مته حفاری

مقدمه :

مته هاي حفاري كه معمولات به پايين ترين بخش لوله حفاري يا در مورد چاههاي عميق بالاخص سيستم حفاري چرخشي به پايين ترين بخش لوله اضافي متصل بوده و عامل انتقال انرژي دريافتي از لوله حفاري به سنگ مي باشد و از اين طريق موجب نفوذ در آنها مي گردد .بدون شك مقدار انرژي بايد به حدي باشد كه بتواند مقاومت سنگ را در هم بشكند و جنس مته ها نيز بايد از موادي تشكيل شده باشند كه در مقابل سختي سنگها حرارت و فشار اعماق چال يا چاهها مقاومت كنند . با توجه به عملكرد مته هاي حفاري ( شكستن ، و نفوذ در سنگها ) آنها را براساس سه اصل ذيل طراحي مي كنند.

1-مته هايي كه باعث تراشيدگي و ريز ريز شدن سنگها مي شوند اين گونه مته ها بيشتر براي سنگهاي داراي مقاومت و سفتي كم همچون رسها چسبنده ، شيلهاي رسي و سنگها يا كانيهاي داراي خاصيت ساييدگي مورد استفاده قرار ميگيرند.

2-مته هايي كه در اثر مماس و با عمل برشي موجب نفوذ در سنگها مي شوند اين نوع مته ها براي سنگهاي نيمه سخت تا سخت و همچنين سنگهايي با خاصيت ساييدگي به كار برده مي شوند .

3-مته هايي كه با ايجاد بريدگي و خراش اندازي موجب نفوذ در سنگها مي شوند اين گونه مته ها براي سنگها نيمه سخت تا سخت و سنگهايي با خاصيت پلاستيكي مورد استفاده قرار ميگيرند.

انواع مته ها

نوع مته اي كه بايد براي عمليات حفاري انتخاب شود در درجه اول به نوع سنگي بستگي دارد كه بايد حفاري گردد .علاوه بر شاخص ذكر شده عامل اقتصادي نيز بايد مورد توجه قرار گيرد . به طور كلي شيلهاي نرم ، سنگهاي جوان رسوبي توسط سيستمهاي حفاري كه مجهز به مته هاي تيغه اي باشند بازدهي مناسبي دارند و مته هايي كه دندان گونه دارند مناسبترين مته براي شيلهاي سخت ، ماسه سنگ و آهك هستند و به دليل سختي الماس نسبت به كانيها و سنگهاي معمولي از نظر اقتصادي از آن براي شرايط بسيار سخت استفاده مي شود.

مته هاي مورد استفاده در سيستم حفاري چرخشي

1 -مته هاي تيغه اي:

اين نوع مته ها از دو يا سه يا چهار تشكيل شده اند كه با فاصله 180 درجه ، 120 درجه و 90 درجه در كنار يكديگر قرار گرفته اند ، نوع دو تيغه اي آن را نوع دم ماهي نيز مي نامند . متداولترين مته هاي تيغه اي سه تيغه دارند .مته هاي تيغه اي كه گاهي بدانها مته هاي جناحي نيز مي گويند مخصوص طبقات نرم مي باشند و ابتدايي ترين مته ماشينهاي چرخشي محسوب مي شوند . تيغه هاهيچ گونه چرخش مستقلي ندارند.

جنس تيغه ها معمولا از كربور تنگستن است و هر چه طول آنها كمتر باشد بازدهي مته بيشتر خواهد بود و به روي مته ها منافذي تعبيه شده كه گل حفاري پس از عبور از اين منافد ( تحت فشار ) قطعات خرد شده ته چال يا چاه را به سطح منتقل و باعث تميز شدن ته چاه مي شود. ( براي خرد شدن موثر سنگها و انتقال سريع قطعات شكسته شده سنگ به سطح توصيه مي شود كه سرعت گل حفاري بين 80 تا 120 سانتي متر در ثانيه تنظيم شود ) اين نوع مته ها بيشتر براي حفاري طبقات يا سنگهاي نرم مانند رس ، شيلهاي نرم يا نيمه سخت ماسه سنگ و سنگ آهك نرم و سنگهاي مشابه مورد استفاده قرار مي گيرد. و درجه نفوذ پذيري آن بين 60 فوت در ساعت ( 18 متر در ساعت ) براي سنگهاي نيمه سخت تا 600 فوت در ساعت (180 متر در ساعت ) براي سنگهاي نرم همچون شيل نرم متغير است . عمر مته هاي تيغه اي به دليل كاربرد آن در سنگهاي نرم معمولا بيش از 1000 فوت ( 300 متر ) خواهد بود و مقدار بار روي مته براي سنگهاي نيمه سخت بين 1000 تا 2000 پوند به ازاي هر اينچ مته است.

