Lựa chọn tối ưu các bit PDC cho khai thác than

Xây dựng giếng khoan là một phương pháp kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để kiểm soát khí, phòng ngừa thiệt hại do nước và thăm dò địa chất trong các mỏ than, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả sản xuất than. Ở Trung Quốc, hàng chục triệu mét lỗ khoan được tạo ra hàng năm trong các mỏ than. Quá trình xây dựng đòi hỏi sự hỗ trợ của các thiết bị khoan như máy khoan, ống khoan và mũi khoan. Trong số đó, máy khoan là công cụ thiết yếu để trực tiếp tạo lỗ và phá đá.

Tấm kim cương tổng hợp đa tinh thể (PDC) được sử dụng rộng rãi trong mũi khoan khai thác do khả năng chống mài mòn tuyệt vời và độ bền va đập đáng khen ngợi.Bit PDCthể hiện tuổi thọ khoan kéo dài và hiệu quả thâm nhập cao hơn khi sử dụng trong các thành tạo đá trung bình và thấp, do đó mang lại lợi ích kinh tế đáng kể trong các hoạt động khoan mỏ than. So với khoan dầu, khoan khai thác than sở hữu các thuộc tính kỹ thuật là tiết kiệm chi phí, tiết kiệm thời gian và được thiết kế dày đặc. Do đó, các yêu cầu chung đối với mũi khoan PDC không quá khắt khe.

Những thách thức hiện tại trong khai thác mỏBit PDCbao gồm: ①Ngưỡng đầu vào cho các bit PDC khai thác tương đối thấp, với vô số nhà sản xuất cung cấp các mức chất lượng khác nhau. ②Công dụng và yêu cầu của khoan ngầm trong các mỏ than thể hiện sự chênh lệch rõ ràng, trong khi việc phân loại các bit PDC khai thác phức tạp và đa dạng. Hơn nữa, thiếu các thông số kỹ thuật lựa chọn có hệ thống và hợp lý trong quá trình sử dụng tiếp theo. ③Với sự phổ biến ngày càng tăng của các tầng cứng phức tạp trong các mỏ than, các bit PDC khai thác thông thường không đáp ứng được các yêu cầu xây dựng để khoan tại chỗ hiệu quả, dẫn đến các trường hợp tiến độ chậm hoặc thậm chí hoàn toàn không có cảnh quay. ④Do điều kiện xây dựng đầy thách thức trong mỏ than, việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình khoan của nhân viên xây dựng đôi khi có thể khó khăn.

Để nâng cao hiệu quả hoạt động khai thácBit PDC, bài báo này cung cấp một phân tích toàn diện về các chế độ hỏng hóc chính và điều tra các nguyên nhân cơ bản cho từng dạng hỏng hóc. Ngoài ra, các khuyến nghị thực tế được đề xuất để lựa chọn thận trọng và sử dụng cẩn thận các bit này.

1. Phân tích hình thức và nguyên nhân gây ra lỗi bit PDC trong khai thác

Hiện nay, các thành phần của mũi khoan PDC khai thác chủ yếu bao gồm thân mũi khoan, dao cắt PDC, hợp kim đo và các bộ phận khác như mô tả trong Hình 1. Dao cắt PDC và hợp kim đo được hàn vào thân mũi khoan để đảm bảo chúng được gắn chặt. Trong quá trình khoan thông thường, thanh khoan truyền mô-men xoắn và áp suất cấp xuống đáy lỗ nơi nó khớp với mũi khoan. Quá trình cắt đá được thực hiện thông qua việc sử dụng dao cắt PDC trên mũi khoan. Ngoài ra, hợp kim đo bảo vệ chống mài mòn quá mức bằng cách bảo vệ tính toàn vẹn chu vi của thân mũi khoan. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nhiều yếu tố như lực phức tạp tác động lên dao cắt ở đáy lỗ trong quá trình cắt đá bằng mũi khoan PDC, thay đổi đặc điểm thành tạo, lựa chọn kỹ thuật và thiết bị thi công, trình độ vận hành của nhân viên tham gia vào các hoạt động thi công cùng với các biện pháp kiểm soát chất lượng đối với bản thân mũi khoan có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả ứng dụng dẫn đến nhiều dạng hỏng hóc khác nhau đối với các mũi khoan này. Thông qua một cuộc điều tra được tiến hành tại các địa điểm khoan của mỏ than, chúng tôi đã tóm tắt và phân tích các chế độ hỏng hóc khác nhau và các nguyên nhân chính liên quan đếnBit PDC.

