روشهاي حفاري و گمانه زني 

  Boring and Drilling Method

- مقدمه : گمانه زني يعني عمل ايجاد چاههايي در زمين با بكار گيري ابزار مختلف حفاري .گمانه ها ممكن است بصورت عمودي ، شيب دار يا افقي باشند که از آنها استفاده هاي مختلفي ميشود از جمله : نمونه برداري از مصالح زمين ، انجام آزمونهاي برجا ،  بررسي شرايط هيدروژئولوژي ، ايجاد شبكه زهكشي و شمع ريزي براي پي .

 بطور كلي دونوع فعاليت در حين انجام عمل گمانه زني دنبال ميشود كه عبارتند از :

     1- حفر گمانه با پيشروي درزمين و نفوذ آن بمنظور رسيدن به هدف مشخص ( از قبيل سفره آبهاي زير زمين، لايه زمين شناسي معين ، تاقدیسهای نفتي يا گازي ، منابع انرژي زا زمين و …)

     2- نمونه برداري از مصالح زمين در اعماق مورد نظر براي انجام آزمايشات مختلف و شناسايي خواص فيزيكي و مکانیکی لایه های خاک و سنگ ، بكار گيري روشها و ابزار مورد استفاده در هر دو مورد در بخشهاي زير خلاصه شده است .

 ابزار و دستگاههاي حفاري       Drilling Rigs and Tools

انواع مختلفی از ابزار و دستگاههاي حفاري براي حفر چاه و گمانه زدن در سطح جهان مورد استفاده قرار ميگيرد بر حسب مكانيسم عمل آنها ، دستگاههاي حفاري به چهار گروه اصلي زير تقسيم مي شوند

1- حفاري مته اي    2- حفاري شستشوئي         3- حفاري ضربه أي          4- حفاري دوراني

انتخاب هركدام از اين دستگاههاي حفاري بستگي دارد  به مجموعه أي از عوامل زير :

1- موقعيت جغرافيائي محل                          2- جنس مصالح زمين

3- قطر و عمق چاه و دستگاه حفاري              4-دردسترس بودن دستگاه

5-هدف از عمل حفاري                               6- كيفيت نمونه برداري

-  حفاري مته أي مارپيچي  Auger Drilling   

يكي از روشهاي متداول حفاري در فعاليتهاي عمراني بحساب مي آيد كه در آن حفر چاه در اثر چرخش دوراني و حلزوني مته و همزمان فرور رفتن آن در زمين حاصل مي شود نمونه هاي بدست آمده از اين روش نمونه هاي نمايانگر و بعضي تنها دست خورده هستند كاربرد اين روش از حفاري بيشتر در زمينهاي نرم و نيمه سخت است و بر حسب نوع زمين مته هاي مختلفي مورد استفاده قرار مي گيرد مته هاي حفاري به  دوگروه اصلي تقسيم مي شوند : 1- مته هاي دستي  2- مته هاي مكانيكي.

1- مته هاي دستي     Hand Augers

اين مته ها بطور دستي توسط يك يا دو نفر بكار برده مي شوند . نمونه أي از مته هاي دستي در شكلهاي زير نشان داده شده است كه بطور كلي تركيب آنها شامل سر مته لوله يا ميله مياني و دستگيره مي شود سر مته مي تواند اشكال مختلفي داشته باشد و عمل حفاري و نمونه برداري توسط آنها انجام مي شود مته روي لوله يا ميله مياني سوار مي شود و قطر اين لوله معمولا" 20 ميليمتر مي باشد و ممكن است بصورت يك قطعه يك دست و يا تركيبي از قطعات مختلف باشد كه طول آن با توجه به عمق چاه متفاوت خواهد بود ميله مياني در قسمت بالائي به دستگيره كه    T شكل است وصل مي گردد در حين عمل حفاري دستگيره بطور همزمان چرخانيده و به درون زمين فرو برده مي شود عمل چرخش از طريق ميله مياني به مته منتقل مي شود و بدين ترتيب عمل حفاري انجام مي گردد.

