วิธีการปรับความดันและพลังงานกระแทกของเครื่องเจาะหินไฮดรอลิก?

มีเหตุผลที่ผู้ขับเจาะที่มีประสบการณ์มักพูดถึง 'สัมผัส' เมื่อพวกเขาเริ่มเจาะหน้าใหม่ แรงกระแทก แรงหมุน และแรงป้อนไม่ทำงานอย่างอิสระต่อกัน—แต่กลับเชื่อมโยงกันผ่านหัวเจาะในลักษณะที่การปรับค่าพารามิเตอร์ใดพารามิเตอร์หนึ่งโดยไม่พิจารณาค่าอื่นๆ จะส่งผลให้เกิดผลลัพธ์ที่คาดเดาไม่ได้ ในกระบวนการเจาะแบบหมุน-กระแทก ระยะทางการทำงานของลูกสูบจะเปลี่ยนแปลงไปจริงๆ ตามแรงป้อนและสภาวะการหมุนที่หัวเจาะ หากมีแรงกดล่วงหน้ามากเกินไป จะทำให้ระยะทางการเคลื่อนที่ของลูกสูบลดลง ความเร็วขณะกระทบลดลง และพลังงานการกระแทกก็ลดลงตามไปด้วย แต่หากมีแรงกดล่วงหน้าน้อยเกินไป หัวเจาะจะสูญเสียการสัมผัสกับวัสดุระหว่างการกระแทกแต่ละครั้ง ทำให้พลังงานการกระแทกแต่ละครั้งสูญเปล่าไปในอากาศ

การเชื่อมโยงกันนั้นได้รับการบันทึกไว้ในงานวิจัยด้านกลศาสตร์การเจาะภาคสนามมาตั้งแต่หลายสิบปีก่อน ผลลัพธ์เชิงปฏิบัติคือ การปรับพารามิเตอร์เป็นการทรงตัวอย่างรอบด้านระหว่างการควบคุมทั้งสี่ประการ ได้แก่ ความดันแรงกระแทก ความถี่แรงกระแทก ความเร็วการหมุน และแรงป้อน — ไม่ใช่การเพิ่มประสิทธิภาพด้วยตัวแปรเดียว การเข้าใจว่าการควบคุมแต่ละตัวมีผลต่อระบบอย่างไรจริง ๆ นั้นคือจุดเริ่มต้นก่อนที่จะหมุนวาล์วใด ๆ

การควบคุมแต่ละพารามิเตอร์ทำหน้าที่อะไร — และไม่ทำหน้าที่อะไร

ความดันการตีขับเคลื่อนการเร่งพิสตันระหว่างการแรงแรง ความดันสูงขึ้นทําให้ความเร็วของพิสตันสูงขึ้น เมื่อกระแทก แต่ความสัมพันธ์นั้นเป็นแบบปาราโบล่า ไม่ใช่เส้นตรง ข้อมูลความดันทํางานจากเครื่องเจาะคลุม YZ45 แสดงว่าประสิทธิภาพพลังงานสูงสุดอยู่ที่ 12.8 13.6 MPa และลดลงในทั้งสองด้าน ต่ํากว่าจุดสูงสุด: ความเร็วพิสตันไม่เพียงพอ มากกว่านั้น: ความดันเกินทําให้พิสตองถึงแกนเร็วเกินไป การจับคู่ระหว่างเวลาพิสตองและการพลิกคลุม

ความถี่ของการตีกระจายพลังงานไฮดรอลิกแบบเดียวกันไปอย่างต่างกัน—นั่นคือ การตีจำนวนครั้งต่อวินาทีมากขึ้นแต่พลังงานต่อการตีแต่ละครั้งต่ำลง หรือการตีจำนวนครั้งต่อวินาทีน้อยลงแต่พลังงานต่อการตีแต่ละครั้งสูงขึ้น สำหรับอัตราการไหลและแรงดันไฮดรอลิกที่กำหนดไว้ ทั้งสองปัจจัยนี้มีลักษณะเป็นการแลกเปลี่ยนกัน ดังนั้น การปรับความถี่ผ่านปลั๊กควบคุมหรือสกรูปรับระยะช่วงการตีบนโมดูลการตี จะเปลี่ยนตำแหน่งที่เครื่องเจาะทำงานอยู่บนเส้นโค้งการแลกเปลี่ยนนั้น ทั้งสองขั้วสุดนี้ไม่ได้มีความถูกต้องโดยธรรมชาติแต่อย่างใด ความแข็งของชั้นหินและกลไกการแทรกซึมเป็นตัวกำหนดว่าการตั้งค่าใดเหมาะสมกว่า

