حفاری سنگ سخت بدون گیر کردن: سه راز اصلی تنظیم پارامترها
سازندهای سخت (مثال‌های معمول: گرانیت، بازالت) سختی و چقرمگی بالایی دارند که الزامات سختگیرانه‌ای را برای تطبیق پارامترهای حفاری اعمال می‌کنند. تنظیم صحیح پارامترهای سرعت چرخش، فشار مته (فشار سرمته) و حذف قلمه‌ها (شستشو) کلید بهبود نرخ نفوذ و کاهش سایش ابزار است. در زیر یک راهنمای عملی دقیق برای تنظیم پارامترها در این سه بعد هسته ارائه شده است.
سرعت چرخش: برای اطمینان از شکست مؤثر، از سرعت پایین استفاده کنید. سختی بالای سنگ سخت، نیاز به عملکرد با سرعت پایین دارد، زیرا ابزارهای برش دکمه‌ای (درج‌های دکمه‌ای) به زمان تماس کافی برای شکستن سنگ نیاز دارند. ساختار متراکم و شکستگی‌های طبیعی کم به این معنی است که ابزارهای برش باید با فشار پایدار به سنگ فرو بروند. اگر چرخش خیلی سریع باشد، زمان تماس بسیار کوتاه می‌شود و ابزار برش قبل از وقوع شکست مؤثر، از کار می‌افتد. این کار نه تنها باعث بهبود راندمان نمی‌شود، بلکه باعث سنگ‌زنی خشک نیز می‌شود که سایش مته را تسریع می‌کند.
در عمل، سرعت چرخش در حفاری سنگ سخت معمولاً بین 30 تا 60 دور در دقیقه کنترل می‌شود. به عنوان مثال، در گرانیت، افزایش سرعت تا 100 دور در دقیقه باعث می‌شود که تیغه‌های مته روی سطح بلغزند و فقط خراش‌های کم‌عمقی ایجاد کنند بدون اینکه به داخل سنگ نفوذ کنند. کاهش سرعت تا حدود 40 دور در دقیقه به تیغه‌ها اجازه می‌دهد تا در تماس باقی بمانند، فشار پایدار اعمال کنند و سنگ را بر اساس سختی و هندسه گوه‌ای خود گوه/شکاف دهند - که باعث بهبود راندمان شکست بیش از 30٪ و کاهش قابل توجه سایش مته می‌شود.
فشار حفاری (فشار مته): اعمال فشار بالا برای غلبه بر مقاومت سنگ. مقاومت فشاری بالا در سنگ سخت (اغلب حدود ۱۰۰ مگاپاسکال) نیاز به فشار حفاری کافی برای غلبه بر مقاومت سازند و وادار کردن تیغه‌های حفاری به نفوذ دارد. فشار ناکافی باعث می‌شود تیغه‌ها به جای فرو رفتن، روی سطح بلغزند (لغزش کنند). فشار بالای مناسب به تیغه‌ها اجازه می‌دهد تا بر تنش‌های سطحی غلبه کنند، وارد شکاف‌های داخلی یا مرزهای کریستالی شوند و سنگ را از طریق یک عمل ترکیبی فشردن-برش بشکنند.
فشار مته معمولی برای عملیات سنگ سخت بین ۳ تا ۵ مگاپاسکال تنظیم می‌شود. در نمونه‌های استخراج سنگ سخت، این موضوع واضح است: در فشار مته تنها ۲ مگاپاسکال، مته‌های حفاری برای ایجاد نقاط شکست مؤثر تلاش می‌کنند و نفوذ ممکن است کمتر از ۰.۵ متر بر ساعت باشد. افزایش فشار به ۴ مگاپاسکال امکان درگیری عمیق مته، چرخه‌های فشار دوره‌ای برای گسترش شکستگی‌ها و افزایش نفوذ به حدود ۱.۲ تا ۱.۵ متر بر ساعت را فراهم می‌کند. سنگ شکسته همچنین تمایل دارد یکپارچگی بلوک را برای جابجایی‌های بعدی بهتر حفظ کند.
حذف قلمه‌ها (شستشو): اطمینان از شستشوی کافی برای حفظ سطح کار تمیز اگرچه قلمه‌های حاصل از حفاری سنگ سخت خوب هستند، اما نفوذ آهسته باعث تجمع آنها در کف چاه می‌شود و یک چرخه معیوب از شکستن مکرر و مجدد ایجاد می‌کند: قلمه‌های انباشته شده، تماس تازه بین ابزار برش و سنگ سالم را مسدود می‌کنند و باعث افزایش سایش و اتلاف انرژی می‌شوند. بنابراین هدف اصلی تنظیم حذف قلمه‌ها، تضمین جریان شستشوی کافی برای حذف سریع قلمه‌های کف چاه است.
برای حفاری در سنگ سخت، جریان مایع شستشو باید در حدود ۴۰ تا ۸۰ لیتر در دقیقه حفظ شود. به عنوان مثال، در یک پروژه تونل زیرزمینی سنگ سخت، جریان شستشوی اولیه ۳۰ لیتر در دقیقه باعث شد ۵ تا ۸ سانتی‌متر از خرده‌های حفاری در کف انباشته شود؛ مته‌ها هر ۲ ساعت نیاز به تعویض داشتند و پیشروی روزانه کمتر از ۸ متر بود. پس از افزایش جریان به ۶۰ لیتر در دقیقه، خرده‌های باقیمانده به کمتر از ۱ سانتی‌متر کاهش یافت، عمر مته بیش از ۸ ساعت افزایش یافت، پیشروی روزانه به ۱۵ تا ۱۸ متر افزایش یافت و هزینه‌های تهیه مته به دلیل کاهش سایش حدود ۴۰ درصد کاهش یافت.
هماهنگی پارامترها: منطق تعامل سه‌جانبه تنظیم پارامترها برای حفاری سنگ سخت، بهینه‌سازی تک‌عاملی نیست، بلکه تطبیق هماهنگ سه پارامتر است. نکات کلیدی هماهنگی:
سرعت و فشار مته: هنگام افزایش فشار مته، سرعت چرخش را پایین نگه دارید تا از اضافه بار آنی و آسیب به مته در شرایط سرعت/فشار بالا جلوگیری شود.
فشار شستشو و مته: هنگام افزایش جریان شستشو، فشار مته را متناسب با آن تنظیم کنید تا از بی‌ثبات شدن دیواره چاه در اثر شستشو جلوگیری شود.
تنها با تطبیق سرعت چرخش، فشار مته و تخلیه/براده‌ها در یک مجموعه سازگار، حفاری سنگ سخت می‌تواند به راندمان بالا با مصرف کم دست یابد.
