Nguyên tắc vận hành mũi khoan kim cương: Năm sai lầm khiến mũi khoan hỏng chỉ trong mười mét đầu tiên

Mũi khoan kim cương không bị mòn. Chúng bị hỏng. Do người vận hành thả chúng xuống đáy giếng ở tốc độ quay tối đa. Do thợ khoan tiếp tục đẩy khi mũi khoan bắt đầu mài mòn. Do đội công nhân giật mạnh cần khoan ra khỏi giếng sâu quá nhanh khiến tầng địa chất bị sụp đổ. Mỗi mũi khoan kim cương đều có tuổi thọ tiềm năng được tính bằng hàng trăm mét. Hầu hết không đạt được con số đó vì những sai lầm mắc phải trong năm mét đầu tiên và năm mét cuối cùng của mỗi lần khoan.

Nếu bạn đang khoan bằng mũi khoan kim cương — cho dù đó là giếng nước, thăm dò hay khảo sát địa chất — thì những quy tắc này sẽ tạo nên sự khác biệt giữa một mũi khoan bền lâu và một mũi khoan nhanh hỏng.

Nguyên tắc thứ nhất: Mũi khoan kim cương chỉ cắt. Chúng không dùng để đập, cạo hay ủi.

Mũi khoan kim cương hoạt động bằng cách mài. Các hạt kim cương lộ ra ở mặt trên của mũi khoan — dù là kim cương tự nhiên được gắn trong chất nền hay kim cương tổng hợp trong lớp phủ — sẽ mài mòn đá từng micron một. Mũi khoan không nghiền nát như mũi khoan hình nón lăn. Nó cũng không cắt như mũi khoan PDC. Nó mài, và cần những điều kiện cụ thể để mài hiệu quả.

Nguyên tắc đầu tiên khi khoan bằng mũi khoan kim cương là khi mũi khoan không cắt, đừng cố gắng ép nó. Nếu tốc độ khoan giảm đột ngột — không phải giảm dần, mà là giảm đột ngột — thì đã có sự thay đổi ở đáy lỗ khoan. Mũi khoan có thể đã va phải vật thể cứng mà các hạt kim cương không thể mài mòn hiệu quả. Có thể có lõi đá vụn làm tắc nghẽn mặt mũi khoan. Hoặc có thể có một mảnh đá vách bị tách ra làm kẹt vòng ngoài của mũi khoan.

Cách xử lý cho bất kỳ trường hợp nào trong số này đều giống nhau: ngừng khoan và kéo dây. Không thêm trọng lượng. Không tăng tốc độ quay. Không tăng tốc độ bơm với hy vọng đẩy vật cản ra ngoài. Mũi khoan kim cương quay mà không thể cắt được vật gì thì chỉ đang tự đánh bóng bề mặt cắt của nó. Các viên kim cương bị mài mòn, phần thân mũi khoan nóng lên, và mũi khoan bị cùn đi dù bề ngoài vẫn nhìn tốt. Kim cương bị mài mòn không thể phục hồi tại chỗ. Mũi khoan đã hỏng.

Nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho việc doa và làm sạch. Không sử dụng mũi khoan kim cương để doa rộng lỗ bị hẹp do mũi khoan trước để lại. Không sử dụng nó để làm sạch các mảnh vụn lõi còn sót lại ở đáy. Không sử dụng nó để cố gắng khoan xuyên qua dụng cụ hoặc phụ kiện bằng thép bị rơi xuống giếng. Mũi khoan kim cương chỉ dùng để cắt đá nguyên sinh. Bất cứ việc gì khác đều là lạm dụng.

Quy tắc thứ hai: Các bộ phận mới cần thời gian chạy rà.

Một mũi khoan kim cương hoàn toàn mới, vừa lấy ra khỏi hộp, chưa sẵn sàng cho các thông số khoan tối ưu. Mặt đỉnh có các cạnh sắc, phần kim cương lộ ra có thể không đều, và mũi khoan chưa được lựa chọn phù hợp với loại đá cụ thể mà nó sắp gặp phải.

Quy trình làm quen — được gọi là "dressing" hoặc "initial grinding" — rất đơn giản nhưng không thể thương lượng:

Từ từ hạ mũi khoan xuống đáy lỗ. Dùng lực nhẹ – khoảng một phần ba lực khoan thông thường. Quay chậm – khoảng 100 vòng/phút. Khoan khoảng 0,2 đến 0,3 mét, hoặc khoảng một foot (khoảng 30 cm), với các thông số giảm này. Sau đó, tăng dần lực và tốc độ quay trong nửa mét tiếp theo cho đến khi đạt đến phạm vi khoan thông thường.

Điều gì đang xảy ra trong vài decimet đầu tiên đó: các hạt kim cương ở mặt đỉnh mũi khoan được lộ ra với tốc độ khác nhau. Kim loại nền giữ các viên kim cương bị ăn mòn nhẹ, cho phép các viên kim cương nhô ra đến chiều cao cắt tối ưu của chúng. Mặt đỉnh mũi khoan bị mòn thành hình dạng phù hợp với đáy lỗ. Và bất kỳ sự bất thường nhỏ nào trong hình dạng của mũi khoan — độ không tròn nhẹ ở phần đo, độ nhám bề mặt nhỏ do quá trình sản xuất — đều được mài nhẵn khi tiếp xúc với đá.

