أنواع فولاذ حفر الصخور: أدوات متكاملة، وأدوات قابلة للفصل، وأدوات تمديد
لا يقتصر أداء حفر الصخور على جهاز الحفر أو أداة الحفر نفسها، بل يشمل أيضاً جودة الفولاذ المستخدم في الحفر، وريشة الحفر، ووصلة ساق الحفر، ونظام التوصيل، والتي تحدد مدى كفاءة وصول طاقة الصدم وعزم الدوران إلى الصخور. ويؤثر اختيار أداة حفر الصخور المناسبة على سرعة الحفر، واستقامة الثقب، وحجم أعمال الصيانة، واستهلاك الأداة، وتكاليف التشغيل.
تُصنّف أدوات حفر الصخور المستخدمة مع مثاقب الصخور التقليدية ذات المطرقة العلوية إلى ثلاث مجموعات رئيسية: أدوات حفر متكاملة، وأدوات حفر قابلة للفصل، وأدوات حفر قابلة للتمديد. لكل تصميم منها هيكل مختلف، ونطاق تشغيل متباين، وميزة اقتصادية خاصة. يساعد فهم هذه الاختلافات المقاولين، ومشغلي المناجم والمحاجر على اختيار نظام الأدوات الأنسب لظروف الصخور وعمق الحفر.
كيف ينقل الفولاذ المستخدم في حفر الصخور الطاقة
ينقل مثقاب الصخور التقليدي ذو المطرقة العلوية طاقة الصدم والدوران عبر أنبوب الحفر الفولاذي. يضرب المكبس طرف ساق المثقاب، مُحدثًا موجة إجهاد تنتقل على طول الفولاذ إلى رأس الحفر. في الوقت نفسه، تُطبّق الآلة الدوران وقوة التغذية بحيث يصطدم رأس الحفر مرارًا وتكرارًا بمناطق جديدة من الصخور.
يختلف هذا عن الحفر في قاع البئر. ففي نظام الحفر بالمطرقة العلوية، تعمل المطرقة بالقرب من قاع البئر، خلف رأس الحفر مباشرةً. ينقل أنبوب الحفر بشكل أساسي الدوران وقوة التغذية وهواء التنظيف؛ ولا ينقل طاقة الصدمات المتكررة نفسها من المطرقة العلوية. لهذا السبب، تُوصف الأدوات المستخدمة في الحفر بالمطرقة العلوية عمومًا بأنها أدوات حفر فولاذية، بينما تُوصف أدوات الحفر بالمطرقة العلوية عادةً بأنها أنابيب حفر ومطارق ورؤوس حفر.
بالنسبة لتطبيقات المطرقة العلوية، فإن الغرض الرئيسي من فولاذ الحفر هو نقل طاقة الصدم وعزم الدوران بأقل قدر من الفقد مع الحفاظ على قوة كافية ومقاومة للإجهاد ومقاومة للتآكل.
فولاذ حفر متكامل لحفر الثقوب الضحلة
يُصنع فولاذ الحفر المتكامل كوحدة واحدة. يُشكّل أحد طرفيه ساقًا تتناسب مع مثقاب الصخور، بينما يُشكّل الطرف الآخر جزءًا من رأس الحفر مزودًا بحشوات أو أزرار من الكربيد. تشمل المواد الشائعة فولاذ الحفر السداسي المجوف، غالبًا بأبعاد مسطحة مثل 19 مم، 22 مم، و25 مم.
نظراً لأن رأس الحفر والفولاذ متصلان بشكل دائم، فإن فولاذ الحفر المتكامل لا يحتوي على وصلة منفصلة بين القضيب ورأس الحفر. وهذا يمنحه العديد من المزايا:
لا يوجد خطر من فقدان قطعة قابلة للفصل في الفتحة.
نقل جيد لطاقة الصدم لأنه لا يوجد وصلة بين رأس الحفر والقضيب.
مقاومة عالية للصدمات والالتواء بالنسبة لحجمها.
سهولة الانسحاب من ثقوب الانفجار الضحلة.
عملية بسيطة لحفر الثقوب الصغيرة ذات القطر الصغير.