از اين نوع مته ها براي حفاري تا عمقهاي 30-10 متري استفاده مي شود كه عمق حفاري توسط جنس زمين و سطح دستيابي آبهاي زير زميني كنترل مي شود حفاري بوسيله مته هاي دستي معمولا" براي كارهاي اكتشافي انجام مي گردد و كاربرد هاي ديگري همچون شناسائي تراز آبهاي زير زمين و ايجاد چاههاي زهكشي نيز مي تواند داشته باشد .

متداولترين نوع مته هاي دستي در سه گروه زير تقسيم مي شوند :

الف : مته چنگكي Post – hole Auger  اين نوع مته ها براي نمونه برداري از خاكهاي چسبنده و دانه ريز استفاده مي شود قطر آنها بين 100-200 ميليمتر مي باشد . نوعي از اين مته ها كه بهIvan Auger  معروف است در شكل ( الف ) نشان داده شده است .

ب : مته هاي حلزوني (پیچشی)  Helical or Screw Auger مته حلزوني براي نمونه برداري از هرنوع خاك    ( چسبنده و يا غير چسبنده ) استفاده مي شود البته خاكها بایستی خشك و بالاي سطح دستيابي آبهاي  زيرزمين قرار گرفته باشند . قطر آنها بين 50-100 ميليمتر مي باشد و نمونه أي از اين مته حلزوني در شكل ( ب ) نشان داده شده است

ج : مته فنری Spiral Auger اين مته ها ساختماني شبيه فنر دارند و بر حسب شكل آنها  و موارد استفاده آنها به دو صورت زير مي باشند .

1- مته فنري بسته                                                 2-مته فنري باز

نوع اول براي نمونه برداري از خاكهاي رسي سخت و خاكهاي شن متراكم استفاده مي شود .

نوع دوم براي نمونه برداري از خاكهاي غير چسبنده ماسه أي بكار برده مي شوند قطر اين مته ها بين 50-100 ميليمتر  مي باشد شكل ( ج ) نمونه أي از اين گونه مته هاي دستي را نشان مي دهد .

2- مته هاي مكانيكي Mechanical Auger

نيروي لازم براي بكار انداختن اين نوع مته ها توسط يك موتور تامين مي شود مقدار نيروي مصرفي به نوع مته و جنس زمين كه در آن حفاري صورت مي گيرد بستگي دارد . مته هاي مكانيكي بر اساس وظيفه خود به دو گروه مته هاي مكانيكي سبك و مته هاي مكانيكي سنگين تقسيم مي شوند .

- مته هاي مكانيكي سبك:

اين مته ها حد واسط مته هاي دستي و مته هاي مكانيكي سنگين از نظر كاربرد مي باشند . حمل و نقل آنها و به كار گرفتن آنها توسط يك يا دو نفر انجام مي گيرد از يك موتور كوچك بقدرت 10 اسب بخار براي چرخاندن و فرو بردن مته در زمين استفاده ميشود عمق چاههائيكه بوسيله اين نوع مته ها حفر  مي شود بين 10-15 متر مي باشد و قطر حفاري بين 75  تا 300 ميليمتر است كاربرد آنها بيشتر درنهشته های نرم و سخت نشده است و نسبت به مته هاي دستي سرعت عمل بيشتري دارند .

- مته هاي مكانيكي سنگين:

اين مته ها معمولا" روي كاميون سوارند و توسط آنها به نقاط مورد نظر انتقال داده مي شوند . نيروي چرخشي آنها توسط يك موتور قدرتمند تامين مي شود و نيروي نفوذي ( فشاري ) آنها ممكن است در اين وزن خود مته ودستگاه حفاري باشد و يا اينكه توسط يك نيروي هيدروليكي يا ديناميكي خارجي تامين گردد . نمونه أي از يك دستگاه حفاري در شكل زیر نشان داده شده است .

با استفاده از اين نوع مته ها مي توان در همه نوع خاك ( رس، سیلتی و ماسه أي ) و نهشته هاي سفت و متراكم شده و سنگهاي نرم تا نيمه سخت حفاري نمود و از آنجا كه بيشتر فعاليتهاي مهندسي و ژئوتكنيكي در اين نوع نهشته ها است لذا اين مته ها كاربرد گسترده أي در طرحهاي عمراني دارد نمونه ايي كه أز اين طريق بدست     مي آيند مي تواند بصورت نمونه هاي دست خورده و يا نمونه هاي نمايانگر باشد چون كه نمونه ها در حين بالا آورده شدن در اثر عمل چرخش مته با هم مخلوط گشته و در نتيجه خصوصيات اوليه خودر را ازدست می دهند .

