Các dụng cụ khoan giếng quan trọng: Hướng dẫn toàn diện về phân loại và ứng dụng mũi khoan côn lăn và mũi khoan kim cương

01 Mũi khoan hình nón lăn: Công cụ đa năng thích ứng với nhiều loại địa hình.

Kể từ khi ra đời vào năm 1909, mũi khoan côn lăn đã trở thành loại mũi khoan được sử dụng rộng rãi nhất trong khoan xoay. Thiết kế cấu trúc đa côn độc đáo cho phép chúng thích ứng với nhiều điều kiện địa chất khác nhau, từ mềm đến cực cứng.

Cấu trúc và các công nghệ cốt lõi

Mũi khoan côn lăn bao gồm năm thành phần cốt lõi:

• Thân mũi khoan: Ba chân hình nón được hàn lại với nhau, có ren nối ở phần trên.
• Con lăn côn: Thân kim loại hình nón có răng được phay hoặc răng được gắn trên bề mặt.
• Hệ thống ổ trục: Gồm bốn bộ ổ trục: ổ trục lớn, ổ trục trung bình, ổ trục nhỏ và ổ trục chặn.
• Vòi phun: Thường có 3-4 vòi, đường kính 7-14 mm.
• Hệ thống chứa và làm kín dầu: Vòng đệm bằng cao su hoặc kim loại kết hợp với thiết bị bù áp.

Trong số đó, công nghệ làm kín ổ trục là một bước đột phá công nghệ quan trọng đối với mũi khoan côn lăn. Các mũi khoan hiện đại sử dụng hệ thống bù áp suất bằng dầu, duy trì sự cân bằng động giữa áp suất dầu trong khoang ổ trục và áp suất cột chất lỏng khoan dưới đáy giếng thông qua các bộ phận như lỗ truyền áp suất, màng chắn bù áp suất và cốc dầu.

Hệ thống phân loại và mã hóa IADC

Hiệp hội các nhà thầu khoan quốc tế (IADC) đã phát triển một tiêu chuẩn phân loại thống nhất toàn cầu cho mũi khoan hình nón lăn, sử dụng hệ thống mã hóa ba chữ số:

Chữ số đầu tiên: Loại răng và hình thái răng áp dụng.

1: Răng được mài, cấu tạo mềm

2: Răng được mài, địa tầng có độ cứng trung bình đến trung bình cứng

3: Răng được mài, cấu tạo cứng và dễ mài mòn

5: Chèn răng, hình thành từ mềm đến trung bình

6: Chèn răng, hình thành từ các khối cứng vừa phải

7: Chèn răng, các cấu tạo cứng và mài mòn

8: Răng cắm vào, cấu tạo cực kỳ cứng và có khả năng mài mòn cao.

Chữ số thứ hai: Phân loại độ cứng của tầng địa chất (Cấp 1-4; số càng cao biểu thị tầng địa chất càng cứng).

Chữ số thứ ba: Đặc điểm cấu trúc bit

4: Vòng bi lăn kín

6: Vòng bi trượt kín

7: Vòng bi trượt kín + bảo vệ thước đo chèn

8: Mũi khoan lệch hướng dùng cho khoan định hướng

Hệ thống phân loại IADC đơn giản hóa cho mũi khoan hình nón lăn

Cơ chế phá đá và đặc điểm chuyển động

Trong quá trình hoạt động, mũi khoan hình nón lăn thể hiện ba loại chuyển động phức hợp:

• Chuyển động quay: Các hình nón quay theo chiều kim đồng hồ cùng với toàn bộ mũi khoan.
• Chuyển động quay: Các răng quay ngược chiều kim đồng hồ quanh trục hình nón.
• Trượt: Bao gồm trượt hướng tâm và trượt tiếp tuyến.

Chuyển động kết hợp này tạo ra hiệu ứng phá đá kép:

1.Hiệu ứng nghiền va đập: Sự tiếp xúc luân phiên giữa răng đơn và răng đôi với lỗ đáy tạo ra rung động dọc, tạo ra tải trọng va đập.

