من كسر الصخور إلى المتانة: تحليل متعمق للتصميم الهيكلي لقمة الحفر أسفل البئر
مع التطور المستمر في تقنيات تفجير الثقوب العميقة والتعدين، انتشرت رؤوس الحفر العميقة بسرعة حول العالم منذ نشأتها بفضل مزاياها المهمة، مثل الكفاءة العالية والسلامة وحماية البيئة وبساطة هيكلها وسهولة تشغيلها. ومع ذلك، نظرًا لبيئة العمل القاسية والعوامل غير المتوقعة التي لا يمكن السيطرة عليها أثناء التشغيل، فإن رؤوس الحفر العميقة معرضة بشدة لأشكال مختلفة من التلف أثناء الاستخدام، مما يقلل بشكل كبير من عمرها الافتراضي. وقد أظهرت الممارسة طويلة الأمد وجود العديد من العوامل التي تؤثر على عمر رأس الحفر. فبالإضافة إلى الظروف الخارجية، مثل بيئة العمل، ووضع التشغيل، وضغط العمل، والبنية الجيولوجية، بالإضافة إلى العوامل الداخلية مثل مادة جسم رأس الحفر وأداء أسنان الكربيد، لا ينبغي الاستهانة بتأثير هيكل رأس الحفر على عمره الافتراضي. ومن بين هذه العوامل، شكل أسنان السبائك، وتوزيعها، وزاوية ميلها الخارجي، وأخدود تصريف مسحوق الرأس أو خزان المياه، وغيرها من التصاميم الهيكلية لرأس الحفر، والتي تلعب دورًا مهمًا في تحسين عمره الافتراضي.
1. آلية كسر الصخور لرؤوس الحفر
لتصميم هيكل مثقاب حفر عالي الجودة، من الضروري أولاً توضيح آلية كسر الصخور. ينقل مثقاب الحفر بشكل رئيسي موجة الصدمة الناتجة عن المطرقة، ويصطدم بسطح الصخور بتردد عالٍ، مما يتسبب في تشققات شعاعية وكسر الصخور. عند دوران قضيب الحفر، يتم ضغط الصخور وسحقها وإزالتها. الحفر والتنقيب هما نتيجة التأثير المشترك للصدمات عالية التردد والكشط المستمر. في الوقت نفسه، وبدفع تدفق الهواء عالي الضغط، يتم تفريغ حطام الصخور المفتتة من الحفرة لتحقيق الغرض من الحفر.
2. التحليل الهيكلي لرؤوس الحفر
يتكون مثقاب الحفر أسفل الحفرة بشكل أساسي من جسم فولاذي (جسم البنطال)، وأنبوب نايلون في ذيل الحفر، وأسنان كربيد، ونظام نفخ عادم المسحوق.
(I) هيكل جسم البنطلون لرؤوس الحفر أسفل الحفرة
بصفته قاعدة لقمة الحفر، يلعب هيكل البنطال دورًا هامًا في نقل موجات الصدمة الإجهادية، وتثبيت أسنان السبائك، ونقل عزم الدوران. يشبه هيكله هيكل عمود التدرج ذي الشق، ولكنه يختلف عن أجزاء عمود التدرج العادية. يجب أن يتحمل تأثير المطرقة المحوري عالي التردد أثناء نقل عزم الدوران، كما أن ظروف العمل قاسية للغاية.
عند تصميم المعلمات الهيكلية لجزء التوصيل في مثقاب الحفر العميق، تُعدّ مطابقة حجم السن اللولبي أمرًا بالغ الأهمية. بعض الشركات لا تدرك متطلبات دقة أبعاد أدوات حفر التعدين، وتميل إلى تجاهل مطابقة العناصر أثناء التصميم والمعالجة. بعض الشركات التي لا تستطيع إنتاج مثقاب صدمي غالبًا ما تستخدم خلوصًا أكبر لضمان توافقه مع مطارق الشركات الأخرى. هذا يجعل رؤوس الحفر عرضة لقوة التأثير المحيطية اللحظية التي يضيفها غلاف سن اللولبي المطرقة عند الاستخدام، وكلما زاد الخلوص، كان التأثير أوضح. عندما تتجاوز ذروة قوة القص الناتجة عن قوة التأثير المحيطية والإجهاد الإيجابي الناتج عن قوة التأثير المحوري عالية التردد الإجهاد المسموح به لمادة هيكل البنطال، سيؤدي ذلك إلى كسر هيكل البنطال وانهياره وكسر أسنان السبائك، مما يؤثر بشكل كبير على عمر مثقاب الحفر. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي الخلوص الزائد عن الحد إلى فقدان الطاقة أثناء عمل المثقاب، مما يقلل من كفاءة الإنتاج. لذلك، عند تحديد معلمات جزء توصيل مثقب الحفر، يجب استخدام الخلوص الصغير قدر الإمكان لتقليل فقدان الطاقة وتلف مثقب الحفر مع ضمان قابلية تبادل المنتج.
