هیدرولیک مته حفاری سنگ: چگونه طراحی فلاشینگ عملکرد حفاری را بهبود می‌بخشد
یک مته حفاری سنگ کاری بیش از شکستن سنگ انجام می‌دهد. همچنین باید خرده‌های سنگ را به سرعت و به طور مداوم از ته سوراخ خارج کند. اگر ذرات ریز سنگ در اطراف مته باقی بمانند، دوباره خرد می‌شوند، انرژی حفاری هدر می‌رود، نفوذ کند می‌شود و تولید گرد و غبار می‌تواند افزایش یابد.
این امر طراحی شستشوی چاه را به بخش مهمی از مهندسی مته حفاری سنگ تبدیل می‌کند. شکل شیارهای شستشو، جهت خروجی آب یا هوا و چرخش مته، همگی بر میزان کارایی خروج خرده‌های حفاری از سوراخ تأثیر می‌گذارند.
چرا حذف قلمه‌ها اهمیت دارد؟
در حین حفاری ضربه‌ای، دکمه‌ها یا قطعات کاربیدی، سنگ را به قطعاتی خرد می‌کنند. این قطعات باید از کف چاه، از طریق کانال‌های شستشوی مته و از گمانه خارج شوند.
وقتی عملیات حفاری به خوبی انجام نشود، خرده‌های سنگ در ته چاه جمع می‌شوند. سپس مته به جای برخورد با سنگ تازه، بارها و بارها به موادی که قبلاً شکسته شده‌اند برخورد می‌کند. این امر چندین مشکل ایجاد می‌کند:
ضریب نفوذ کمتر.
مصرف انرژی بالاتر به ازای هر متر حفاری شده.
سایش سریع‌تر کاربید و فولاد مته.
افزایش گرما در سطح برش.
گرد و غبار بیشتر و کاهش دید.
خطر بیشتر گیر کردن مته یا حفاری ناپایدار.
شستشوی کارآمد به هر ضربه کمک می‌کند تا کار مفیدی انجام دهد. همچنین مته را خنک‌تر نگه می‌دارد و رشته حفاری را از لرزش و بار غیرضروری محافظت می‌کند.
طراحی شیار فلاشینگ سنتی
بسیاری از مته‌های حفاری سنتی سنگ از شیارهای شستشو استفاده می‌کنند که به طور گسترده موازی با محور مته هستند. این طرح، یک مسیر جریان واضح را فراهم می‌کند و ساخت آن ساده است. با این حال، همیشه مسیر واقعی سیال مملو از قلمه‌ها را در حین حفاری منعکس نمی‌کند.
یک مته حفاری سنگ ثابت نمی‌ماند. همزمان ضربه می‌زند، می‌چرخد و پیشروی می‌کند. در نتیجه، آب یا هوایی که ذرات ریز سنگ را حمل می‌کند، به جای یک مسیر محوری مستقیم، یک مسیر منحنی را دنبال می‌کند. هر چه مته سریع‌تر بچرخد، این اثر چرخشی می‌تواند قوی‌تر شود.
اگر هندسه شیار، حرکت طبیعی جریان شستشو را پشتیبانی نکند، مقاومت افزایش می‌یابد. در این صورت انرژی بیشتری برای انتقال خرده‌ها از طریق شیار و بالا رفتن از سوراخ مورد نیاز است.
هندسه شیار ساده
یک شیار شستشوی ساده برای هدایت آب، هوا و خرده‌های حفاری در امتداد یک مسیر جریان نرم‌تر طراحی شده است. به جای در نظر گرفتن شیار به عنوان یک کانال مستقیم ساده، این طرح اثر ترکیبی جریان شستشوی محوری و چرخش مته را در نظر می‌گیرد.
مناسب‌ترین زاویه شیار به چندین عامل بستگی دارد:
سرعت چرخش بیت.
قطر بیت.
محیط شستشو: آب، هوا یا سیستم ترکیبی.
قطر سوراخ و عمق حفاری.
نوع سنگ و اندازه برش ایجاد شده.
طراحی صفحه کلید و طرح دکمه.
از نظر عملی، سرعت‌های چرخش بالاتر ممکن است به زاویه شیار برجسته‌تری نیاز داشته باشند زیرا جریان قلمه‌ها دارای مؤلفه محیطی قوی‌تری است. حفاری با سرعت پایین‌تر ممکن است به زاویه کوچکتری نیاز داشته باشد. هدف، کاهش تلاطم و مقاومت غیرضروری جریان و در عین حال حفظ سطح عبور کافی برای حذف مطمئن قلمه‌ها است.
