كيفية حفر الآبار

2012-06-27, 8:29 am

مـــقـدمــه :
عرفت
الآبار منذ القدم على أنها المصدر الرئيسي لاستخراج المياه الجوفية من
داخل الطبقات. والبئر هو عبارة عن ثقب أنبوبي الشكل يخترق الطبقات الحاملة
للماء حيث يتم داخله تجميع المياه ومن ثم جلبها إلى السطح للاستفادة منها.
في السابق كانت عملية جلب الماء إلى السطح تتم بواسطة طرق شائعة قديمة مثل
الدلاء. أما في الوقت الحاضر فقد اخترع الإنسان مضخات المياه التي مكنته من
رفع كميات كبيرة من الماء من داخل البئر إلى السطح في فترة زمنية قصيرة
ومن طبقات عميقة بطريقه سهلة وميسره وهذا ما سبب زيادة استهلاك المياه
الجوفية. يتكون بئر الماء من جزأين رئيسيين كما هو موضح بالشكل التالي:

يتم تبطين الجزء الأول بطريقة لا تسمح بمرور المياه إلى داخل فجوة البئر
وفي الوقت الحاضر أصبح البئر يبطن بأنابيب مصمتة تعرف بأنابيب التغليف
Casing حيث توضع أنابيب التغليف مقابلة للطبقات الجيولوجية غير المنتجة أو
التي لا يرغب المستهلك في استغلالها لسبب أو لأخر. أما الجزء الأخر من
البئر فيحتوي على فتحات تسمح بمرور الماء وتجمعه داخل فجوة البئر والذي
أصبح في الوقت الحاضر يبطن بأنابيب معدنية ذات فتحات مقننه ومدروسة جيداً
تعرف بالمصافي Screens. ويتم اختيار نوعها وحجم فتحاتها عند تصميم البئر.
وتوضع المصافي مقابلة للطبقات الجيولوجية المنتجة للماء والتي يرغب
المستهلك في الاستفادة منها.

حفر آبار المياه الجوفية:

نتيجة للتعامل مع صخور ذات صلابة متفاوتة فقد تم تطوير العديد من طرق حفر
آبار المياه الجوفية لتتناسب مع نوع الطبقات التي يتم حفرها وصلابتها وعمق
البئر.
فمثلاً نجد أن الطرق المستخدمة في حفر الصخور الصلبه جدا مثل الجرانيت
والدلومايت كثيف البنية تختلف عن الطرق المستخدمة في حفر الصخور الهشة
المفككة من رواسب مجاري الأنهار الرملية والحصوية. لذالك فقد أصبح اختيار
طريقة حفر الآبار يرتبط ارتباطاً وثيقا بمنطقة إنشاء البئر وطبيعة صخورها
وأصبحت بعض طرق حفر الآبار أكثر شيوعا ونجاحا في بعض المناطق عنها في مناطق
أخرى. وعلى الرغم من ذلك فمن الضروري أحيانا تحوير عملية الحفر لتتناسب مع
عمق البئر وقطرة وطبيعة الخزان الجوفي وأخيرا مع الغرض الرئيسي من أنشاء
البئر.
وتتم خلال هذه المرحلة ( مرحلة الحفر ) من مراحل إنشاء البئر عملية الحفر
الفعلية التنفيذية له وتتكون هذه المرحلة بدورها من خمس عمليات مختلفة هي:

1. مرحلة الحفر Drilling Stage .
2. مرحلة وضع أنابيب التغليف Casing Installation Stage .
3. مرحلة تركيب المصافي مع وضع حشوة الحصى إذا تطلب أنشاء البئر ذلك Screen Placement Stage.
4. مرحلة تثبيت أنابيب التغليف بواسطة الإسمنت وعزل الأجزاء غير المرغوب في أسغلالها Cementing or Grouting Stage .
5. مرحلة تنمية البئر وتجهيزة للاستخدام النهائي Development Stage .
________________________________________

طرق حفر الآبار:
تمثل
طرق حفر الآبار العمليات الفعلية التي يتم خلالها ثقب صخور الخان الجوفي
وما يعلوه من صخور طباقية بطرق ميكانيكية مختلفة لذالك فأن هناك طرق مختلفة
لحفر الآبار نذكر منها:
1. طريقة الحفر بالآلة السلكية (الدقاق).
2. طريقة الحفر بالدوران الرحوي.
3. طريقة الحفر بالدوران الرحوي العكسي.
4. الآبار المدفوعة ( المدقوقة ).
5. الآبار المحفورة يدويا.

