Sử dụng mũi khoan ba chóp: Trọng lượng tác động lên mũi khoan và tốc độ quay thực tế ảnh hưởng đến đá như thế nào?

Mũi khoan ba chấu ở đáy giếng thực hiện một trong ba thao tác sau đối với địa tầng. Chỉ có một trong ba thao tác đó là khoan.

Ở tải trọng thấp – dưới cường độ nén của đá – các răng khoan không bám chắc. Chúng chỉ trượt trên đáy, mài đá do ma sát. Độ xuyên thấu gần như không đáng kể. Các răng khoan bị mòn nhanh mà hầu như không có tiến độ nào. Đây là kiểu nghiền bề mặt, và đó là cách tốn kém nhất để vận hành mũi khoan vì bạn đang tiêu hao cacbua và tuổi thọ ổ trục mà hầu như không đạt được quãng đường khoan nào.

Ở mức WOB trung bình — gần bằng nhưng không vượt quá cường độ nén của đá — các răng vẫn chưa xuyên thủng hoàn toàn, nhưng chúng đang thực hiện một việc hữu ích: chúng tạo ra một mạng lưới các vết nứt nhỏ trên bề mặt đá. Mỗi lần va chạm của răng sẽ làm các vết nứt lan rộng thêm một chút. Cuối cùng, sau đủ số chu kỳ, đá sẽ bị mỏi và vỡ vụn. Quá trình này có hiệu quả, nhưng diễn ra chậm. Đây chính là vùng nghiền do mỏi.

Ở mức tải trọng tối đa (WOB) — vượt quá cường độ nén của đá — các răng khoan sẽ lún sâu vào. Mỗi lần răng khoan xuyên vào tạo ra một hố do sự nứt vỡ giòn. Mảnh vụn bay tứ tung. Mũi khoan tiếp tục tiến về phía trước. Đây là quá trình nghiền nát thể tích, và đây là vùng duy nhất mà bạn thực sự đang khoan.

Mấu chốt không chỉ là nâng đủ tạ để đạt được khối lượng tập luyện khổng lồ. Mà là thực hiện...Phảitrọng lượng vàPhảiTốc độ phù hợp với loại đá bạn đang khoan. Bởi vì mối quan hệ giữa WOB (công suất khi khoan), RPM (số vòng quay mỗi phút) và tốc độ xuyên thấu thay đổi đáng kể tùy thuộc vào loại đá nằm dưới mũi khoan.

Tác động của tảng đá lên các thông số

Các hình dạng mềm, dẻo— Đất sét, đá phiến mềm, cát không kết dính. Mũi khoan dễ dàng xuyên vào đá. Yếu tố hạn chế không phải là việc xuyên vào đá; mà là việc làm sạch lỗ khoan đủ nhanh để tránh bị kẹt mũi khoan. Sử dụng lực ép mũi khoan vừa phải — đủ để giữ cho mũi khoan tiếp xúc với đá nhưng không quá nhiều đến mức làm kẹt mũi khoan. Vận hành tốc độ quay (RPM) cao nhất có thể, vì tốc độ xuyên thấu trong các tầng đá này tỷ lệ thuận gần như tuyến tính với tốc độ quay. Tăng gấp đôi tốc độ quay, tốc độ xuyên thấu tăng gấp đôi. Mũi khoan không bị mòn nhiều trong đá mềm, vì vậy tốc độ không ảnh hưởng nhiều.

Các dạng địa chất có độ cứng trung bình— Đá vôi cứng, đá đôlômit, đá sa thạch trung bình. Đến đây thì mọi chuyện thay đổi. Các răng cưa phải nghiền nát để xuyên thủng, và việc nghiền nát cần thời gian. Lực tác động phải lan truyền qua đá, các vết nứt phải hình thành, các mảnh vụn phải tách ra. Nếu quay quá nhanh, các răng cưa sẽ di chuyển trước khi vết nứt hoàn toàn — bạn sẽ để lại những vết nứt không hoàn chỉnh ở đáy thay vì loại bỏ các mảnh vụn hoàn chỉnh. Kết quả: tốc độ quay nhanh hơn không làm tăng tốc độ xuyên thủng tương ứng. Nó chỉ làm mòn răng cưa nhanh hơn vì chúng va chạm vào đá bị nứt một phần ở tốc độ bề mặt cao hơn.

Một con số thực tế: trong đá có độ cứng trung bình (khoảng 6-7 trên thang Protodyakonov), tăng gấp đôi tốc độ quay có thể giúp tăng khả năng xuyên thấu lên 50-70%, chứ không phải 100%. Hiệu suất giảm càng nhiều khi độ cứng tăng.

