مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حفاری عمودی (Vertical Drilling): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روشهای حفاری عمودی

حفاری عمودی برای اهداف مختلفی مانند چاه های آب، نفت، گاز، اکتشاف معدن، و مطالعات ژئوتکنیک استفاده میشود. روشهای اصلی عبارتند از:

• حفاری دورانی (Rotary Drilling):

  • استفاده از مته چرخان برای خردکردن سنگ یا خاک.

  • مناسب برای چاه های عمیق (تا چندین کیلومتر) در سنگهای سخت.

• حفاری ضربه ای (Percussion Drilling):

  • استفاده از وزنه های ضربه ای برای شکستن لایه های سنگی.

  • ایدهآل برای چاه های کم عمق در سنگ های شکننده.

• حفاری سیم مغزهگیری (Core Drilling):

  • استخراج نمونه های استوانه ای (Core) از لایه های زیرزمینی.

  • کاربرد در اکتشاف معادن و مطالعات زمینشناسی.

• حفاری هیدرولیک (Hydraulic Drilling):

  • استفاده از جت آب پرفشار برای حفاری در خاکهای نرم.

۲. محاسبات کلیدی

• محاسبۀ نیروی مورد نیاز (WOB - Weight on Bit):
  ρسیال​×g×h×A=نیروی مورد نیاز
  ρسیال=چگالی سیال حفاری، g=شتاب گرانش، h=عمق، A=سطح مقطع مته

• فشار هیدرواستاتیک سیال:
  P=ρ×g×h

• سرعت پیشروی (ROP - Rate of Penetration):
  ROP=زمان/مقدار خاکبرداری​

• گشتاور حفاری (Torque):
  T=F×r
  F=نیروی مماسی، r=شعاع مته

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• دکل حفاری (Drilling Rig):

  • ارتفاع دکل: ۱۰–۶۰ متر (بسته به عمق چاه).

  • سیستم بالابر (Hoisting System): وینچ و کابل برای جابهجایی مته و لوله ها.

• مته ها (Drill Bits):

  • مته الماسه (Diamond Bit): برای سنگ های بسیار سخت.

  • مته سه مخروطی (Tricone Bit): برای سنگ های نیمه سخت تا سخت.

• سیستم گردش سیال (Mud Circulation System):

  • پمپهای فشار بالا: تزریق سیال (گِل حفاری) برای خنک‌سازی و حمل خاک.

  • مخزن و فیلترها: جداسازی ذرات از سیال.

• سیستم کنترل (Control System):

  • مانیتورینگ فشار، دما، و گشتاور در لحظه.

۴. شیوه اجرا

۱. آماده‌سازی محل:

• تعیین دقیق موقعیت چاه با GPS یا نقشه‌برداری.

• تسطیح زمین و نصب دکل حفاری.

۲. شروع حفاری:

• نصب لوله های حفاری (Drill Pipe) و مته.

• تزریق سیال حفاری برای روانکاری و خنک‌سازی.

۳. مدیریت سیال حفاری:

• تنظیم چگالی و ویسکوزیته سیال برای جلوگیری از ریزش دیواره چاه.

• بازیابی و تصفیه سیال برای استفاده مجدد.

۴. نمونه‌برداری و ثبت داده‌ها:

• جمع‌آوری نمونه‌های خاک یا سنگ (در حفاری مغزه گیری).

• استفاده از لاگ‌های چاهی (Well Logging) برای ثبت مشخصات لایه ها.

۵. تکمیل چاه:

• نصب لوله جدار (Casing) برای جلوگیری از ریزش.

• سیمانکاری فضای بین لوله جدار و دیواره چاه.

۶. تست نهایی:

• تست فشار برای اطمینان از آببندی.

• ارزیابی بازده چاه (در چاههای آب یا نفت).

۵. چالش ها و راهکارها

• ریزش دیواره چاه:

  • راهکار: افزایش چگالی سیال حفاری یا نصب لوله جدار.

• برخورد با لایه های سخت:

  • راهکار: استفاده از مته های الماسه یا کاهش سرعت چرخش.

• نشت سیال حفاری:

  • راهکار: افزودن مواد غلیظ‌کننده به سیال.

۶. مزایای حفاری عمودی

• دقت بالا: امکان دسترسی به اعماق بسیار زیاد (تا ۱۲ کیلومتر در چاههای نفت).

• انعطاف‌پذیری: اجرا در انواع زمین (از خاک نرم تا سنگ سخت).

• نمونه‌برداری دقیق: استخراج داده‌های زمینشناسی برای تحلیلهای بعدی.

۷. کاربردهای اصلی

• استخراج منابع: نفت، گاز، آبهای زیرزمینی، و معادن.

