مته های حفاری و آشنایی با آنها

مته  های حفاری وسیله هایی هستند که در انتهای رشته حفاری به منظور کندن زمین بسته می شود. مته جزء اصلی دستگاه حفاری محسوب میگردد. زیرا تجهیزات اصلی برش وسایش سنگ ها وسازند هاست وبخش فرسایش پذیر بوده ودر مقایسه با سایر تجهیزات از عمر کمتربرخورداراست. زیرا بعد از مدتی کارکردن کند میگردد. و برای تعویض آن عملیات حفاری متوقف نیز میگردد. مته حفاری اولین ابزاری است که جهت حفر چاه های نفت و گاز مورد استفاده قرار می گیرند. این وسیله در اثر چرخش رشته حفاری به حرکت در آمده و باعث سوراخ کردن زمین می شود. همانطور که گفته شد مته به انتهای پایینی رشته حفاری متصل شده و باعث حفر زمین می گردد. مته ها که در سرعت و چگونگی عملیات حفاری تأثیر بسزایی دارند، با توجه به عملکرد بر اساس اصول زیر طراحی می شوند:

1. مته هایی که باعث خراشیدگی و خرد شدن سنگ (Crushing the rock) می شوند.
2. مته هایی که با ایجاد بریدگی و خراش اندازی (Scraping the rock) موجب نفوذ در سنگ می شوند.
3. مته هایی که در اثر اعمال ضربه و کوبیدن به سنگ (hammering (Pounding) the rock) عمل می کنند.

مته هایی که در حفاری چرخشی استفاده می شوند، از جنس فولاد، الماس و کاربید تنگستن می باشند. در ماشین های حفاری چرخشی، مته و لوله ها هر دو میچرخند و انرژی حفاری از این طریق به سنگ وارد می شود و حفاری از طریق ترکیبی از انرژی چرخشی و فشار روی مته انجام می شود. تنشی که از طریق مته به سنگ وارد می آید، از نوع مماسی می باشد. سرعت حفاری در این نوع سیستم عمدتا به نوع مته، نوع سنگ، مقدار انرژی چرخشی و فشار روی مته بستگی دارد. نوع مته ای که برای عملیات حفاری انتخاب می شود، به سازندی که باید حفاری در آن صورت گیرد، بستگی دارد.

اندازه قطره هر مته از 2 و 8/7 اینچ تا 36 اینچ می باشد. برای حفاری از دو نوع مته اصلی استفاده می شود. نوع کاج غلطان و نوع تیغه ثابت که نوع تیغه ثابت گران تر ولی سریع تر از نوع کاج غلتان است.

در هر مرحله که عملیات حفاری انجام می شود، از مته ای که قطر آن حداقل نیم اینچ کوچکتر از قطر لوله جداری نصب شده قبلی است، استفاده می گردد.

1- مته های حفاری مخروطی چرخشی یا کاج غلطان (Roller Cutter Bits / Roller Cone Bits)

این نوع مته ها دارای اجزای برنده ای ( تیغه متحرک) می باشند که روی کاج ها یا مخروط هایی چیده شده اند و ایت مخروط ها هنگام چرخش بنده مته، حول محور خود می چرخند. تعداد مخروط های مته می تواند یک، دو، سه، چهار و حتی تا شش عدد برسد، اما رایج ترین مته های مخروطی چرخشی، مته های سه مخروطی یا سه کاجه است که به آنها Tri-Cone Bits گفته می شود.

مته یک کاجه، در سیستم حفاری چرخشی برای سنگ های شکافدار، سنگ هایی با خاصیت خراش اندازی، سنگ هایی با سختی متوسط و نیز برای طبقات شیبدار کاربرد دارد. این مته امکان انحراف چاه را به حداقل می رساند.

مته های دو مخروطی، در حفاری طبقات نرم و طبقات شیب دار کاربرد دارد. این مته نیز در کنتل انحراف چاه موثر است. برای حفاری های کج و کج کردن چاه به خاطر دو کاجه بودن نسبت به مته های سه کاجه مناسب تر هستند. حسن این مته این است که چون دو کاج دارد، می توان طول جت را بلندتر انتخاب نمود تا ته چاه را بهتر بشوید و سرعت حفاری افزایش یابد.

در این مته ها نازل هایی برای خروج گل حفاری وجود دارد. اجازی اصلی این مته ها عبارتند از: مخروط ها، پایه ای که مخروط ها روی آن می چرخند و بدنه مته.

دندانه های رو مخروط ها تراشیده شده یا دندانه هایی از جنس کاربید تنگستن به مخروط ها متصل می شوند. مته های کاربید تنگستن گران تر از فولاد می باشند ولی به علت کارایی بیشترشان، قیمت بالا را جبران می کنند. در داخل مته راه گذرهایی برای خروج سیال حفاری ایجاد شده است. برخی از این مته ها دارای نازل هایی هستند که جریان سریع سیال را به اطراف می فرستند که به آنها Jet Bit گفته می شود. در ادامه  تصویری از مته های مخروط چرخشی را مشاهده می فرمایید.