يُستخدم الفولاذ المتكامل للحفر على نطاق واسع في الصخور اللينة إلى المتوسطة، والثقوب ذات الأقطار الصغيرة، وأعمال المحاجر، والإنشاءات، وتطبيقات التعدين الخفيف. وهو عملي بشكل خاص في الأماكن التي تكون فيها أعماق الحفر محدودة، وتكون فيها سرعة تغيير الأدوات أهم من إمكانية إعادة استخدامها لأقصى حد.
يجب اختيار شكل المثقاب وفقًا لنوع الصخر. تتميز المثاقب المتكاملة من نوع الإزميل بسهولة إعادة شحذها، كما أنها توفر اقتصادًا جيدًا في الظروف المناسبة. أما المثاقب المتقاطعة أو متعددة الحواف، فتُحسّن الثبات في الصخور اللينة أو المتشققة أو ذات الفواصل الكثيرة، لأنها تقلل من خطر انحشار المثقاب في الثقب. وقد توفر التصاميم ثلاثية الحواف أيضًا أخاديد تنظيف واسعة، مما يساعد على إزالة نواتج الحفر وتقليل تآكل الكربيد.
تُعدّ رؤوس القطع الفولاذية المتكاملة ذات الرؤوس الزرية أكثر ملاءمةً للصخور سهلة الاختراق ذات الاحتكاك المنخفض. وتكمن قيمتها في تقليل الحاجة إلى إعادة الشحذ، ولكن يجب أن يصل جسم الكربيد والفولاذ إلى عمر خدمة متوازن بشكل معقول لكي تظل الأداة اقتصادية.
يتمثل العيب الرئيسي في استخدام الفولاذ الصلب المتكامل في أنه بمجرد تلف طرف المثقاب بشكل كبير، قد يلزم استبدال الأداة بالكامل. كما يتعين على المشغلين الاحتفاظ بمخزون من أنواع متعددة من الفولاذ الصلب بأطوال مختلفة، مما قد يزيد من متطلبات النقل والتخزين والشحذ.
قضيب حفر قابل للفصل لاستبدال الأدوات بسهولة
يستخدم مثقاب الصلب القابل للفصل لقمة حفر قابلة للإزالة متصلة بقضيب حفر منفصل. قد يكون هذا الاتصال مخروطيًا أو ملولبًا، وذلك حسب تصميم الأداة واستخدامها. عند إزالة لقمة الحفر، يتبقى قضيب الحفر، والذي يُشار إليه غالبًا باسم مثقاب الصلب أو قضيب الحفر.
تتمثل الميزة الرئيسية للنظام القابل للفصل في سهولة الصيانة. فعندما يتآكل رأس الحفر، يمكن استبداله دون الحاجة إلى التخلص من القضيب. وإذا انكسر القضيب بالقرب من نقطة اتصال، فقد يُصلح أحيانًا بإعادة تشكيل الجزء المخروطي أو السن اللولبي بدلًا من استبدال المجموعة بأكملها.
يُمكن لنظام قابل للفصل أن يدعم عمليات الحفر العميقة. إذ يُمكن لريشة واحدة حفر ثقب عميق، بينما يتم استبدال قضبان بأطوال مختلفة مع تقدم الثقب. وهذا يُتيح الحفاظ على جودة الثقب مع تقليل عدد الأدوات الكاملة التي يجب حملها إلى منطقة العمل.
وتشمل المزايا الأخرى ما يلي:
حجم نقل أقل لشحذ وصيانة رؤوس الريش.
اختيار منفصل لمادة القضيب ومادة رأس الصيد.
عمر استخدام أطول محتمل لجسم القضيب.
تبسيط تخزين القطع والقضبان.
تقليل الهدر عندما يتعطل الجزء الصغير فقط.
مع ذلك، يُؤدي كل وصلة إلى احتمال فقدان طاقة الصدم، كما تُشكّل نقطة ضعف إضافية. وتختلف خصائص فقدان الطاقة بين الوصلات المخروطية، والوصلات الملولبة متساوية القطر، والوصلات الملولبة المُشكّلة. وقد يُؤدي التآكل، أو رداءة جودة التصنيع، أو عدم إحكام الربط، أو تلف الخيوط إلى ارتخاء المثقاب. كما يُمكن أن يُؤدي ارتخاء وصلة المثقاب إلى تسريع التآكل، وتلف المثقاب، وتقليل كفاءة الحفر.