1.1 Sự cố của dao cắt PDC xảy ra khi PDC được thiêu kết trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao. Tấm composite bao gồm hai thành phần chính: lớp kim cương và ma trận carbide, như minh họa trong Hình 2.

Các chế độ hỏng hóc chính của máy cắt PDC bao gồm hao mòn thông thường, bong tróc, lưỡi dao bị gãy và tách lớp.

(1) hao mòn thông thường

Hiện tượng mài mòn thông thường là một loại hư hỏng điển hình xảy ra ở máy cắt PDC trong quá trình cắt đá, chủ yếu được biểu hiện bằng tổn thất mài vĩ mô đáng kể ở cả lớp kim cương và ma trận cacbua xi măng của máy cắt, mà không có bất kỳ dấu hiệu nứt rõ ràng nào trên bề mặt mài.

(2) Thả chip

Hiện tượng rơi phoi xảy ra khi dao cắt PDC tách khỏi thân bit, dẫn đến hỏng bit. Đặc điểm nổi bật nhất là dao cắt PDC tách hoàn toàn khỏi thân bit, không tìm thấy cặn hợp kim trong hố nơi hàn giữa thân bit và dao cắt PDC.

Các yếu tố chính góp phần làm giảm lượng màng rơi:

① Nhiệt độ tăng cao ở đáy lỗ khoan dẫn đến những thách thức trong công nghệ thi công khoan khô hoặc hình thành nút nước trong quá trình khoan, đồng thời cũng cản trở việc làm mát kịp thời các dao cắt PDC trên máy khoan trong quá trình cắt đá quay tốc độ cao. Do đó, nhiệt độ ở đáy lỗ khoan tăng đáng kể, có thể vượt quá nhiệt độ tới hạn của chất hàn và dẫn đến chất hàn tan chảy và sau đó là các dao cắt PDC bị tách ra.

② Kiểm soát quy trình hàn khoan chưa đủ chặt chẽ. Trong quy trình hàn, thiếu vệ sinh đúng cách trước khi hàn, mối hàn lỗi hoặc quản lý khí thải không đầy đủ, nhiệt độ giữ nhiệt không hợp lý hoặc thời gian sau khi hàn không đủ, tất cả đều có thể dẫn đến việc mũi khoan bị tách ra. Ngoài việc yêu cầu các nhà sản xuất phải quản lý chặt chẽ quy trình sản xuất (đặc biệt là quy trình hàn cắt PDC) để đảm bảo mối hàn hoàn chỉnh và chắc chắn, cũng cần phải làm rõ quy trình thi công khoan bằng cách lựa chọn khoan nước bất cứ khi nào có thể và tránh thi công khoan khô. Đối với khoan lỗ sâu, cần đảm bảo nước trở lại trước khi thêm khoan thanh. Ngoài ra, mỗi lần trước khi đưa mũi khoan vào đáy lỗ, điều cần thiết là phải kiểm tra xem có bất kỳ vật cản nào không để tránh bị tắc nghẽn.

(3) Lưỡi dao bị gãy

Sự gãy vỡ của lớp kim cương trong máy cắt PDC là một chế độ hỏng hóc phổ biến đối vớiBit PDC. Một đặc điểm đặc trưng của chế độ hỏng hóc này là sự đứt gãy cục bộ của lớp kim cương, đôi khi dẫn đến sự đứt gãy đồng thời cùng với ma trận cacbua.

Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng gãy bit PDC:

① Dao cắt được lựa chọn dựa trên đặc tính vốn có của dao cắt PDC có khả năng chống va đập thấp. Độ bền kết hợp của cacbua vonfram (WC) và bột kim cương siêu nhỏ không đủ, dễ bị hỏng dưới ứng suất của đá vỡ;

② Các yếu tố liên quan đến quá trình thi công cho thấy áp suất thi công tại công trường quá cao. Áp suất do máy cắt PDC tác dụng lên mũi khoan vượt quá đáng kể giới hạn áp suất của máy cắt, dẫn đến lớp kim cương bị bong tróc và sau đó là lưỡi cắt bị sụp đổ.

③ Các yếu tố liên quan đến thành tạo phức tạp cho thấy trong quá trình thi công thành tạo cứng, nứt nẻ, tải trọng tác động lên dao cắt PDC vượt quá độ bền va đập của chúng, có thể dẫn đến gãy lưỡi cắt.

④ Thiết kế góc cắt của mũi khoan không phù hợp vì không tuân thủ nguyên tắc là hình thành cứng hơn đòi hỏi góc cắt lớn hơn. Trong quá trình xây dựng hình thành cứng, góc cắt nhỏ hơn có thể dẫn đến lực quá mức lên dao cắt PDC, cuối cùng dẫn đến gãy lưỡi cắt.

