Sự cố búa khoan DTH trong điều kiện đá cứng — nguyên nhân của bốn loại đứt gãy chính
Búa khoan xuống giếng (DTH) được sử dụng trong khoan đá cứng dễ gặp phải nhiều lỗi do độ cứng của tầng đá, tải trọng khoan nặng và môi trường hoạt động khắc nghiệt. Những lỗi này ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ khoan, chất lượng lỗ khoan và tuổi thọ thiết bị. Dựa trên các điều kiện điển hình của khoan đá cứng, các lỗi thường gặp được phân loại thành bốn nhóm: hiệu suất va đập suy giảm, mài mòn/kẹt cơ học, sự cố hệ thống loại bỏ mùn khoan và lỗi truyền động. Phần sau đây giải thích các triệu chứng và nguyên nhân gốc rễ của từng nhóm.
Suy giảm hiệu suất va đập: Đây là một trong những lỗi phổ biến nhất và biểu hiện bằng sự sụt giảm đột ngột hiệu quả phá đá: lực va đập giảm, tần số va đập thấp hơn, và mũi khoan không còn khả năng phá vỡ đá cứng một cách hiệu quả, khiến tốc độ xuyên phá chậm lại đáng kể hoặc dừng lại. Các nguyên nhân chính bao gồm:
1.1 Các vấn đề về nguồn cung cấp điện
Đối với búa khí nén, áp suất máy nén không đủ (dưới mức 0,6–1,2 MPa thường cần thiết cho đá cứng), luồng khí không ổn định hoặc rò rỉ/tắc nghẽn trong đường ống dẫn khí sẽ làm giảm áp suất cần thiết để đẩy pít-tông.
Đối với búa thủy lực, áp suất bơm thấp hoặc mạch thủy lực bị tắc do dầu bị nhiễm bẩn sẽ làm giảm lực truyền động của búa.
Các chất gây ô nhiễm trong môi chất truyền động (hơi ẩm hoặc bụi trong khí nén; các hạt kim loại trong dầu thủy lực) làm tăng tốc độ mài mòn gioăng và làm giảm hiệu suất của môi chất hơn nữa.
1.2 Sự cố dòng chảy bên trong hoặc hỏng van
Các loại búa kiểu van thường bị mòn, biến dạng hoặc kẹt tấm van, làm gián đoạn việc chuyển van kịp thời và ngăn cản sự chuyển động tịnh tiến của piston ở tần số cao.
Các thiết kế không van có thể bị ảnh hưởng bởi sự mài mòn hoặc tắc nghẽn các rãnh dẫn dòng của piston/xi lanh; sự tích tụ phôi vụn làm chậm quá trình đảo chiều dòng chảy, làm gián đoạn chu kỳ va đập và làm giảm mạnh năng lượng va đập.
1.3 Các vấn đề về giao diện giữa Piston và bit
Các va đập tần số cao làm mòn mặt piston và đuôi mũi khoan, làm tăng khe hở tiếp xúc và gây ra tổn thất truyền năng lượng.
Việc lắp đặt mũi khoan lệch tâm hoặc các chốt định vị bị lỏng gây ra hiện tượng va đập không chính tâm, làm giảm hiệu quả va đập và đẩy nhanh quá trình mài mòn cục bộ.
Mài mòn cơ học, kẹt cứng và hỏng hóc cấu trúc. Những vấn đề này là nguyên nhân chính gây ra thời gian ngừng hoạt động. Dưới tác động lặp đi lặp lại và mô-men xoắn quay, các bộ phận cơ khí có thể bị mài mòn quá mức, kẹt cứng hoặc gãy. Các biểu hiện và nguyên nhân điển hình bao gồm:
2.1 Hiện tượng kẹt và mài mòn pít-tông
Tải trọng nặng làm tăng ma sát giữa piston và xi lanh. Bôi trơn không đầy đủ (ví dụ: bỏ sót chu kỳ bôi trơn đối với búa khí nén hoặc dầu thủy lực bị xuống cấp) và sự xâm nhập của vụn đá làm giảm khe hở và dẫn đến kẹt piston. Vận hành tần số cao trong thời gian dài cũng làm mòn bề mặt piston và có thể tạo ra các vết nứt; trong trường hợp nghiêm trọng, piston có thể bị vỡ.
2.2 Hư hỏng chuỗi khoan
Cần khoan truyền mô-men xoắn và đỡ búa khoan. Nếu độ bền vật liệu của cần khoan không đủ, các ren bị lỏng hoặc lỗ khoan bị lệch, cần khoan có thể chịu thêm mô-men uốn gây ra hiện tượng cong vênh, biến dạng hoặc đứt ren. Sự mài mòn do vụn đá trên thành ngoài càng làm tăng tốc độ mài mòn và rút ngắn tuổi thọ.