1. طريقة الحفر بالآلة السلكية (الدقاق):
عرفت
طريقة الحفر بالآلة السلكية أو الدقاق من قبل الصينيين الذين استخدموها
منذ حوالي أربعة آلاف سنه مضت واستطاعوا بواسطتها الحفر إلى أعماق كبيرة
وصلت حوالي 3000 قدم. وتعتمد هذه الطريقة على إسقاط جسم صلب حاد وارتطامه
بالصخور مما يسبب تهشمها وتكسيرها. ويؤدي تكرار عملية الارتطام مرات عديدة
إلى اختراق الجسم الصخري الصلب و إحداث ثقب أسطواني داخله. لذا فإن الحفر
بهذه الطريقة يتطلب استخدام مطرقة ثقيلة يتم رفعها وإسقاطها على الصخور.
وتنتهي مطرقة الحفر بطرف حاد يعرف برأس الحفار Drilling Bitوهو الذي يؤدي
إلى ثقب الصخور في المكان الذي تسقط عليه المطرقة. ويتكون عمود الحفر
الكامل لهذه الطريقة من خمسة أجزاء رئيسيه وهي:

1. رأس الحفار Drilling Bit:
وهو الجزء الذي ينتهي به عمود الحفر من الطرف السفلي ويقوم بثقب الصخور
وتهشيمها عند سقوطه عليها. ينتهي رأس الحفار بنهاية حادة تساعد على ثقب
الصخور و اختراقها.

2. عمود الحفارة Drilling Stem:
وهو عبارة عن ثقل يضاف إلى رأس الحفارة للمساعدة على تهشيم الصخور. كذلك
يساعد عمود الحفار على ضمان استقامة البئر المراد إنشاؤه. فمن المعروف أ،
أي ميل مهما كان بسيطا في عملية حفر الصخور واختراقها قد يؤدي إلى نشوء
مشاكل كثيرة عند أنزال أنابيب التغليف والمصافي.

3. رجاجات الحفارة Drilling Jars:
يتكون هذا الجزء من الرجاجات القابلة للانزلاق والمصنوعة من الحديد الصلب.
وتنحصر مهمة هذه الرجاجات ف تخلص عمود الحفارة ورأس الحفارة من فتات الصخور
المهشمة المتراكم فوقها وذلك باندفاع الرجاجات إلى الأعلى معطية قوة سحب
كبيرة تعمل على تخليص الأجزاء المحتجزة من بين فتات الصخور. وتعتبر هذه
العملية هي الوظيفة الرئيسية والوحيدة لهذا الجزء من الحفارة وليس لها أي
غرض آخر بجانب ذلك.

4. خيط الحفارة (حبل الحفارة Drill Line ) :
هو عبارة عن حبل ذو سمك يتراوح بين 0.625 و1 بوصة ( 25 – 16 ملليمتر ).
يعمل هذه الحبل على حمل كامل أجزاء الحفارة ويعطيها حركه دائرية كلما هوت
على الصخور لتكسيرها. يمتد حبل الحفارة إلى أعلى برج الحفر حيث يلتف حول
بكرة علوية تعرف بالبكرة التاجية Crown Socket ثم يمتد بعد ذلك إلى الأسفل
مارا بعدد من البكرات الوسطية إلى أن ينتهي عند عربة الحفر حيث يلتف حول
بكرة التخزين.