1-1- مته های دندانه فولادی (MT Rock Bits / Milled Tooth Bits)

مته های اولیه دارای دو مخروط بودند و زمانی که مته روی زمین می چرخید هیچ گونه درگیری بین دندانه های یک مخروط و شیارهای مخروط دیگر وجود نداشت و محور هر مخروط منطبق بر شعاع مته بود. این همان اصلی است که جهت طراحی مته های حفاری سنگ چرت (Chert) به کار برده می شود و مته فقط جهت خرد کردن سنگ استفاده می شود. در این مته ها، دندانه های فولادی روی کاج توسط تراشکاری روی قسمتی از کاج ایجاد می شوند.

امروزه محور مخروط های مته های مناسب طبقات نرم زمین، از مرکز مته نمی گذرد بلکه بر دایره فرضی کوچکتری حول محور مته مماس می گردند. درگیری دندانه های یک ردیف یک مخروط داخل شیار بین دو ردیف دندانه مخروط مجاور باعث تمیز شدن خودکار مته گشته و تقاطع محورهای مخروط در خارج از محور مته نیز به آن خاصیت کندن زمین را می دهد و مانند بیلچه ای عمل میکند که در زمین فرو رفته و با وارد کردن انرژی، قسمت کنده شده را از زمین جدا می کند. باید نوجه کرد که محل برخورد محورهای مخروط ها، مثلثی را در داخل مته طراحی می کندد که هرچه سطح این مثلث بیشتر باشد، آن مته جهت حفاری طبقات نرم تر مناسب تر می باشد؛ و برعکس در مته های مخصوص حفاری سنگ چرت، این مثلث از بین رفته و محل برخورد محورهای مخروط های روی محور مته می باشد. به همین ترتیب، هرچه طبقات زمین سخت تر باشد، دندانه مخروط ها کوتاه تر و قوی تر شده و به همدیگر نزدیک می شوند و فاصله مخروط ها نیز به یک دیگر نزدیک تر می شوند.

مته های دندانه فولادی برای سازندهای نرم تا نیمه سخت کاربرد دارند. دندانه های روی مخروط ها به وسیله ماشین کاری مخروط ایجاد شده یا مستقیما به همراه مخروط قالب گیری و ساخته می شوند. مته های دندانه فولادی دارای تیغه های بلند یا کوتاه می باشند که نوع تیغه ها با توجه به سازند مورد حفاری طراحی می شوند. معمولا دندانه های بلند و نازک برای سازندهای نرم و دنددانه های کوتاه و قوی برای سازند های سخت طراحی می شوند که در ادامه تصویر این نوع مته ها را مشاهده می فرمایید.

2-1- مته های دکمه ای یا انزرتی کاربید تنگستنی (TCI / Tungsten Carbide Insert Tooth = Button Bits)

از انواع مته هایی که دارای مخروط دوار می باشند، مته کاربید تنگستن است که برای انجام عملیات حفاری در سخت ترین (شکننده ترین) و خورنده ترین طبقات زمین توصیه می شوند. عمل این نوع مته ها انهدام سنگ سخت به وسیله فشردگی و تکه تکه کردن آن است و نسبت به مته های دندانه فولادی، هنگام حفاری، خرده سنگ های کوچکتری تولید می کنند. وزن روی مته بسیار زیاد بوده و سرعت چرخش آن باید کم انتخاب شود. کاربید تنگستن کاشته شده روی مخروط ها، با وجود سختی بسیار، شکننده است.

اینزرت های کاربید تنگستن، از جنس خود مخروط نبوده و داخل حفره ایجاد شده درون کاج ( مخروط فولادی) پرس می شوند. دندانه ها، دارای بدنه توپر استوانه ای شکل هستند که انتهای آنها گرد شده است و اندکی نیز تیز می گردند. دندانه ها هم در امتداد سطح خارجی کاج و هم ردیف های داخلی استفاده می شوند. این مته ها نسبت به مته های دندانه فولادی گران تر بوده ولی عملکرد بهترشان تفاوت قیمت را جبران می کند. با توجه به این که این مته ها دارای دندانه ای از جنس خود مخروط نمی باشند، در حالی که مخروط جهت ارائه مقاومت زیاد ضخیم ساه=خته می شوند، می توانند یاتاقان های بزرگ با مقاومت های زیاد را نیز در خود جای دهند. در ادامه تصویری از این نوع مته ها قابل مشاهده است.