2.Hiệu ứng trượt cắt: Hiện tượng trượt cắt đá được tạo ra thông qua thiết kế các cấu trúc nhô ra, hình nón kép và lệch tâm.

Chiến lược lựa chọn và sự phù hợp đội hình 

Nguyên tắc cơ bản để lựa chọn mũi khoan côn dựa trên đặc tính đá:

• Địa chất mềm: Chọn mũi khoan có cấu trúc lệch tâm, nhô ra và hình nón kép, được trang bị răng phay hoặc răng chèn cao, rộng và thưa.
• Các tầng đá có độ cứng trung bình: Giảm giá trị của độ lệch, độ nhô ra và hình nón kép; sử dụng các mũi khoan ngắn, hẹp và dày đặc.
• Đối với các địa tầng cứng và dễ mài mòn: Sử dụng con lăn hình nón đơn không có phần nhô ra hoặc lệch tâm, được trang bị răng bi hoặc răng bi hình nón.
• Các tầng địa chất dễ bị lệch hướng: Chọn mũi khoan răng ngắn, không có độ lệch hoặc độ lệch nhỏ, và không có răng định vị.
• Các tầng địa chất mềm và cứng xen kẽ: Chọn loại mũi khoan dựa trên độ cứng của đá và điều chỉnh thông số một cách linh hoạt trong quá trình khoan.

Ứng phó với các điều kiện làm việc đặc biệt

• Lỗ khoan nhỏ (<177 mm): Sử dụng mũi khoan côn một con lăn, có côn, răng và ổ bi lớn hơn để có độ bền cao hơn.
• Khoan định hướng: Chọn mũi khoan định hướng đặc biệt có chữ số thứ ba của mã IADC là 8. 

02 Mũi khoan kim cương: Công cụ mạnh mẽ cho các tầng địa chất cứng 

Là vật liệu cứng nhất trong tự nhiên, kim cương có độ cứng Mohs cấp 10, độ bền nén lên đến 8800 MPa và khả năng chống mài mòn gấp 9000 lần so với thép. Nhờ đặc tính này, mũi khoan kim cương đã trở thành công cụ tối ưu để xử lý các địa tầng cứng.

Hệ thống phân loại và sự tiến hóa công nghệ

Mũi khoan kim cương hiện đại chủ yếu được chia thành ba loại:

1.Mũi khoan kim cương gắn trên bề mặt

• Các hạt kim cương lộ ra trên bề mặt chất nền.
• Thích hợp cho các loại đất có độ cứng trung bình đến cứng.
• Phân loại kích thước hạt kim cương:
• Dạng khoáng mềm: 2 hạt trên mỗi carat (gpc) (kích thước hạt xấp xỉ 4 mm)
• Các dạng đá có độ cứng trung bình: 3-4 gpc (kích thước hạt khoảng 3,6 mm)
• Các dạng đá cứng: 10-15 gpc (kích thước hạt khoảng 2,0 mm)

2.Mũi khoan kim cương tẩm

• Kim cương được phân tán bên trong ma trận (60-400 gpc).
• Thích hợp cho các loại đá cứng và dễ mài mòn (ví dụ: đá lửa, đá dolomit chứa silic).
• Quá trình tự mài sắc của kim cương đạt được nhờ sự mài mòn của ma trận.

3.Mũi khoan PDC (Mũi khoan kim cương đa tinh thể dạng nén)

• Được hãng General Electric (GE) của Hoa Kỳ giới thiệu lần đầu vào năm 1973.
• Cấu trúc nhỏ gọn: Lớp kim cương + chất nền cacbua xi măng.
• Thích hợp cho các tầng đất đồng nhất có độ cứng từ mềm đến trung bình.