كاربرد اين مته ها در چاههائيكه تراوش آبهاي زير زمينی زياد باشد و يا ديواره هاي چاه ريزش داشته باشد محدود مي شود سرعت حفاري با توجه به جنس زمين فرق مي كند ويك حفار با تجربه مي تواند تغييرات جنس زمين را با در نظر گرفتن سرعت حفاري و صداي حاصله از آن بسنجد و تا اندازه أي در امر شناسائي واحدها كمك كند .

- مته هاي پره أي Flight Augers

اين مته ها قطري برابربا 50 تا300ميليمتر دارند و از آنها براي حفاري تا عمق 50-60 متري استفاده مي شود مته هاي پره أي بر حسب كاربرد آنها به دو گونه مته هاي پره أي كوتاه و مته هاي پره أي ممتد تقسيم مي شوند .

1-       مته هاي پره أي كوتاهShort Flight Augers  

تركيب اين مته ها شامل سه بخش مي شود : 1- تيغه برنده كه در قسمت زيرين قرار مي گيرد عمل حفاري را انجام مي دهد . 2-مته حلزوني با طول محدود در قسمت مياني قرار دارد. 3- ميله محوري ياKelly bar    كه مجموعه مته را به دستگاه حفاري وصل مي كند در حين حفاري دستگاه حفاري به چرخش درآمده و اين چرخش توسط ميله مياني ( محوري  ) به تيغه برنده منتقل مي شود كه بوسيله آن زمين حفر مي شود مصالح حفاري شده در قسمت حلزوني مياني جاي ميگيرند كه در اينصورت به سطح زمين آورده شده و با چرخش معكوس اين مصالح تخليه مي شوند و مته حفاري مجددا" به انتهاي چاه حفاري فرستاده مي شود نمايش از يك مته پره أي كوتاه در شكل مقابل نشان داده شده است .

 برحسب نوع استفاده تيغه هاي برنده حفاري مي توانند بصور مختلف زير باشند .

1-تيغه حلزوني ساده          حداكثر قطر 600 ميليمتر براي حفاري در نهشته أي سطحي و خاكهاي نرم

2-تيغه حلزوني مضاعف     حداكثر قطر 400 ميليمتر براي حفاري در نهشته هاي سخت و سنگهاي هوازده شده

3-تيغه دم ماهي شكل          حداكثر قطر 300 ميليمتر براي حفاري در سنگهاي سست و خاكهاي سخت شده

4- تيغه انگشتي    حداكثر قطر 300 ميليمتر براي حفاري در سنگهاي نيمه سخت

           تیغه دم ماهی                   تیغه انگشتی                تیغه حلزونی ساده          تیغه حلزونی مضاعف

2-       مته هاي پره أي ممتد  Continious- Flight Augers 

دراين مته ها صفحه حلزوني شكل سر تا سر قسمت ميله محوري  Kelly bar  را دربر ميگيرد و بصورت يك حلزون ممتد ديده مي شود در نتيجه حفاري بصورت ممتد انجام مي پذيرد و مصالح حفاري شده با چرخش صفحه حلزوني به بالا آورده مي شود و در نهايت در سطح زمين تخليه مي گردند احتمال مخلوط شدن نمونه ها در حين بالا آورده شدن در اين نوع حفاري زياد است و نمونه هاي بدست آمده نمي توانند بطور دقيق معرف عمق محل حفاري باشند با استفاده از اين مته ها مي توان تا عمق بيش از 60 متر را بصورت مداوم حفاري نمود قطر اين مته ها بين 60تا110 ميليمتر  مي باشند با اين نوع مته ها مي توان در زمينهاي باجنس هاي مختلف حفاري نمود هر چند که بيشتر استفاده آنها در نهشته هاي سطحی  و سنگهاي سست مانند شيلها است . قسمت مياني مته هاي پره أي ممتد ممكن است به دوصورت زير باشد .

