Cơ chế hoạt động của khoan đá bằng va đập: Truyền năng lượng, lực đẩy và tiếp xúc mũi khoan
Khoan đá bằng phương pháp va đập hoạt động bằng cách truyền năng lượng từ pít-tông máy khoan đá thông qua thân máy, cần khoan và mũi khoan vào trong đá. Nguyên tắc cơ bản khá đơn giản, nhưng quá trình truyền năng lượng thực tế lại rất nhạy cảm với lực đẩy, tình trạng mũi khoan, việc xả cặn và chất lượng kết nối.
Khi các yếu tố này được kiểm soát đúng cách, mũi khoan sẽ truyền nhiều năng lượng va đập hơn vào việc phá vỡ đá mới. Khi chúng không được kiểm soát tốt, năng lượng sẽ bị phản xạ ngược trở lại qua chuỗi khoan, làm tăng độ rung, giảm khả năng xuyên thấu và rút ngắn tuổi thọ của dụng cụ.
Năng lượng va chạm lan truyền dưới dạng sóng căng thẳng
Khi pít-tông va đập vào thân mũi khoan, nó tạo ra một sóng nén truyền qua thép khoan với tốc độ rất cao. Sóng này mang năng lượng va đập về phía mũi khoan. Khi mũi khoan tiếp xúc chắc chắn với đá, một phần năng lượng đó sẽ truyền vào tầng đá và góp phần làm vỡ và nứt đá.
Không phải tất cả năng lượng va đập đều được sử dụng hiệu quả. Một phần năng lượng bị phản xạ lại ở những thay đổi về hình dạng, các mối nối lỏng lẻo, các giao diện bị hư hỏng hoặc sự tiếp xúc kém giữa mũi khoan và đá. Sóng phản xạ có thể truyền ngược trở lại vào chuỗi khoan và tạo thêm tải trọng lên bộ phận nối trục, khớp nối và cần khoan.
Mục tiêu của thiết kế và vận hành dụng cụ khoan là tối đa hóa việc truyền năng lượng hữu ích đồng thời giảm thiểu năng lượng phản xạ.
Lực đẩy giữ cho mũi khoan luôn tiếp xúc với đá.
Lực đẩy mũi khoan rất quan trọng vì nó giữ mũi khoan áp sát vào bề mặt đá. Nếu không có lực đẩy đủ, mũi khoan có thể bị bật ra khỏi đáy giếng. Ngay cả một khe hở nhỏ giữa mũi khoan và đá cũng có thể ngăn cản sóng nén truyền vào tầng đá một cách hiệu quả.
Thay vì truyền năng lượng vào đá, sóng phản xạ ngược trở lại hệ thống dụng cụ. Năng lượng phản xạ này có thể làm tăng độ rung, tạo ra tiếng ồn bất thường và đẩy nhanh quá trình mài mòn tại các khớp nối ren và khớp nối.
Lực đẩy quá lớn cũng có thể gây hại. Lực đẩy quá mức có thể làm quá tải cacbua, tăng ma sát và cản trở quá trình quay và xả hiệu quả. Cài đặt chính xác phụ thuộc vào độ cứng của đá, công suất khoan, thiết kế mũi khoan và phương pháp khoan.
Hệ thống cấp phôi được điều chỉnh tốt giúp giữ mũi khoan ổn định, duy trì hiệu quả truyền năng lượng và giảm ứng suất không cần thiết trong chuỗi dụng cụ.
Hình dạng và độ mòn của mũi khoan ảnh hưởng đến sự truyền năng lượng.
Hình dạng của mặt mũi khoan ảnh hưởng đến cách sóng xung kích tác động vào đá. Một thiết kế nút hoặc họa tiết chèn phù hợp sẽ tập trung tải trọng tại vị trí có thể tạo ra sự phá vỡ đá hiệu quả. Nếu mặt mũi khoan trở nên quá phẳng do mài mòn, điều kiện tiếp xúc sẽ thay đổi và sức cản xuyên thấu sẽ tăng lên.
Các nút cacbua bị mòn nghiêm trọng, độ mòn quá mức của thước đo hoặc mặt mũi khoan bị hư hỏng có thể làm giảm hiệu quả khoan. Mũi khoan vẫn có thể quay và va vào đá, nhưng một phần lớn năng lượng bị phản xạ hoặc mất đi do ma sát và sự nghiền nát liên tục của các mảnh vụn khoan.
Do đó, việc kiểm tra mũi khoan định kỳ và mài đúng thời điểm là những yêu cầu cơ học cũng như các biện pháp bảo trì cần thiết. Khôi phục lại hình dạng cacbua ban đầu giúp duy trì hình dạng tiếp xúc như dự định và hỗ trợ việc phá đá hiệu quả.
