Soluzioni per la perforazione di rocce dure: competenze operative efficienti per i perforatori idraulici

La roccia dura con resistenza superiore a 150 MPa oppone una resistenza alla perforazione che le formazioni morbide e medie non offrono. Il carburo della punta entra in contatto con una superficie che non si lascia facilmente deformare — pertanto ogni colpo deve trasferire un’energia sufficiente per innescare una frattura, non semplicemente per deformare elasticamente la roccia. Se l’energia di percussione per colpo risulta inferiore a quella necessaria affinché quella specifica roccia si fratturi, il colpo genera calore e usura sulla punta senza far progredire la perforazione. Questo è il motivo per cui la perforazione in roccia dura fallisce non solo a causa di scelte errate di attrezzature, ma anche per l’impiego di attrezzature corrette con parametri operativi inadeguati.

Le competenze che distinguono una perforazione efficace in roccia dura da una perforazione costosa in roccia dura riguardano soprattutto la capacità di riconoscere quando il sistema sta interagendo correttamente con la roccia — e quando invece sta semplicemente consumando carburante.

Il problema della soglia energetica nella perforazione in roccia dura

Ogni tipo di roccia presenta un'energia d'impatto soglia al di sotto della quale ogni colpo produce esclusivamente una deformazione elastica: la roccia ritorna alla sua forma originale senza subire fratture permanenti. Al di sopra di tale soglia, si generano e propagano crepe e l'utensile avanza. Tale soglia aumenta con la resistenza a compressione uniassiale (UCS): il granito, con un UCS di 200 MPa, ha una soglia molto più elevata rispetto al calcare, il cui UCS è di 80 MPa. Un perforatore che eroga 150 J per colpo può forare in modo efficiente il calcare, mentre riesce a stento a provocare fratture nel granito — non perché 150 J sia un valore 'basso', ma perché 150 J è inferiore alla soglia caratteristica di quella formazione geologica.

L'implicazione pratica: nelle rocce dure, non ridurre la pressione di percussione. Operare al 80% della pressione di percussione nominale per 'preservare l'attrezzatura' nel granito duro è controproducente: il perforatore impiega più ore per metro forato, la corona e le aste subiscono un numero maggiore di cicli di impatto cumulativi per metro di avanzamento (poiché ogni colpo è meno efficace) e il consumo totale di acciaio per perforazione aumenta. Le rocce dure richiedono energia massima per colpo, abbinata a una forza di avanzamento corretta per mantenere il contatto durante ogni colpo.

Selezione della corona: la geometria dei bottoni è più importante della dimensione

Per formazioni dure con resistenza superiore a 150 MPa, la geometria dei bottoni della corona determina l'efficienza con cui l'energia d'impatto si converte in propagazione di fessurazioni. I bottoni balistici (conici) penetrano più profondamente per colpo ed sono adatti a rocce dure omogenee. I bottoni sferici distribuiscono l'area di contatto in modo più ampio e risultano più resistenti in rocce dure fratturate o eterogenee, dove i carichi asimmetrici derivanti dalle fessure potrebbero scheggiare una geometria più affilata.

Diametro del bottone — il diametro di ciascun inserto in carburo — deve corrispondere alla durezza della formazione. Bottoni con diametro maggiore distribuiscono il carico su una superficie più ampia, riducendo lo sforzo agente su ciascun bottone nelle rocce estremamente dure. Bottoni con diametro minore concentrano l’energia nel punto di contatto, garantendo una migliore penetrazione nelle formazioni di media durezza. L’impiego di una geometria di trapano per formazioni tenere su granito duro provoca un’usura rapida del carburo, poiché ogni bottone è troppo piccolo per resistere al carico di rimbalzo generato dall’interfaccia rocciosa ad alta resistenza a compressione (UCS).

Impostazioni dei parametri per rocce dure e indicatori di regolazione

Riconoscere l’usura della trapano prima che diventi catastrofica

Nella roccia dura, l’usura della trapano è più rapida e meno tollerante rispetto alle formazioni morbide. I tre indicatori che rivelano lo stato della trapano ancor prima di un’ispezione completa sono: la diminuzione della velocità di penetrazione senza alcuna variazione dei parametri operativi (il carburo usurato trasferisce meno energia di frattura per colpo), l’aumento della pressione di rotazione senza cambiamenti geologici (è necessario maggiore momento torcente poiché il carburo di calibrazione si consuma e il diametro esterno della trapano si riduce, aumentando il perimetro di contatto), e l’accentuarsi della durezza del suono prodotto dalla percussione (i pulsanti usurati consentono alla faccia della trapano di entrare in contatto più diretto con la roccia, modificando la forma dell’onda di stress nella barra).

Gli intervalli di sostituzione delle frese nel granito duro devono essere determinati dai dati relativi alla velocità di penetrazione, non da un intervallo fisso in ore: tale velocità diminuisce in modo prevedibile con l’usura del carburo e intervenire al calo del 15–20% invece di attendere un calo del 35–40% significa che la fresa usurata ha perforato a velocità ridotta per un numero di metri significativamente inferiore prima della sostituzione. Registrare i metri perforati per fresa, anziché le ore per fresa, fornisce una metrica normalizzata rispetto alla formazione geologica, coerente tra diverse campagne di perforazione.

Gestione delle filettature delle aste nella roccia dura

La durata dei filetti delle aste in roccia dura è inferiore rispetto a quella in formazioni morbide, poiché la combinazione di energia di percussione massima, coppia di rotazione elevata e tendenza della roccia dura a incastrare la corona genera cicli ripetuti di sollecitazione elevata in corrispondenza di ogni giunto filettato. La radice del filetto costituisce il sito di innesco della fatica. I raccordi cementati durano da 3 a 4 volte di più rispetto ai tipi standard trattati termicamente nelle applicazioni su roccia dura. La lubrificazione dei filetti con un composto anti-grippaggio specifico — non semplicemente qualsiasi grasso — previene il trasferimento adesivo di materiale metallico sulle superfici filettate durante i carichi d’urto.

L'ispezione del filetto dopo ogni ciclo nella perforazione in roccia dura è una pratica standard nei siti ad alto utilizzo. Le fessurazioni alla radice del filetto sono visibili, sotto illuminazione intensa, al diametro maggiore; una fessura rilevata alla radice indica una frattura imminente sotto carico percussivo. Sostituire una barra fessurata prima che si fratturi evita l’operazione di recupero della colonna di perforazione necessaria in caso di frattura in corso di foratura. HOVOO fornisce kit di tenuta per i principali modelli di drifter impiegati nella perforazione in roccia dura—Epiroc COP 1838+, Sandvik HL/RD series, Furukawa HD700—in composti PU e HNBR adeguati alla temperatura di esercizio. Riferimenti su hovooseal.com.