Hướng dẫn sử dụng mũi khoan ba chấu đúng cách
Ảnh hưởng của thành phần thạch học đến sự hỏng hóc mũi khoan Thành phần thạch học ảnh hưởng đến hiệu suất khoan theo nhiều cách: nó ảnh hưởng đến tốc độ khoan và chiều sâu khoan, có thể gây ra các vấn đề khoan phức tạp như mất tuần hoàn dung dịch khoan, hiện tượng phun trào khí, sập giếng và kẹt ống khoan, làm thay đổi hành vi của dung dịch khoan và ảnh hưởng đến chất lượng lỗ khoan (độ lệch lỗ khoan và đường kính không đều), từ đó ảnh hưởng đến chất lượng xi măng hóa. Phân tích thành phần thạch học và hành vi khoan của nó là điều cần thiết để lựa chọn mũi khoan phù hợp và đánh giá xem việc sử dụng nó có hợp lý hay không.
Đất sét, đá bùn và đá phiến: Các tầng địa chất này dễ dàng hấp thụ nước tự do từ dung dịch khoan và trương nở, làm giảm đường kính lỗ khoan và tạo ra lực cản khi khoan, có thể dẫn đến kẹt ống. Ngâm lâu cũng có thể gây sạt lở và mở rộng lỗ khoan dẫn đến sụp đổ. Nên sử dụng nước ngọt hoặc dung dịch khoan có mật độ thấp, độ nhớt thấp nếu có thể. Đá phiến chứa cacbon có độ kết dính yếu và dễ bị sụp đổ. Các tầng địa chất mềm, giàu đất sét khoan nhanh nhưng dễ bị tắc mũi khoan.
Đá sa thạch: Tính chất của đá sa thạch thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào kích thước hạt, thành phần khoáng chất và loại xi măng. Hạt mịn hơn, hàm lượng thạch anh cao hơn và xi măng giàu silic hoặc sắt làm cho đá cứng hơn và dễ mài mòn hơn, làm tăng sự mài mòn mũi khoan (ví dụ: đá sa thạch thạch anh). Xi măng sét, mica hoặc feldspar nhiều hơn làm cho đá mềm hơn và dễ khoan hơn. Hạt thô hơn và sự xi măng hóa kém làm tăng độ thấm và tăng nguy cơ mất chất lỏng; một lớp cặn lọc dày có thể hình thành trên thành giếng và gây ra hiện tượng bám dính và kẹt mũi khoan, dẫn đến hoạt động bất thường của mũi khoan.
Đá hỗn hợp: Khoan trong đá hỗn hợp thường gây ra hiện tượng mũi khoan bị nảy, rung lắc và hư hỏng thành giếng. Nếu tốc độ bơm thấp hoặc độ nhớt của dung dịch khoan không đủ, các hạt có kích thước sỏi sẽ khó nổi lên bề mặt; các mảnh vụn lớn có thể làm hỏng đầu và răng mũi khoan.
Đá vôi: Thường cứng, có tốc độ khoan chậm và chiều sâu khoan hạn chế. Nhiều loại đá vôi phát triển các vết nứt, hốc và khoang; việc gặp phải những cấu tạo này có thể gây kẹt mũi khoan, rửa trôi dung dịch khoan, mất tuần hoàn và đôi khi gây phun trào hoặc nổ mìn. Đá vôi ảnh hưởng mạnh đến tốc độ khoan, tốc độ cơ học và độ mòn mũi khoan. Các lớp đá cứng và mềm xen kẽ (ví dụ như đá bùn xen kẽ với đá sa thạch cứng) và các tầng đá có độ dốc lớn làm tăng khả năng lệch hướng lỗ khoan; hư hỏng mũi khoan dễ xảy ra hơn khi khoan các lỗ có độ lệch hướng cao. Các lớp muối hòa tan (thạch cao, halit, v.v.) có thể làm giảm chất lượng dung dịch khoan và làm suy giảm hiệu suất hoạt động bình thường của mũi khoan.
Các thông số khoan và ảnh hưởng của chúng Các thông số khoan quan trọng có thể kiểm soát được trong quá trình khoan là lực tác dụng lên mũi khoan (WOB), tốc độ quay (RPM) và tốc độ tuần hoàn bùn. Các thông số này nên được lựa chọn dựa trên điều kiện địa tầng, loại mũi khoan, khả năng của giàn khoan và kỹ năng của người vận hành. Các thông số khoan thường được phân loại như sau:
Các thông số khoan tối ưu: những thông số mang lại hiệu quả kinh tế tốt nhất trong điều kiện nhất định.
Các thông số khoan mạnh (hoặc được tăng cường): các giá trị cao hơn bình thường để đạt được tốc độ xuyên thấu lớn hơn.
Kỹ thuật khoan đặc biệt: các phương pháp cụ thể hoặc bộ thông số hạn chế được sử dụng cho các mục tiêu cụ thể.
Việc lựa chọn các thông số khác nhau đòi hỏi các loại mũi khoan khác nhau; mũi khoan bị hỏng do các cơ chế khác nhau trong các điều kiện khoan khác nhau và cần được xử lý cho phù hợp.