Làm sạch đáy lỗ
Các mảnh vụn đá ở đáy giếng có thể đóng vai trò như một lớp chắn giữa mũi khoan và đá nguyên khối. Nếu việc súc rửa không đủ hiệu quả, mũi khoan có thể liên tục va phải các mảnh vụn nhỏ thay vì khối đá nguyên vẹn.
Điều này gây ra hiện tượng mài lại, giảm khả năng xuyên thấu và tăng tiêu thụ năng lượng. Nó cũng có thể làm tăng lượng bụi, nhiệt và mài mòn mũi khoan. Việc xả nước hoặc khí hiệu quả sẽ loại bỏ các mảnh vụn khỏi bề mặt mũi khoan và cho phép các nút cacbua tiếp xúc với đá sạch.
Việc xả bùn phải phù hợp với thiết kế mũi khoan, đường kính lỗ khoan, độ sâu khoan và điều kiện đá. Nếu mùn khoan không được thoát ra khỏi lỗ đúng cách, người vận hành nên kiểm tra các lỗ xả bùn, đường dẫn cần khoan, nguồn cấp nước hoặc khí và các thiết lập khoan.
Các kết nối ảnh hưởng đến sự truyền sóng
Mỗi mối nối giữa các thanh khoan đều ảnh hưởng đến sự lan truyền sóng. Trong một chuỗi khoan lý tưởng, tất cả các thành phần sẽ có hình dạng, tính chất vật liệu và bề mặt tiếp xúc tương thích. Trên thực tế, các lỗ khoan sâu hơn đòi hỏi nhiều thanh khoan, khớp nối và khớp ren.
Những mối nối này có thể làm gián đoạn sóng ứng suất và gây mất năng lượng. Ren bị mòn, khớp lỏng lẻo, tiếp xúc vai kém hoặc các bộ phận không tương thích sẽ làm vấn đề trở nên tồi tệ hơn. Chúng cũng có thể tạo ra sự tập trung ứng suất dẫn đến nứt do mỏi.
Để giảm thiểu tổn thất, dụng cụ khoan cần sử dụng hệ thống ren phù hợp và các khớp nối được bảo dưỡng đúng cách. Ren phải sạch, ăn khớp chính xác và được bôi trơn khi cần thiết. Các bộ phận bị mòn cần được loại bỏ trước khi chúng gây hư hại cho các dụng cụ khác.
Dấu hiệu của sự truyền năng lượng kém
Các kỹ thuật viên vận hành thường có thể nhận biết sự tiếp xúc kém hoặc năng lượng phản xạ quá mức thông qua hành vi khoan. Các dấu hiệu cảnh báo có thể bao gồm:
Tiếng khoan chói tai hoặc không đều.
Rung động quá mức ở cần khoan hoặc dầm cấp liệu.
Tốc độ thâm nhập không ổn định.
Hiện tượng bit bị nảy bất thường.
Ren hoặc khớp nối bị mòn nhanh.
Có sự dịch chuyển hoặc sai lệch rõ ràng trong quá trình thiết lập máy khoan.
Những dấu hiệu này cần thúc đẩy việc kiểm tra lực đẩy, tình trạng mũi khoan, độ thẳng hàng, việc xả cặn và các kết nối dụng cụ. Tiếp tục khoan trong điều kiện không ổn định có thể làm giảm tuổi thọ của các vật tư tiêu hao đắt tiền và thiết bị khoan.
Hãy coi hoạt động khoan như một hệ thống cơ khí hoàn chỉnh.
Hiệu suất khoan va đập là kết quả của nhiều yếu tố liên quan đến nhau: năng lượng pít tông, lực đẩy, hình dạng mũi khoan, điều kiện đá, việc xả cặn và độ bền của chuỗi khoan. Cải thiện một yếu tố mà bỏ qua các yếu tố khác sẽ không mang lại kết quả tốt nhất.
Mũi khoan sắc bén và được lựa chọn đúng cách, lực đẩy ổn định, hệ thống xả hiệu quả và các khớp nối cần khoan được bảo trì tốt cho phép truyền nhiều năng lượng hơn vào đá. Điều này làm tăng tốc độ khoan, giảm sóng ứng suất phản xạ và kéo dài tuổi thọ của thân cần khoan, cần khoan, khớp nối và mũi khoan.
Đối với các hoạt động khai thác mỏ, đào hầm và khai thác đá, việc hiểu rõ các nguyên lý cơ bản này giúp biến công tác khoan từ một vấn đề bảo trì mang tính phản ứng thành một quy trình sản xuất hiệu quả và được kiểm soát.
