انواع دستگاه حفاری معدن
حفاری یک فعالیت صنعتی است که به کمک تجهیزات وابسته، چاله‌ای در زمین حفر می‌کند. هدف از حفاری می‌تواند دستیابی به منابع طبیعی مانند نفت، گاز، آب، مواد معدنی و یا انجام بررسی‌های زمین‌شناسی، زمین‌فیزیکی، آب‌شناسی و ژئوتکنیک باشد. حفاری ممکن است در سطح خشک یا درسا بر روی پلت‌فرم‌های حفاری انجام شود.حفاری یکی از فعالیت های مهم در صنعت نفت و گاز، معدن و تونل سازی است که به کمک تجهیزات وابسته انجام می شود.
کندن زمین برای دستیابی به یک هدف خاص را حفاری (drilling) مینامند. کاری که انسان سالها به صورت غریزی یا برنامه ریزی شده و هدفمند انجام داده است تا به آنچه میخواهد دست پیدا کند، حفاری می گویند. البته حفاری یک کار حساب شده، پیچیده، سخت، هزینه بر و زمان بر است که در صورت انجام صحیح، نتایج و دستاوردهای بزرگی به همراه دارد. آدمی تاکنون بسیاری از اکتشافات خودش را مدیون این کار بوده، کاری که شما در این مقاله با انواع آن، تجهیزات و ماشین آلات حفاری و مفهوم حفاری چیست آشنا خواهید شد.
اجزای اصلی تشکیل دهنده دستگاه حفاری
دستگاه حفاری علیرغم ظاهر پیچیده اش، از بخش های اصلی و مرتبط با هم تشکیل شده است. در ادامه به بررسی مهمترین اجزای این دستگاه قدرتمند می پردازیم:
سیستم قدرت (موتور و گیربکس)
قلب تپنده هر دستگاه حفاری، سیستم قدرت آن است. موتور دیزل با توان بالا، وظیفه تامین نیروی لازم برای به کار انداختن سایر اجزای دستگاه را بر عهده دارد. این نیرو توسط گیربکس منتقل شده و بر اساس نیاز به بخش های مختلف دستگاه مانند سیستم گردش و سیستم حفاری توزیع می شود. توان موتور و نوع گیربکس، بر قدرت نهایی دستگاه و عمق حفاری قابل دستیابی تاثیرگذار است.
سیستم گردش (دکل و سیستم چرخش)
این سیستم، مسئولیت حرکت دادن مته حفاری و ایجاد نیروی لازم برای نفوذ به زمین را دارد. اجزای اصلی سیستم گردش عبارتند از:
- دکل: سازه ای بلند و مستحکم است که محل نصب و نگه‌داری مته حفاری و سایر تجهیزات جانبی مانند لوله های حفاری است. دکل قابلیت چرخش و جابجایی عمودی دارد تا امکان حفراری در زوایای مختلف و عمق های مورد نظر فراهم شود.
- سیستم چرخش: این سیستم با استفاده از موتورهای هیدرولیک قدرتمند، مته حفاری را به چرخش در می آورد. سرعت چرخش قابل تنظیم بوده و بر اساس نوع زمین و سختی آن تنظیم می شود.
سیستم حفاری (مته و سیستم ضربه ای یا چرخشی)
این بخش، ابزار اصلی برای شکستن و خرد کردن لایه های زمین است. نوع مته حفاری بر اساس نوع دستگاه و جنس زمین انتخاب می شود. مته های رایج شامل:
- مته های: مناسب برای حفاری های با نفوذ متوسط در انواع خاک ها و سنگ های نرم
- مته های: برای حفاری در سنگ های سخت و سطوح بسیار مقاوم کاربرد دارند.
- مته های ضربه ای: این مته ها با ایجاد ضربات متعدد، مناسب حفاری در سنگ های سخت و شکسته هستند.
سیستم حفاری می تواند بر اساس نوع دستگاه، از مکانیزم ضربه ای، چرخشی و یا ترکیبی از هر دو بهره مند باشد.
سیستم کنترل (تابلو فرمان و سیستم هیدرولیک)
این بخش، مغز متفکر دستگاه حفاری است. اپراتور از طریق تابلو فرمان، سرعت موتور، فشار هیدرولیک، جهت چرخش مته و سایر پارامترهای دستگاه را کنترل می کند. سیستم هیدرولیک نیز وظیفه انتقال و توزیع نیروی سیال به بخش های مختلف دستگاه از جمله سیستم گردش، سیستم حفاری و سیستم های جانبی را بر عهده دارد.