Các khối đá cứng, có tính mài mòn— đá granit, thạch anh, đá phiến. Giờ bạn gặp phải hai vấn đề: đá cần thời gian để vỡ vụn, và đá đang làm mòn các răng khoan trong quá trình hoạt động. Tốc độ quay (RPM) vượt quá mức tối ưu lại hoàn toàn phản tác dụng. Các răng khoan không thể hoàn thành chu trình vỡ vụn ở tốc độ cao hơn, do đó tốc độ xuyên thấu bị chững lại hoặc thậm chí giảm xuống. Trong khi đó, cacbua đang mài mòn đá cứng, có tính mài mòn cao ở tốc độ tuyến tính cao hơn, do đó sự mài mòn tăng nhanh. Mỗi loại địa chất đều có một giới hạn tốc độ quay thực tế mà vượt quá giới hạn đó, bạn chỉ đang biến tuổi thọ mũi khoan thành tiếng ồn.

Dữ liệu thực nghiệm chứng minh điều này. Trong một thử nghiệm có kiểm soát trên nhiều loại đá khác nhau, việc tăng gấp đôi tốc độ quay (RPM) giúp tăng khả năng xuyên thấu lên 93% trong đá cẩm thạch cấp 4 nhưng chỉ tăng 28% trong đá granit porphyr cấp 9. Từ cấp 4 đến cấp 9, lợi ích của việc tăng RPM giảm dần. Trong các loại đá cứng nhất và mài mòn nhất, việc tăng RPM hầu như không mang lại lợi ích gì — nó chỉ làm giảm tuổi thọ mũi khoan.

Điểm ngọt ngào của WOB, từng bước một.

Các khối dính, dẻo(Đất sét, đá bùn, đá phiến mềm): Lực ép mũi khoan nhẹ. Các tầng địa chất này dễ cắt. Lực ép quá lớn sẽ làm nén chặt đá vào các khe răng và làm mũi khoan bị kẹt. Dung dịch khoan có độ nhớt thấp, mật độ thấp giúp ngăn ngừa hiện tượng phồng rộp và kẹt mũi khoan. Đá phiến chứa cacbon đặc biệt dễ bị sụp đổ — cần giữ cho hệ thống thủy lực hoạt động và lực ép mũi khoan nhẹ.

Các cấu tạo mài mòn(Đá sa thạch thạch anh, đá cuội kết): Lực ép mũi khoan (WOB) cao hơn. Nếu bạn không ép đủ mạnh để các răng khoan hoàn toàn tham gia vào quá trình nghiền thể tích, chúng sẽ dành quá nhiều thời gian trong vùng mỏi, mài mòn vào địa tầng và bị mòn phẳng. Trọng lượng lớn hơn có nghĩa là ít mài mòn hơn và nhiều nghiền hơn, điều này nghịch lý thay lại làm giảm sự mài mòn của răng. Đá cuội kết làm tăng nguy cơ mũi khoan bị giật và hư hỏng do va đập — hãy giữ cho dây khoan ổn định và không quay quá nhanh.

Các cấu tạo hang động, bị nứt vỡ(Đá vôi karst, vùng đứt gãy): Lực ép khi khoan (WOB) giảm. Khi mũi khoan gặp phải khoảng trống hoặc vùng nứt gãy, trọng lượng đột ngột giảm xuống rồi lại dồn mạnh trở lại. Lực ép cao trong điều kiện này sẽ làm gãy răng và hư hỏng ổ trục. Hãy giảm lực ép, quay đều và để mũi khoan tự đi qua vùng bị nứt mà không cần phải chống lại nó.

Các tầng đá xen kẽ(Các lớp đá cứng và mềm xen kẽ): Đây là phần khó điều chỉnh nhất. Mũi khoan phải chịu đựng sự thay đổi liên tục về độ cứng của đá. Lực ép mũi khoan (WOB) phù hợp với lớp đá cứng lại quá lớn đối với lớp đá mềm. Giải pháp thỏa hiệp: điều chỉnh cho các lớp đá cứng hơn và chấp nhận hiệu suất hơi kém hơn ở các lớp đá mềm. Một mũi khoan chịu được các lớp đá cứng sẽ khoan nhanh hơn so với mũi khoan được tối ưu hóa cho đá mềm và bị hỏng ở đá cứng.

Quy tắc liên kết tất cả lại với nhau

Lực WOB giúp bạn bám vào đá. Vòng quay RPM quyết định số lần bạn cắn đá mỗi phút. Nhưng tốc độ của đá sẽ quyết định tốc độ hoàn thành một cú cắn trước khi răng cưa di chuyển tiếp.

Nếu bạn chẳng nhớ gì khác: đá mềm thích tốc độ quay cao, đá cứng cần thời gian. Nếu đẩy tốc độ quá cao vào đá cứng, bạn không khoan nhanh hơn mà chỉ làm mòn mũi khoan. Nếu đẩy lực quá mạnh vào đá mềm, bạn không khoan sâu hơn mà chỉ làm nén chặt mũi khoan. Cân bằng được tốc độ và lực, thì chính mũi khoan mà trước đó quay chậm lại trở thành mũi khoan mà cả nhóm tranh giành nhau.