ความเร็วในการหมุนกำหนดระยะที่หัวเจาะหมุนระหว่างการกระแทกแต่ละครั้ง หากหัวเจาะหมุนไกลเกินไป การกระแทกครั้งใหม่จะกระทบกับหินบริสุทธิ์โดยไม่ได้รับประโยชน์จากรอยแตกที่เกิดจากการกระแทกก่อนหน้า ทำให้ประสิทธิภาพลดลง แต่หากหมุนน้อยเกินไป วัสดุคาร์ไบด์จะกระแทกลงบนรอยสึกหรอเดิมซ้ำๆ จนเกิดผงละเอียดที่ล้างออกได้ยากขึ้น และก่อให้เกิดความเครียดเชิงความร้อนต่อวัสดุคาร์ไบด์ งานวิจัยที่ดำเนินการโดยบริษัท LKAB ที่เหมืองมัลเบอร์เกต (Malmberget) ซึ่งติดตามและตรวจสอบการเจาะแบบ ITH ภายในหลุมเจาะ พบว่า ความแปรปรวนของแรงดันหมุนเป็นตัวบ่งชี้ที่เชื่อถือได้ของการแตกร้าวของมวลหินที่อยู่ด้านหน้า—ซึ่งเป็นการเตือนใจว่า ความเร็วในการหมุนนั้นไม่ได้มีหน้าที่เพียงแค่จัดตำแหน่งหัวเจาะเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่เป็นสัญญาณวินิจฉัยด้วย

แรงป้อน (Feed force) ทำหน้าที่ดันหัวเจาะให้แนบชิดกับผิวหินระหว่างการตีแต่ละครั้ง ในหลุมแนวตั้ง ความดันป้อนจะต้องชดเชยน้ำหนักของชุดแท่งเจาะที่เพิ่มขึ้นตามความลึกของหลุม — ข้อมูลจากการศึกษาของ LKAB เดียวกันนี้แสดงว่า ความดันป้อนเพิ่มขึ้นตามความยาวของหลุมในลักษณะที่สอดคล้องกับแรงต้านเชิงทฤษฎีที่เกิดจากน้ำหนักของชุดแท่งเจาะ อย่างไรก็ตาม การคำนวณจะเปลี่ยนไปในกรณีของหลุมเอียง แรงป้อนที่ตั้งไว้สำหรับหลุมแนวตั้งที่ความลึก 20 เมตร จะส่งผลให้หัวเจาะถูกดันมากเกินไปหรือไม่เพียงพอเมื่อใช้ในหลุมที่เอียง 60 องศา แม้ที่ความลึกเท่ากัน

ตารางปฏิสัมพันธ์: สิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อพารามิเตอร์หนึ่งค่าผิดพลาด