• مطالعات ژئوتکنیک: بررسی مقاومت خاک برای پروژههای عمرانی.

• پروژههای زیست محیطی: نظارت بر سفرههای آب یا تزریق مواد برای پاکسازی.

حفاری عمودی بهعنوان یک روش اساسی در صنایع نفت، گاز، و مهندسی عمران، با ترکیبی از فناوری های مکانیکی و هیدرولیکی، امکان دسترسی به اعماق زمین را فراهم می‌کند. انتخاب روش حفاری به عواملی مانند عمق مورد نظر، جنس زمین، و هدف پروژه بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

چاه ها : استفاده از آب های زیر زمینی شامل موارد زیراست:
1- چاه های معمولی و عمیق
2- قنات ها
3- چاه های افقی
1- چاه های معمولی وعمیق :
چاه هایی که با دست حفر می شوئد عمق آن کم است و از 20 تا 30 سانتی متر تجاوز نمی کند از این چاه ها آب به وسیله دلو آن را به سطح می آورند و برای شرب انسان و دام و حیوانات وحشی استفاده می کنند، اشکال این چاه ها این است که بیماری های میکروبی آلوده اند و جان مردم بومی را به خطر می اندازند لذا چاه های نیمه عمیق و عمیق که آب توسط موتورهای دیزلی به سطح آورده می شود و در کشاورزی و مصارف شهری کاربرد دارد، برای استفاده بهتر از چاه ها و مدیریت آن دولت قوانین خاصی برای فاصله و عوق چاه ها وضع کرده است، هزینه حفر این چاه ها و تصفیه موتور از این استفاده می شود به این علت هزینه محصولات کشاورزی که به وسیله این آب آبیاری می شود بیشتر است .
عیوب چاه های معمولی :
1- نمی توان از اعماق بیش از 20تا 30 متر استفاده کرد
2- تولید آب آن کم است
3- آستر کردن دیواره ها برای جلوگیری از ریزش و ورود آب های آلوده پر هزینه است
2-قنات ها:
عبارتند از یک تونل افقی در مخروط افکنه Alluvial Fans آب های زیرزمینی را می کشند و بدون پمپ و وسیلة دیگری آن را به سطح می آورد.
یک سیستم قنات از سه قسمت زیر تشکیل شده است :
الف- یک یا تعداد بیشتری مادر چاه که در لایه های آبدار مخروط افکنه یافت می شود و آب های زیر زمینی را جمع آوری می کند .
ب- یک تونل افقی زیرزمینی که با شیب ملایم به طرف پایین ادامه دارد و آب مادر چاه ها را به نقاط پایین تر و بالاخره به سطح زمین می رساند این تونل مانند یک زهکش زیر زمینی برای جمع آوری آب عمل می کند
ج- بین سطح زمین و تونل افقی زیرزمینی یکسری چاه های میله یا عمودی به منظور تهویه و خارج کردن مواد حفاری شده تعبیه شده است چون قنات ها بدون پمپ و مخارج مربوط به پمپاژ می توانند آب تولید کنند در مواردی که استفاده از چاه های پمپ دار گران تمام می شود می تواند مورد استفاده قرار بگیرد طول قنات ها بسیار متفاوت است و به عمق لایه آب ده و شیب زمین بستگی دارد مجرای که مادر چاه ها را به مظهر قنات وصل می کند ( ابتدای قنات) ممکن است از یک تا چهار کیلومتر طول داشته باشد یک قنات در جنوب ایران 38 کیلومتر طول دارد طول قنات ها بین 10تا 16کیلومتر است و آب حاصل از قنات ها نیز متفاوت است در مطالعه ای که روی 200 قنات در دشت ورامین انجام شده بزرگترین قنات 270 لیتر و کوچک ترین 1لیتر در ثانیه آبدهی دارد در حدود 3000 سال پیش ایرانی ها حفر قنات را به منظور هدایت آب های زیر زمینی مناطق کوهستانی به مناطق خشک ابداع کردند از آن زمان در پاکستان و شمال آفریقا نیز مورد استفاده قرار گرفته است قنات در پاکستان و افغانستان (کاریز) کازرس و در شمال آفریقا به نام فاگراس (foggeras) و در اتحادیه عربی (falaj) نامیده می شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

