مته های حفاری چاه آب و انواع آن

مته های حفاری چاه آب که معمولا به بخش پایین ابزار حفاری یا در مورد چاههای عمیق به ویژه سیستم حفاری چرخشی به پایین ترین بخش لوله اضافی متصل بوده و عامل انتقال انرژی دریافتی از لوله حفاری به سنگ است و از این طریق موجب نفوذ می گردد. شناخت نوع مته جهت حفاری چاه آب در انواع مختلف سنگها بسیار مهم می باشد. بدون شک مقدار انرژی انتقالی باید به حدی باشد که بتواند مقاومت سنگ را در هم بشکند و جنس مته ها نیز باید از موادی تشکیل شده باشند که در مقابل سختی سنگها، حرارت و فشار اعماق چاهها مقاومت کنند. با توجه به عملکرد مته های حفاری چاه آب (شکستن و نفوذ در سنگها) آنها را بر اساس سه اصل زیر طراحی می کنند:

1- مته های که باعث تراشیدگی و ریز ریز شدن سنگ ها می شوند. این گونه مته ها بیشتر برای سنگهای دارای مقاومت و سفتی کم همچون رسهای چسبنده، شیلهای رسی و سنگها یا کانیهای دارای خاصیت ساییدگی مود استفاده قرار می گیرند.

2- مته هایی که در اثر تماس و با عمل برشی موجب نفوذ در سنگها می شوند. این نوع مته ها برای سنگهای نیمه سخت تا سخت و همچنین سنگهایی با خاصیت ساییدگی به کار برده می شوند.

3- مته هایی که با ایجاد بریدگی و خراش اندازی موجب نفوذ در سنگها می شوند. این گونه مته ها برای سنگهای نیمه سخت و سنگهایی با خاصیت پلاستیکی مورد استفاده قرار می گیرند.

4-1- انواع مته ها

نوع مته ای که باید برای عملیات حفاری انتخاب شود در درجه اول به نوع سنگی بستگی دارد که باید حفاری گردد. علاوه بر شاخص ذکر شده عامل اقتصادی نیز باید مورد توجه قرار گیرد. به طور کلی شیلهای نرم و سنگهای جوان رسوبی توسط سیستمهای حفاری که مجهز به مته های تیغه ای باشند بازدهی مناسبی دارند و مته هایی که دندانه های مضرس دارند مناسبترین مته برای شیلهای سخت، ماسه سنگ و آهک هستند و به دلیل سختی الماس نسبت به کانیها و سنگهای معمولی از نظر اقتصادی از آن برای شرایط بسیار سخت استفاده می شود.

3-2- انواع مته های حفاری چرخشی

4-2-1- مته های تیغه ای ثابت

اولین نوع مته هایی که در حفاری چاه آب چرخشی استفاده می شود Drag Bit بوده که شامل چندین تیغه به شکل دم ماهی است. این نوع مته ها در سازندهای نرم و سخت نشده(Unconsolidated)، نسبت به دیگر مته ها کارایی بهتری دارند. این نوع مته ها برحسب تعداد تیغه ها و زاویه های آنها نسبت به یکدیگر برای سازندهای مختلف به کار می روند و معمولا در انواع 2، 3 و 4 تیغه طراحی می شود.

عکس صفحه 83 کتاب

4-2-2- مته های کاج دار(Roller Cone Bits)

این نوع مته ها دارای 3 کاج(cone) فولادی دندانه دار می باشند که در حال حاضر بیشترین استفاده را در حفاری چاه آب چرخشی دارند. این مته ها برخلاف مته های Drag Bit که فقط خود مته ها می چرخند، علاوه بر حرکت مته حول محور خود، سخ کاج آن نیز حول محورهای خود حرکت چرخشی دارند. عیب این نوع مته ها این است که همیشه چاه به صورت یکنواخت حفر نمی شود. این نوع مته ها در دو نوع طراحی می شوند:

عکس صفحه 83 کتاب

4-2-2-1-Milled Tooth Bit

جنس داندانه ها در این نوع مته ها فولادی است که هم جنس خود کاج بوده و معمولا برای سازندهای نرم استفاده می شوند. عکس صفحه 84 کتاب

4-2-2-2-Inserted Tooth Mit

در این نوع مته ها جنس دندانه از تنگستن است که روی کاج ها به صورت دکمه ای نصب می شود و معمولا برای حفر سازندهای سخت تر استفاده می شوند. دندانه های مته Inserted tooth  نسیت به مته Milled tooth کوتاهتر است.