1- مته هاي پره أي توپر              2- مته هاي پره أي توخالي

هنگاميكه از مته هاي پره أي تو پر استفاده مي شود لازم  است پس از هر مدتی مته بيرون كشيده شود تا نمونه يا قسمتهاي حفاري شده تخليه شود و يا اينكه آزمايشات برجا انجام گيرد ولي مته هاي پره أي توخالي اين امتياز را دارند كه در حين حفاري مغزه گيري نيز انجام مي دهند و نمونه هاي دست نخورده أي بقطر 75 –150 ميليمتر را بدست مي آورند بدون اينكه نيازي به بيرون كشيدن مته از درون چاه باشد .

3- مته هاي محفظه أي ( سطلي )  Bucket Auger

اين مته ها شامل يك محفظه فولادي استوانه أي شكل مي شوند كه از قسمت بالا باز مي باشند و در قسمت پائين صفحه أي فلزي وجود دارد كه روي تيغه هاي برنده أي تعبيه شده است .بلافاصله در مجاورت اين تيغه هاي برنده شيارهايي قرار گرفته که به درون محفظه باز ميشوند محفظه فولادي از طريق ميله محوري يا Kelly bar  دستگاه حفاري وصل مي گردد شكلهاي زير نماي شماتيك از اين نوع مته را نشان مي دهد در حين عمل حفاري مته به چرخش درمي آيد و تيغه هاي برنده آن سبب خرد شدن و برش یافتن سنگها يا نهشته هأي مسير خود مي شود مصالح خرد شده از طريق شيارها به درون محفظه راه مي يابند و زمانی كه محفظه پر شود مته به سطح زمين آورده مي شود و محتويات محفظه تخليه مي شود و عمل حفاري بدين صورت ادامه پيدا مي كند بااستفاده از اين روش چاههاي بقطر يك متر و تا عمق 50 متر حفر گرديده شده است البته اين مته ها براي حفاري در زمينهاي نرم و نهشته هاي سخت نشده مناسب مي باشد .

- حفار شستشوئي  Washboring Drilling

حفار شستشوئي يكي از روشهاي ساده و متداول در اكتشافات و گمانه زني بشمار مي آید كاربرد اين نوع حفاري بيشتر در نهشته هأي نرم و نيمه سخت و سنگهاي شديدا" هوازده مي باشد . عمق حفاري به 30 متر و قطر چاههاي حفاري شده به 15 سانتيمتر محدود مي شود سرعت حفاري در نهشته هاي آبرفت نرم در حدود 6 متر در ساعت و درخاكهاي رس سفت 5/2 متر در ساعت است نمونه هاي بدست آمده از عمل حفاري اغلب دست خورده و بهم ريخته هستند و ارزش زيادي براي فعاليتهاي شناسائي ندارند . بمنظور دستيابي به نمونه هاي سالم معمولاً از ابزار نمونه گيري كه درفصل آينده شرح آن خواهد آمد استفاده مي شود .

ابزار حفاري شامل مته ( تيغه حفاري )  مي شود كه  بر ميله حفاري سوار شده و از طريق كابل فلزي ( طناب ) به دستگاه حفاري متصل مي گردد .

 دستگاه حفاري شامل دكل ( سه يا چهار پايه )   موتور ،كابل فلزي ، قرقره و يكدستگاه پمپاژ و تزريق آب مي شود  شكل مقابل قسمتهاي مختلف ابزار دستگاه حفاري را نشان مي دهد مته( تيغه )حفاري به سه شكل صفحه أي خطي .صفحه أي نوك تيز و صفحه أي متقاطع وجود دارد كه دونوع اول براي حفاري در نهشته هاي نرم رس به سيلتي و ماسه أي بكار برده مي شوند و نوع آخر براي حفاري در نهشته هاي آبرفتي نيمه سخت و سنگهاي سست استفاده مي شود . معمولا" در اين روش از حفاري در صورت نياز از لوله جدار براي محافظت ديواره هاي چاه استفاده     مي شود و در چاههائيكه لوله جدار ضرورت ندارد حداقل دومتر اول چاه بوسيله لوله جدار محافظت مي كنند تا ایمنی زمينهاي اطراف چاه كه محل استقرار دستگاه حفاري است تضميم گردد .