⑤ Các yếu tố khác chỉ ra rằng cách bố trí bu lông hỗ trợ và cáp neo trong đường ngầm khiến mũi khoan rất dễ bị sập khi gặp phải các yếu tố này. Để ngăn ngừa hỏng mũi khoan, điều cần thiết không chỉ là tuân thủ nghiêm ngặt các thông số quy trình được nêu trong hướng dẫn sử dụng khoan mà còn phải thiết kế và lựa chọn mũi khoan dựa trên các điều kiện của thành tạo. Cụ thể, khi khoan vào các thành tạo cứng, nên tăng góc cắt của mũi khoan một cách thích hợp, giảm độ hung hăng của nó và tăng cường khả năng bảo vệ cho mũi khoan. Ngoài ra, nên chọn các mũi cắt PDC có độ bền va đập cao hơn khi khoan qua các thành tạo nứt nẻ cứng hoặc sửa đổi hình dạng bên ngoài của lớp kim cương của mũi cắt để cải thiện độ bền va đập; ví dụ, các mũi cắt PDC cong thường có khả năng chống va đập tốt hơn các loại phẳng. Hơn nữa, nên triển khai bố trí lỗ hợp lý trong quá trình thi công để tránh khoan vào bu lông và cáp neo.

(4) Tách lớp

Sự tách lớp là hiện tượng lớp kim cương tách ra khỏi ma trận cacbua xi măng trong các tấm composite PDC, như minh họa trong Hình 3.

Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tách lớp trong lớp kim cương của máy cắt PDC là ứng suất dư đáng kể hiện diện giữa lớp kim cương và ma trận cacbua xi măng, cùng với sự khác biệt đáng kể về hệ số giãn nở nhiệt của chúng. Trong quá trình cắt đá, lớp kim cương và ma trận cacbua xi măng bị co lại không đồng bộ do ứng suất nhiệt tạo ra bởi nhiệt ma sát và làm mát từ chất lỏng rửa. Tải trọng va đập và ứng suất dư kết quả dẫn đến bong lớp kim cương khỏi ma trận cacbua, cuối cùng dẫn đến hỏng mũi khoan. Để giảm thiểu hiện tượng tách lớp, điều cần thiết là phải lựa chọn vật liệu liên kết và công nghệ xử lý phù hợp để giải quyết ứng suất dư giữa hai thành phần này trong quá trình sản xuất. Ngoài ra, việc thiết kế hình dạng giao diện mới cho ma trận có thể tăng cường các đặc tính liên kết giữa lớp kim cương và ma trận cacbua xi măng.

1.2 Sự cố hỏng thân khoan chủ yếu được biểu hiện bằng các vết gãy lưỡi khoan ở thân khoan, như minh họa trong Hình 4.

 

Phần lớn hiện tượng gãy lưỡi của thân bit xảy ra ở phần thân bit và phần thân bit bằng thép hiếm khi xảy ra. Nguyên nhân dẫn đến gãy lưỡi của thân bit như sau: ① Va vào lưỡi của thân bit khi tháo phần thân bit vì đỉnh của thân bit được thiêu kết bằng quy trình luyện kim bột cùng một lúc. So với phần thân bit bằng thép thông thường, phần thân bit có khả năng chống mài mòn cao hơn. Nhưng độ bền của vật liệu thân cũng giảm tương ứng và dễ gãy lưỡi của thân bit khi tháo phần thân bit; ② Việc kiểm soát quy trình thiêu kết bit không chặt chẽ. Thân bit thiêu kết bị cuốn theo và bột kim loại không tạo thành hợp kim. Để tránh lưỡi bị gãy, người dùng nên sử dụng các công cụ như kìm nha khoa để hỗ trợ cùm khi tháo mũi khoan. Để tránh va đập vào lưỡi; Thứ hai, các nhà sản xuất nên kiểm soát chặt chẽ chất lượng của phần thân thiêu kết. Không chỉ kiểm soát chặt chẽ quy trình thiêu kết. mà còn phải theo dõi bột kim loại theo thời gian để đảm bảo bột đáp ứng các yêu cầu của quy trình.