چاه‌هاى لوله‌گذارى شده یک منبع مطمئن تأمین آب در بسیارى از بخش‌هاى کشور هستند. آب این چاه‌ها از نظر میکروب‌شناختى سالم، و خود نیز در مقایسه با دیگر منابع تأمین آب ارزان‌تر هستند. چاه‌هاى کم‌عمق لوله‌گذارى شده یا چاه‌هاى موتوردار بزرگ‌ترین منبع تأمین آب در مناطق روستائى شده‌اند. این نوع چاه‌ها شامل لوله‌اى (به‌طور معمول از جنس آهن گالوانیزه) است که در طبقهٔ آبده فرو برده مى‌شود و به‌وسیلهٔ یک صافى (سوپاپ) در ته چاه و یک تلمبهٔ دستى در سر چاه نصب مى‌شود. یک سکوى بتونىِ آب‌بند هم باید ساخته شود که پیرامون آن آب‌رو داشته باشد. باید تا فاصلهٔ پانزده متر اطراف چاه عارى از هر گونه آلودگى از زباله‌هاى مایع یا جامد باشد. تلمبهٔ دستى باید همواره در حال آماده به‌کار باشد. عمر چاه‌هاى لوله‌گذارى شده در همه‌ جا یکسان نیست و برحسب نوع صافى داخل چاه (که اصطلاحاً سوپاپ مى‌نامند). کیفیت آب زیرزمینى و طبیعت خاک، در جاهاى مختلف عمر متفاوت دارد، به‌طور متوسط ممکن است چاه پنج تا ده سال عمر کند، در بعضى موارد این چاه‌ها حتى پس از سى سال هم ‌به‌طور رضایت‌بخش کار کرده‌اند. هر گاه لوله و سوپاپ چاه خراب شود آن را بیرون آورده و یک سوپاپ نو به‌جاى آن کار مى‌گذارند و دوباره به اندازهٔ لوله و سوپاپ بیرون آورده شده کار خواهد کرد.

 

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

چاه بهداشتى چاهى است که در محل مناسب حفر شود، ساختمان آن خوب باشد و در برابر آلودگى محافظت شود و بازده آن آب سالم تأمین کند. نکات زیر را هنگام ساختن یک چاه بهداشتى باید در نظر گرفت:

 

- محل استقرار: نخستین مرحلهٔ ساختن چاه انتخاب محل مناسب است. اگر قرار باشد از آلودگى میکروبى جلوگیرى و پرهیز شود نباید چاه کمتر از ۱۵ متر با منبع احتمالى آلودگى فاصله داشته باشد. باید چاه در سطحى بالاتر حفر شود تا از آلودگى احتمالى محفوظ باشد. فاصله‌ٔ بین چاه و خانه‌هاى مصرف‌کنندهٔ آب آن هم باید در نظر گرفته شود. اگر محل حفر چاه دور باشد ممکن است مردم از آن استفاده نکنند، و از این‌رو توصیه مى‌شود چاه در محلى قرار داشته باشد که هیچ‌یک از مصرف‌کننده‌ها بیش از صد متر با آن فاصله نداشته باشند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

1 ـ کلرینه کردن آب چاه: در این روش ابتدا حجم آب موجود در چاه اندازه گیری می شود و بعد به ازای هر متر مکعب آب 3 تا 5 گرم پودر پرکلرین به آب اضافه می شود و حداقل نیم ساعت زمان تماس در نظر گرفته می شود. در این روش هم در صورت نتیجه مطلوب کلرسنجی آب قابل استفاده است، در غیر این صورت باید میزان کلر اضافه شده و زمان تماس کلر با آب را تغییر داد تا کلر باقیمانده مطلوب به دست آید. بهتر است گندزدایی چاه آب بعد از برداشت روزانه انجام شود.