2- مته هاي چرخشي مخروطي

مته هاي چرخشي مخروطي يا غتلكي برحسب نوع ساختمان آنها به چند زير گروه تقسيم بندي مي شوند . اين تقسيم بندي اولين در بار درسال 1909 توسط « هوارد هيوز» ارائه شده است كه در واقع تلاشي بوده است جهت توسعه بيشتر سيستم حفاري چرخشي در مقابل ماشينهاي ضربه اي بالاخص از نوع كابلي كه بازدهي قابل توجه اي در سنگهاي سخت دارد .بر روي مته هاي مخروطي ( دو تا چهار رديف دندانه به شكل v تعبيه گرديده است بدين جهت در بعضي موارد اين نوع مته ها مته هاي چرخشي دندانه دار نيز مي نامند . در سنگهاي نرم طول داندنها و فاصله آنها از يكديگر زياد ميباشند . براي حفاري سنگهاي سخت تر اندازه دندانه ها كوتاه و فاصله آنها از يكديگر نيز كم مي گردد.تعداد مخروطه هاي مته مي تواند يك ، دو ، سه ، چهار ، پنج يا حتي به شش عدد برسد اما رايج ترين آنها مته هاي سه مخروطي است .

مته ها معمولا با توجه به شكل و جنس تيغه ها به دو نوع دندانه فولادي (steel tooth)و اينزرت كاربيد تنگستن (tungsten carbide insert)تقسيم مي شوند

مته هاي دندانه فولادي:

اين مته ها براي سازند هاي نرم تا نيمه سخت كاربرد دارند.دندانه هاي روي مخروط ها بوسيله ماشين كاري مخروط ايجاد شده ويا مستقيما به همراه مخروط فورج ميشوند.مته هاي دندانه فولادي داراي تيغه هاي كوتاه يا بلند هستند كه متناسب با سازند حفاري نوع تيغه ها انتخاب مي شوند. .

مته هاي اينزرتي كاربيد تنگستن:

اين نوع مته ها براي سازند هاي نيمه سخت تا سخت كاربرد دارند.اينزرتهاي كاربيد تنگستن داخل حفره ايجاد شده در سطح مخروط فولادي پرس مي شوند.اين اينزرتها داراي بدنه تو پر استوانه اي شكل هستند.كه انتهاي ان گرد شده و يا اندكي تيز مي شود.به علت شباهتي كه اين اينزرتها به دكمه دارند به اين مته ها مته هاي دكمه اي نيز مي گويند.

مته هاي مخروطي دندانه دار ( غلتكتي دندانه دار ) قادرند در سنگهاي سختي همچون گرانيت ، سنگ معدن بسيار سخت مس دار ، سنگ معدني بسيار سخت آهن دار قابليت نفوذ پذيري قابل توجهي داشته باشند .در جه نفوذ پذيري اين نوع مته ها دراين سنگها بين 17 تا 30 فوت در ساعت ( 5 تا 9 متر در ساعت ) متغير است . در سنگهاي آهكي و دولوميت كاملا سخت ، سنگ آهن و مس نسبتاً سخت و ماسه سنگ بسيار سخت درجه نفوذپذيري بين 30 تا 80 فوت در ساعت (9 تا 24 متر در ساعت ) مي تواند متغير گردد و براي سنگهاي فاقد سختي همچون رس ، شيلها ماسه سنگ نرم يا شل و سنگهاي معدني فاقد سختي درجه نفوذ پذيري بين 100 تا 300 فوت در ساعت ( 30تا 90) افزايش دارد.

براي اين گونه مته ها به ازاي هر اينچ مته مي توان تا 8000 پوند بار وارد كرد ( به ازاي هر ميلي متر قطر مته 7ر 142 كيلوگرم ) قطر مته هاي غلتكي و تيغه اي تا 26 اينچ ساخته گرديده است اما متداولترين آنها كه در صنعت معدنكاري رايج است قطري بين 4 تا 15 اينچ هستند .در جدول صفحه بعد مشخصات قطر مته هاي و وزن و حجمي از چال كه به ازاي واحد طول ( عمق چال ) حفاري مي شود ارائه شده است .( مته ها از نوع سه مخروطي است ).