2. Thiết kế tối ưu và lựa chọn hợp lý Bit PDC khai thác

2.1 Thiết kế tối ưu mũi khoan

(1) Đối với dạng hỏng của mũi khoan, cần tối ưu hóa cấu trúc của nó từ thiết kế mũi khoan. Các thông số thiết kế chính của mũi khoan PDC bao gồm Góc cắt α. Góc bên β. Góc phương vị γ. v.v. γ chỉ Góc giữa đường tham chiếu định hướng của răng PDC và đường tâm của mũi khoan. α chỉ Góc giữa đường tham chiếu định hướng của răng PDC và mặt phẳng làm việc của dao cắt. như thể hiện trong Hình 5. β chỉ Góc giữa mặt phẳng qua điểm tâm và đường tâm của mũi khoan và mặt phẳng làm việc của dao cắt. như thể hiện trong Hình 6. Nghiên cứu sơ bộ và phân tích ứng dụng toàn diện cho thấy Góc cắt và Góc bên của dao cắt PDC có thể ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và hiệu quả khoan của mũi khoan. và cần tối ưu hóa thiết kế của mũi khoan theo các đội hình khoan khác nhau. Thiết kế Góc cắt sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả khoan. hoặc thậm chí không có cảnh quay nào cả; Nếu Góc cắt quá nhỏ. lưỡi cắt PDC dễ bị gãy và các hiện tượng khác. Do đó. Thiết kế mũi khoan cần được xem xét toàn diện khi lựa chọn sơ đồ tham số bằng cách chọn Góc cắt và Góc bên vừa phải thay vì thiết kế ngẫu nhiên.

(2) Ngoài việc tối ưu hóa góc cắt của mũi khoan, điều cần thiết là cũng phải tối ưu hóa các mũi cắt PDC. Chất lượng của các mũi cắt PDC ảnh hưởng đáng kể đến các mũi cắt PDC khai thác, vì nó quyết định trực tiếp đến hiệu suất cắt và tuổi thọ của chúng. Một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao chất lượng của PDC là loại bỏ ứng suất dư tại giao diện liên kết giữa lớp kim cương và ma trận cacbua xi măng. Nghiên cứu chỉ ra rằng ứng suất tối đa trong các mũi cắt PDC có cấu trúc giao diện phẳng tập trung gần cả hai bên của giao diện này, với ứng suất kéo và ứng suất cắt cực đại xảy ra ở rìa của lớp kim cương. Sự hiện diện của ứng suất kéo có thể dẫn đến gãy bất thường ở PDC, trong khi ứng suất cắt là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tách lớp ở các mũi cắt PDC.

(3) Ngoài việc loại bỏ ứng suất dư trong dao cắt PDC, xử lý thứ cấp có thể nâng cao hơn nữa chất lượng của chúng. Hiện tại, các phương pháp xử lý bề mặt chính bao gồm mài bề mặt kim cương, vát cạnh và gia công định hình. Việc lựa chọn dao cắt PDC có thể được tối ưu hóa dựa trên các điều kiện làm việc thực tế.

2.2 Lựa chọn mũi khoan hợp lý

Hiện nay, các mũi khoan PDC được sử dụng trong các hoạt động khoan xuống lỗ khoan trên hầu hết các khu vực khai thác chủ yếu có thiết kế lõm ba cánh. Tuy nhiên, việc lựa chọn các mũi khoan này thường bị hạn chế và thiếu phân loại, dẫn đến cách tiếp cận một kích thước phù hợp với tất cả không giải quyết đầy đủ các yêu cầu cụ thể của các tầng khác nhau. Điều này đặc biệt có vấn đề trong các điều kiện hình thành phức tạp, khi các mũi khoan lõm thông thường khó có thể mang lại hiệu suất thỏa đáng, dẫn đến tuổi thọ mũi khoan ngắn hơn và hiệu quả khoan giảm. Những điểm kém hiệu quả như vậy không chỉ làm tăng chi phí sản xuất mà còn có thể làm gián đoạn lịch trình xây dựng và gây ra tổn thất kinh tế đáng kể. Do đó, điều cần thiết là phải lựa chọn các mũi khoan phù hợp với các điều kiện hình thành khác nhau.

Mũi khoan PDC khai thác có thể được phân loại thành hai loại chính dựa trên vật liệu thân mũi khoan: loại thép và loại lốp. Thân mũi khoan loại thép chủ yếu được xử lý bằng phương pháp cơ học, mang lại độ bền tốt giúp chúng phù hợp với các hoạt động khoan thành tạo thông thường. Ngược lại, thân mũi khoan loại lốp được thiêu kết bằng quy trình luyện kim bột, mang lại khả năng chống mài mòn cao, lý tưởng cho các nhiệm vụ khoan đá cứng hoặc khoan mở rộng. Ngoài ra, mũi khoan có thể được phân loại thành nhiều cấu trúc khác nhau, bao gồm lõm bên trong, góc cung, đáy phẳng, cạp và các cấu trúc khác như minh họa trong Hình 7. ①Thiết kế cấu trúc lõm của mũi khoan lõm giúp tăng cường hiệu ứng nắn thẳng trong quá trình thi công thành tạo thông thường; ②Sự sắp xếp răng phân tán của mũi khoan cung tạo ra mật độ răng cao hơn và cải thiện hiệu quả khoan khi làm việc với các tầng đất cứng vừa trở lên; ③Hình dạng môi của mũi khoan đáy phẳng gần như phẳng, giúp mài sắc các cạnh bên để tạo điều kiện cho việc xiên - thiết kế này chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng khoan định hướng; ④Mũi nạo thường có cấu trúc hình nón tạo ra lực tác động mạnh hơn và chủ yếu được sử dụng trong các tầng đất mềm hoặc kết cấu vỉa than.

