Mũi khoan PDC khai thác: các chế độ hỏng hóc phổ biến và phân tích nguyên nhân gốc rễ

Hiện tại, các mũi khoan PDC khai thác chủ yếu bao gồm thân mũi khoan, chèn cắt PDC và hợp kim bảo vệ thước đo. Chèn cắt PDC và hợp kim bảo vệ thước đo được hàn vào thân mũi khoan. Trong quá trình khoan thông thường, giàn khoan truyền mô-men xoắn và áp suất cấp liệu đến mũi khoan thông qua chuỗi mũi khoan; chèn cắt PDC cắt đá ở đáy lỗ, trong khi hợp kim bảo vệ thước đo bảo vệ thân mũi khoan theo chu vi để ngăn ngừa mài mòn nhanh. Trong quá trình cắt đá, tải trọng trên các mũi cắt PDC ở mặt mũi khoan rất phức tạp. Các biến thể trong quá trình hình thành, phương pháp xây dựng và lựa chọn thiết bị, thực hành của người vận hành và kiểm soát chất lượng mũi khoan đều có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và dẫn đến các chế độ hỏng hóc khác nhau. Dựa trên các cuộc điều tra thực địa tại các địa điểm khoan mỏ than, các mũi khoan PDC khai thác bị hỏng đã được tóm tắt và phân tích; các chế độ hỏng hóc điển hình và nguyên nhân chính sau đây đã được xác định.

1.1 Lỗi cắt-chèn PDC PDC được thiêu kết ở nhiệt độ và áp suất cao. Vật liệu composite PDC thường bao gồm một lớp kim cương và một lớp nền vonfram-cacbua (WC).

Các chế độ hỏng hóc chính của lưỡi cắt PDC là hao mòn thông thường, mất lưỡi cắt (kéo ra), mẻ và tách lớp.

(1) Mòn bình thường. Mòn bình thường là sự xuống cấp dự kiến ​​của dao cắt PDC trong quá trình cắt đá. Nó biểu hiện dưới dạng mất mài mòn vĩ mô của lớp kim cương và nền WC; bề mặt bị mòn không có dấu hiệu nứt vỡ hoặc sứt mẻ rõ rệt.

(2) Mất chèn (kéo ra) Mất chèn xảy ra khi chèn PDC tách hoàn toàn khỏi thân mũi khoan, gây ra hỏng mũi khoan. Dấu hiệu đặc trưng là chèn tách hoàn toàn khỏi mũi khoan, với túi hàn trong thân mũi khoan không có hợp kim còn sót lại.

Nguyên nhân chính gây ra mất chèn:

• Nhiệt độ đáy lỗ quá cao: Khi khoan khô hoặc đường dẫn nước của mũi khoan bị tắc, quá trình quay và cắt tốc độ cao sẽ tạo ra nhiệt không thể tản ra, khiến nhiệt độ đáy lỗ tăng đột ngột. Nếu nhiệt độ vượt quá nhiệt độ tới hạn của kim loại hàn, mối hàn sẽ tan chảy và miếng chèn sẽ rơi ra.

• Kiểm soát quá trình hàn kém: vệ sinh trước khi hàn không đầy đủ, mối hàn không hoàn chỉnh hoặc có nhiều lỗ xốp, thoát khí kém hoặc nhiệt độ/thời gian giữ sau khi hàn không phù hợp đều có thể dẫn đến hiện tượng chèn bị kéo ra.

Biện pháp đối phó:

• Các nhà sản xuất phải kiểm soát chặt chẽ quy trình sản xuất, đặc biệt là hàn, để đảm bảo mối hàn hoàn chỉnh và chắc chắn.

• Tại chỗ, hãy áp dụng khoan ướt (xả đủ nước) thay vì khoan khô nếu có thể; trong quá trình khoan sâu, hãy đợi cho đến khi dòng chảy hồi lưu được thiết lập trước khi thêm ống khoan; kiểm tra xem đường dẫn nước của mũi khoan có bị tắc không trước khi đưa mũi khoan vào lỗ để tránh quá nhiệt cục bộ.

(3) Sứt mẻ (vỡ cạnh) Sứt mẻ là hiện tượng gãy và mất lớp kim cương PDC, thường là tại chỗ; trong trường hợp nghiêm trọng, lớp kim cương có thể vỡ ra cùng với các phần của nền WC.

Nguyên nhân chính gây ra sứt mẻ:

• Tính chất vật liệu cắt: các loại cắt được chọn có thể có khả năng chống va đập thấp hoặc độ liên kết giữa lớp nền WC và hạt kim cương không đủ mạnh, khiến chúng dễ bị sứt mẻ khi va chạm.