3- مته هاي تك غلتكي ( يك مخروطي )

اين مته در سيتسم حفاري چرخشي براي سنگهاي شكاف دار ، سنگهايي با خاصيت خراش اندازي ، سنگهايي با سختي متوسط ، و براي طبقات شيبدار كاربرد دارد چون در اين وضعيت امكان انحراف چال يا چاه با اين نوع مته به كميترين مقدار خواهد رسيد. شكل مته تقربيا كروي و به روي آن دندانه هاي نيمه كروي يا v شكل از آلياژ سخت تشكيل شده تعبيه شده و براي عبور گل حفاري به ته چاه جهت انتقال قطعات بريده شده ، معمولا يك سوراخ روي مته ايجاد مي شود

مته هاي سه مخروطي ، اندازه مته ، مقدار بازدهي بر حسب حجم ( فوت مكعب ) در فوت

چگونگي انتقال قطعات خرد شده سنگها توسط مته هاي مخروطي

به طور كلي اجراء موثر مته هاي سه مخروطي در ته چاه به مقدار وسيع به نحوه تميز گردن ته چاه با گل حفاري بستگي دارد ، بنابراين به هيچ وجه نبايد اجازه داد كه ذرات خرده سنگ در ته چال يا چاه مجتمع گردند و به اين طريق موجب كاهش درجه نفوذپذيري مته و استهلاك دندانه هاي مته شوند . بنابراين بايد با سرعت هر چه بيشتر ذرات خرد شده به سطح زمين منتقل گردند كه اين امر نه تنها منوط به رساندن مقدار كافي گل حفاري است بلكه به طراحي مناسب جهت تعبيه سوراخ يا سوراخهاي كافي روي مته احتياج دارد تا گل حفاري به طور موثر به ته چاه برسد . در برخي مدلهاي مته هاي سه مخروطي يك سوراخ در مركز مته تعبيه گرديده و در اين نوع مته ها گل حفاري مستقيما وارد مخروط ها شده و در اثر عبور از آن ، موجب خنك كردن سر مته ( دندانه ها يا عامل خرد كننده ) و انتقال قطعات خرد شده سنگ و تميزي ته چاه مي گردد.

4- مته هاي الماسي

الماس سخت ترين ماده است كه شناخته شده است واز كربن خالص تشكيل شده است جسمی متبلور و به مراتب سختتر از كانيها و سنگهايي است كه بايد حفاري گردند و مته هايي كه جنس آنان از الماس است براي سنگهاي سخت و كاني و سنگهايي با خاصيت خراش اندازي از نظر فني و اقتصادي مناسبترين مته مي باشند .از اين نوع مته ها بيشتر براي تهيه مغزه يا نمونه برداري استفاده مي شود و در اين نوع مته قطر نمونه ها كمتر از 3 اينچ است .

براي ساختن مته هاي الماس ابتدا مته ساده از فولاد ساخته مي شود و سپس اين مته را به ناودان يا لوله نگهدارنه مغزه و يا وزنه اضافي حفاري متصل مي كنند .و بعد ذرات الماس به روي قالب مته جايگذاري مي گردد و روي آنها نيز با پودرهاي فلزي پوشانده مي شود .مته هاي الماسي به اشكال مختلف ساخته مي شوند. مته هاي الماسي معمولا براي سنگهاي سخت و سفت به كار برده مي شود و با مقايسه با مته هاي تيغه اي و مخروطي حساسيت آن نسبت به گل حفاري نسبتاً كمتر مي باشد اما اعتقاد براين است كه گل حفاري هر چه رقيق تر باشد بازدهي مته بهتر و از نظر اقتصادي نيز با صرفه تر است . همچنين هر چه قطر مته الماسي كوچكتر باشد ، صرفنظر از ارزانتر بودن هزينه اوليه مته ، بازدهي آن نيز نسبت به مته داراي قطربیشتر زيادتر خواهد بود. يكي از مشكلات عمده مته هاي الماسي صرفنظر از هزينه اوليه آن ،ظرافت و ترد بودن آن است ، بنابراين توصيه مي شود هر بار كه گل حفاري به جريان انداخته شود ( با پمپاژ گل حفاري ) چون امكان به نوسان درآمدن لوله حفاري وجود خواهد داشت در اين صورت بايد مواظف بود كه اين نوسان موجب كوبيدن مته به ته چاه نگردد . در غير اين صورت امكان شكستن اين نوع مته وجود دارد.

مته های الماسی طبیعی:

مته هاي الماسي براساس نوع الماس تشكيل دهنده آن به دونوع طبيعي ومصنوعي تقسيم مي شوند.