Các loại bit PDC khai thác hiện tại đã được tóm tắt và sắp xếp, cùng với các tiêu chí lựa chọn bit PDC trong nhiều điều kiện làm việc và hình thành khác nhau, như được trình bày trong Bảng 1 để tham khảo.

3. Sử dụng biện pháp phòng ngừa Bit PDC khai thác

Ngoài việc lựa chọn mũi khoan cẩn thận, việc sử dụng đúng cách các công cụ này cũng vô cùng quan trọng. Do điều kiện thi công đầy thách thức trong các mỏ than, công nhân thường gặp khó khăn trong việc tuân thủ nghiêm ngặt các hướng dẫn vận hành mũi khoan PDC, dẫn đến tình trạng mũi khoan thường xuyên bị hỏng do xử lý không đúng cách. Trong nỗ lực nâng cao hiệu quả khoan, một số khu vực khai thác có thể tăng trọng lượng mũi khoan một cách bừa bãi trong quá trình vận hành, dẫn đến mũi khoan bị hỏng sớm. Sử dụng đúng cách mũi khoan PDC có thể tối ưu hóa hiệu suất của chúng và giảm chi phí sản xuất. Cần lưu ý những cân nhắc sau khi sử dụng mũi khoan PDC:

(1) Chú ý đến mối quan hệ phân loại giữa mũi khoan PDC và dụng cụ khoan, đảm bảo ống khoan có đường kính lớn không được kết hợp với ống khoan có đường kính quá nhỏ và ống khoan có đường kính nhỏ không được kết hợp với mũi khoan có đường kính lớn.

(2) Cách tiếp cận tối ưu là sử dụng máy khoan lỗ chuyên dụng hoặc mũi khoan cũ để xây dựng tổ, đồng thời đảm bảo rằng quá trình khoan tránh xa các bu lông bên làn đường, cáp neo và các vật cản tương tự.

(3) Khi tiến hành hoạt động khoan, điều cần thiết là phải điều chỉnh áp suất cấp liệu để tránh tai nạn do áp suất quá mức trong lỗ khoan.

(4) Vui lòng sử dụng kỹ thuật khoan nước sạch, tránh khoan khô hoặc khoan khí nén. Trước khi bắt đầu hoạt động khoan áp suất, hãy đảm bảo lưu thông nước thích hợp trong lỗ khoan để ngăn ngừa các sự cố cháy tiềm ẩn ở đáy lỗ khoan.

(5) Khi tháo mũi khoan, đảm bảo tránh kẹp hoặc đập vào máy cắt PDC. Ngoài ra, hãy cẩn thận không đập vào lưỡi thân của mũi khoan.

4. Kết luận

Khai thác than xanh an toàn và hiệu quả luôn là chủ đề trung tâm được ngành công nghiệp than ủng hộ. Việc sử dụng hiệu quả các bit PDC cho các hoạt động khoan ngầm trong các mỏ than có tầm quan trọng đáng kể. Bài báo này phân tích các chế độ hỏng hóc của các bit PDC khai thác, làm sáng tỏ các nguyên nhân chính đằng sau các dạng hỏng hóc khác nhau. Bài báo đề xuất các chiến lược thiết kế và lựa chọn tối ưu cho các bit trong các điều kiện làm việc và cấu trúc địa chất khác nhau, đồng thời tóm tắt các biện pháp phòng ngừa khi sử dụng chúng, qua đó cung cấp tài liệu tham khảo để cải thiện việc lựa chọn và ứng dụng các bit PDC khai thác. Việc lựa chọn sáng suốt và sử dụng đúng cách các bit PDC khai thác có thể tối đa hóa hiệu quả của chúng, giảm thiểu lãng phí tài nguyên và tăng cường an toàn, hiệu quả và các hoạt động thân thiện với môi trường trong khai thác than.