(الثاني) أسنان السبائك لرؤوس الحفر أسفل الحفرة
أسنان الكربيد مسؤولة عن استقبال موجات الإجهاد عالية التردد من المطرقة ونقلها إلى سطح الصخر للمشاركة في عملية القطع. القوى المؤثرة أثناء التشغيل معقدة، وخاصةً أسنان سبيكة الحافة، التي تكون عرضة لعزم الانحناء وعزم الدوران تحت تأثير قوة الاصطدام عالية التردد، مما يؤدي إلى كسر الأسنان أو تكسرها. لذلك، عند تصميم لقمة الحفر، من الضروري مراعاة درجة سبيكة المعدن وشكل الأسنان وتوزيعها بشكل شامل، واختيارها بشكل مناسب وفقًا لصلابة الصخور المختلفة والهياكل الجيولوجية وظروف العمل.
شكل أسنان السبائك
• أسنان مخروطية الشكل: تتميز هذه الأسنان بشكل حاد، ومساحة تلامسها مع الصخور صغيرة أثناء التشغيل، ومقاومتها منخفضة، ما يسهل اختراقها للصخور، وسرعة الحفر فيها عالية. ومع ذلك، نظرًا لحجمها الرقيق، وضعف مقاومتها للانحناء والالتواء، وارتفاعها العالي بعد تثبيتها، وعزم انحناء كبير أثناء التشغيل، وسهولة كسرها، فهي مناسبة لضغط تشغيل أقل من 1.6 ميجا باسكال، وصلابة صخرية تبلغ حوالي 14 درجة فهرنهايت (بورتوريكو)، وخالية من التشققات، وتركيب جيولوجي جيد. في هذه الحالة، تكون المؤشرات الاقتصادية والفنية مهمة. يجمع شكل الأسنان المكافئ أو الرصاصي الذي ظهر في السنوات الأخيرة بين مزايا الأسنان المخروطية، ويحسن بشكل فعال مقاومة الانحناء والالتواء وعمر خدمة أسنان السبائك.
أسنان الكرات: تتميز بمقاومة ممتازة للانحناء والالتواء، وأداء ممتاز في مقاومة الصدمات والقوة، وتاج كروي كامل، ومقاومة عالية للتآكل، وعمر خدمة طويل. تُستخدم على نطاق واسع في مختلف البيئات الجيولوجية ذات ضغط العمل وصلابة الصخور، وخاصةً في مناطق الضغط العالي التي تزيد عن 1.6 ميجا باسكال، وفي الهياكل الجيولوجية المعقدة (مثل الطبقات البينية والشقوق). عيبها هو كبر مساحة التلامس مع الصخور، وارتفاع مقاومة الاحتكاك، مما يؤثر سلبًا على سرعة الحفر وكفاءة العمل.
• أسنان الإسفين: بنية خاصة، قدرة كبيرة على التآكل، ارتفاع الأسنان مرتفع، سرعة حفر سريعة، عمر خدمة طويل، وأداء اقتصادي كبير في البيئات ذات ضغط العمل المنخفض، وصلابة الصخور أقل من f=14 وظروف جيولوجية جيدة.
أسنان السبائك بأشكالها المختلفة لها نطاق تطبيقها وخصائصها الخاصة. يجب اختيار نوع السن المناسب بالتجربة وبالتوافق مع الظروف الواقعية.
▶ توزيع وعدد أسنان السبائك
استنادًا إلى آلية كسر الصخور في رؤوس الحفر، ومع مراعاة شاملة لاقتصادية الإنتاج وموثوقية العمل، تُستخدم غالبًا طريقة ترتيب الأسنان غير المتماثلة غير المركزية غير المتصلة. تعني اللامركزية أن السن الأول في مركز رأس الحفر يكون مُزاحًا عن مركز رأس الحفر بمقدار L، والذي يُعادل عادةً ثلثي قطر سن السبيكة المركزية d (انظر الشكل 1)، بحيث يُؤدي سن السبيكة حركة قطع دائرية حول نقطة مُحددة أثناء التشغيل لضمان إزالة الصخور بشكل كامل وفعال.