مته هاي مصنوعي خود به دو نوع polycrystalline diamond compact (PDC) و thermally stable polycry stalline(TSP) تقسيم مي شونذ.

PDC :

يكي از مهمترين پيشرفت هاي سال هاي اخير توليد PDC است.هر PDC كه در تيغه مته استفاده مي شود از نوع مخصوصي ازلماس مصنوعي تشكيل شده است كه به پشت بندي از كاربيد تنگستن متصل شده است.بدنه اين مته ها ميتواند فولادي يا ماتريسي باشد.ساخت بدنه فولادي آسانتراست.در مقابل بدنه ماتريسي مقاومت سايشي بالا تري دارد.

مته هاي TSP:

TSP جديد ترين الماس مصنوعي ساخته شده براي مته هاي الماسه است.TSP نسبت به PDC پايداري حرارتي بالا تري دارد و از اين نظر تقريبا هم تراز الماس طبيعي است. از نظر اندازه و شكل نيز اين مته ها بيشتر شبيه مته هاي الماس طبيعي هستند.هيدرو ليك مته و پروفيل مته هاي TSP نيز شبيه مته هاي الماس طبيعي مي باشد.به دليل كوچكتر بودن ذرات TSP نسبت به PDC نرخ نفوذ اين مته ها كمتر است كه از اين نظر نيز مشابه مته هاي الماس طبيعي هستند.

روشهاي مغزه گيري و مته هاي آن

روشهاي مغزه گيري به دو گروه تقسيم مي شوند : 1) مغزه برداري به هنگام حفاري از ته چال يا ته چاه ،2)مغزه برداي بعد از حفاري و از پهلوي چاه و از زون مشخص ، در روش مغزه برداري ازته چاه به هنگام حفاري نوعي مته بكار برده مي شود كه مركز يا دهانه آن باز بوده و چال را به صورت نان گرد مي برد. اين قطعه بريده شده( كنده شده از ته چال ) در مركز مته قرار مي گيرد و سپس با ادامه حفاري ( نمونه مغزه برداري ) مغزه به داخل ناودان و يا لوله نگهدارنده مغزه ( استوانه اي شكل ) كه بلافاصله در پشت مته قرار گرفته منتقل مي شود و جهت بررسيهاي ضروري از اين طريق به سطح زمين هدايت مي گردند. اين نوع نمونه برداري برحسب نوع مته به دو گروه تقسيم بندي مي شوند.

1-نمونه برداري با مته هاي غير الماسي ( جنس مته از كربور تنگستن يا فلزات سخت ديگر يا آلياژ هاي مقاوم و سخت است )

2-نمونه برداي با مته هاي الماسي

قطر نمونه هاي حاصله با مته هاي غير الماسي معمولا زيادتر از 3 اينچ ( 76 ميلي متر ) و ماكزيمم طولي نمونه هاي نيز 30 تا 55 فوت ( 9 تا 7ر 16 متر ) است .

نمونه يا مغزه هايي كه با مته هاي الماسي حاصل مي گردند معمولا از نظر طولي زيادتر از طول نمونه هايي است كه با مته هاي غير الماسي به دست مي آيند . نمونه هايي با طول 55 فوت(7ر16 متر ) اين نوع مته تقريبا در كليه مراحل مغزه گيري عادي مي باشد.

هزينه مته هاي الماسي زيادتر ا زهزينه مته هاي غير الماسي است اما بازدهي آنها از نظر متراژ حفاري بالاخص در مورد سنگهاي سخت به مراتب بالاتر است و در صورت محافظت مته هاي الماسي اين امكان وجود دارد كه پس از پايان يافتن عمر مفيد مته ها تا 50 درصد قيمت اوليه به فروش رسانيده شوند. به دليل بالابودن هزينه مته الماسي معمولا از مته هاي فولادي براي تهيه نمونه هاي با قطر بيشتر از 5 اينچ استفاده مي شود از سوي ديگر بعضي از روشهاي مغزه گيري غير الماسي مانند حفاري ساچمه اي به دليل داشتن سرعت كم چالزني ( در بعضي از موارد فقط يك متر در شيفت ) موجب شده است كه علي رغم هزينه بالاي مته هاي الماسي از اين روش براي تهيه نمونه هاي با قطر بيش از اينچ نيز استفاده شود.

بايد توجه داشت كه در بعضي موارد پس از حفر چال يا چاه جهت يكسان گشاده كردن چاه يا چال از چال تراش كه بلافاصله بعد از مته قرارداده مي شوند استفاده مي شود.