Thanh khoan đá và mũi khoan đá: Chống mài mòn, kéo dài đáng kể tuổi thọ sử dụng

Máy khoan đá thủy lực bản thân nó hiếm khi khiến một dự án bị thất thoát tiền. Các vật tư tiêu hao mới là nguyên nhân chính. Thanh khoan và mũi khoan được thay thế thường xuyên hơn nhiều so với bộ khoan (drifter) mà chúng được gắn vào, và trong khoan sản xuất—khi một máy khoan dài (longhole jumbo) duy nhất có thể luân chuyển hàng chục bộ thanh khoan mỗi tháng—việc lựa chọn sai vật liệu sẽ làm tăng đáng kể chi phí trên mỗi mét trước khi bất kỳ ai nhận ra.

Mỏi ren, mòn viên nút (button) và cong thanh khoan do tốc độ quay không phù hợp là ba dạng hỏng hóc thường xuyên xuất hiện tại các công trường nơi vật tư tiêu hao được đặt hàng chỉ dựa trên giá thành. Bài viết này trình bày những yếu tố thực sự ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng, cũng như cách lựa chọn thông số kỹ thuật của thanh khoan và mũi khoan sao cho phù hợp với máy khoan và loại đá (formation) mà chúng sẽ làm việc.

Tại sao thanh khoan lại hỏng sớm hơn so với thời gian dự kiến

Các thanh khoan chịu hai loại tải đồng thời: sóng ứng suất va đập truyền từ phần cán đến mũi khoan, và mô-men xoắn xoay thanh khi mũi khoan cào trên bề mặt đá. Hai loại ứng suất này không tương thích với nhau. Tải va đập mang tính nén và lan truyền ở tần số cao; còn mô-men xoắn mang tính xoắn và liên tục. Thanh khoan phải chịu được cả hai loại tải này mà không bị mỏi tại các mối nối ren — nơi thực tế xảy ra phần lớn các sự cố.

Thiết kế ren bất đối xứng—trong đó mặt chịu tải và mặt tiếp xúc (stab flank) có hình học khác nhau—làm tăng độ cứng của mối nối dưới tải va đập, đồng thời vẫn đảm bảo việc siết chặt và tháo rời dễ dàng, sạch sẽ. Các nhà sản xuất thanh khoan cao cấp thiết kế chính xác hình dạng ren nhằm đáp ứng điều kiện chịu tải kép này. Việc sử dụng thép hợp kim 23CrNiMo hoặc loại tương đương mang lại độ dai cần thiết để hấp thụ chu kỳ va đập, đồng thời chống lại hiện tượng mỏi bề mặt bắt đầu từ hiện tượng dính mòn (galling) tại các bề mặt tiếp xúc ren.

Áp suất truyền động không phù hợp là yếu tố gia tốc tiềm ẩn gây hỏng thanh khoan. Nếu lực đẩy vào quá thấp, dây khoan sẽ mất tiếp xúc với đá giữa các cú va đập — hiện tượng rung lắc thanh khoan (rod whip) xảy ra ở tần số 40–60 Hz tạo ra ứng suất uốn mà xử lý nhiệt đơn thuần không thể bù đắp được. Ngược lại, nếu lực đẩy quá cao, mũi khoan sẽ bị kẹt, thanh khoan chịu toàn bộ tải xoắn khóa (torque lock-up), dẫn đến hiện tượng tuột ren một cách nhanh chóng.

Mũi khoan đầu bi carbide: Độ cứng của tầng đất đá quyết định cấp độ carbide phù hợp

Ba dạng hình học đầu bi đáp ứng hầu hết các ứng dụng khoan đầu búa (top hammer): hình cầu, bán đạn đạo và hình nón. Đầu bi hình cầu là lựa chọn mặc định cho tầng đất đá có độ cứng trung bình đến cao — có khả năng chống mài mòn tốt và khoảng thời gian mài lại dự báo được. Đầu bi bán đạn đạo khoan nhanh hơn trong đá mềm hoặc đá nứt vỡ. Hình học đầu bi hình nón tập trung ứng suất để khoan hiệu quả nhất trong các tầng đá cứng và mài mòn cao nhất, nơi lực phá đá tối đa trên mỗi cú va đập quan trọng hơn tuổi thọ đầu bi.