5. تجويف الحبل Swivel Socket:
يعمل تجويف الحبل على ربط أجزاء الحفارة ببعضها البعض ويعطيها بالإضافة إلى
ذلك وزنا أضافيا يساعد رأس الحفاره على تهشيم الصخور عند سقوطه عليها كما
أنه يعطي القوه اللازمة للرجاجات لتخليص أجزاء الحفارة المحتجزة من بين
فتات الصخور.
وتتلخص عملية الحفر باستخدام طريقة الدقاق في رفع راس الحفارة مع ما يعلوه
من أثقال ( عدة الحفر ) وإسقاطها على الصخور لغرض تهشيمها. تتكرر هذة
العملية مرات عديدة وبسرعة كبيرة مع أحداث حركة دورانيه لعدة الحفر في كل
مرة ترتفع بها إلى الأعلى. وبالطبع فإنه عند تهشم الصخور يبقى حطامها داخل
ثقب البئر وبذلك يقل معدل اختراق رأس الحفارة للصخور ويصبح من اللازم إزالة
هذا الحطام وفي هذه الحالة سوف نحتاج إلى نزح البئر وإخراج فتات الصخور من
داخله. يستخدم في عملية نزح البئر وإخراج فتات الصخور من داخلة دلو كبير
الحجم Bailer. ولإتمام عملية النزح هذه يجب أن يكون الفتات الصخري على هيئة
خلطة طينية يسهل نزحها. لذلك فإنه في حالة كون الصخور جافه وخاليه من
المياه يجب إضافة الماء إلى فجوة البئر لتكوين الخلطة الطينية. يتصل الدلو
بحبل يعرف بخط الرمل Sand Line وذلك لإنزاله داخل البئر ورفعه عند امتلائه
بكسارة الصخور. ويعتمد سمك خط الرمل على وزن الفتات الصخري المتوقع رفعه من
داخل البئر ويمتد إلى بكرة توجد في قمة برج الحفر تعرف ببكرة الرمل.

تستخدم
هذه البكره في إنزال ورفع دلو نزح البئر وكذلك في إنزال أنابيب التغليف
والمصافي التي يتم تركيبها في أغلب الأحوال عند انتهاء عملية الحفر.
ولقد أثبتت طريقة الحفر بالدقاق على مدى آلاف السنين كفاءتها في العديد من
المناطق وتحت ظروف جيولوجية مختلفة. ففي بعض المناطق وتحت ظروف جيولوجية
يمكن اعتبار هذه الطريقة أفضل الطرق أو بالأحرى الطريقة الوحيدة التي يمكن
استخدامها في حفر الآبار, خصوصا في المناطق التي تحتوي على مسامية ثانوية
عالية على شكل تشققات في الصخور أو كهوف ( أي في المناطق الكاريستية ) حيث
من الممكن فقدان دورة الطين عند استخدام طريقة الدوران الرحويه.

 مميزات الحفر باستخدام طريقة الحفر بالدقاق :

• التكلفة المناسبة لقيمة برج الحفر ومعداته وبساطة استخدامها.
• يمكن الاعتماد على العينات التي يتم جمعها بواسطة هذه الطريقة وتحديد أعماقها بدقة جيدة.
• يمكن تشغيل الحفارة بواسطة فرد واحد فقط على الرغم من ضرورة وجود شخص آخر ليساعده على تشغيل وإدارة الحفارة.
• بما أن حجم الحفارة غير ضخم (متوسط) فإنه يمكن نقلها إلى بعض المناطق الوعرة التي لا تصلها المعدات المستخدمة في طرق الحفر الأخرى.
• يمكن نزح البئر في أي وقت يريده الحفار وبذلك يمكنه تحديد العطاء النوعي للبئر عند ذلك العمق.
• الطاقة اللازمة لتشغيل الحفارة منخفضة جدا مقارنة بالطرق الأخرى.