روش حفاري بدين صورت است كه ابتدا مته و ميله حفاري تا ارتفاع معين ( 30-100) سانتيمتر بوسيله حركت موتور بالا آورده مي شود سپس رها شده و در اثر سقوط آزاد ابزار حفاري نيروي كوبنده أي به ته چاه وارد مي كند كه سبب خرد و شكسته شدن مصالح مسير خود مي شود همزمان آب به درون چاه از طريق ميله حفاري تزريق  مي شود و از طريق سوراخهايي كه روي تيغه حفاري تعبيه شده با فشار خارج مي شود .

 با فشار آب  قطعات و مصالح خرد شده  از  طريق فاصله أي كه بين ميله حفاري و لوله جدار با ديواره چاه قرار دارد به بالاي چاه آمده مصالح به همراه آب خارج شده به حوضچه يا تانكهايي تخليه مي شوند

در این حوضچه ها مصالح به تدريج ته نشين مي شوند و آب پمپاژ شده و مجددا" به درون چاه تزريق مي شود .

- حفاري ضربه اي    Percussion Drilling

از اين روش براي حفاري در خاكهای سخت و متراكم شده خاكهاي رسي سفت و سنگها استفاده مي شود عمق متوسط حفاري 60 متر و حداكثر به بيش از 200 متر ميرسد و قطر چاههاي حفاري شده بين 100-600 ميليمتر مي باشند سرعت حفاري بر حسب نوع و جنس مصالح زميني كه در آن حفاري ميشود متفاوت است درنهشته هاي سطحي و نرم 2-4 متر در ساعت در مصالح نيمه سخت 1-2 متر در ساعت و درسنگهاي سخت حداكثر به 1متر در ساعت مي رسد هنگام حفاري درسنگ نمونه هاي نمايانگر بدست مي آيد ولي در خاكها اغلب نمونه هاي بدست آمده دست خورده و بهم ريخته مي باشند . از اين روش بيشتر در حفر چاههاي عميق آب استفاده مي شود و كاربرد آن در اكتشافات ژئوتكنيك بعلت هزينه زياد انجام آن و عدم دستيابي به نمونه هاي سالم محدود است .

دستگاههاي حفاري شامل مجموعه ابزاريست كه نمونه أي از آنها در شكل ديده مي شود عمل حفاري و نمونه برداري در دو مرحله جداگانه انجام مي پذيرد شرح خلاصه نحوه كار در زير آمده است.

1- عمل حفاري در اثر بالا و پائين رفتن ابزار حفاري در درون چاه و نفوذ آنها در زمين در اثر ضربه صورت ميگيرد ابزار حفاري شامل مته حفاري ( تيغه ) ، بدنه و ميله حفاري مي شود كه بوسيله كابل فلزي به قرقره و موتور دستگاه حفاري متصل مي شود ابزار حفاري ابتدا توسط حركت موتور تا ارتفاع 50-100 سانتيمتر بالا آورده شده سپس رها ميشوند از آنجا كه اين ابزار همگي از جنس فولاد هستند در نتيجه وزن زيادي دارند لذا در حين سقوط انرژي زيادي را بوجود مي آورند و بصورت ضربه أي وارد گشته و سبب نفوذ مته حفاري به زمين مي شود مته حفاري در حين نفوذ در زمين ، مصالح قرار گرفته در مسير خود را برش داده و مي شكند اگر حفاري در زیر سطح ایستابي آبهاي زيرزمينی جريان داشته باشد آب به درون چاه تراوشي کرده و بامصالح خردشده مخلوط گشته و گل و لاي بوجود مي آورد كه در مرحله بعد ( مرحله نمونه برداري ) از درون چاه تخليه مي شوند .درصورتيكه حفاري در بالاي سطح زمين انجام مي شود لازم است مقداري آب به درون چاه وارد شود تا با مصالح خردشده سنگ ياخاك مخلوط گشته و گل و لاي بوجودآورد تا بتوان آنهارادرمرحله بعد تخليه كرد .