سیستم های جانبی (پمپ های گل حفاری، کمپرسور هوا و …)
بسته به نوع دستگاه حفاری و شرایط زمین، از سیستم های جانبی مختلفی استفاده می شود. برخی از این سیستم ها عبارتند از:
- پمپ های گل حفاری: در حفاری های دورانی، برای خنک کردن و روانکاری مته، تخلیه خاک و سنگ های حفر شده و تثبیت دیواره چاه از گل حفاری استفاده می شود. پمپ های گل حفاری وظیفه تامین و گردش این سیال را بر عهده دارند.
- کمپرسور هوا: در حفاری های ضربه ای و حفاری های با شرایط خاص، از هوای فشرده برای تامین نیروی ضربه ای مته و پاکسازی حفره استفاده می شود. کمپرسور هوا، هوای مورد نیاز را با فشار بالا تامین می کند.
این اجزای اصلی با هماهنگی و دقت بالا با یکدیگر کار می کنند تا دستگاه حفاری بتواند عملیات حفاری را به شکلی ایمن و موثر انجام دهد. در بخش بعدی به معرفی انواع مختلف دستگاه های حفاری بر اساس کاربرد آنها خواهیم پرداخت.
انواع مختلف دستگاه های حفاری
همانطور که اشاره شد، دستگاه های حفاری بر اساس نوع عملکرد، توانایی ها و کاربردهایشان به دسته های مختلفی تقسیم می شوند. در ادامه با برخی از رایج ترین انواع این دستگاه ها آشنا می شویم:
دستگاه حفاری ضربه ای (دینامیکی)
این نوع از دستگاه های حفاری، همانطور که از نامشان پیداست، از سیستم ضربه ای برای شکستن و خرد کردن لایه های زمین استفاده می کنند. مته های ضربه ای با نیروی هوای فشرده یا انرژی حاصل از احتراق سوخت، ضربات متوالی به زمین وارد کرده و باعث پیشروی در حفاری می شوند.
دستگاه های حفاری ضربه ای به دلیل سادگی و استحکام بالا، برای حفاری در سنگ های سخت و سطوح ناهموار مناسب هستند. از جمله کاربردهای این نوع دستگاه حفاری می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- حفر چاه های آب عمیق در مناطق کوهستانی
- حفاری برای پایدارسازی گودهای ساختمانی
- حفاری در معادن سنگ های تزئینی و معدنی
- حفاری برای نصب و تزریق چاه های ارت
دستگاه حفاری دورانی (روتاری)
دستگاه های حفاری دورانی از رایج ترین و پرکاربردترین انواع دستگاه های حفاری هستند. این نوع دستگاه ها با استفاده از مته های چرخشی، عملیات حفاری را انجام می دهند. سیستم گردش قدرتمند، مته را به چرخش درآورده و نیروی لازم برای نفوذ به زمین را تامین می کند.
در حفاری های دورانی، از گل حفاری برای خنک کردن و روانکاری مته، تخلیه خاک و سنگ های حفر شده و تثبیت دیواره چاه استفاده می شود. پمپ های گل حفاری وظیفه تامین و گردش این سیال را بر عهده دارند.
دستگاه های حفاری دورانی در طیف وسیعی از پروژه های حفاری کاربرد دارند، از جمله:
- حفر چاه های نفت و گاز
- حفاری های اکتشافی برای معادن
- حفاری تونل ها و خطوط لوله
- حفاری چاه های آب با قطر بالا
- حفاری های ژئوتکنیکی و مطالعات زمین شناسی
دستگاه حفاری ضربه ای چرخشی (ترکیبی)
این نوع از دستگاه های حفاری، همانطور که از اسمشان برمی آید، ترکیبی از سیستم ضربه ای و سیستم چرخشی هستند. این دستگاه ها از مزایای هر دو سیستم بهره مند شده و برای حفاری در زمین های با ترکیبی از لایه های سخت و نرم مناسب می باشند.
دستگاه حفاری چاه آب
این دسته از دستگاه های حفاری، به طور خاص برای حفر چاه های آب طراحی شده اند. بسته به عمق و قطر چاه مورد نظر، از دستگاه های حفاری ضربه ای، دورانی و یا ترکیبی استفاده می شود.
دستگاه حفاری تونل سازی
این غول های صنعتی، برای حفر تونل های با قطر زیاد در پروژه های زیرساختی مانند مترو، راه آهن و انتقال آب کاربرد دارند. دستگاه های حفاری تونل ساز مجهز به سیستم برش قدرتمند بوده و می توانند انواع سنگ و خاک را حفر کرده و همزمان با حفاری، دیواره های تونل را نیز تثبیت نمایند.
دستگاه حفاری میکروتونل
این نوع دستگاه حفاری مشابه TBM است، اما برای حفر تونل های با قطر کمتر و در پروژه های با محدودیت فضا کاربرد دارد. از میکروتونل ها برای حفر تونل های تاسیسات شهری و خطوط لوله های زیرزمینی استفاده می شود.
