استفاده صحیح از متههای تری کونه
چگونگی تأثیر سنگشناسی سازند بر شکست مته سنگشناسی سازند از چندین طریق بر عملکرد حفاری تأثیر میگذارد: بر نرخ نفوذ و عمق حفاری تأثیر میگذارد، میتواند مشکلات پیچیده حفاری مانند هرزروی، لگد زدن، ریزش چاه و گیر کردن لوله ایجاد کند، رفتار سیال حفاری را تغییر دهد و بر کیفیت گمانه (انحراف گمانه و قطرهای نامنظم) تأثیر بگذارد، که به نوبه خود بر کیفیت سیمانکاری تأثیر میگذارد. تجزیه و تحلیل سنگشناسی و رفتار حفاری آن برای انتخاب مته مناسب و قضاوت در مورد منطقی بودن استفاده از آن ضروری است.
خاک رس، گل سنگ و شیل: این سازندها به راحتی آب آزاد را از سیال حفاری جذب کرده و متورم میشوند، قطر چاه را کاهش میدهند و در برابر نفوذ مقاومت ایجاد میکنند که میتواند منجر به گیر کردن لوله شود. خیساندن طولانی مدت همچنین میتواند باعث پوسته پوسته شدن و بزرگ شدن چاه شود که منجر به ریزش میشود. در صورت امکان از آب شیرین یا گل با چگالی و ویسکوزیته کم استفاده کنید. شیلهای کربنی چسبندگی ضعیفی دارند و مستعد ریزش هستند. سازندهای نرم و غنی از رس به سرعت حفاری میشوند اما در برابر گلوله شدن مته آسیبپذیر هستند.
ماسهسنگها: خواص ماسهسنگ با توجه به اندازه دانه، ترکیب کانیها و نوع سیمان بسیار متفاوت است. دانههای ریزتر، محتوای کوارتز بالاتر و سیمان سیلیسی یا غنی از آهن، سنگ را سختتر و سایندهتر میکنند و باعث افزایش سایش مته میشوند (مثلاً کوارتز آرنایت). سیمان رسی بیشتر، میکا یا فلدسپات، سنگ را نرمتر و حفاری آن را آسانتر میکند. دانههای درشتتر و سیمانی شدن ضعیف، نفوذپذیری را افزایش داده و خطر هدررفت سیال را افزایش میدهد. یک کیک فیلتر ضخیم میتواند روی دیواره تشکیل شود و باعث چسبندگی و مشکلات چسبندگی شود و منجر به عملکرد غیرطبیعی مته شود.
کنگلومراها: حفاری در کنگلومرا اغلب باعث پرش مته، لرزش و شکستگی دیواره چاه میشود. اگر دبی پمپ کم باشد یا ویسکوزیته گل کافی نباشد، ذرات به اندازه شن به راحتی به سطح زمین برنمیگردند؛ خردههای بزرگ میتوانند به مخروطها و دندانههای مته آسیب برسانند.
سنگهای آهک: معمولاً سخت با نفوذ آهسته و عمق حفاری محدود. بسیاری از سنگهای آهک دچار شکستگی، حفره و حفرات میشوند؛ مواجهه با این موارد میتواند باعث توقف مته، شسته شدن، از دست رفتن گردش و گاهی اوقات لگد زدن یا فوران شود. سنگ آهک به شدت بر نفوذ، سرعت مکانیکی و سایش مته تأثیر میگذارد. لایههای سخت و نرم متناوب (به عنوان مثال، گلسنگ در میان ماسه سنگ سخت) و سازندهای با شیب زیاد، احتمال انحراف چاه گمانه را افزایش میدهند. آسیب مته هنگام حفاری سوراخهای با انحراف زیاد بیشتر محتمل است. لایههای نمک محلول (گچ، هالیت و غیره) میتوانند خواص گل را کاهش داده و عملکرد طبیعی مته را مختل کنند.
پارامترهای حفاری و اثرات آنها پارامترهای کلیدی قابل کنترل حفاری در فرآیند حفاری عبارتند از وزن روی مته (WOB)، سرعت چرخش (RPM) و نرخ گردش گل. این پارامترها باید بر اساس شرایط سازند، نوع مته، قابلیتهای دکل حفاری و مهارت اپراتور انتخاب شوند. پارامترهای حفاری معمولاً به صورت زیر طبقهبندی میشوند:
پارامترهای حفاری بهینه: پارامترهایی که تحت شرایط معین، بهترین نتیجه اقتصادی را به دست میدهند.
پارامترهای حفاری تهاجمی (یا پیشرفته): مقادیر بالاتر از حد معمول برای دستیابی به نرخ نفوذ بیشتر.
تکنیکهای حفاری ویژه: روشهای خاص یا مجموعه پارامترهای محدود که برای اهداف خاص استفاده میشوند.
انتخاب پارامترهای مختلف، انواع متههای متفاوتی را میطلبد؛ متهها تحت شرایط حفاری مختلف، تحت مکانیسمهای مختلفی دچار شکست میشوند و باید بر اساس آنها عمل کرد.