Thiết kế kết cấu và các thông số cốt lõi

Mũi khoan kim cương có thiết kế nguyên khối không có bộ phận chuyển động, chủ yếu bao gồm:

• Thân bằng thép: Được làm từ thép cacbon trung bình, có ren nối ở phần trên.
• Vật liệu nền: Bột cacbua vonfram + kim loại liên kết gốc đồng, có độ cứng HRC 30-45.
• Nguyên liệu cắt: Kim cương tự nhiên/tổng ​​hợp hoặc đá PDC dạng nén.
• Công trình thủy lợi: Các dòng chảy và kênh dẫn nước (hình tia, hình xoắn ốc, v.v.).

Các thông số thiết kế chính

• Nồng độ kim cương: Được điều chỉnh dựa trên độ mài mòn của tầng đá; nồng độ cao hơn đối với các tầng đá có độ mài mòn cao hơn.
• Chiều cao phần nhô ra:
• Các dạng mềm: 1/3 kích thước hạt
• Các cấu trúc cứng: 1/6-1/10 kích thước hạt
• Hình dạng môi:
• Đáy phẳng: Dùng cho các tầng địa chất đồng nhất.
• Cong: Dùng cho các địa hình cứng.
• Răng cưa: Dùng cho các bề mặt có tính mài mòn.

Cơ chế phá vỡ đá và phản ứng hình thành

Phương pháp phá đá của mũi khoan kim cương thay đổi tùy thuộc vào đặc tính của địa tầng:

Các cấu tạo dẻo (ví dụ: đá bùn, thạch cao): Tương tự như quá trình "cày xới"; kim cương xuyên qua cấu tạo để gây ra sự biến dạng dẻo của đá.

Các tầng đá dễ vỡ (ví dụ: đá sa thạch thạch anh): Các hố nghiền thể tích được hình thành, với kích thước cắt gấp 2-4 lần độ nhô ra của kim cương, dẫn đến hiệu quả cao.

Đá cứng (ví dụ: đá lửa, đá silic): Sử dụng mũi khoan tẩm chất bảo vệ, và việc phá vỡ đá được thực hiện thông qua quá trình cắt và cào xước siêu nhỏ, tương tự như quá trình mài mòn bằng đá mài.

Ưu điểm và hạn chế kỹ thuật của bit PDC

Là một sản phẩm mang tính cách mạng trong dòng mũi khoan kim cương, mũi khoan PDC có những ưu điểm độc đáo:

Đặc điểm cấu trúc

Mũi khoan PDC thân thép: Thép cacbon trung bình nguyên khối với xử lý tôi cứng bề mặt.

Mũi khoan PDC thân ma trận: Thân thép phía trên + ma trận vonfram cacbua phía dưới, mang lại hiệu suất tốt hơn.

Thiết kế hồ sơ

Hình parabol: Thích hợp cho các tầng địa chất mềm, cho phép khoan sâu và đạt tốc độ cao.

Đầu tròn: Dùng cho khoan bàn xoay, giúp dễ dàng xuyên qua các lớp vật liệu cứng.

Đầu khoan hình nón: Dùng cho khoan tốc độ cao, với hiệu suất xuyên thấu tốt.

Giới hạn ứng dụng

Không thích hợp cho các tầng đá sỏi và các tầng đá mềm-cứng xen kẽ.

Giới hạn chịu nhiệt (mài mòn tăng mạnh ở nhiệt độ trên 350℃; hỏng hóc xảy ra ở 700℃).

Khả năng chịu va đập kém; mũi khoan mới dễ bị sứt mẻ cạnh.

Bảng so sánh các loại địa tầng phù hợp cho mũi khoan kim cương

03 Hướng dẫn tuyển chọn khoa học: Phù hợp giữa đội hình và yêu cầu tác chiến

Nguyên tắc vàng khi lựa chọn mũi khoan côn lăn

Phù hợp độ cứng của tầng địa chất

Địa hình mềm: Chọn mũi khoan có độ lệch cao, phần nhô ra và cấu trúc hình nón kép, được trang bị răng hình nêm hoặc hình thìa.

Đối với địa hình cứng: Sử dụng cấu trúc hình nón đơn, không lệch tâm, được trang bị răng hình cầu hoặc răng hình nón-cầu.