Lần khoan đầu tiên với mũi khoan mới nên ngắn – chỉ cần kéo mũi khoan lên sau một hoặc hai mét và kiểm tra bề mặt đầu mũi khoan. Bạn cần kiểm tra xem bề mặt có bị mòn đều, phần kim cương lộ ra đồng đều và hình dạng đầu mũi khoan khớp với lỗ hay không. Nếu độ mòn không đều, hãy điều chỉnh các thông số cho lần khoan tiếp theo. Nếu mũi khoan vẫn tốt, bạn có thể tăng chiều dài quãng đường khoan trong các lần sau.

Nguyên tắc thứ ba: Bắt đầu xoay trước khi mũi khoan chạm đáy.

Lỗi này làm hỏng nhiều mũi khoan hơn bất kỳ lỗi nào khác. Mũi khoan được hạ xuống đáy lỗ khi chế độ quay đang tắt, người vận hành máy khoan bật động cơ, và mũi khoan — đang nằm yên ở đáy dưới toàn bộ trọng lượng của bộ cần khoan — được yêu cầu bắt đầu quay ngược chiều với đá từ trạng thái dừng hoàn toàn.

Mô-men xoắn cần thiết để khắc phục ma sát tĩnh giữa mũi khoan kim cương và đá có thể lớn gấp nhiều lần mô-men xoắn vận hành bình thường. Sự tăng đột ngột mô-men xoắn đó có thể làm bong tróc kim cương khỏi đá, làm nứt đầu mũi khoan hoặc gây quá tải cho mối nối giữa mũi khoan và thân máy.

Trình tự đúng: hạ mũi khoan xuống cách đáy lỗ vài centimet. Khởi động bơm và thiết lập dòng chảy rửa. Bắt đầu quay ở tốc độ thấp. Chỉ sau đó mới hạ mũi khoan xuống vài centimet cuối cùng cho đến khi chạm vào đá. Mũi khoan đi vào vết cắt trong khi vẫn đang quay, dòng chảy rửa đã được thiết lập và cần khoan ở trạng thái căng chứ không phải nén. Mọi thứ đều năng động và cân bằng ngay từ lần tiếp xúc đầu tiên.

Quy tắc thứ tư: Không thêm cần câu giữa chừng mà không tháo phần đáy ra.

Trong điều kiện lý tưởng, bạn sẽ chọn kích thước cần khoan sao cho có thể hoàn thành toàn bộ quá trình khoan lấy mẫu lõi mà không cần thêm cần khoan. Nhưng trong thực tế, đôi khi bạn cần thêm cần khoan giữa chừng vì lỗ khoan sâu hơn dự kiến.

Nếu cần thêm cần khoan, hãy rút mũi khoan ra khỏi đáy trước. Đừng để mũi khoan nằm yên dưới đáy lỗ trong khi bạn ngắt kết nối ở giàn khoan và thêm cần khoan mới. Một mũi khoan nằm yên dưới đáy trong khi đang thêm cần khoan có thể bị lún vào lớp đất đá vụn, bị kẹt xung quanh đầu cần khoan, và hoặc không khởi động lại được hoặc khởi động lại với tải trọng quá lớn.

Kéo phần mũi khoan lên khoảng một mét so với đáy, thêm thanh nối, sau đó hạ xuống lại và bắt đầu lại theo Quy tắc số Ba.

Nguyên tắc thứ năm: Rút ra từ từ và tiếp tục bơm

Việc kéo cần khoan ra khỏi giếng sâu không chỉ đơn thuần là ngược lại với việc kéo vào. Khi cần khoan được kéo lên, nó hoạt động như một pít-tông trong giếng khoan — chuyển động hướng lên tạo ra hiệu ứng hút bên dưới mũi khoan, làm giảm áp suất trong giếng và có khả năng hút chất lỏng từ tầng địa chất, đá vụn hoặc vật liệu chưa kết dính vào giếng khoan. Hiệu ứng hút này mạnh nhất ở phần dưới của giếng, nơi khe hở giữa vành giếng và thành giếng hẹp nhất và mũi khoan cùng ống lấy mẫu lõi tạo ra lực cản lớn nhất.

Trong các tầng địa chất bị nứt nẻ, không ổn định hoặc trương nở, việc dùng ống thăm dò có thể kéo thành lỗ khoan vào, làm sập lỗ khoan phía sau dây thăm dò. Dây thăm dò vẫn còn nguyên vẹn, nhưng cái còn lại là một lỗ khoan bị sập cần phải khoan lại.

Cách khắc phục: rút ra từ từ — chậm hơn bạn nghĩ là cần thiết — và giữ cho bơm xả hoạt động trong suốt quá trình rút. Luồng xả liên tục sẽ lấp đầy khoảng trống do dây khoan nổi lên tạo ra, ngăn ngừa sự giảm áp suất gây ra hiện tượng kẹt mũi khoan. Trong các tầng địa chất đặc biệt nhạy cảm, hãy rút ra với tốc độ bằng một nửa và không ngừng bơm cho đến khi mũi khoan chạm đến miệng ống.