 عيوب الحفر استخدام طريقة الحفر بالدقاق:

• انخفاض معدل اختراق الحفارة للطبقات الصخرية مما يتطلب وقتا زمنيا أطول للحفر.
• ارتفاع تكاليف أنابيب التغليف حيث يتطلب الحفر بهذه الطريقة استخدام أنابيب ذات أقطار كبيرة وجدار سميك.
________________________________________

2. طريقة الحفر بالدوران الرحوي:

عندما
أصبح لزاما البحث عن مصادر جديدة للماء قد تقع على أعماق كبيرة من سطح
الأرض تم تطوير طريقة الدوران الرحوي المباشر لزيادة معدل اختراق الحفارة
للطبقات الجيولوجية ولزيادة أعماق الآبار لتصل إلى خزانات جوفية واقعه على
أعماق كبيرة لم يستطع الإنسان الوصول إليها قبل تطوير هذه الطريقة. تتلخص
طريقة الدوران الرحوي المباشر في أن رأس الحفارة عبارة عن بريمة تدور
دورانا رحويا يؤدي إلى سحق المادة الصخرية التي يخترقها. وتتم إزالة نواتج
سحق الصخور باستخدام دوره مستمرة من سائل طيني خاص يستخدم لهذه الطريقة
يعرف بسائل الحفر . يضخ سائل الحفر عبر أنبوب الحفر إلى داخل البئر حيث
يخرج من خلال فتحات في رأس الحفارة ليأخذ طريقة عبر الفجوة الموجودة بين
أنبوب الحفر وجدار البئر حتى يصل إلى السطح. يوجه هذا السائل على السطح إلى
حفرة خاصة تعرف بحفرة الترسيب Settling Pit ويترك في هذه الحفرة حتى يتم
ترسيب ما يحمله من فتات الصخور الناتجة عن عملية الحفر ثم يتم نقلة إلى
حفرة أخرى ليكون جاهزا للضخ مرة ثانية إلى داخل البئر. يتكون عمود الحفر في
هذه من أربعة أجزاء رئيسية وهي:

1. رأس الحفارة Drilling Bit:
وهو
الجزء من الحفارة الذي يستخدم في سحق الصخور واختراقها بطريقة الدوران
الرحوية. تتميز هذه الطريقة بوجود نوعين رئيسين من رؤوس الحفارات وهي :

• رأس الحفار الخطافي Drag Bit:
وهو مصنوع من مادة معدنية صلبه يمكنها سحق الرواسب الرملية والطينية الهشة.

• رأس الحفار الصخري Rock Bit:
وهو مصنوع من مادة الفولاذ المقواة بمادة التنجستين التي يمكنها من سحق واختراق الصخور الصلبه والرواسب الحصوية.

2. طوق الحفارة Drilling Bit:
وهو الجزء السفلي من أنبوب الحفر الذي يتصل به رأس الحفارة. ويتكون طوق
الحفرة من أنبوب أو أكثر ذات جدران سميكة لتعطي وزنا إضافيا لرأس الحفارة
وتعمل على ضمان استقامة الحفر, كما يزود طوق الحفارة بمثبتات Stabilizers
خاصة لزيادة فعالية الحفارة في الحفر الرأسي المستقيم دون التعرض لمشاكل
ميل الحفر.

3. أنبوب الحفر Drill Pipe:
عبارة عن مجموعة من الأنابيب التي غالبا ما يكون طول الواحد منها 20 قدما (
6.1 متر ) وقد توجد بأطوال أخرى مختلفة , وقطرها بين 6 – 2.375 بوصات (
120 – 60 ملم ) . الغرض الأساسي من استخدام هذه الأنابيب هو أمرار سائل
الحفر من السطح حتى يصل إلى رأس الحفارة.