Phản ứng với độ mài mòn

Đối với các cấu tạo có tính mài mòn, hãy sử dụng mũi khoan có răng định vị.

Nếu các răng ở hàng ngoài bị mòn tròn trong khi các răng ở giữa ít bị mòn, thì mũi khoan tiếp theo nên được thiết kế với khả năng bảo vệ thước đo tốt hơn.

Các biện pháp đối phó với điều kiện làm việc đặc biệt

Đối với các dạng địa chất dễ bị lệch hướng: Chọn mũi khoan răng ngắn, không có độ lệch hoặc độ lệch nhỏ; khả năng thích ứng với địa hình nên mềm hơn một chút so với địa hình thực tế.

Các tầng đá mềm và cứng xen kẽ: Chọn mũi khoan dựa trên độ cứng của đá và điều chỉnh thông số một cách linh hoạt trong quá trình khoan.

Khoan giếng sâu: Sử dụng mũi khoan có tổng chiều dài lớn để bù lại thời gian rút mũi khoan bị mất.

Chiến lược lựa chọn mũi khoan kim cương

Điều kiện áp dụng cho các bit PDC

Kịch bản tối ưu: Các tầng địa chất dài, đồng nhất, mềm đến cứng vừa (ví dụ: đá phiến sét, đá bùn, thạch cao).

Các trường hợp bị cấm: Các tầng đá sỏi, các lớp đá lửa xen kẽ, các tầng đá mềm-cứng xen kẽ.

Cài đặt thông số: Lực ép thấp (30-60 kN), tốc độ quay cao (100-300 vòng/phút), lưu lượng lớn.

Điều kiện áp dụng cho mũi khoan kim cương tự nhiên/tổng ​​hợp

Các dạng địa chất cứng đến cực cứng (ví dụ: đá granit, đá sa thạch thạch anh).

Các thành tạo có tính mài mòn cao (ví dụ: đá lửa, đá dolomit chứa silic).

Các hoạt động khoan tuabin, giếng sâu/siêu sâu và lấy mẫu lõi.

Yêu cầu đặc biệt đối với các bit lõi

Mũi khoan lõi hình nón lăn: Thiết kế bốn con lăn hình nón (hình nón/hình trụ) hoặc sáu con lăn hình nón (hình trụ hoàn chỉnh).

Mũi khoan lõi kim cương: Yêu cầu các cạnh cắt được phân bố đối xứng với khả năng chống mài mòn đồng đều.

Chỉ số quan trọng: Độ đồng tâm giữa lỗ bên trong và vòng tròn bên ngoài để tránh hiện tượng biến dạng hình bầu dục của lõi.

Đánh giá và xử lý các bất thường dưới lòng đất

Xác định tình trạng làm việc của mũi khoan hình nón

Hư hỏng ổ trục: Bàn xoay bị giật định kỳ, tình trạng xấu đi khi lực ép lên cao, tốc độ khoan giảm nhưng áp suất bơm vẫn bình thường.

Mất mát ở phần côn: Hiện tượng kẹt mũi khoan nghiêm trọng, kim chỉ trọng lượng dao động mạnh, thay đổi độ sâu khi kéo cần khoan lên.

Mài mòn răng: Giảm tải trọng bàn xoay, không rung lắc, tốc độ khoan giảm đáng kể.

Những điều kiêng kỵ khi sử dụng Diamond Bits

Cần phải làm sạch đáy giếng trước khi hạ mũi khoan xuống để đảm bảo không còn mảnh vụn kim loại nào sót lại.

Bắt đầu khoan với lực ép nhỏ và tốc độ quay thấp để "chạy rà" (chuẩn bị đáy giếng ở độ sâu 0,5 m).

Tránh các thao tác doa; nếu cần thiết, hãy sử dụng lực ép thấp và tốc độ quay thấp để đảm bảo hoạt động đồng đều.

Liên hệ :Jessie Zhou
Di động/WhatsApp:+0086-18109206861
Trang web:www.landrilltools.com