2.3 Hư hỏng mối nối và gioăng
Các loa siêu trầm phía trước và phía sau là các bộ phận kết nối quan trọng; rung động và mô-men xoắn mạnh có thể làm hỏng hoặc biến dạng ren. Các vòng đệm (vòng chữ O, vòng bịt kín) tiếp xúc với môi trường mài mòn và nhiệt độ cao sẽ bị lão hóa và nứt, gây rò rỉ môi chất và cho phép các mảnh vụn lọt vào các bộ phận bên trong, làm tăng tốc độ mài mòn.
Các bất thường trong hệ thống loại bỏ mùn khoan Mùn khoan cứng, thô sinh ra trong quá trình khoan đá cứng cần được loại bỏ một cách đáng tin cậy. Khi hệ thống loại bỏ mùn khoan hoạt động kém hiệu quả, kết quả là lỗ khoan bị tắc nghẽn, khả năng thoát mùn kém và lực cản khi khoan tăng lên—đôi khi dẫn đến kẹt ống. Các nguyên nhân chính bao gồm:
3.1 Dung dịch súc rửa hoặc lưu lượng không đủ
Búa khí nén với lượng khí xả quá ít, hoặc búa thủy lực với lưu lượng chất lỏng xả không đủ, không thể loại bỏ phôi khoan đáy giếng một cách nhanh chóng. Dòng chảy mài mòn kéo dài cũng làm mòn và biến dạng các đường dẫn (ví dụ: lỗ tâm mũi khoan hoặc lỗ tâm piston), làm hẹp các kênh và giảm hiệu quả thoát phôi.
3.2 Sự không phù hợp giữa các thông số khoan và lượng mùn khoan được loại bỏ
Tốc độ khoan quá nhanh có thể tạo ra lượng phôi vụn nhiều hơn khả năng xử lý của hệ thống. Tốc độ quay hoặc lực đẩy mũi khoan không chính xác có thể tạo ra phôi vụn quá thô, không thể đi qua các đường dẫn dòng chảy, gây tích tụ và tắc nghẽn.
3.3 Độ lệch lỗ khoan và sự lắng đọng mùn khoan
Sự lệch hướng lỗ khoan tạo ra những vùng trũng nơi các mảnh vụn tích tụ và không được dung dịch rửa trôi hiệu quả. Theo thời gian, những cặn lắng này tạo thành một lớp mảnh vụn nén chặt, cản trở sự tiến lên của búa và hoạt động của mũi khoan.
Lỗi truyền động: Những lỗi này làm gián đoạn quá trình khoan khi mất mô-men xoắn truyền dẫn hoặc năng lượng va đập không truyền đến mũi khoan. Chúng thường xảy ra ở các giao diện giữa cần khoan/búa và búa/mũi khoan. Nguyên nhân bao gồm:
4.1 Các mối nối bị lỏng hoặc hư hỏng
Các ren bị lỏng hoặc bị hỏng giữa cần khoan và bộ phận phụ phía sau búa, hoặc sự mòn của các chốt định vị hoặc rãnh then, sẽ ngăn cản việc truyền mô-men xoắn một cách đáng tin cậy và khiến búa không thể quay cùng với cần khoan.
Các bộ phận kết nối giữa mũi khoan và bộ phận phụ phía trước bị mòn hoặc biến dạng (đai ốc khóa, vòng hãm, v.v.) có thể khiến mũi khoan bị lỏng, gây ra hiện tượng va đập khô, trong đó năng lượng không truyền đến đá và mất sự quay đồng bộ, dẫn đến mài mòn không đều của lưỡi cắt.
4.2 Hư hỏng bit gây ra lỗi truyền tải
Sự mài mòn, sứt mẻ hoặc mất mát của lưỡi cắt (các nút vonfram-cacbua, lưỡi cắt PDC/kim cương) ngăn cản sự tiếp xúc hiệu quả với địa tầng. Năng lượng va đập sau đó không được truyền qua các lưỡi cắt đến đá mà thay vào đó phản xạ ngược trở lại các bộ phận bên trong của búa, làm tăng tải trọng xung kích bên trong và gây ra các hư hỏng thứ cấp.
Tóm tắt và các yếu tố ảnh hưởng chính Tóm lại, các sự cố thường gặp của búa khoan DTH trong khoan đá cứng bắt nguồn từ đặc điểm chính của công việc: tải trọng cao và môi trường khắc nghiệt. Các yếu tố ảnh hưởng chính được chia thành ba nhóm:
Thiết bị không phù hợp: kiểu búa, loại mũi khoan hoặc vật liệu cấu thành không phù hợp với điều kiện đá cứng.
Vận hành và bảo trì không đúng cách: thông số khoan không phù hợp, không vệ sinh hoặc bôi trơn thường xuyên, và trì hoãn việc thay thế các bộ phận bị mòn.
Phối hợp hệ thống phụ trợ kém: nguồn cung cấp điện không ổn định và sự không phù hợp giữa khả năng loại bỏ phoi khoan và chu kỳ khoan.
Hiểu rõ những nguyên nhân gốc rễ này sẽ tạo cơ sở cho việc khắc phục sự cố và các biện pháp phòng ngừa có mục tiêu, nhằm duy trì hoạt động khoan đá cứng liên tục và hiệu quả.
