Các kiểu hỏng hóc thường gặp của mũi khoan PDC và phân tích nguyên nhân
Tổng quan Mũi khoan PDC (kim cương đa tinh thể) trong khai thác mỏ bao gồm thân mũi khoan, các lưỡi cắt PDC và lớp cacbua bảo vệ. Cả lưỡi cắt PDC và lớp cacbua bảo vệ đều được hàn vào thân mũi khoan. Trong quá trình khoan, mô-men xoắn và lực ép được truyền từ giàn khoan qua cần khoan đến mũi khoan; việc phá vỡ đá được thực hiện bởi các lưỡi cắt PDC trong khi lớp cacbua bảo vệ che chắn thân mũi khoan xung quanh chu vi của nó để làm chậm quá trình mài mòn. Do trạng thái ứng suất tại mặt mũi khoan rất phức tạp, nhiều yếu tố — điều kiện địa chất, quy trình khoan và lựa chọn thiết bị, kỹ năng của người vận hành và kiểm soát chất lượng của chính mũi khoan — có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tạo ra các kiểu hỏng hóc khác nhau. Dựa trên các cuộc khảo sát thực địa và phân tích có hệ thống các mũi khoan bị hỏng, phần sau đây tóm tắt các loại hỏng hóc chính và nguyên nhân của chúng.
I. Hỏng hóc của lưỡi cắt PDC Lưỡi cắt PDC là bộ phận cốt lõi giúp phá vỡ đá của mũi khoan và có thể hỏng theo nhiều cách:
Mài mòn thông thường là sự hao mòn vật liệu dự kiến do quá trình cắt đá kéo dài. Nó biểu hiện dưới dạng mài mòn dần dần của bề mặt kim cương và lớp nền cacbua xi măng. Bề mặt bị mài mòn nhẵn mịn, không có vết nứt hoặc bong tróc rõ ràng và được coi là mức mài mòn chấp nhận được khi kết thúc vòng đời sử dụng.
Mất dao cắt (tách rời hoàn toàn): Mất dao cắt là hiện tượng dao cắt tách rời hoàn toàn khỏi thân mũi khoan, khiến khoang hàn bị trống và gây hỏng mũi khoan.
Nguyên nhân chính
Hư hỏng do nhiệt tại mặt mũi khoan (cháy): Khoan khô hoặc tắc nghẽn đường dẫn nước làm mát của mũi khoan ngăn cản quá trình làm mát đầy đủ trong quá trình cắt tốc độ cao, làm tăng nhanh nhiệt độ tại mặt mũi khoan. Nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng nóng chảy hoặc phân hủy của vật liệu hàn, mối hàn sẽ bị hỏng và mũi khoan sẽ rơi ra.
Kiểm soát quy trình hàn không đầy đủ: Làm sạch sơ bộ kém, mối hàn nguội hoặc rỗ, khử khí không đúng cách hoặc thời gian xử lý nhiệt/ngâm sau hàn không đủ đều có thể làm giảm độ bền mối hàn và dẫn đến việc máy cắt bị bong ra.
Các biện pháp đối phó
Về phía sản xuất: thực thi kiểm soát quy trình nghiêm ngặt đối với việc hàn thiếc — đảm bảo bề mặt sạch, các mối hàn đúng chuẩn và xử lý nhiệt sau hàn nhất quán để tạo ra các mối nối chắc chắn.
Tại công trường: Áp dụng phương pháp khoan ướt với nước sạch và tránh khoan khô; trước khi khoan lỗ dài hoặc thêm ống khoan, hãy xác nhận dòng chảy ngược tại miệng ống và kiểm tra xem các đường dẫn nước làm mát mũi khoan có bị tắc nghẽn hay không để tránh thất thoát nước làm mát.
Hiện tượng sứt mẻ/vỡ bề mặt đá mài kim cương: Sứt mẻ là một lỗi thường gặp trong đó bề mặt đá mài kim cương bị bong tróc hoặc vỡ; trong trường hợp nghiêm trọng, bề mặt đá mài kim cương và lớp nền cacbua cùng tách rời, gây mất khả năng cắt ngay lập tức.
Nguyên nhân chính
Độ bền hoặc độ bám dính của dao cắt không đủ: các dao cắt có khả năng chống va đập thấp hoặc độ bám dính yếu giữa mặt cắt kim cương và chất nền cacbua dễ bị vỡ vụn dưới tải trọng va đập.
Thông số khoan không phù hợp: lực đẩy/lực ép quá mức khiến dao cắt phải chịu tải vượt quá giới hạn chịu lực của chúng.
Điều kiện hình thành khắc nghiệt: các tầng đá rất cứng, phân mảnh cao tạo ra tải trọng va đập lớn vượt quá khả năng chịu va đập của máy cắt.
Thiết kế mũi khoan không phù hợp: việc không tuân theo nguyên tắc “địa chất cứng hơn → góc cắt/góc nghiêng lớn hơn” có thể dẫn đến việc các mũi khoan có hình dạng quá mạnh mẽ đối với địa chất cứng, làm tăng ứng suất và gây ra hiện tượng vỡ vụn.