۲.۱ تأثیر وزن بر مته (WOB) WOB شرط اساسی برای شکستن سنگ در سطح مته است. بزرگی WOB حالت و ویژگیهای شکست سنگ را تعیین میکند و مستقیماً بر نرخ نفوذ و سایش مته تأثیر میگذارد. تحت بار محوری و گشتاور چرخشی، دندانههای برنده هنگام فشار آوردن و برش سنگ، ساییده، کند یا از کار میافتند که بدیهی است بر نفوذ تأثیر میگذارد. با افزایش WOB، نفوذ عموماً افزایش مییابد، اما یاتاقانها و دندانههای برنده سریعتر ساییده میشوند که به نوبه خود بر نفوذ تأثیر میگذارد. رابطه بین WOB و نفوذ از طریق سه مرحله متمایز تغییر میکند:
مرحله شکست سطحی: وقتی WOB کمتر از سختی فرورفتگی سنگ باشد، دندانههای برش نمیتوانند نفوذ کنند، بلکه فقط سطح سنگ را میسایند. سایش زیاد و نفوذ کم است، اگرچه نفوذ به طور متناسب با افزایش WOB افزایش مییابد.
مرحله خستگی-شکستگی: هنگامی که WOB به سختی فرورفتگی سنگ نزدیک میشود، حرکت مکرر دندانهها باعث ایجاد ترکهای سطحی زیادی میشود و حتی بدون نفوذ کامل، خردشدگی پیشرونده رخ میدهد.
مرحله شکست حجمی: وقتی WOB از سختی فرورفتگی سنگ فراتر رود، دندانهها نفوذ کرده و شکستگی حجمی ایجاد میکنند؛ حفاری کارآمد میشود و این رژیم حفاری معمولی است. بنابراین، WOB اعمال شده باید به اندازهای باشد که به دندانهها اجازه نفوذ و ایجاد خردایش حجمی را بدهد.
دو برابر کردن WOB در آزمایشها روی متههای سه مخروطی نشان داد که سنگهای مختلف واکنش متفاوتی نشان میدهند: سنگهای با سختی متوسط (کلاسهای سنگی ۶-۷) بیشترین افزایش نرخ نفوذ را نشان میدهند؛ سنگهای نرمتر (کلاسهای ۴-۵) و سختتر (کلاسهای ۸-۹) افزایش کمتری نشان میدهند. سازندهای نرم چسبنده حفاری میتوانند باعث پل زدن گل و گیر کردن مته شوند، بنابراین WOB باید نسبتاً کم باشد. در سازندهای بسیار ساینده، WOB ناکافی باعث سایش زودرس مته میشود، بنابراین WOB باید به طور مناسب افزایش یابد. هنگام مواجهه با سازندهای شکسته، پرش مته رایج است و WOB باید کاهش یابد تا از شکستگی یا پوسته پوسته شدن دندانه جلوگیری شود. بنابراین WOB یک پارامتر حیاتی است که باید نفوذ کافی دندانه را با به حداقل رساندن سایش دندانه متعادل کند.
۲.۲ تأثیر سرعت دورانی (RPM) سرعت دورانی، سرعت چرخش یک قطعه با قطر معین را اندازهگیری میکند. از آنجا که رفتار شکست سنگ و تأثیر وزن مخصوص سنگ با سختی سنگ تغییر میکند، تأثیر RPM بر شکست سنگ و نفوذ مکانیکی باید عوامل سنگشناسی و زمان شکست سنگ را در نظر بگیرد.
RPM در سازندهای نرم: در سازندهای نرم، بسیار پلاستیکی و با سایش کم (مثلاً بسترهای رسی)، ضخامت براده برابر با عمق نفوذ دندانه است و سایش دندانه حداقل است. با ثابت نگه داشتن WOB، RPM و نرخ نفوذ مکانیکی تقریباً به طور متناسب افزایش مییابند.
RPM در سازندهای نیمه سخت و سخت: در این سازندها، سختی فرورفتگی و سایندگی بیشتر است؛ دندانهها سریعتر کند میشوند، سطح تماس افزایش مییابد و زمان انتشار ترک و تغییر شکل طولانیتر میشود. نفوذ کند میشود و WOB بالاتری مورد نیاز است. افزایش RPM در سازندهای سخت میتواند زمان شکست سنگ در هر دور را افزایش دهد، بنابراین RPM بیش از حد میتواند از شکست کامل قبل از جدا شدن دندانهها جلوگیری کند، نفوذ موثر را کاهش داده و سایش را تسریع کند. بنابراین، RPM نباید در سازندهای نیمه سخت یا سخت بیش از حد افزایش یابد.
تفاوت RPM بین انواع سنگ: هر نوع سنگ دارای یک منحنی پاسخ مشخصه و یک RPM محدودکننده است. در خاک رس، نرخ نفوذ به طور متناسب با RPM افزایش مییابد؛ در سنگهای سخت و بسیار ساینده، نفوذ با RPM به دلیل زمان طولانیتر شکست سنگ و RPM محدودکننده پایینتر، کندتر افزایش مییابد - تجاوز از آن حد میتواند نفوذ را کاهش دهد.
نتایج آزمایش حاصل از دو برابر کردن RPM روی متههای سه مخروطی نشان میدهد که برای سنگی با درجه ۴ (مثلاً مرمر) میزان نفوذ حدود ۹۳٪ افزایش یافته است، در حالی که برای گرانیت پورفیری درجه ۹ این افزایش تنها حدود ۲۸٪ بوده است. از درجه ۴ تا درجه ۹، افزایش نفوذ با RPM در امتداد یک منحنی کاهش مییابد. بنابراین، افزایش RPM برای سازندهای نرم و کم سایش مفید است، اما در سازندهای سخت و بسیار ساینده، مزیت محدودی دارد.