4-2-3- Fixed Cotter Bit

این نوع مته ها هیچ عضو متحرکی نداشته و فقط یکپارچه حول محور خود می چرخند. دندانه های آنها از نوع الماس مصنوعی است و دارای بدنه های بلندی می باشند. سرعت نفوذ در این مته ها بسیار زیاد می باشد. پس باید حجم پمپاژ گل حفاری(GPM) طوری انجام شود که توانایی آوردن خرده های حفاری به سطح را داشته باشد به عبارت دیگر متناسب نبودن حجم پمپاژ گل با سرعت حفاری سبب ماندن خرده ها در ته چاه و مدفون شدن مته ریز خرده ها Balled می شود، همچنین به دلیل حساس بودن مته ها به دمای بالا باید عمل خنک کردن مته ها به خوبی انجام گیرد. این مته ها عمر بیشتری دارند و نیاز به عمل Tripping کمتری وجود دارد. عکس صفحه 85 کتاب

 از آن جا که این مته ها سنگ را می تراشند اندازه خرده ها بسیار ریز بوده و جدا کردن آنها از گل حفاری چاه آب بسیار مشکل است و باعث بالا رفتن گرانروی پلاستیکی(Plastic) گل حفاری می شود. مزیت دیگر این مته ها این است که چاه به صورت یکنواخت حفر می شود.

4-2-4- انواع مته های Fixed cutter

4-2-4-1- مته های الماسی طبیعی

در این مته ها، ذرات الماس طبیعی روی بدنه فولادی مته کاشته می شود. ذرات الماسی نسبت به ضربه بسیار حساس بوده و در نتیجه باید در راندن آنها به چاه و یا حمل و نقل آنها دقت کافی به عمل آِید.

عکس صفحه 86 کتاب

4-2-4-2- مته های(Poly Crystalling Diamond Bit PC)

مته های (PCD)، نوع پیشرفته مته های الماس طبیعی می باشند که دکمه های آنها از جنس الماس مصنوعی (PCD) است. معمولا بدنه آنها از جنس تنگستن کربید(Tangstem Carbide) است. این مته ها در کندن سازنده های کربناته (Carbonate) و تبخیری(evaporates) بسیار موفق عمل کرده ولی در برخورد با سازنده های دارای chert به شدت آسیب پذیرند. عکس صفحه 86 کتاب

4-2-4-3- مته های Tsp(Thermad Staline Compact Bits]) نوع پیشرفته مته های PCD می باشند که تحمل دماهای بسیار بالا را داشته و در چاههای بسیار عمیق مورد استفاده قرار می گیرند. همان طور که گفته شد دمای بالا سبب کاهش عمر مته می شود، اما این نوع مته ها در دمای بالا مقاوم می باشند. عکس صفحه 87 کتاب

4-2-5- مته های مغزه گیری(Ciring Bits) برای مطالعه مخزن و به دست آوردن خصوصیات سنگ مخزن لازم است که از سنگ مخزن نمونه گرفته شود. بدین منظور در بعضی از چاهها از سنگ مخزن نمونه گیری می شود. برای نمونه گیری از سنگ مخزن از مته های مغزه گیری استفاده می کنند. این مته ها از نوع الماسه می باشند که وسط آنها سوراخ استوانه ای شکل قرار گرفته است. عکس صفحه 87 کتاب

4-3- عملکرد مته

عملکرد مته تابع وزن روی مته، دور مته، خواص گل و هیدرولیک مته می باشد. عمده وزن روی مته(Weight on Bit: WOB) از لوله های وزنه (drill cillar) تامین می شود. اما برای به دست آوردن وزن روی مته باید وزن تمام رشته حفاری در گل حفاری چاه آب را با توجه به نیروی شناوری وارده به آن محاسبه نمود. به علت شناور بودن رشته حفاری در گل حفاری چاه آب، نیروی شناوری وارده به آن که به سمت بالا عمل می کند باعث می شود که وزن رشته حفاری در گل کمتر از مقدار واقعی آن در هوا باشد. به عبارت دیگر مقداری از وزن رشته حفاری توسط گل حفاری تحمل می شود.