دستگاه حفاری حفاری جهت دار
این دستگاه های تخصصی، توانایی حفاری در زوایای مختلف را دارند. از حفاری جهت دار برای عبور از موانع زیرزمینی، دسترسی به مخازن نفت و گاز در زاویه و یا حفاری برای پایدارسازی شیب ها استفاده می شود.
دستگاه حفاری دریایی
این نوع از دستگاه های حفاری، بر روی سکویی شناور قرار گرفته و برای حفاری در بستر دریا و اقیانوس ها کاربرد دارند. جک آپ ریگ ها با استفاده از پایه های مستحکم خود بر روی بستر دریا قرار گرفته و عملیات حفاری برای اکتشاف و استخراج نفت و گاز دریایی را انجام می دهند.
عوامل موثر بر انتخاب نوع دستگاه حفاری
انتخاب نوع مناسب دستگاه حفاری، با توجه به عوامل مختلفی صورت می گیرد. در زمان انتخاب دستگاه، باید به موارد زیر توجه ویژه ای داشته باشید:
1. نوع پروژه و هدف از حفاری
اولین و مهمترین عامل در انتخاب دستگاه حفاری، نوع پروژه و هدف نهایی از حفاری است. به عنوان مثال، برای حفر چاه آب با عمق کم، به دستگاهی با توان پایین تر نسبت به حفاری چاه نفت نیاز خواهید داشت.
2. شرایط زمین شناسی محل حفاری
نوع جنس زمین، سختی لایه ها و میزان تخلخل، از عوامل تاثیرگذار بر انتخاب دستگاه حفاری است. برای حفاری در سنگ های سخت، به دستگاه های قدرتمند با سیستم ضربه ای و یا ترکیبی نیاز است، در حالی که برای حفاری در خاک های نرم، دستگاه های دورانی با توان متوسط مناسب می باشند.
3. عمق و قطر حفره مورد نیاز
عمق و قطر نهایی چاه یا تونل بر انتخاب نوع و ظرفیت دستگاه حفاری تاثیرگذار است. دستگاه های حفاری با توان های مختلفی ساخته می شوند و حداکثر عمق و قطر قابل دستیابی آنها نیز متفاوت است.
4. بودجه در نظر گرفته شده برای پروژه
هزینه اجاره یا خرید دستگاه های حفاری متفاوت است. نوع دستگاه، توانایی ها و امکانات جانبی آن بر قیمت نهایی تاثیر می گذارد. در زمان انتخاب دستگاه، باید بودجه در نظر گرفته شده برای پروژه را نیز در نظر داشته باشید.
کاربردهای متنوع دستگاه حفاری در صنایع مختلف
دستگاه های حفاری نقش بسزایی در توسعه زیرساخت ها، اکتشاف منابع طبیعی و پیشرفت صنایع مختلف ایفا می کنند. در ادامه به برخی از مهمترین کاربردهای این تجهیزات قدرتمند اشاره می کنیم:
- اکتشاف و استخراج معادن: برای دسترسی به انواع سنگ های معدنی، فلزات و مواد اولیه مورد نیاز صنایع مختلف، از دستگاه های حفاری برای حفر معادن روباز و زیرزمینی استفاده می شود.
- حفر چاه های آب و نفت: تامین آب شرب، کشاورزی و مصارف صنعتی، وابسته به حفر چاه های آب با عمق و قطر مناسب است. همچنین، برای دسترسی به مخازن نفت و گاز در خشکی و دریا، از دستگاه های حفاری تخصصی استفاده می شود.
- تونل سازی و زیرساخت های شهری: ساخت مترو، راه آهن، تونل های انتقال آب و فاضلاب و سایر زیرساخت های شهری، نیازمند حفاری تونل ها با قطر و طول های مختلف است. دستگاه های حفاری تونل ساز و میکروتونل در این پروژه ها کاربرد دارند.
- پی سازی ساختمان ها و سازه های عمرانی: برای احداث ساختمان ها و سازه های بلندمرتبه، نیاز به ایجاد پی مستحکم است. در برخی از موارد، از دستگاه های حفاری برای حفر گود و پایدارسازی دیواره ها استفاده می شود.
- ژئوتکنیک و مطالعات زمین شناسی: انجام مطالعات ژئوتکنیکی برای بررسی ساختار زمین، شناسایی لایه های خاک و سنگ و ارزیابی ظرفیت باربری زمین، نیازمند حفاری های اکتشافی است. دستگاه های حفاری با توانایی نمونه گیری از لایه های زمین در این مطالعات کاربرد دارند.
- حفاری های زیست محیطی و پاکسازی آلودگی: در برخی از موارد، برای پاکسازی خاک های آلوده به مواد نفتی و شیمیایی و یا دسترسی به منابع آلودگی زیرزمینی، از دستگاه های حفاری تخصصی استفاده می شود.
منبع: آگرین مس، دامیرکو