جهت چاه تخلیه نیز به همان اندازه مهم است
موقعیت و جهت سوراخ‌های شستشو بر میزان کارایی جاروب شدن خرده‌های حفاری از سطح مته تأثیر می‌گذارد. سوراخ‌های شستشوی سطح به حرکت ذرات ریز از ناحیه مرکزی به سمت بیرون کمک می‌کنند. سوراخ‌های شستشوی شیاری می‌توانند به انتقال این مواد به جریان اصلی برگشتی کمک کنند.
اگر این دو جریان در مقابل یکدیگر قرار گیرند، انرژی تلف می‌شود و ممکن است خرده‌های سنگ در نزدیکی ناحیه‌ی اندازه‌گیری گردش کنند یا ته‌نشین شوند. یک طراحی بهتر، جهت خروجی‌ها را هماهنگ می‌کند تا مسیرهای جریان از یکدیگر پشتیبانی کنند.
هدف صرفاً حداکثر فشار آب نیست. شستشوی مؤثر از استفاده کارآمد از فشار موجود حاصل می‌شود. یک سیستم با طراحی خوب می‌تواند جریان را به سمت مناطقی که احتمال جمع شدن خرده‌های سنگ بیشتر است، به ویژه در نزدیکی لبه ته چاه و در امتداد بخش گیج، هدایت کند.
مزایای هیدرولیک بهتر مته
هندسه شستشوی بهبود یافته می‌تواند چندین مزیت عملیاتی را به همراه داشته باشد:
حذف سریع‌تر خرده‌های سنگ.
ضریب نفوذ بالاتر.
کاهش سایش مواد شکسته.
دمای سطح بیت کاهش یافته است.
عمر بهبود یافته بدنه‌های کاربیدی و فولادی.
شرایط حفاری پایدارتر.
تولید کمتر گرد و غبار ریز معلق در هوا.
نتیجه، استفاده کارآمدتر از انرژی ضربه مته است. به جای خرد کردن مکرر ذرات ریز، مته می‌تواند تماس خود را با سنگ تازه حفظ کرده و به طور مؤثرتری پیشروی کند.
در استفاده میدانی، بهبود واقعی به شرایط سنگ، پارامترهای حفاری و کل سیستم حفاری بستگی دارد. طراحی مته ای که در سنگ سخت و خشک به خوبی کار می کند، ممکن است در زمین نرم، ترک خورده یا آبدار به ویژگی های شستشوی متفاوتی نیاز داشته باشد.
طراحی باید با کل سیستم حفاری مطابقت داشته باشد
طراحی فلاشینگ را نمی‌توان از بقیه مته جدا کرد. طرح دکمه‌ها، شکل سطح، محافظت گیج، قطر مته و تنظیمات مته سنگ، همگی بر عملکرد هیدرولیکی تأثیر می‌گذارند.
برای مثال، مته با شیارهای شستشوی عالی ممکن است در صورت ناکافی بودن منبع آب، مسدود بودن سوراخ شستشوی میله یا استفاده از تنظیمات نامناسب تغذیه و چرخش توسط تیم حفاری، همچنان عملکرد ضعیفی داشته باشد. به همین ترتیب، شکل صحیح شیار باید با فشار موجود و حجم قلمه‌های مورد انتظار سازگار باشد.
تولیدکنندگان ابزار باید از آزمایش‌های آزمایشگاهی، تحلیل جریان سیال و آزمایش‌های میدانی برای ارزیابی طرح‌های جدید مته استفاده کنند. تیم‌های حفاری باید هنگام مقایسه گزینه‌های مته، نرخ نفوذ، سطح گرد و غبار، سایش مته، عملکرد شستشو و وضعیت سوراخ را کنترل کنند.
مسیر جریان بهتر، حفاری بهتر را پشتیبانی می‌کند
راندمان حفاری سنگ فقط با قدرت ضربه یا کیفیت کاربید تعیین نمی‌شود. نحوه حرکت آب، هوا و خرده‌های سنگ در اطراف مته نیز به همان اندازه مهم است. مته‌ای با شیارهای ساده و سوراخ‌های شستشوی هماهنگ می‌تواند مقاومت جریان را کاهش دهد، کف سوراخ را به طور مؤثرتری تمیز کند و راندمان هر ضربه را بهبود بخشد.
برای معادن، معادن سنگ و پیمانکاران، انتخاب مته با هندسه شستشوی خوب طراحی شده می‌تواند سایش را کاهش دهد، بهره‌وری را بهبود بخشد و از عملیات حفاری ایمن‌تر و تمیزتر پشتیبانی کند.