پس می توان گفت:  نیروی شناوری- وزن رشته حفاری چاه آب در هوا=(WOB) وزن روی مته

4-3-1- چگونگی انتقال قطعات خرد شده سنگها توسط مته های مخروطی

به طور کلی اجرای مخروطی موثر مته های سه مخروطی در ته چاه به مقدار وسیع، به نحوه تمیز کردن ته چاه با گل حفاری چاه آب بستگی دارد. بنابراین به هیچ وجه نباید اجازه داد که ذرات خرده سنگ در ته چال یا چاه جمع گردند و از این طریق موجب کاهش درجه نفوذ پذیری مته و استهلاک دندانه های مته شوند. بنابراین باید با سرعت هر چه بیشتر ذرات خرد شده به سطح زمین منتقل گردند که این امر نه تنها منوط به رساندن مقدار کافی گل حفاری چاه آب است بلکه به طراحی مناسب جهت تعبیه سوراخ یا سوراخهای کافی روی مته احتیاج دارد تا گل حفاری به طور موثر به ته چاه برسد. در برخی دیگر از مدلهای مته های مخروطی سوراخهای ریز در اطراف یا سطح جانبی مخروطها تعبیه گردیده اند و در این مته ها فوران گل حفاری مستقیما از مخروطها به سمت سطح چال بوده و از این طریق موجب خنکدشن مخروطها و انتقال سنگهای خرد شده از ته چال به دهانه چاه می گردد. این نوع مته ها را ترجیحا مته های فورانی می نامند.

4-4- مته های مورد استفاده در سیستم حفاری ضربه ای

به طور کلی از سه نوع مته در سیستم حفاری چاه آب ضربه ای استفاده می شود که عبارتنداز:

1- مته اسکنه ای حفاری چاه آب

2- مته تقاطعی حفاری چاه آب

3- مته دکمه ای حفاری چاه آب

مته ای اسکنه ای غالبا در حفاریهای معادن زیر زمینی به کار برده می شوند و چالزنهایی از نوع سینکر یا چکشهای حفاری چاه آب دارای این نوع مته هستند. ولی برای چالهای با قطر و عمق زیاد مناسب نیستند و معمولا برای چالهایی با قطر کمتر از 3 اینچ (75 میلی متر) استفاده می شود. عکس صفحه 89 کتاب

 باید دانست که تا چند سال گذشته معمولا مته های چکش های حفاری و یا دریفتر به شکل اسکنه مشابه نوک قلم خط نویسی در انتهای لوله های حفاری چاه آب به طور یکپارچه ساخته می شد که در واقع غیر قابل جدا شدن و تعویض بودند. اما در سالهای اخیر به جای این نوع ساختار، مته ها غالبا به میله حفاری متصل می شوند. مزیت این نوع مته ها آن است که به آسانی قابل تعویض اند. در ضمن در اندازه و اشکال مختلف با درجه سختی متفاوت طراحی گردیده اند. جنس این مته ها غالبا فولادی است اما به دلیل خاصیت خراش اندازه ی بعضی از کانیها و سنگها مته های فولادی گاهی به ازای هر چند اینچ حفاری چاه آب باید تعویض گردند و چون از نظر اقتصادی و اتلاف وقت جهت عوض کردن این مته ها مشکلاتی در امر حفاری چاه آب به وجود می آید، به تدریج برای ساختن این مته به جای فولاد از کربور تنگستن که مقاومت بیشتر دارد استفاده می شود. بدین جهت برای چالهای بیش از 13 اینچ (76 میلی متر) مته هایی از این نوع ( ساخته شده از آلیاژ های سخت یا کربور تنگستن) به شکل دیگری توسعه داده شده که عمدتا شباهت به حرف لاتین(X) دارد و در بعضی موارد نیز به شکل نماد جمع(+) طراحی و ساخته گردیده است. عکس صفحه 89 کتاب

معمولا از مته های ضربدری برای سنگهای متراکن و سخت استفاده می شود، که در چال شیارهای مارپیچی ایجاد می کنند. لبه های چهار بخش مته به حالت 90 درجه(در حالت+) و یا تقریبا 90 درجه در حالت (ضربدر) نسبت به یکدگیر قرار دارند. قطر این نوع مته ها بر حسب کارخانه سازنده آنها متفاوت است. اما با توجه به آن که از سیستم چال زنی ضربه ای اختصاصا برای چالهای کم قطر و سنگهای سخت بیشتر استفاده می شود، قطر مته ها معمولا بین 1 ت 5 اینچ (38 ت 127 میلی متر ) متغیرند و وزن این نوع مته ها بر حسب قطر آن با توجه به نوسان فوق بین حدود 600 گرم تا 8 کیلوگرم متغیر است. مته های دکمه ای نوع دیگر از مته های سیستم ضربه ای است که مشابه مته های دکمه ای است که در سیستم حفاری چرخشی به کار برده می شوند. تقریبا سطح صاف و برجستگیهای کروی مانند دارند که جنس آنان از کربور تنگستن است. این نوع مته ها بدان جهت ساخته شدند تا اشککال ساییدگی از بین برود.