การตั้งค่าพารามิเตอร์สำหรับรูปแบบการก่อตัวที่แตกต่างกัน

หินอ่อนนุ่มที่มีความแข็งต่ำกว่า 60 MPa ไม่จำเป็นต้องใช้แรงกระทุ้นสูงสุด เนื่องจากแต่ละครั้งที่กระทุ้นจะเจาะเข้าไปในหินได้อย่างง่ายดาย ดังนั้นข้อจำกัดจึงเปลี่ยนไปอยู่ที่การกำจัดเศษหิน (cuttings) มากกว่าการแตกร้าวของหิน การใช้แรงกระทุ้นเต็มที่ในการเจาะหินปูนอ่อนหรือหินดินเหนียวจะทำให้เกิดการเจาะลึกอย่างรวดเร็วจนระบบล้างเศษหิน (flushing circuit) ไม่สามารถรองรับได้ — รูเจาะจะเต็มไปด้วยเศษหินละเอียดเร็วกว่าที่ระบบจะสามารถขจัดออกได้ ส่งผลให้เกิดแรงดันย้อนกลับ (backpressure) ซึ่งทำให้แนวรูเจาะเบี่ยงเบน ดังนั้นควรลดแรงกระทุ้นลงเหลือ 60–70% ของค่าที่ระบุไว้ และเพิ่มความเร็วในการหมุนเพื่อช่วยในการกำจัดเศษหิน

หินแกรนิตที่มีความแข็งสูงกว่า 180 MPa ต้องใช้การตั้งค่าแบบตรงข้าม: ความดันกระทบสูงสุด แรงป้อนที่แน่นหนาเพื่อรักษาการสัมผัสระหว่างหัวเจาะกับหินให้คงที่ตลอดพื้นผิวที่มีความต้านทานต่อแรงกระแทกสูง และความเร็วในการหมุนที่ต่ำลง เพื่อให้คาร์ไบด์สามารถทำงานแยกรอยแตกที่เพิ่งเกิดขึ้นก่อนจะเคลื่อนย้ายไปยังตำแหน่งใหม่ ความแปรผันของความดันขณะหมุน—ซึ่งเป็นตัวชี้วัดความต้านทานของหัวเจาะต่อการหมุน—จะสูงในหินแกรนิตที่แข็งมาก และต่ำในบริเวณที่มีรอยแยก การสังเกตเข็มวัดความดันขณะหมุนระหว่างการเจาะจะช่วยแจ้งเตือนผู้ปฏิบัติงานล่วงหน้าเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของชั้นหิน ก่อนที่อัตราการเจาะจะลดลง

ชั้นหินที่แตกร้าวและมีดินเหนียวแทรกซึมเข้าไปเป็น formations ที่ยากที่สุดในการตั้งค่าให้เหมาะสมที่สุด แรงกระแทกควรลดลงจากค่าที่ใช้สำหรับหินแข็ง เนื่องจากแรงกระแทกแต่ละครั้งจะถ่ายโอนไปยังผนังรอยแยกแทนที่จะเป็นหินที่สมบูรณ์ ทำให้เกิดอัตราการเจาะที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น แต่ในขณะเดียวกันก็ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของแท่งเจาะอย่างไม่สามารถคาดการณ์ได้ ฟังก์ชันป้องกันการติดขัด—ซึ่งระบบควบคุมตรวจจับการหยุดหมุนของแท่งเจาะแล้วทำการกลับทิศทางหรือลดแรงกระแทกชั่วคราว—เป็นฟังก์ชันมาตรฐานบนเครื่องเจาะแบบจัมโบ้รุ่นใหม่ โดยเฉพาะเนื่องจากพื้นที่ที่มีชั้นหินแตกร้าวคือบริเวณที่มักเกิดการติดขัดของแท่งเจาะอยู่บ่อยครั้ง สำหรับเครื่องแบบควบคุมด้วยตนเอง ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องสังเกตการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของแรงดันหมุนซึ่งเกิดขึ้นก่อนการติดขัด และลดแรงดันป้อนล่วงหน้าอย่างทันท่วงที

ความชันของแรงดันป้อนในหลุมลึก

ปฏิสัมพันธ์ของพารามิเตอร์หนึ่งตัวที่ไม่ปรากฏชัดเจนในตารางการตั้งค่าแบบนิ่ง: ความดันป้อน (feed pressure) จะต้องเพิ่มขึ้นตามความลึกของรูเจาะ เพื่อรักษาแรงคงที่ที่กระทำต่อหัวเจาะ (bit) น้ำหนักของชุดแท่งเจาะ (drill string) เองจะสร้างแรงต้านที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อมีการต่อแท่งเจาะเพิ่มเข้าไป ดังนั้น ความดันป้อนที่สามารถยึดหัวเจาะให้แน่นหนาได้ที่ความลึก 5 เมตร จะให้แรงสุทธิเป็นลบเมื่อเจาะลึกถึง 25 เมตร หากไม่มีการปรับค่าความดันนี้ให้เหมาะสม ข้อมูลภาคสนามจากการตรวจสอบการเจาะในกระบวนการผลิตแสดงว่า ความดันป้อนจะเพิ่มขึ้นแบบเชิงเส้นตามความยาวของรูเจาะในกรณีที่เครื่องเจาะทำงานอย่างถูกต้อง