4. الكيلي The Kelly:
يوجد الكيلي في أعلى عمود الحفر وهو عبارة عن أنبوب جدرانه ذات سمك كبير
وشكل مختلف عن الأنابيب العادية، قد يكون الكيلي دائري أو سداسي أو مربع
الشكل. يتصل الكيلي عند إحدى نهايتيه مع أنبوب الحفر وعند نهايته الأخرى مع
الصحن الرحوي الدوار Drill Table حيث يمر خلال الصحن فيتقل الحركة
الدورانية الهيدروليكية من الصحن الدوار إلى رأس الحفار من خلال تحريك عمود
الحفر.
لقد صممت أجزاء عمود الحفر في طريقة الدوران الرحوي المباشر لتؤدي دورين رئيسين:
• الدور الأول: هو ضمان دورة مستمرة من سائل الحفر طوال عملية الحفر منذ بدئها حتى انتهائها.
• الدور الثاني: فهو تحريك رأس الحفارة وضمان اختراقه للطبقات الجيولوجية المتعاقبة.

 مميزات الحفر بطريقة الدوران الرحوي المباشر:

• معدل اختراق رأس الحفارة للطبقات الجيولوجية يعتبر عاليا بالمقارنة مع الطرق الأخرى.
• لا تتطلب هذه العملية تركيب أنابيب التغليف خلال عملية الحفر.
• سهولة إنزال المصافي التي تعتبر جزء من عملية تركيب أنابيب التغليف.
• يمكن نقل وتركيب معدات الحفر بهذه الطريقة بسرعة أكبر من الطرق الأخرى.

 عيوب الحفر بطريقة الدوران الرحوي المباشر:

• التكلفة العالية لمعدات الحفر بهذه الطريقة.
• تتطلب معدات الحفر صيانة دقيقه ذات تكلفة اقتصاديه عالية.
• يتطلب جمع عينات الصخور المحفورة وتحديد أعماق هذه العينات إلى عمليات حسابية دقيقة.
• يتطلب تشغيل الحفارة إلى فريق من الحفارين لا يقل عددهم عن شخصين.
• إمكانية انقطاع دورة الطين في المناطق التي تحتوي صخورها على مسامية ثانوية عالية.
• يجب أن تتوفر لدى الحفار الذي يستخدم هذه المعدات خبره ومعلومات علميه جيده عن تحديد الخواص الفيزيائية لسائل الحفر.
________________________________________

3. طريقة الحفر بالدوران الرحوي العكسي:

نتيجة
للطاقة المحدودة للمضخات في إزالة نواتج حفر الآبار بطرقة الدوران الرحوي
المباشر فإن معظم الآبار المحفورة بالطريقة السابقة لا يزيد قطرها عن 24
بوصه. إضافة إلى ذلك فقد لوحظ أن معدل اختراق الحفارة للطبقات الجيولوجية
خلال عملية الحفر بطريقة الدوران الرحوي المباشر تصبح غير مرضية عندما
يزداد قطر البئر عن 24 بوصة. وللتغلب على هذه المشاكل فإنه عند الاحتياج
لحفر آبار ذات أقطار كبيرة يمكن استخدام طريقة الدوران الرحوي العكسية. لا
تختلف هذه الطريقة عن سابقتها كثيرا فتصميم معدات الحفر للطريقتين واحد
تقريبا ولكن معدات الحفر بطريقة الدوران الرحوي العكسية أكبر حجما.
وهناك اختلاف رئيسي آخر يتعلق بدورة سائل الحفر, لأن سائل الحفر يترك
لينساب إلى داخل البئر عبر الفجوة بين جدار البئر وأنبوب الحفر تحت تأثير
الجاذبية ثم يمر السائل بعد ذلك عبر فتحات موجودة في رأس الحفارة إلى داخل
أنبوب الحفر حيث يضخ إلى السطح, وبذلك تصبح دورة سائل الحفر عكس الطريقة
السابقة وهذا هو سبب التسمية لهذه الطريقة.

 مميزات طريقة الحفر بالدوران الرحوي العكسي:

•
عدم تأثر مسامية ونفاذية الخزان الجوفي في المنطقة المنطقة المحيطة بجدار
البئر على عكس ما يحدث عند استخدام طريقة الدوران الرحوي المباشر.
• يمكن حفر آبار ذات أقطار كبيرة وبتكلفة اقتصادية مناسبة.
• يمكن الحفر خلال جميع الطبقات الرسوبية ماعدا تلك التي تحتوي على نسبه من الزلط.
• سهولة تركيب أنابيب التغليف والمصافي.

