیز باز کرد.