• Thông số vận hành: áp suất/trọng lượng nạp quá mức lên mũi khoan (WOB) ở mặt có thể làm quá tải lưỡi cắt vượt quá giới hạn độ bền của chúng, gây ra hiện tượng bong tróc và mẻ lớp kim cương.

• Cấu tạo phức tạp: trong các cấu tạo cứng, tải trọng va đập có thể vượt quá độ bền va đập của dao cắt và gây ra hiện tượng sứt mẻ.

• Thiết kế mũi khoan: góc nghiêng/góc cắt không phù hợp (ví dụ: góc cắt quá nhỏ đối với các thành tạo cứng) sẽ làm tăng tải trọng mũi khoan và dễ bị mẻ. Nguyên tắc chung là các thành tạo cứng thường yêu cầu góc cắt lớn hơn.

• Các chướng ngại vật bên ngoài: gặp phải các yếu tố gia cố bằng đá như bu lông mái nhà hoặc bu lông cáp trong các công trình ngầm có thể dễ dàng khiến lưỡi cắt bị mẻ.

Biện pháp đối phó:

• Tuân thủ các thông số vận hành được nhà sản xuất mũi khoan khuyến nghị.

• Chọn và thiết kế mũi khoan nhắm vào các điều kiện hình thành: đối với các hình thành cứng, hãy tăng góc cắt/cắt của mũi khoan để giảm độ hung hãn và bảo vệ mũi khoan; đối với các hình thành cứng bị phân mảnh, hãy chọn mũi khoan PDC có độ bền va đập cao hơn hoặc thay đổi hình dạng bên ngoài của mũi khoan để cải thiện khả năng chống va đập (ví dụ: mặt cong lồi có hiệu suất va đập tốt hơn mặt phẳng trong các quy trình sản xuất tương đương).

• Lên kế hoạch cho quỹ đạo lỗ khoan để tránh các điểm neo hoặc bu lông đã biết nếu có thể.

(4) Tách lớp Tách lớp biểu thị sự tách biệt giữa lớp kim cương và lớp nền WC của vật liệu composite PDC.

Nguyên nhân chính gây tách lớp: Ứng suất dư đáng kể giữa lớp kim cương và nền WC, kết hợp với sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt, dẫn đến sự co lại không đồng đều dưới tác động luân phiên của quá trình gia nhiệt do ma sát và làm mát của dung dịch khoan. Tác động kết hợp của tải trọng va đập và ứng suất dư có thể khiến lớp kim cương bong ra khỏi nền.

Biện pháp đối phó:

• Trong quá trình sản xuất, hãy lựa chọn vật liệu liên kết và thông số xử lý phù hợp để giảm thiểu ứng suất dư giữa lớp kim cương và lớp nền WC.

• Tối ưu hóa hình học giao diện-chất nền (ví dụ: hình dạng giao diện mới) để cải thiện khả năng liên kết cơ học và độ bền liên kết giữa lớp kim cương và chất nền.

1.2 Hỏng thân mũi khoan Hỏng thân mũi khoan chủ yếu biểu hiện bằng gãy cánh mũi khoan (lưỡi mũi khoan).

Gãy cánh thường xảy ra ở các mũi khoan thiêu kết/ma trận và hiếm gặp ở các mũi khoan thân thép.

Nguyên nhân gây gãy cánh ở mũi khoan ma trận:

• Tác động lên cánh mũi khoan trong quá trình gia công hoặc tháo lắp: đầu mũi khoan ma trận thường được sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột và được thiêu kết thành một khối. So với mũi khoan thân thép tiêu chuẩn, mũi khoan ma trận thiêu kết có khả năng chống mài mòn cao hơn nhưng độ bền thấp hơn; va chạm vào cánh mũi khoan trong quá trình tháo lắp có thể dễ dàng gây gãy cánh.

• Kiểm soát quá trình thiêu kết kém: thiêu kết không hoàn toàn hoặc có tạp chất (các đảo bột không được thiêu kết) có nghĩa là bột không hoàn toàn kết dính thành một ma trận đồng nhất.

Biện pháp đối phó:

• Trong quá trình lắp ráp và tháo rời, người vận hành nên sử dụng các công cụ thích hợp (ví dụ: kẹp ống hoặc cờ lê) để hỗ trợ và tránh đóng búa vào cánh mũi khoan.

• Các nhà sản xuất phải kiểm soát chặt chẽ chất lượng thiêu kết: kiểm soát chặt chẽ quá trình thiêu kết và kiểm tra định kỳ nguyên liệu bột kim loại để đảm bảo đáp ứng các thông số kỹ thuật của quy trình.