 عيوب طريقة الحفر بالدوران الرحوي العكسي:

• الاحتياج إلى كميات وفيرة من الماء خلال عملية الحفر.
• بما أن حجم معدات الحفر كبيرة جدا فإنها ذات تكلفه اقتصاديه عالية.
• الاحتياج إلى مساحات واسعه ومحفورة لاستيعاب ساءل الحفر.
• صعوبة نقل معدات الحفر إلى بعض المناطق نتيجة لضخامة حجمها.
• الاحتياج إلى فريق عمل يتكون من عدة أشخاص لإدارة وتشغيل معدات الحفر.
________________________________________

4. الآبار المدفوعة ( المدقوقة ):

الآبار
المدفوعة أو المدقوقة Driven Wells هي عبارة عن آبار ضحلة يتراوح عمقها
بين 10 و20 مترا, وتتراوح أقطار هذه الآبار بين 1.5 و4.0 بوصات. يتم عادة
إنشاؤها في المتكونات الرسوبية الهشة ذات الحبيبات الدقيقة والتي لم يتماسك
الفتات الصخري المكون لها. يتكون البئر المدفوع من أنبوب أو عدة أنابيب
ذات نهاية سفلية مدببه تعرف بسن البئر Well Point وتستخدم لتسهل عملية دفع
الأنابيب إلى داخل التربة إما بواسطة اليد أو باستخدام مطرقة حديدية ثقيلة.
تشتمل الأنابيب التي يتكون منها البئر على جزء مثقب يمثل المصافي التي تمر
خلالها المياه إلى داخل البئر. يتم حفر هذا النوع من الآبار في المتكونات
الجيولوجية السطحية الضحلة التي لا يتجاوز عمق مستوى سطح الماء فيها عدة
أمتار.
________________________________________

5. الآبار المحفورة يدويا:

عرفت
الآبار المحفورة يدويا منذ العصور القديمة إذ يتجاوز تاريخها عدة آلاف من
السنين ومن الممكن أن تكون قد عرفت منذ وجود الإنسان على وجه الكره
الأرضية. تتراوح أعماق الآبار المحفورة بين 10أمتار وأكثر قليلا من 30 مترا
اعتمادا على عمق مستوى سطح الماء في الطبقة غير المحصورة , أما بالنسبة
لأقطارها فهي تتراوح بين المتر الواحد والعشرة أمتار . يعتبر المعول و
المجرفة هما الأداتان الرئيسيتان المستخدمان في حفر هذه الآبار. ولضمان
سلامة البئر ومنع جدرانه من الانهيار فإنه عادة ما يبطن ببطانة دائمة من
عصي الأخشاب أو الآجر أو الصخور أو من الأسمنت المسلح أو من أنابيب تغليف
خاصة بهذه الآبار. وفي أغلب الأحوال يكون الجزء السفلي من هذه البطانة مثقب
بحيث يسمح للماء بالمرور من الخزان الجوفي إلى داخل البئر والآبار
المحفورة هي عبارة عن فتحه غير منتظمة تمتد من سطح الأرض حتى تصل إلى مستوى
سطح الماء في الخزان الجوفي وعندئذ تمتد عدة أمتار تحت هذا المستوى. ونظرا
للأقطار الكبيرة التي تتميز بها الآبار المحفورة فإنها يمكن أن تختزن
كميات كبيرة من الماء داخل فتحة البئر.

من
أهم مساوئ الآبار المحفورة سهولة تلوثها بالمياة السطحية أو الملوثات
الموجودة في الغلاف الجوي أو بسقوط بعض الأجسام ( مثل الحيوانات السائبة )
داخل البئر و موتها ومن ثم تحللها مما يؤدي إلى تلوث الماء. يساعد على تلوث
مياه الآبار المحفورة يدويا صعوبة إقفال هذه الآبار لكبر أقطار فتحاتها.