Các vật cản bên ngoài: việc gặp phải neo, bu lông đá hoặc cốt thép trong lỗ khoan có thể tạo ra những cú sốc đột ngột làm vỡ vụn mũi khoan.
Các biện pháp đối phó
Hãy tuân theo khuyến nghị của nhà sản xuất về các thông số vận hành và điều chỉnh tốc độ cấp liệu và tốc độ quay phù hợp với độ cứng của địa tầng.
Chọn lưỡi cắt và hình dạng mũi khoan phù hợp với địa tầng: tăng góc cắt/góc nghiêng trong các địa tầng cứng hơn để giảm độ mạnh của quá trình tấn công và giảm tải trọng va đập.
Sử dụng dao cắt có độ bền va đập cao hơn hoặc điều chỉnh hình dạng bên ngoài của mặt bàn kim cương (ví dụ: các mặt cong/lồi thường có khả năng chống va đập tốt hơn so với mặt bàn phẳng trong điều kiện sản xuất tương đương).
Lập kế hoạch đường đi của lỗ khoan để tránh các chướng ngại vật đã biết như bu lông đá hoặc neo.
Tách lớp giữa mặt bàn kim cương và chất nền. Tách lớp là sự tách rời của mặt bàn kim cương khỏi chất nền cacbua xi măng, dẫn đến mất tính toàn vẹn của dao cắt.
Nguyên nhân chính
Ứng suất dư lớn tại giao diện và sự không phù hợp về hệ số giãn nở nhiệt giữa mặt bàn kim cương và chất nền cacbua. Nhiệt lượng sinh ra do cắt gọt và làm nguội nhanh bằng chất lỏng làm mát tạo ra ứng suất nhiệt; kết hợp với ứng suất dư từ quá trình sản xuất và tải trọng va đập, những yếu tố này có thể khiến mặt bàn kim cương bị bong tróc.
Các biện pháp đối phó
Trong sản xuất, hãy lựa chọn vật liệu liên kết/hàn tương thích và các thông số quy trình để giảm thiểu ứng suất dư. Tối ưu hóa quy trình thiêu kết/hàn để giảm bớt hoặc bù đắp ứng suất tại giao diện.
Cải thiện sự liên kết cơ học bằng cách thiết kế lại hình dạng giao diện chất nền (ví dụ: giao diện bậc thang hoặc có rãnh) để tăng cường độ bền liên kết và tính ổn định cấu trúc.
II. Hỏng thân mũi khoan Hỏng thân mũi khoan thường biểu hiện dưới dạng gãy lưỡi (cánh đo). Những hỏng hóc này chủ yếu xảy ra ở thân mũi khoan làm bằng vật liệu composite (thiêu kết); mũi khoan thân thép, do độ bền vật liệu cao hơn, ít bị gãy lưỡi hơn.
Nguyên nhân chính
Các thao tác lắp ráp/tháo dỡ không đúng cách: Mũi khoan có cấu trúc ma trận thường được tạo hình bằng phương pháp luyện kim bột trong một bước thiêu kết duy nhất. Mặc dù có khả năng chống mài mòn, vật liệu ma trận lại kém dẻo. Việc va đập vào lưỡi cắt trong quá trình lắp ráp hoặc tháo dỡ mũi khoan (ví dụ, dùng búa đóng vào lưỡi cắt) có thể dễ dàng làm gãy các cánh.
Kiểm soát quá trình thiêu kết kém: thiêu kết không hoàn toàn hoặc các điểm "lạnh" nơi bột kim loại không được kết dính hoàn toàn tạo ra các vùng yếu hoặc tạp chất trong ma trận, làm giảm độ bền cấu trúc và khiến lưỡi dao dễ bị gãy trong quá trình sử dụng.
Các biện pháp đối phó
Về mặt vận hành: Chuẩn hóa quy trình trang điểm và tháo gỡ. Sử dụng các dụng cụ thích hợp (cờ lê, kẹp nâng hoặc thiết bị tháo lắp) để xử lý các mũi khoan và tránh va đập trực tiếp vào lưỡi dao.
Chất lượng sản xuất: thực thi kiểm soát nghiêm ngặt quy trình thiêu kết và tiến hành kiểm tra thường xuyên nguyên liệu bột kim loại để đảm bảo chất lượng bột và sự kết dính hoàn chỉnh, ngăn ngừa các tạp chất chưa thiêu kết và các vùng yếu.
Lời kết: Để phòng ngừa và giảm thiểu hiệu quả các sự cố hỏng mũi khoan PDC, cần có sự kiểm soát phối hợp giữa thiết kế, sản xuất, thông số khoan và hoạt động tại công trường. Việc lựa chọn thiết kế mũi khoan và dao cắt phù hợp với điều kiện địa chất, duy trì kiểm soát chất lượng hàn và thiêu kết nghiêm ngặt, đảm bảo làm mát và xả nước đúng cách trong quá trình khoan, và tuân thủ các quy trình xử lý tiêu chuẩn sẽ giúp giảm đáng kể tỷ lệ hỏng hóc và kéo dài tuổi thọ mũi khoan.
