Hệ thống thủy lực mũi khoan đá: Thiết kế hệ thống xả giúp cải thiện hiệu suất khoan như thế nào?
Mũi khoan đá không chỉ có chức năng phá vỡ đá. Nó còn phải loại bỏ các mảnh vụn đá đã nghiền nát khỏi đáy lỗ khoan một cách nhanh chóng và đồng đều. Nếu các mảnh vụn đá còn sót lại xung quanh mũi khoan, chúng sẽ bị nghiền nát thêm lần nữa, năng lượng khoan bị lãng phí, tốc độ khoan chậm lại và lượng bụi sinh ra có thể tăng lên.
Điều này khiến thiết kế hệ thống xả trở thành một phần quan trọng trong kỹ thuật chế tạo mũi khoan đá. Hình dạng của các rãnh xả, hướng thoát nước hoặc khí và sự quay của mũi khoan đều ảnh hưởng đến hiệu quả đưa mùn khoan ra khỏi lỗ.
Tại sao việc loại bỏ cành giâm lại quan trọng
Trong quá trình khoan va đập, các mũi khoan hoặc mảnh hợp kim cacbua sẽ phá vỡ đá thành các mảnh nhỏ. Những mảnh vụn này phải di chuyển từ đáy lỗ khoan, qua các rãnh xả của mũi khoan và ra khỏi lỗ khoan.
Khi quá trình loại bỏ vật liệu kém hiệu quả, các mảnh vụn sẽ tích tụ ở đáy lỗ khoan. Mũi khoan sau đó liên tục va phải vật liệu đã bị vỡ thay vì tiếp xúc với đá mới. Điều này tạo ra một số vấn đề:
Tỷ lệ thâm nhập thấp hơn.
Mức tiêu thụ năng lượng cao hơn trên mỗi mét khoan.
Làm cho cacbua và thép mũi khoan bị mài mòn nhanh hơn.
Nhiệt độ tại bề mặt cắt tăng cao.
Lượng bụi mịn tăng cao và tầm nhìn giảm.
Nguy cơ kẹt mũi khoan hoặc khoan không ổn định cao hơn.
Việc xả nước hiệu quả giúp mỗi cú va đập thực hiện công việc hữu ích. Nó cũng giúp mũi khoan mát hơn và bảo vệ cần khoan khỏi rung động và tải trọng không cần thiết.
Thiết kế rãnh xả truyền thống
Nhiều mũi khoan đá truyền thống sử dụng các rãnh xả song song với trục mũi khoan. Bố cục này tạo ra đường dẫn dòng chảy thông thoáng và dễ chế tạo. Tuy nhiên, nó không phải lúc nào cũng phản ánh chính xác đường đi thực tế của dung dịch chứa mùn khoan trong quá trình khoan.
Mũi khoan đá không đứng yên. Nó va đập, quay và tiến về phía trước cùng một lúc. Kết quả là, nước hoặc không khí mang theo các hạt đá mịn sẽ đi theo một đường cong chứ không phải một đường thẳng dọc theo trục. Mũi khoan quay càng nhanh, hiệu ứng quay này càng mạnh.
Nếu hình dạng rãnh không hỗ trợ chuyển động tự nhiên của dòng chảy làm sạch, lực cản sẽ tăng lên. Khi đó, cần nhiều năng lượng hơn để vận chuyển các mảnh vụn qua rãnh và lên lỗ.
Hình dạng rãnh được tối ưu hóa
Rãnh xả được thiết kế hợp lý nhằm dẫn nước, không khí và phôi vụn theo một đường dẫn mượt mà hơn. Thay vì coi rãnh này như một kênh thẳng đơn giản, thiết kế này xem xét tác động kết hợp của dòng chảy xả theo trục và sự quay của mũi khoan.
Góc rãnh phù hợp nhất phụ thuộc vào một số yếu tố:
Tốc độ quay của mũi khoan.
Đường kính mũi khoan.
Phương tiện súc rửa: nước, không khí hoặc hệ thống kết hợp cả hai.
Đường kính lỗ và độ sâu khoan.
Loại đá và kích thước mảnh cắt được tạo ra.
Thiết kế giao diện và bố trí nút bấm.
Trên thực tế, tốc độ quay cao hơn có thể yêu cầu góc rãnh lớn hơn vì dòng chảy của phôi khoan có thành phần chu vi mạnh hơn. Khoan ở tốc độ thấp hơn có thể yêu cầu góc nhỏ hơn. Mục tiêu là giảm sự nhiễu loạn và lực cản dòng chảy không cần thiết trong khi vẫn duy trì đủ diện tích đường dẫn để loại bỏ phôi khoan một cách hiệu quả.
Hướng của lỗ xả cũng quan trọng không kém.
Vị trí và hướng của các lỗ xả ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ phôi vụn khỏi mặt mũi khoan. Các lỗ xả trên mặt mũi khoan giúp đẩy các hạt mịn ra khỏi khu vực trung tâm. Các lỗ xả trong rãnh có thể giúp vận chuyển vật liệu này vào dòng chảy hồi chính.
Nếu hai dòng chảy này ngược chiều nhau, năng lượng sẽ bị mất đi và các mảnh vụn có thể lưu thông hoặc lắng đọng gần khu vực đo. Một thiết kế tốt hơn sẽ phối hợp hướng của các cửa thoát sao cho các đường dẫn dòng chảy hỗ trợ lẫn nhau.
Mục tiêu không chỉ đơn thuần là đạt áp suất nước tối đa. Việc xả rửa hiệu quả đến từ việc sử dụng áp suất hiện có một cách hiệu quả. Một hệ thống được thiết kế tốt có thể hướng dòng chảy đến những khu vực mà các mảnh vụn khoan dễ tích tụ nhất, đặc biệt là gần mép đáy giếng và dọc theo phần đo áp suất.
Lợi ích của hệ thống thủy lực mũi khoan tốt hơn
Việc cải tiến hình dạng hệ thống xả có thể mang lại một số lợi ích về mặt vận hành:
Loại bỏ vụn đá nhanh hơn.
Tỷ lệ thâm nhập cao hơn.
Giảm thiểu việc nghiền lại vật liệu bị vỡ.
Giảm nhiệt độ bề mặt mũi khoan.
Tăng tuổi thọ của cacbua và thân thép.
Điều kiện khoan ổn định hơn.
Lượng bụi mịn phát sinh trong không khí sẽ giảm.
Kết quả là năng lượng va đập của mũi khoan được sử dụng hiệu quả hơn. Thay vì liên tục nghiền nát các mảnh vụn nhỏ, mũi khoan có thể duy trì tiếp xúc với đá nguyên khối và tiến sâu hơn một cách hiệu quả.
Trong thực tế sử dụng, hiệu quả cải thiện thực sự phụ thuộc vào điều kiện đá, thông số khoan và toàn bộ hệ thống khoan. Một thiết kế mũi khoan hoạt động tốt trong đá cứng, khô có thể cần các đặc tính xả khác nhau trong đất mềm, nứt nẻ hoặc chứa nước.
Thiết kế phải phù hợp với toàn bộ hệ thống khoan.
Thiết kế hệ thống xả không thể tách rời khỏi phần còn lại của mũi khoan. Bố trí nút bấm, hình dạng mặt tiếp xúc, bảo vệ đồng hồ đo, đường kính mũi khoan và các cài đặt khoan đá đều ảnh hưởng đến hiệu suất thủy lực.
Ví dụ, một mũi khoan có rãnh xả nước tốt vẫn có thể hoạt động kém hiệu quả nếu nguồn nước không đủ, lỗ xả nước bị tắc hoặc đội khoan sử dụng cài đặt tốc độ cấp liệu và quay không phù hợp. Tương tự, hình dạng rãnh phù hợp phải tương thích với áp suất hiện có và khối lượng mùn khoan dự kiến.
Các nhà sản xuất dụng cụ nên sử dụng thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, phân tích dòng chảy chất lỏng và thử nghiệm thực địa để đánh giá các thiết kế mũi khoan mới. Các đội khoan nên theo dõi tốc độ khoan, mức độ bụi, độ mòn mũi khoan, hiệu suất xả và tình trạng lỗ khoan khi so sánh các lựa chọn mũi khoan.
Đường dẫn dòng chảy tốt hơn hỗ trợ quá trình khoan tốt hơn
Hiệu quả khoan đá không chỉ được quyết định bởi lực va đập hay chất lượng cacbua. Cách nước, không khí và mùn khoan di chuyển xung quanh mũi khoan cũng quan trọng không kém. Một mũi khoan có rãnh được tối ưu hóa và các lỗ xả được bố trí hợp lý có thể giảm sức cản dòng chảy, làm sạch đáy lỗ hiệu quả hơn và cải thiện hiệu quả của mỗi lần va đập.
Đối với các mỏ, mỏ đá và nhà thầu, việc lựa chọn mũi khoan có thiết kế hệ thống xả tốt có thể giảm mài mòn, cải thiện năng suất và hỗ trợ các hoạt động khoan an toàn hơn, sạch hơn.