Cấp độ carbide là yếu tố biến đổi khác. Các cấp độ carbide có độ cứng thay đổi theo chiều sâu (ví dụ như GC81 của Sandvik) sử dụng thành phần có độ cứng chuyển dần từ lõi dai hơn sang lớp bề mặt cứng hơn—do đó, viên nút chống lại cả nứt vỡ do va đập từ bên trong lẫn mài mòn bề mặt từ bên ngoài. Các cấp độ carbide tự tôi cứng tiến xa hơn: carbide sẽ tăng dần độ cứng dưới tải va đập, nhờ đó kéo dài đáng kể khoảng thời gian giữa hai lần mài đầu tiên khi khoan trong đá granit hoặc thạch anh cứng.

Về mặt thực tiễn, các mũi khoan hạng nặng sử dụng carbide cao cấp có tuổi thọ phục vụ lên đến gấp đôi so với các mũi khoan tiêu chuẩn trong điều kiện đá phù hợp. Hệ số nhân này chỉ đúng khi đường kính mũi khoan được chọn phù hợp với tốc độ quay của máy khoan—nếu carbide quay nhanh hơn góc xoay cần thiết cho mỗi lần va đập thì nó sẽ liên tục va chạm lại vào cùng một vết mài mòn thay vì vào bề mặt đá mới.

Lựa chọn thanh nối và mũi khoan theo ứng dụng

Các số liệu về tuổi thọ phục vụ nêu trên là các giá trị tham khảo thực tế trong điều kiện đá ổn định và thông số khoan được thiết lập đúng. Các lớp đá nứt nẻ hoặc có lẫn đất sét có thể làm giảm phạm vi này từ 30–50% do tiếp xúc giữa mũi khoan và đá không đều cũng như việc các hạt mài mòn xâm nhập vào mặt trước của mũi khoan.

Bộ chuyển đổi thân khoan: Điểm chuyển tiếp mà không ai thay thế sớm đủ

Bộ chuyển đổi thân khoan nằm giữa piston và thanh khoan đầu tiên. Bộ phận này hấp thụ lực va đập trực tiếp từ piston tại mặt tiếp xúc đồng thời truyền mô-men xoắn quay vào chuỗi thanh khoan thông qua các răng then hoa. Mòn các răng then hoa trên thân khoan không gây ra triệu chứng rõ ràng—bộ chuyển đổi vẫn vừa khít, máy khoan vẫn hoạt động—nhưng sự mòn này làm tăng độ rơ ngang, dẫn đến độ võng của thanh khoan và làm gia tăng tốc độ mỏi tại khớp nối đầu tiên.

Trên các máy khoan sản xuất dưới lòng đất có chu kỳ hoạt động cao, bộ chuyển đổi thân khoan (shank adapters) thường cần được kiểm tra sau mỗi 500 giờ va đập và thay thế trước khi đạt 1.000 giờ, bất kể tình trạng bề ngoài như thế nào. Việc vận hành một thân khoan đã mòn trên máy khoan COP 2238+ hoặc Sandvik HL1560T về cơ bản đồng nghĩa với việc chi trả chi phí bảo trì cao cho thiết bị khoan (drifter), trong khi đồng thời làm giảm tuổi thọ phục vụ của thanh khoan (rod) ở đầu kia của chuỗi khoan.

Tổn thất năng lượng trong chuỗi khoan và chi phí tương ứng trên mỗi mét

Mỗi mối nối trong chuỗi khoan đều là một điểm tiềm ẩn gây tổn thất năng lượng. Một mối nối ren phù hợp tốt và sạch sẽ truyền sóng ứng suất va đập với mức phản xạ tối thiểu. Ngược lại, một mối nối ren đã mòn hoặc không phù hợp sẽ phản xạ một phần sóng ứng suất trở lại thiết bị khoan (drifter), làm giảm độ xuyên sâu trên mỗi cú va đập và làm tăng chu kỳ nhiệt đối với các gioăng làm kín vỏ thiết bị khoan (drifter housing seals).

HOVOO cung cấp các bộ phớt khoan đá được sản xuất theo dung sai tiêu chuẩn của nhà sản xuất gốc (OEM) dành cho các thương hiệu máy khoan chính sử dụng dây cáp thanh truyền dẫn kiểu búa trên—bao gồm các dòng Epiroc COP, Sandvik HL/RD và Furukawa. Khi lên lịch bảo trì dây cáp thanh truyền dẫn, việc kiểm tra phớt máy khoan nên được thực hiện đồng thời theo cùng khoảng thời gian; chính năng lượng phản xạ gây suy giảm tuổi thọ thanh truyền dẫn cũng làm tăng ứng suất chu kỳ tác động lên các phớt buồng va đập. Tham khảo đầy đủ các mã model tại hovooseal.com.