บนแท่นเจาะที่มีระบบควบคุมพารามิเตอร์อัตโนมัติ การปรับค่าดังกล่าวจะเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติผ่านวงจรควบคุมความดันป้อน ในขณะที่บนเครื่องเจาะที่ควบคุมด้วยตนเอง ผู้ปฏิบัติงานมักตั้งค่าความดันป้อนไว้ตอนเริ่มต้นของการต่อแท่งเจาะหนึ่งแท่ง และไม่ทำการปรับค่าดังกล่าวตลอดความยาวของชุดแท่งเจาะทั้งหมด ผลที่ตามมาคือ การป้อนที่รุนแรงเกินไปในช่วงความลึกตื้น และการป้อนที่ไม่เพียงพอในช่วงความลึกมาก ซึ่งทั้งสองกรณีส่งผลต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานและแนวตรงของรูเจาะในทางตรงกันข้ามกันภายในรูเจาะเดียวกัน

เมื่อการปรับแต่งไม่สามารถช่วยได้อีกต่อไป: สภาพของซีลเป็นตัวแปรที่ซ่อนอยู่

มีขีดจำกัดหนึ่งที่การปรับแต่งพารามิเตอร์ไม่สามารถกู้คืนประสิทธิภาพการทำงานได้อีกต่อไป นั่นคือเมื่อซีลของลูกสูบกระทบ (percussion piston seal) เริ่มรั่วไหลทำให้แรงดันไฮดรอลิกส์รั่วผ่านไป ไม่ว่าค่าตั้งค่าใดๆ บนแผงควบคุมจะถูกปรับอย่างไร ก็ยังคงทำงานอยู่ภายใต้ระบบที่ไม่สามารถทำงานตามแบบที่ออกแบบไว้แล้ว ปริมาณพลังงานกระทบที่ใช้งานได้จะลดลงตามสัดส่วนของปริมาตรการรั่วไหล ไม่ว่าจุดตั้งค่าแรงดัน (pressure set point) จะอยู่ที่ระดับใดก็ตาม ดังนั้นอัตราการเจาะที่ลดลงในสถานการณ์เช่นนี้จึงไม่ใช่ปัญหาของพารามิเตอร์ แต่เป็นปัญหาด้านการบำรุงรักษา

การวินิจฉัยแยกโรค: แทรคเตอร์เจาะ (drifter) ที่ตั้งค่าพารามิเตอร์ถูกต้องแต่มีซีลสึกหรอ จะแสดงอัตราการเจาะที่ลดลงแม้แรงดันตามมาตรวัดยังอยู่ในเกณฑ์ปกติ และอุณหภูมิของน้ำมันที่ไหลกลับสูงกว่าปกติ ในทางกลับกัน แทรคเตอร์เจาะที่มีพารามิเตอร์ตั้งค่าไม่เหมาะสมก็จะแสดงอัตราการเจาะที่ลดลงเช่นกัน แต่อุณหภูมิของน้ำมันที่ไหลกลับยังอยู่ในเกณฑ์ปกติ ดังนั้นอุณหภูมิจึงเป็นสัญญาณบอกที่ชัดเจนที่สุด HOVOO จัดจำหน่ายชุดซีลสำหรับแทรคเตอร์เจาะทุกยี่ห้อหลัก ผลิตจากวัสดุ PU และ HNBR ที่เลือกให้สอดคล้องกับช่วงอุณหภูมิในการใช้งาน รายละเอียดแบบจำลองทั้งหมดสามารถดูได้ที่ hovooseal.com