حفاری سنگ سخت «گیر نمی‌کند»! سه نکته اصلی برای تنظیم پارامترها
سازندهای سنگ سخت (که معمولاً گرانیت، بازالت و غیره هستند) سختی و چقرمگی بالایی دارند و الزامات سختگیرانه‌ای را برای تطبیق پارامترهای حفاری اعمال می‌کنند. تنظیم صحیح سرعت چرخش، فشار حفاری (فشار ووب/مته) و حذف خرده‌های حفاری (شستشو) کلید بهبود نرخ نفوذ و کاهش فرسودگی تجهیزات است. در ادامه، منطق تنظیم و قوانین عملی برای حفاری سنگ سخت بر اساس این سه پارامتر اصلی توضیح داده شده است.
سرعت دورانی: سرعت کم برای شکست مؤثر به دلیل سختی بالای سنگ سخت، حفاری معمولاً با سرعت دورانی کم انجام می‌شود تا دندانه‌های مته زمان تماس کافی برای شکستن سنگ داشته باشند. سنگ سخت متراکم است و شکستگی‌های طبیعی کمی دارد؛ مته‌های غلتکی مخروطی دندانه‌دار باید به مرور زمان به سازند فشار وارد کرده و گوه بزنند. اگر سرعت خیلی زیاد باشد، زمان تماس دندانه‌ها به شدت کاهش می‌یابد و قبل از وقوع شکست مؤثر، از روی سطح حفاری می‌لغزند. این "آسیاب هوایی" نه تنها باعث بهبود نفوذ نمی‌شود، بلکه سایش مته را نیز تسریع می‌کند.
در عمل، سرعت چرخش برای حفاری سنگ سخت معمولاً در محدوده 30 تا 60 دور در دقیقه کنترل می‌شود. به عنوان مثال، هنگام حفاری گرانیت، افزایش سرعت به 100 دور در دقیقه باعث می‌شود دندانه‌ها به سرعت روی سطح بلغزند و فقط خراش‌های کم‌عمقی ایجاد کنند بدون اینکه به توده سنگ نفوذ کنند. کاهش سرعت به حدود 40 دور در دقیقه به دندانه‌ها اجازه می‌دهد تا در تماس با سطح مته باقی بمانند و فشار پایداری اعمال کنند. عملکرد گوه‌ای و سختی دندانه به تدریج سنگ را می‌شکند و راندمان شکست را بیش از 30٪ افزایش می‌دهد و در عین حال سایش مته را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
فشار حفاری: اعمال فشار کافی برای غلبه بر مقاومت سنگ سنگ سخت اغلب مقاومت فشاری بالایی دارد (معمولاً 100 مگاپاسکال)، بنابراین فشار حفاری کافی برای غلبه بر مقاومت و راندن دندانه‌های مته به داخل سازند مورد نیاز است. فشار ناکافی باعث می‌شود دندانه‌ها روی سطح بلغزند و اثر "لغزش" ایجاد کنند. فشار بالاتر و مناسب، دندانه‌ها را قادر می‌سازد تا به تنش‌های سطحی نفوذ کنند، به شکاف‌های داخلی یا شکاف‌های بین کریستالی برسند و سنگ را با عمل ترکیبی اکستروژن و برش بشکنند.
در عمل مهندسی، فشار حفاری در عملیات سنگ سخت معمولاً حدود ۳ تا ۵ مگاپاسکال تنظیم می‌شود. به عنوان مثال، در استخراج سنگ معدن سخت، اگر فشار مته فقط ۲ مگاپاسکال باشد، دندانه‌ها نمی‌توانند نقاط شکست مؤثری ایجاد کنند و سرعت نفوذ ممکن است کمتر از ۰.۵ متر بر ساعت باشد. افزایش فشار به ۴ مگاپاسکال امکان درگیری عمیق‌تر دندانه‌ها، چرخه‌های تنش دوره‌ای برای بزرگ کردن شکستگی‌ها و سرعت نفوذ ۱.۲ تا ۱.۵ متر بر ساعت را فراهم می‌کند و یکپارچگی بهتری را برای سنگ شکسته جهت جابجایی‌های بعدی فراهم می‌کند.
حذف قلمه‌ها (شستشو): شستشوی کافی برای حفظ سطح کار تمیز اگرچه قلمه‌های سنگی حاصل از حفاری سنگ سخت نسبتاً ریز هستند، اما نفوذ آهسته باعث می‌شود که قلمه‌ها به راحتی در ته چاه جمع شوند و یک چرخه معیوب "شکستن مجدد" ایجاد شود - قلمه‌های فشرده شده مانع از تماس مته با سنگ تازه می‌شوند، سایش را افزایش می‌دهند و انرژی را برای خرد کردن مجدد قلمه‌ها هدر می‌دهند و راندمان کلی را کاهش می‌دهند. هدف اصلی تنظیم حذف قلمه‌ها، اطمینان از جریان کافی سیال شستشو است تا قلمه‌ها به سرعت تخلیه شوند.
برای حفاری در سنگ سخت، نرخ جریان شستشو معمولاً بین ۴۰ تا ۸۰ لیتر در دقیقه کنترل می‌شود. برای مثال، در یک پروژه تونل زیرزمینی سنگ سخت، جریان شستشوی اولیه ۳۰ لیتر در دقیقه منجر به تجمع ۵ تا ۸ سانتی‌متر خرده سنگ در کف چاه شد؛ مته‌ها هر ۲ ساعت نیاز به تعویض داشتند و برداشت روزانه کمتر از ۸ متر بود. پس از افزایش جریان به ۶۰ لیتر در دقیقه، باقیمانده در کف چاه کمتر از ۱ سانتی‌متر نگه داشته شد، عمر مته بیش از ۸ ساعت افزایش یافت، برداشت روزانه به ۱۵ تا ۱۸ متر افزایش یافت و هزینه‌های تهیه مته به دلیل کاهش سایش حدود ۴۰ درصد کاهش یافت.
هماهنگی پارامترها: منطق اصلی این سه با هم تنظیم پارامترها برای حفاری سنگ سخت، بهینه‌سازی جداگانه‌ی مقادیر منفرد نیست، بلکه تطبیق هماهنگ هر سه مورد است:
سرعت چرخش و فشار حفاری: هنگام افزایش فشار حفاری، سرعت را پایین نگه دارید تا از اضافه بار فوری و خرابی ناگهانی مته در شرایط سرعت/فشار بالا جلوگیری شود.
فشار شستشو و حفاری: هنگام افزایش جریان شستشو، آن را با فشار حفاری هماهنگ کنید تا از تأثیر بیش از حد شستشو بر پایداری دیواره چاه جلوگیری شود.
تنها با ایجاد ترکیبی هماهنگ از سرعت، فشار و شستشو می‌توان به حفاری سنگ سخت با راندمان بالا و مصرف کم دست یافت.