2 ـ روش کوزه گذاری: در این روش در بدنه یک کوزه سفالی با گنجایش 12 تا 15 لیتر 2 سوراخ 6 میلیمتری در دو طرف کوزه نزدیک وسط آن ایجاد کرده سپس 750 گرم پودر پرکلرین و 3 کیلوگرم ماسه کاملاً تمیز را مخلوط کرده و داخل کوزه ریخته پس از آن در کوزه را با یک ورقه پلاستیک غیرقابل نفوذ محکم بسته و کوزه را در چاه آویزان می کنند به نحوی که پایین تر از سطح آب قرار گیرد، این مقدار پرکلرین برای گندزدایی آب چاهی که روزانه 900 تا 1200 لیتر آب از آن برداشت می شود به مدت یک هفته کافی است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تجهيزات مكانيكال مورد نياز در چاه ها :
در چاه ها ي تأمين كننده آب كه پمپ شناور در داخل چاه قرار مي گيرد ، لو له خروجي از چاه به شير آلات و اتصالات گو نا گون مجهز مي شود .
هر يك از اين تجهزات براي اهداف خاصي پيش بيني شده كه ذيلاً به توضيح آن پرداخته مي شود .
الف )  شير هواي يك طرفه ( S. A . V  )
نصب يك عدد شير هواي يكطرفه  ( S. A.V ) كه به همراه آن يك عدد شير قطع و وصل ( G.V. ) نيز تعبيه شده در بالاي سر چاه ضروري است . اين شير هوا ، عمل تخليه هواي موجود در لو له داخل چاه و هواي محلول در چاه را انجام مي دهد .
ب) لو له انحراف جريان آب
يك لوله كنار گذر براي انحراف جريان آب به بيرون از محوطه اطا قك سر چاه ، كه مجهز به يك عدد شير قطع و وصل ( G.V ) مي باشد نيز الزامي است . در هنگام راه اندازي اوليه و همچنين انجام آز مايشات پمپاژ و غيره آب از طريق اين خط لوله هدايت مي شود .
ب) فشار سنج ( PRESSURE   GAGE  )
فشار سنج جهت اندازه گيري فشار آب داخل لوله كه معمولاً بر حسب m-H2O  مدرج شده به كار مي رود . اين فشار سنج بايستي قبل از صافي  ( STRAINER ) قرار گيرد تا در مواردي كه صافي  مسدود مي شود با رويت افزايش فشار نسبت به تميز كردن آن اقدام شود. به علاوه  به كمك اين فشار سنج ، ارتفاع پمپاژ پمپ شناور نيز قابل محاسبه است .
د ) صافي ( STRAINER  )
قبل از قرار گرفتن تجهيزات مكانيكال ديگر ، صافي قرار داده مي شود تا از ورود ذرات جامد به درون شير آلات و خط لو له پيشگيري شده و از آنها محافظت به عمل آيد .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

نكات ایمنی که در عملیات حفر چاه     

در عملیات چاه‌کنی تا عمق 5 متر، وجود حداقل دو نفر و با افزایش عمق چاه، حداقل وجود 3 نفر برای ادامه عملیات الزامیست، با شروع حفر انباری چاه یک نفر کمک کلنگ‌دار به افراد گروه اضافه می‌شود. برای حفاظت کارگران از خطر ریزش اطراف چاه، باید در محل ایستادن کارگران تخته یا الوارهای زیرپایی با مقاومت و پهنای کافی گذاشته شود. برای جلوگیری از سقوط خاک و سنگ به داخل چاه، دور دهانه باید آستانه‌ای به عرض حداقل 15 سانتیمتر با مصالح مقاوم تعبیه گردد.

مقنی قبل از ورود به چاه برای عملیات چاه‌کنی، باید طناب نجات را به کمک کمربند ایمنی مخصوص به خود بسته باشد.

در مواردی که نوع مصالح استخراج شده از حفاری چاه به صورتی است که کلاه و سپر حفاظتی تکافو نمی‌کند، باید در فواصل مناسب از دیواره میله چاه پناهگاههایی تعبیه شود که در صورت لزوم مقنی در این محلها مستقر شود.

 خاک حاصل از کندن چاه، نباید به فاصله کمتر از 2 متر از کناره‌های چاه ریخته شود به نحوی که احتمال ریزش آن به داخل چاه وجود نداشته باشد.

 در صورتی که احتمال کمبود اکسیژن در اعماق چاه وجود داشته باشد، باید نسبت به تعبیه وسایل مناسب برای هوادهی به داخل چاه اقدام شود، این وسایل باید به تجهیزات ایمنی لازم برای جلوگیری از خطر برق‌گرفتگی مجهز شده باشند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

گازهای موجود در چاه :

از دیگر مسائلی که جزء مخاطرات چاه ها محسوب می گردد وجود گازهای سمی است .

بیشترین گازهایی که در چاه ها یافت می شوند عبارتند از :

1) گاز هیدروژن سولفوره 2) آمونیاک 3 ) گاز کربنیک 4) متان

گاز هیدروژن سولفوره :

این گازها در اثر سوختن ناقص موادی مانند مو و پشم و گوشت و موادی که دارای گوگرد می باشند بوجود می آید . بوی این گاز شبیه بوی تخم مرغ گندیده می باشد . مقدار خیلی کم این گاز را می توان با حس بویایی تشخیص داد در جاهایی که تدریجاً استشمام شود حس بویایی را فلج می کند .

1 % این گاز شدیداً خطرناک است و تا 2% این گاز را می توان تشخیص داد در جایی که مقدار گاز در چاه زیاد باشد تخلیه گاز باید با وسایل ضد جرقه انجام گیرد . اگر گاز در محیط سر بسته ای از داخل چاه نشت کند امکان مسمومیت وجود دارد . شخصی را که برای مدتی از این گاز تنفس کرده باید به هوای آزاد انتقال داد و در صورت عدم تنفس اقدام به دادن تنفس مصنوعی و اکسیژن نموده و مصدوم را به بیمارستان منتقل نمود .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب