हार्ड रॉक ड्रिलिंग के कोड को तोड़ना: खेल-परिवर्तनकारी डीटीएच प्रौद्योगिकी।
निर्माण क्षेत्र की भूवैज्ञानिक स्थितियों के अनुसार, ड्रिल रिग द्वारा आमतौर पर उपयोग की जाने वाली चार मुख्य ड्रिलिंग विधियां हैं, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है।
a. प्रभाव उपकरणों के साथ संयुक्त वायवीय या हाइड्रोलिक-चालित रोटरी हेड, शीर्ष के माध्यम से घूर्णी और प्रभाव ऊर्जा संचारित करते हैंड्रिल पाइपड्रिल पाइप में शॉक वेव्स के माध्यम से ड्रिल बिट को ऊर्जा प्रदान करना। यह विधि छोटे व्यास और उथली गहराई तक सीमित है और आम तौर पर खदानों, निर्माण स्थलों और भूमिगत खनन कार्यों में उपयोग की जाती है।
बी।डाउन-द-होल (डीटीएच) हथौड़े ड्रिल स्ट्रिंग के निचले भाग में स्थित हैं। संपीड़ित हवा ड्रिल स्ट्रिंग के माध्यम से DTH में प्रवेश करती है, एक पिस्टन को एक पारस्परिक गति में चलाती है जो सीधे ड्रिल बिट पर प्रभाव डालती है, जिससे प्रभाव ऊर्जा चट्टान में स्थानांतरित हो जाती है। इस प्रणाली में न्यूनतम शक्ति हानि होती है और यह विशेष रूप से गहरे छेद, सीधे छेद और मध्यम-कठोर चट्टानों के लिए उपयुक्त है।
सी।रिवर्स सर्कुलेशन (आरसी) ड्रिलिंगड्रिल बिट के मुख से चट्टान के नमूने एकत्र करने और परिवहन के लिए डीटीएच का उपयोग करता है। सूखी और असंदूषित कटिंग को डीटीएच के केंद्र पाइप के माध्यम से नमूना संग्रह उपकरण में पहुंचाया जाता है, जो भूवैज्ञानिक विश्लेषण के लिए तैयार होता है।
d. हाइड्रोलिक या इलेक्ट्रिक मोटर द्वारा संचालित गियरबॉक्स एक घूर्णनशील पावर हेड बनाता है, जो एक फीड सिस्टम के माध्यम से तीन-शंकु ड्रिल बिट पर पर्याप्त फीड बल लगाता है जो ड्रिल रिग और एक मोटी दीवार वाली ड्रिल पाइप पर ऊपर और नीचे चलता है। इस विधि का उपयोग नरम चट्टानों या मजबूती से जुड़ी हुई कठोर चट्टानों के लिए किया जाता है।
- डीटीएच के सिद्धांत और विशेषताएं
डीटीएच से ड्रिल की गई संरचनाएं लगभग सभी आग्नेय चट्टानों, रूपांतरित चट्टानों और तलछटी चट्टानों को शामिल करने में पूरी तरह सक्षम हैं जो मध्यम-कठोर या अधिक कठोर हैं। डीटीएच विशेष रूप से कठोर चट्टान और कठोर परतों को ड्रिल करने के लिए फायदेमंद है क्योंकि कठोर चट्टान भंगुर होती है। प्रभाव भार के तहत, फ्रैक्चर न केवल प्रत्यक्ष प्रभाव स्थल पर होते हैं बल्कि एक टूटा हुआ क्षेत्र भी बनाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बड़े चट्टान के टुकड़े होते हैं। इस प्रकार, शुद्ध रोटरी ड्रिलिंग की तुलना में ड्रिलिंग की गति काफी तेज है। चित्र 2 में यांत्रिक मॉडल प्रभाव रोटरी ड्रिलिंग के दौरान चट्टान पर कार्य करने वाले विभिन्न भारों को दर्शाता है।
इसके अलावा, डीटीएच (डाउन-द-होल) ड्रिलिंग बोरहोल विचलन के लिए प्रवण संरचनाओं में अत्यधिक प्रभावी है, जैसे कि अच्छी तरह से विकसित बिस्तर और पर्णसमूह के साथ स्ट्रेटा, या असमान कठोरता और कई फ्रैक्चर के साथ रॉक परतें। यह बोरहोल विचलन को काफी हद तक कम कर सकता है और बजरी परतों और बोल्डर बेड के माध्यम से ड्रिलिंग में कठिनाइयों को भी दूर कर सकता है।
डीटीएच ड्रिलिंग का विकास 19वीं सदी के अंत में हुआ था और इसका इतिहास एक सदी से भी ज़्यादा पुराना है। हालाँकि डीटीएच ड्रिल के कई प्रकार हैं, लेकिन उनमें एक सामान्य विशेषता है: प्रभाव तंत्र और ड्रिल बिट दोनों ही बोरहोल में डूबे हुए हैं, जिसमें चट्टान को तोड़ने के लिए घुमाव के साथ प्रभाव भी शामिल है। प्रभाव बल उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों को उनकी ड्राइविंग विधि के आधार पर वायवीय, हाइड्रोलिक, तेल दबाव, विद्युत और यांत्रिक प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है।
चूंकि संचरण के दौरान प्रभाव ऊर्जा का महत्वपूर्ण नुकसान होता है और प्रभावित घटकों को काफी नुकसान हो सकता है, इसलिए आमतौर पर गहरी ड्रिलिंग संचालन में यह आवश्यक होता है कि उपकरण ड्रिल टूल के साथ बोरहोल में प्रवेश करे, ताकि आउटपुट प्रभाव बल सीधे ड्रिल बिट या कोर बैरल पर कार्य कर सके। यह संचरण के दौरान ऊर्जा हानि को कम करता है, ऊर्जा दक्षता में सुधार करता है, और डाउनहोल उपकरण विफलताओं की संभावना को कम करता है।
वायवीय डीटीएच, जिसे वायु-चालित डीटीएच के रूप में भी जाना जाता है, कई संरचनात्मक प्रकारों और वर्गीकरण विधियों में आता है।
- दबाव रेटिंग के अनुसार: उच्च दबाव, मध्यम दबाव और निम्न दबाव प्रकार।
- समग्र संरचना के अनुसार: नॉन-थ्रू और थ्रू प्रकार।
- वाल्व संचालन सिद्धांत द्वारा: नियंत्रण वाल्व प्रकार, मुक्त वाल्व प्रकार, और संकर वाल्व प्रकार।
- पिस्टन संरचना के अनुसार: समान व्यास पिस्टन, असमान व्यास पिस्टन, और अग्रानुक्रम पिस्टन प्रकार।
- वायु वितरण प्रकार के अनुसार: वाल्वयुक्त DTH और वाल्वरहित DTH। वाल्वयुक्त DTH को प्लेट वाल्व, डिस्क वाल्व और बेलनाकार वाल्व प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है, जबकि वाल्वरहित DTH को केंद्र रॉड निकास प्रकार, पिस्टन वायु वितरण प्रकार और पिस्टन, सिलेंडर और केंद्र रॉड द्वारा संयुक्त वायु वितरण में विभाजित किया जा सकता है।
- छेद धुलाई और लावा निर्वहन विधि द्वारा: केंद्र छेद धुलाई, सामने छेद धुलाई, और साइड छेद धुलाई।
2. प्रभाव तंत्र संरचनात्मक योजनाओं का निर्धारण
2.1 पिस्टन स्व-गैस आपूर्ति गैर-वाल्व प्रभाव तंत्र
इस प्रकार का प्रभाव तंत्र मुख्य रूप से गैस की आपूर्ति के लिए पिस्टन में ही गैस मार्गों का उपयोग करता है, जिसके परिणामस्वरूप कई गैस चैनलों के साथ एक जटिल पिस्टन संरचना बनती है, जो पिस्टन की ताकत और जीवनकाल को कम करती है। हालाँकि, यह प्रभाव तंत्र आंतरिक और बाहरी सिलेंडरों को एकीकृत करता है, जिससे पिस्टन का प्रभावी कार्य क्षेत्र बढ़ता है और तंत्र की प्रभाव ऊर्जा में वृद्धि होती है।
2.2 पिस्टन और सिलेंडर संयुक्त गैस आपूर्ति गैर-वाल्व प्रभाव तंत्र
इस प्रकार की संरचना सरल होती है, जिसे बनाना आसान होता है, पिस्टन का जीवनकाल लंबा होता है, और गैस के छेद सिलेंडर और पिस्टन दोनों पर स्थित होते हैं। इस संरचना का विदेशों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
2.3 केंद्र पाइप गैस आपूर्ति गैर-वाल्व प्रभाव तंत्र
इस तंत्र में, ऊपरी और निचले कक्षों के लिए वायु प्रवेश मार्ग गोलाकार पाइप पर व्यवस्थित होते हैं जहाँ पिस्टन स्लाइड करता है। इसके लिए उच्च विनिर्माण परिशुद्धता की आवश्यकता होती है और केंद्र पाइप के लिए इसका जीवनकाल अपेक्षाकृत कम होता है।
2.4 साइड एग्जॉस्ट इम्पैक्ट मैकेनिज्म
तथाकथित साइड एग्जॉस्ट का मतलब है कि एग्जॉस्ट गैस का मार्ग ड्रिल बिट के केंद्र से छेद के नीचे तक जाने के बजाय सिलेंडर बॉडी से बाहर निकलता है। इस प्रकार के प्रभाव तंत्र में आमतौर पर सिलेंडर बॉडी पर कई सेवन और निकास मार्ग होते हैं, जिससे खराब संरचनात्मक ताकत, अनुदैर्ध्य थकान दरारें और वायु दबाव में महत्वपूर्ण कमी आती है, जिसके परिणामस्वरूप ड्रिल बिट के लिए उप-इष्टतम मलबे को हटाने और शीतलन प्रभाव होता है।
2.5 केंद्र निकास प्रभाव तंत्र
इस प्रकार का प्रभाव तंत्र मलबे और गैस को सीधे ड्रिल बिट के केंद्र से छेद के तल तक निकालता है। प्रत्यक्ष वायु प्रवाह न केवल मलबे को हटाने की दक्षता को बढ़ाता है बल्कि ड्रिलिंग दक्षता और शीतलन में भी सुधार करता है, जिससे ड्रिल बिट का जीवनकाल बढ़ जाता है। यह संरचनात्मक प्रकार साइड एग्जॉस्ट प्रभाव तंत्र के आंतरिक सिलेंडर में कई अनुदैर्ध्य खांचे को एक कुंडलाकार खांचे से बदल देता है, जिससे आंतरिक सिलेंडर में तनाव की सांद्रता बहुत कम हो जाती है। यह हाल के वर्षों में व्यापक रूप से अपनाई जाने वाली संरचना बन गई है।
2.6 श्रृंखला पिस्टन प्रभाव तंत्र
श्रृंखला पिस्टन प्रभाव तंत्र, जिसे दोहरे पिस्टन (सिर) प्रभावक के रूप में भी जाना जाता है, एक अलगाव रिंग का उपयोग करके सिलेंडर को दो कक्षों में विभाजित करता है। यह डिज़ाइन दोनों पिस्टन चेहरों को एक ही बोर व्यास के भीतर एक साथ काम करने की अनुमति देता है, जिसके परिणामस्वरूप अधिक प्रभाव शक्ति और उच्च प्रभाव आवृत्ति होती है। इसी तरह, एक दोहरी निकास प्रणाली है जो छेद के नीचे से रॉक पाउडर को प्रभावी ढंग से हटाती है। हालांकि, इसका मुख्य दोष इसकी जटिल संरचना और मशीनिंग भागों में उच्च परिशुद्धता की आवश्यकता है; उदाहरण के लिए, पिस्टन में संबंधित घटकों के साथ पाँच संभोग सतहें होती हैं, जो इसके अनुप्रयोग और प्रचार को सीमित करती हैं। इसलिए, यह डिज़ाइन दूसरे विकल्प को अपनाता है, जो पिस्टन और सिलेंडर संयुक्त गैस आपूर्ति के साथ गैर-वाल्व प्रभाव तंत्र है। इसकी संरचना चित्र 3 में दिखाई गई है।
3.डीटीएच के लिए सैद्धांतिक विश्लेषण और प्रासंगिक गणना
3.1 परिचालन मापदंडों का चयन**
3.1.1 हथौड़े की लंबाई और वजन: प्रारंभिक डिजाइन में 4500 मिमी से कम लंबाई और 2500 किलोग्राम से कम वजन निर्दिष्ट किया गया है।
3.1.2 हथौड़ा व्यास: उपयुक्त हथौड़ा व्यास ड्रिलिंग व्यास के आधार पर निर्धारित किया जाता है, जिसे 540 मिमी पर सेट किया जाता है।
3.1.3 ड्रिलिंग व्यास: यह ढेर छेद के व्यास को संदर्भित करता है, जो आमतौर पर 550 मिमी और 600 मिमी के बीच होता है।
3.1.4 ड्रिलिंग गहराई: पाइल डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार, यह आमतौर पर कई दर्जन मीटर और एक सौ मीटर के बीच होती है।
3.1.5 ड्रिल गति: डीटीएच ड्रिलिंग आम तौर पर कम घूर्णी गति पर संचालित होती है, आमतौर पर 7 और 25 आर/एस के बीच।
3.1.6 घूर्णी टॉर्क: इस डिज़ाइन के लिए अधिकतम टॉर्क 150 kN·m पर सेट किया गया है।
3.2 डिज़ाइन मापदंडों की गणना
डीटीएच के लिए डिजाइन पैरामीटर, विशेष रूप से डीटीएच प्रभाव उपकरण के प्रदर्शन पैरामीटर, मशीन डिजाइन के आधार के रूप में कार्य करते हैं और निर्मित उपकरणों के प्रदर्शन को परिभाषित करते हैं।
3.2.1 प्रभाव उपकरण के लिए डिज़ाइन दबाव पी
चीन में, वायवीय प्रभाव उपकरणों के लिए डिज़ाइन मानक के रूप में 0.49 MPa (लगभग 5 × 10^5 Pa) का दबाव व्यापक रूप से चुना जाता है। यह देखते हुए कि इस डिज़ाइन के लिए DTH एक गैर-वाल्व प्रभाव उपकरण है जिसमें एक बड़ा ड्रिलिंग व्यास और भारी पिस्टन है, उच्च वायु दबाव प्रदर्शन को और बढ़ाएगा। इसके अतिरिक्त, उच्च दबाव वाले वायु कंप्रेसर तेजी से आम हो रहे हैं, और अंतर्राष्ट्रीय मानक ISO 5941-1979 के अनुसार, 1.6 MPa का डिज़ाइन दबाव चुना जाता है।
3.2.2 प्रभाव शक्ति
बड़े व्यास के छेदों को ड्रिल करने के लिए उपयोग किए जाने वाले DTH के लिए, डिज़ाइन प्रभाव ऊर्जा में काफी उतार-चढ़ाव हो सकता है। इस डिज़ाइन के लिए प्रभाव ऊर्जा की गणना इस प्रकार की जाती है:
3.2.3 प्रभाव आवृत्ति
आम तौर पर, निरंतर प्रभाव ऊर्जा के तहत, प्रभाव आवृत्ति प्रभावक की आउटपुट शक्ति के समानुपाती होती है। हालाँकि, जब सिलेंडर का व्यास स्थिर होता है, तो प्रभाव आवृत्ति को बढ़ाने से पिस्टन स्ट्रोक में कमी की आवश्यकता होती है, जो बदले में एकल प्रभाव शक्ति को कम करता है। एक बार जब एकल प्रभाव शक्ति एक निश्चित सीमा से नीचे गिर जाती है, तो आवृत्ति बढ़ाने से संतोषजनक रॉक-ब्रेकिंग परिणाम नहीं मिलेंगे। इस प्रकार, प्रभाव आवृत्ति का चयन प्रभाव शक्ति द्वारा बाधित होता है।
0.5 एमपीए के डिज़ाइन दबाव पर संचालित होने वाले वायवीय डीटीएच के लिए, आवृत्ति 16.8 हर्ट्ज से अधिक नहीं होनी चाहिए। चूंकि डीटीएच 0.5 और 2.5 एमपीए के बीच डिज़ाइन दबाव पर संचालित होता है, इसलिए प्रभाव आवृत्ति काफी भिन्न हो सकती है। प्रभावक की आवृत्ति का प्रारंभिक चयन निम्नानुसार गणना की जा सकती है:
एफ = 10.4 + 7.6पी
(2) जहाँ P सिस्टम सप्लाई दबाव है। इस डिज़ाइन के लिए, P = 1.6 MPa, इसलिए:
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 हर्ट्ज.
3.3 संरचनात्मक पैरामीटर डिजाइन
डीटीएच के मुख्य संरचनात्मक मापदंडों में सिलेंडर बोर व्यास, पिस्टन स्ट्रोक और पिस्टन आयाम शामिल हैं। सिलेंडर व्यास को बढ़ाने से प्रभाव शक्ति और आवृत्ति दोनों बढ़ सकती है, इसलिए व्यास को संरचनात्मक आकार की सीमाओं के भीतर अधिकतम किया जाना चाहिए। आम तौर पर, डीटीएच के बाहरी व्यास और बोर व्यास के बीच का अंतर 15 से 20 मिमी से कम नहीं होना चाहिए, और डीटीएच का बाहरी आवरण बहुत पतला नहीं होना चाहिए। इसलिए, डीटीएच सिलेंडर व्यास और ड्रिलिंग व्यास का अनुपात आम तौर पर 0.5 से ऊपर होता है।
3.3.1 सिलेंडर का कार्यशील व्यास और संरचनात्मक स्ट्रोक
सिलेंडर का कार्यशील व्यास D निम्न प्रकार से गणना किया जा सकता है:
डी = के × डी(बोर) = (0.57 - 0.68) × डी(बोर) (3)
इस डिज़ाइन के लिए, D(बोर) = 600 मिमी, इसलिए D को 360 मिमी के रूप में लिया जाता है। संरचनात्मक स्ट्रोक S को अनुभवजन्य रूप से S = 500 मिमी के रूप में लिया जाता है।
3.3.2 पिस्टन द्रव्यमान
पिस्टन के रेडियल आयाम सिलेंडर के आकार और संरचना द्वारा सीमित होते हैं, जिससे समान या अलग व्यास वाले पिस्टन की अनुमति मिलती है। रैखिक आयाम पिस्टन के वजन पर निर्भर करते हैं, जो ड्रिल बिट पर प्रहार करते समय इसके वेग से भी संबंधित है। इसलिए, पिस्टन के संरचनात्मक आयामों का निर्धारण DTH डिज़ाइन का एक जटिल पहलू है। DTH पिस्टन के द्रव्यमान का अनुमान इस प्रकार लगाया जा सकता है:
एम = 0.0205डी^2.84 (4)
जहाँ m किलोग्राम में पिस्टन का द्रव्यमान है; D सेमी में सिलेंडर का कार्यशील व्यास है।
D = 36 प्रतिस्थापित करने पर: m = 540 किग्रा.
डीटीएच में मुख्य रूप से टॉर्क ट्रांसमिशन संरचना और वायवीय प्रभाव तंत्र शामिल होता है। टॉर्क ट्रांसमिशन संरचना ड्रिल रॉड और डीटीएच को जोड़ती है, घूर्णी काटने और खींचने वाले बलों को संचारित करती है; वायवीय प्रभाव तंत्र प्रभाव उत्पन्न करता है, प्रभाव ड्रिल बिट को अक्षीय शक्ति प्रदान करता है। विशिष्ट संरचना विवरण चित्र 3 में दिखाए गए हैं।
टॉर्क ट्रांसमिशन संरचना ड्रिल रॉड और इम्पैक्टर को जोड़ती है। ऊपरी जोड़ मुख्य रूप से गैस की जकड़न सुनिश्चित करने के लिए पाइप थ्रेड के माध्यम से ड्रिल रॉड और इम्पैक्टर से जुड़ता है, जबकि टॉर्क और खींचने वाले बल को भी संचारित करता है। चेक वाल्व कीचड़ और पानी को इम्पैक्टर और ड्रिल रॉड में प्रवेश करने से रोकता है, जिसे स्प्रिंग द्वारा नियंत्रित किया जाता है। गैस आपूर्ति रॉड के साथ एयर इनटेक सीट सिलेंडर में संपीड़ित हवा को पेश करने का कार्य करती है, जिससे सिलेंडर और पिस्टन के साथ गैस आपूर्ति क्रिया को सुविधाजनक बनाया जाता है, जिससे संयुक्त गैस आपूर्ति प्राप्त होती है। स्प्रिंग सुरक्षा रिंग ड्रिल बिट को बदलते समय पिस्टन को सिलेंडर से बाहर निकलने से रोकती है।
3.4 डीटीएच ड्रिल बिट का परिमित तत्व विश्लेषण
DTH ड्रिल बिट पिस्टन से प्रभाव बलों और ड्राइव हेड से टॉर्क के अधीन है। संपीड़ित हवा द्वारा पिस्टन पर लगाया गया बल इस प्रकार दिया जाता है:
एफ = पी × एस (5)
जहाँ P, Pa में सिस्टम दबाव है; S, m² में पिस्टन का बल क्षेत्र है।
इस प्रकार, F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 N.
इसलिए, ड्रिल बिट पर प्रभाव बल है:
एफ' = केएफ (6)
जहाँ k प्रभाव गुणांक है; F संपीड़ित वायु द्वारा ड्रिल बिट पर N में लगाया गया बल है। इस प्रकार, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
ड्राइव हेड द्वारा DTH ड्रिल बिट पर लगाया गया टॉर्क N = 150 kN है। ड्रिल बिट के निचले सिरे को ठीक करते समय ड्रिल बिट पर F' = 2688 kN और N = 150 kN लागू करके, और 320 MPa की उपज शक्ति के साथ QT500-7 सामग्री का उपयोग करके, परिमित तत्व विश्लेषण किया जाता है। विशिष्ट लोडिंग और बाधा की स्थिति और जाल विभाजन चित्र 4 और 5 में दिखाए गए हैं।
परिमित तत्व विश्लेषण के परिणाम चित्र 6 में दिखाए गए हैं, जो दर्शाते हैं कि अधिकतम तनाव 144.355 एमपीए है, जो कि क्यूटी500-7 (320 एमपीए) की उपज शक्ति से कम है, इस प्रकार यह आवश्यकताओं को पूरा करता है।