2.1 Ảnh hưởng của trọng lượng lên mũi khoan (WOB) WOB là điều kiện thiết yếu để phá vỡ đá tại mặt mũi khoan. Độ lớn của WOB quyết định phương thức và đặc điểm phá vỡ đá, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ khoan và độ mòn của mũi khoan. Dưới tải trọng trục và mô-men xoắn quay, các răng cắt bị mòn, cùn hoặc gãy khi chúng ép vào và cắt đá, điều này rõ ràng ảnh hưởng đến tốc độ khoan. Khi WOB tăng, tốc độ khoan nói chung cũng tăng, nhưng ổ trục và răng cắt bị mòn nhanh hơn, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ khoan. Mối quan hệ giữa WOB và tốc độ khoan thay đổi qua ba giai đoạn khác nhau:
Giai đoạn nứt vỡ bề mặt: Khi lực ép lên đá (WOB) nhỏ hơn độ cứng lún của đá, răng cắt không thể xuyên vào mà chỉ làm mài mòn bề mặt đá. Độ mài mòn cao và độ xuyên thấu thấp, mặc dù độ xuyên thấu tăng tỷ lệ thuận với sự gia tăng của WOB.
Giai đoạn gãy do mỏi: Khi lực ép của mũi khoan (WOB) tiến gần đến độ cứng lún của đá, tác động lặp đi lặp lại của các răng khoan tạo ra nhiều vết nứt trên bề mặt và hiện tượng vỡ vụn xảy ra dần dần ngay cả khi chưa xuyên thủng hoàn toàn.
Giai đoạn phá vỡ khối lượng lớn: Khi lực ép mũi khoan (WOB) vượt quá độ cứng lún của đá, các mũi khoan sẽ xuyên vào và tạo ra các vết nứt lớn; quá trình khoan trở nên hiệu quả và đây là chế độ khoan bình thường. Do đó, lực ép mũi khoan phải đủ lớn để cho phép các mũi khoan xuyên vào và tạo ra sự phân mảnh lớn.
Việc tăng gấp đôi lực ép mũi khoan (WOB) trong các thử nghiệm với mũi khoan ba chấu cho thấy các loại đá khác nhau có phản ứng khác nhau: đá có độ cứng trung bình (loại đá 6–7) cho thấy tốc độ tăng độ xuyên thấu lớn nhất; đá mềm hơn (loại 4–5) và đá cứng hơn (loại 8–9) cho thấy mức tăng nhỏ hơn. Khoan các tầng đá mềm có tính kết dính có thể gây tắc nghẽn bùn và kẹt mũi khoan, vì vậy WOB nên tương đối thấp. Trong các tầng đá có tính mài mòn cao, WOB không đủ sẽ gây mòn mũi khoan sớm, vì vậy WOB nên được tăng lên một cách thích hợp. Khi gặp các tầng đá bị nứt nẻ, hiện tượng nảy mũi khoan thường xảy ra và WOB nên được giảm để tránh gãy hoặc bong tróc răng khoan. Do đó, WOB là một thông số quan trọng cần phải cân bằng giữa khả năng xuyên thấu của răng khoan với việc giảm thiểu sự mòn răng.
2.2 Ảnh hưởng của tốc độ quay (RPM) Tốc độ quay đo lường tốc độ quay của mũi khoan có đường kính nhất định. Vì hành vi phá đá và ảnh hưởng của lực ép lên đá (WOB) thay đổi tùy thuộc vào độ cứng của đá, nên ảnh hưởng của RPM đến quá trình phá đá và xuyên thấu cơ học phải tính đến các yếu tố về địa tầng và thời gian phá đá.
Tốc độ quay (RPM) trong các tầng đá mềm: Trong các tầng đá mềm, có độ dẻo cao và độ mài mòn thấp (ví dụ: các lớp đất sét), độ dày của phoi bằng độ sâu xuyên thấu của răng và độ mài mòn của răng là tối thiểu. Khi lực ép (WOB) được giữ không đổi, RPM và tốc độ xuyên thấu cơ học tăng lên gần như tỷ lệ thuận.
Tốc độ quay (RPM) trong các tầng đá có độ cứng trung bình và cứng: Trong các tầng đá này, độ cứng khi ấn lõm và độ mài mòn cao hơn; răng bị cùn nhanh hơn, diện tích tiếp xúc tăng lên, và thời gian lan truyền vết nứt và biến dạng kéo dài hơn. Tốc độ xuyên phá chậm lại và cần lực ép (WOB) cao hơn. Tăng RPM trong các tầng đá cứng có thể kéo dài thời gian phá đá mỗi vòng quay, vì vậy RPM quá cao có thể ngăn cản sự phá vỡ hoàn toàn trước khi răng tách rời, làm giảm khả năng xuyên phá hiệu quả và đẩy nhanh quá trình mài mòn. Do đó, không nên tăng RPM quá mức trong các tầng đá có độ cứng trung bình hoặc cứng.
Sự khác biệt về tốc độ quay (RPM) giữa các loại đá: Mỗi loại đá có một đường cong phản ứng đặc trưng và một tốc độ quay giới hạn. Trong đất sét, tốc độ xuyên tăng tỷ lệ thuận với RPM; trong các loại đá cứng, có tính mài mòn cao, tốc độ xuyên tăng chậm hơn với RPM do thời gian phá vỡ đá kéo dài và tốc độ quay giới hạn thấp hơn — vượt quá giới hạn đó thực tế có thể làm giảm tốc độ xuyên.
Kết quả thử nghiệm khi tăng gấp đôi tốc độ quay (RPM) trên mũi khoan ba chấu cho thấy, đối với đá cấp 4 (ví dụ: đá cẩm thạch), tốc độ xuyên tăng khoảng 93%, trong khi đối với đá granit porphyritic cấp 9, mức tăng chỉ khoảng 28%. Từ cấp 4 đến cấp 9, tốc độ xuyên tăng theo RPM giảm dần theo một đường cong. Do đó, tăng RPM có lợi cho các tầng đá mềm, ít mài mòn nhưng chỉ mang lại lợi ích hạn chế đối với các tầng đá cứng, nhiều mài mòn.