لهذا السبب، يكون استخدام قضبان الحفر القابلة للفصل أكثر فعالية عندما تُعامل صيانة الوصلات كمهمة تشغيل روتينية. يجب على المشغلين فحص الخيوط أو الأجزاء المخروطية، والحفاظ على نظافة الوصلات، واستخدام مواد التشحيم المناسبة عند الحاجة، واستبدال الأجزاء البالية قبل أن تتسبب في أضرار ثانوية.
قضبان حفر تمديدية لحفر ثقوب أعمق
صُممت أدوات الحفر ذات التمديد لحفر ثقوب أطول. تتكون من محول ساق أو جزء ساق، وقضيب تمديد واحد أو أكثر، ووصلات، وريشة حفر. يُستخدم هذا التكوين عادةً في الحفر على الطاولات، والحفر الأفقي، وغيرها من تطبيقات الثقوب العميقة حيث يكون استخدام الفولاذ قطعة واحدة غير عملي.
تستخدم قضبان التمديد الحديثة غالبًا وصلات ملولبة. تشمل أشكال الخيوط الشائعة النوع الموجي والنوع الداعم العكسي، المصممة لتحمل أحمال الصدمات والدوران وقوة التغذية. تتوفر قضبان التمديد بأبعاد سداسية ودائرية متنوعة، ويتم تحديد الحجم المناسب بناءً على مثقاب الصخور وقطر الثقب المطلوب وعمق الحفر وظروف التشغيل المتوقعة.
تُعدّ منطقة التآكل الرئيسية هي السن اللولبي. في ظل ظروف حفر جيدة، قد يتحدد العمر الافتراضي لقضيب التمديد بشكل كبير بتآكل السن اللولبي أكثر من تعطل جسم القضيب نفسه. إحدى طرق تحسين العمر الافتراضي هي استخدام جزء ملولب ممتد. فعندما يتآكل الجزء الملولب الأول، يمكن إزالته واستخدام الجزء الثاني.
يُعدّ هذا الأسلوب ذا قيمة خاصة لقضبان الحفر المكربنة الكبيرة، إذ يُجنّبنا صعوبة إعادة تشكيل السن اللولبي المتآكل بعد إزالة الطبقة السطحية الصلبة الأصلية. ويجب أن تتضمن الوصلات المستخدمة مع أجزاء السن اللولبي الطويلة حاجزًا داخليًا مناسبًا لتثبيت القضبان في موضعها الصحيح.
اختيار نظام أدوات الحفر المناسب
إن أفضل أداة لحفر الصخور ليست ببساطة أقوى أو أرخص مكون، بل هي النظام الذي يتناسب بشكل أفضل مع عمق الحفر، وصلابة الصخور، ودرجة تآكلها، والتشققات، وقطر الثقب، ونوع المثقاب، وسهولة الصيانة.
يُعدّ استخدام أنابيب الحفر المتكاملة الخيار الأمثل عادةً للثقوب الضحلة ذات الأقطار الصغيرة وظروف الحفر البسيطة. أما أنابيب الحفر القابلة للفصل فتُوفّر استبدالًا اقتصاديًا للريشة ومرونة أكبر عند اختلاف ظروف الحفر. وتُعتبر أنظمة الحفر بالتمديد الحل الأمثل للثقوب العميقة التي تتطلب استخدام عدة أنابيب ووصلات مُحكمة.
ينبغي على المشغلين استخدام نطاق مُخطط له من أطوال أنابيب الحفر وأقطار رؤوس الحفر. في مجموعة أنابيب الحفر، يمكن أن يختلف طول وقطر كل أداة لاحقة. يعتمد فرق الطول المناسب على صلابة الصخور وطول التغذية، بينما يُقلل قطر رأس الحفر تدريجيًا مع ازدياد عمق البئر. يساعد هذا في الحفاظ على كفاءة الحفر ويسمح بأن يظل حجم البئر النهائي متوافقًا مع شحنة المتفجرات المُستخدمة أو أي متطلبات أخرى لاستخدام البئر.