2- عمل نمونه برداري و تخليه مصالح پس از پايان يافتن عمل حفاري و بيرون كشيدن ابزار حفاري انجام ميگيرد ابزار نمونه برداري و تخليه شامل محفظه يا بشكه هاي مخصوص هستند كه بر حسب جنس و نوع مصالح حفاري شده انواع مختلفي دارند .نمونه أي از اين ابزار در شكل صفحه پيش نشان داده شده اند . هر محفظه در قسمت زيرين خود دارای يك پاشنه برنده و يك دريچه أي است كه به يك طرف باز مي شود بدني ترتيب اجازه ورود مصالح خرد شده و گل و لاي بوجود آمده را به درون محفظه مي دهد ولي مانع از خروج آنها مي شود ابزار نمونه برداري و تخليه به ميله حفاري متصل هستند و بوسيله كابل فلزي به دستگاه حفاري وصل مي شود و حركت آن توسط موتور تنظيم مي شود معمولا" محفظه تخليه با ضربه به ته چاه

 وارد مي شود و با پاشنه برنده خود به درون مصالح و گل و لاي فرو ميرود و درضمن بالا كشيده شدن مصالح گل و لاي را به سطح زمين مي آورد .

روشهاي ديگري براي تخليه گل و لاي ته چاه استفاده مي شود بعنوان مثال هنگاميكه مصالح ته چاه گل و لاي ماسه أي فاقد چسبندگي باشد مي توان از روش پمپاژ استفاده كرد و هنگاميكه مصالح بيشتر جنس رسي باشند مي توان از مته هاي پره أي كه حركت چرخشي حلزوني دارند استفاده كرد .

- حفاري دوراني Rotary Drilling

اين روش براي حفاري در همه نوع زمينهاي خاكي و سنگي و تا اعماق زياد بكار گرفته مي شوند قطر گمانه ها بين 40-200 ميليمتر است و نمونه هاي بدست آمده مي توانند نمايانگر يا دست نخورده باشند و بستگي به اين دارند كه حفاري به چه منظوري انجام شوند.

 سرعت عمل حفاري دوراني نسبت به ديگر روشها بيشتر است . لذا استفاده گسترده أي براي حفر چاههاي عميق اكتشافي و بهره برداري نفت و گاز دارند .كاربرد اين روش در پروژه ها و اكتشافات ژئوتكنيكي بخاطر هزينه زياد اجراي آن و سيستم پيچيده آن محدود مي باشد .

ابزار مورد استفاده در دستگاه حفاري در شكل زير نشان داده شده اند اين ابزار برحسب وظيفه خود به دو گروه ابزار خرد كننده و ابزار مغزه گير تقسيم مي شوند و شرح مختصري ازكاربرد هركدام در زير آمده است.

1-    ابزار خرد كننده Cutting bit

زماني اين ابزار استفاده مي شوند كه هدف اصلي از عمل حفاري پيشروي در زمين و نفوذ درآن است و نمونه برداري در اولويت دوم قرار دارد نمونه هاي بدست آمده از اين طريق خرد و شكسته شده اند .

ابزار خرد كننده شامل مته ( تيغه ) حفاري و بدنه مته است كه به ميله محوري حفاري سوار شده است و از آن طريق به دستگاه حفاري متصل    مي گردند دستگاه حفاري به يك موتور مولد نيروي هيدروليكي مجهز  است كه حركت دوراني ابزار حفاري را تامين مي كند مته حفاري درحين چرخش و حركت دوراني سريع خود سبب خرد و شكسته شدن مصالح ته چاه مي شود و در اثر وزن ابزار حفاري سبب فرو رفتن به درون زمين مي شود آب و گل حفاري يا هواي فشرده همزمان از طريق ميله حفاري به درون چاه تزريق مي شود و درنهايت از طريق سوراخها و شیارهای تعبيه شده در مته حفاري به محيط اطراف با فشار خيلي بالا تزريق مي شود و در نتيجه در ضمن صعود مصالح خرد و شكسته شده را به سطح زمين مي آورد استفاده از آب ( يا گل حفاري )و يا هواي فشرده در خنك نگه داشتن سه مته حفاري نيز نقش موثري دارند . استفاده از گل حفاري در محافظت از ديواره چاه در مقابل ريزش نيز كمك مي كند .گل حفاري از مخلوط كردن آب با بنتونيت حاصل مي شود و درحفاريهاي نفت استفاده وسيعي دارد