2- مته های با تیغه ثابت (Fixed Cutter Bits)

مته های تیغه ثابت مشتمل بر قطعات برنده ثابتی هستند که با بدنه مته یک پارچه اند. به عبارتی این مته ها به جای برخوردار بودن از مخروط هایی که به طور مستقل از می چرخند، دارای یک بدنه و سر ثابت هستند که به طور یک پارچه با لوله و رشته حفاری می چرخند. این مته ها دو دسته اند:

• مته های تیغه فولادی
• مته های الماسه

1-2- مته های تیغه فولادی

این مته ها خود دو نوع هستند: Drag Bits برای سازندهای نرم و مته های  Steel Cutter یا Fish Tail ( به علت شباهت با دم ماهی) برای سازند های سخت. Drag Bit ها اولین مته هایی بودند که جهت حفاری دورانی به کار برده شدند، ولی امروزه به دلیل راندمان بالای حفاری توسط مته های کاج دار، عملا جای خود را به این مته ها داده اند. این مته ها دارای تیغه هایی از جنس فولاد بودند که بیشتر جهت حفاری در سازند های نرم به کار برده می شوند. امروزه استفاده از این نوع مته ها به دلایل زیر کاهش یافته است:

الف) مختص سازندهای نرم و یکنواخت هستند و در سازندهای سخت کارایی چندانی ندارند.

ب) هنگامی که حفار بار زیادی روی مته اعمال می کند، تیفه های فولادی در سازند فرو می روند و اگر گشتاور مته بالا برده شود، سبب برده شدن لوله های حفاری و سقوط آنها در چاه می گردد.

ج) در حفاری با این مته، اغلب چاه از مسیر اصلی منحرف می گردد و کنترل مسیر توسط حفار مشکل است.

2-2- مته های الماسه (Diamond Bits)

در این نوع مته ها ذرات الماس بر بدنه ماتریس یا بدنه فولادی آنها قرار می گیرند. حدود 150 نوع از این نوع مته ها وجود دارد که در عملیات حفاری یا مغزه گیری (Diamond Core Bit) استفاده می شوند.

این مته ها دارای دندانه یا مخروط نمی باشند، بلکه به جای آنها از الماس های طبیعی و صنعتی به جای برنده استفاده شده است و به خاطر سختی الماس از این نوع مته ها در حفاری های سخت که ساختار زمین در آنها از سنگ های سایا و سخت است، استفاده می شود. اما در ساختار های نرم نیز به طور مفید و موثری کاربرد دارند.

مت های الماسه نسبت به مته های کاج دار به تعداد لوله های وزنی کمتری نیاز دارند، چون مقاومت برشی یک سازند پلاستیک تقریبا یک سوم مقاومت تراکمی آن است و در نتیجه می توان سنگ را با یک سوم نیروی لازم برای خورد کردن آن، برید.  سرعت حفاری نسبت به سایر مته ها  بیشتر است و عمر مته زیاد، و در نتیجه تعداد دفعات تعویض مته (Round Trip) کمتر است. مته های حفاری الماسه به 3 دسته تقسیم می شوند:

• مته های با الماس های طبیعی (Natural Diamond Bits) یا مته های برشی (Shear Bits)
• مته های با الماس مصنوعی (PDC) یا الماس فشرده پلی کریستالین (Polycrystalline Diamond Compact Bits)
• مته های با الماس مصنوعی (TSP) یا پلی کریستالین با پایداری حرارتی (Thermally Stable Polycrystalline Bits)

2-3- مته های نامتقارن (Eccentrics Bits)

این مته ها با قطر بیشتر نسبت به قطر مته، چاه را حفاری می کنند. در شیل ها که پس از حفاری، خاک آن متورم می شود یا طبقات نمکی که پس از حفاری خاک دچار تغییر شکل می شود، بسیار کاربردی هستند.

3-3- مته های ضد انحراف (Antiwhirl Bits)

این نوع مته پیشرفته ترین نوع مته ها است و برای رفع مشکل حرکت گردابی و انحراف حفاری و نیز برای اهداف نامتعادل مورد استفاده قرار می گیرند. سرعت حفاری مته های ضدانحراف به علت اینکه انرژی تلف شده کمتری نسبت به سایر مته های دیگر دارند، بیشتر است. این مته ها طوری طراحی شده اند تا از چرخش معکوس مته، لرزیدن و ارتعاش آن جلوگیری کنند.

4-3- مته های مغزه گیری (Core head Bits)

الماس سخت ترین ماده است که  شناخته شده است واز کربن خالص تشکیل شده است جسمی متبلور و به مراتب سختتر از کانیها و سنگهایی است که باید حفاری گردند و مته هایی که جنس آنان از الماس است برای سنگهای سخت و کانی و سنگهایی با خاصیت خراش اندازی از نظر فنی و اقتصادی مناسبترین مته می باشند .از این نوع مته ها بیشتر برای تهیه مغزه یا نمونه برداری استفاده می شود و در این نوع مته قطر نمونه ها کمتر از 3 اینچ است .

شکل زیر نیز قاعده کلی برای انتخاب مته متناسب با حفره چاه و قطر لوله های جداری و آستری را نشان می دهد.