يضمن ترتيب الأسنان غير المتماثل استقرار وموثوقية قطع الحفر على أساس الانحراف. يبدأ ترتيب الأسنان غير المستمر من الاقتصاد. على أساس ضمان تأثير القطع، يتم ترتيب عدد محدود من أسنان السبائك بشكل معقول لجعل أسنان السبائك متوترة بالتساوي وإزالة الصخور تمامًا في قاع حفرة الانفجار. يمكن حساب الحد الأدنى لعدد أسنان السبائك للأسنان الجانبية وتحديدها بالصيغة التجريبية نمين ≥ k f1 /f2 (نمين هو الحد الأدنى لعدد أسنان السبائك للأسنان الجانبية، f1 هو تردد التأثير، f2 هو تردد الدوران، k هو المعامل التجريبي، وعادة ما يكون 1.2 - 1.3). هذه الصيغة هي العدد المثالي للأسنان لضمان إزالة الصخور خلال دورة دوران واحدة (كما هو موضح في الشكل 2أ). إذا كان عدد الأسنان صغيرًا جدًا، فسيحدث الموقف (كما هو موضح في الشكل 2ب). الصخور التي لا يمكن إزالتها تمامًا في تردد الصدمة الأول لن تُكمل مهمة إزالة الصخور الناتجة عن هذا التصادم فحسب، بل ستزيل أيضًا الصخور التي لم تُزال في تردد الصدمة السابق بنفس معدل التغذية بعد تردد الصدمة الثاني. سيؤدي هذا إلى زيادة حادة في القوة اللحظية المؤثرة على أسنان السبيكة. عند تجاوز حد قوة السبيكة، ستنكسر أسنان السبيكة ويُخرَج لقمة الحفر. لذلك، عند تصميم العدد الفعلي لأسنان السبيكة، يجب ضرب المعامل التجريبي k لاستبعاد هذا الاحتمال. أي أنه ضمن تردد صدمة واحد، يكون مجموع أطوال أقواس مسارات القطع لكل سن من السبيكة أكبر من محيط الدائرة التي يقع فيها سن السبيكة (كما هو موضح في الشكل 2ج). يضمن هذا إزالة الصخور تمامًا وتقليل القوة المؤثرة على كل سن بشكل مناسب لمنع الضرر الناتج عن مقاومة القطع اللحظية المفرطة. مع ذلك، كلما زاد عدد أسنان السبيكة، كان ذلك أفضل. سيؤدي كثرة الأسنان إلى زيادة التكاليف، وزيادة مقاومة الاحتكاك، وتقليل مساحة تفريغ المسحوق، والتأثير على تأثير تفريغ المسحوق.
يجب ترتيب أسنان السبائك المعدنية في أعلى لقمة الحفر بأقل قدر ممكن لضمان تأثير القطع، بحيث يكون كل سن متوترًا بالتساوي، مما يُحسّن كفاءة تكسير الصخور. عند ضبط عدد وموقع أسنان السبائك المعدنية، يجب التأكد من أن نتوءات كل سن في اتجاه معين متدرجة، وعدم وجود فجوات بينها (انظر الشكل 3) لمنع تأثير الصخور غير المقطوعة على سرعة الحفر وعمر لقمة الحفر.
(الثالث) نظام عادم ونفخ مسحوق مثقاب الحفر
يتكون نظام عادم ونفخ المسحوق لقمة الحفر السفلية من ثقب ذيل لقمة الحفر، وثقب النفخ على السطح العلوي، وأخاديد عادم المسحوق العلوية والجانبية (انظر الشكل 4). ثقب النفخ على السطح العلوي وثقب الذيل متدرجان مكانيًا. عند التصميم، من الضروري مراعاة عوامل شاملة مثل قطر لقمة الحفر، وضغط الهواء العامل، واستهلاك الهواء، وقطر ثقب الذيل لضمان تطابق جميع العناصر. عادةً، عندما يكون ضغط الهواء ثابتًا، يجب أن يكون مجموع مساحات المقطع العرضي لكل ثقب نفخ أصغر من مساحة المقطع العرضي لثقب الذيل (S1 + S2 +... + القصدير ≤ S0، S0 هي مساحة المقطع العرضي لثقب ذيل الحفر، S1، S2، القصدير هي مساحات المقطع العرضي لكل ثقب نفخ). يمكن أن يلعب هذا الهيكل دورًا في تخزين الغاز، وتعويض فقدان الطاقة والضغط الناتج عن تدفق الهواء عالي الضغط في خط الأنابيب، وتسهيل إزالة المسحوق والخبث.
تزداد زاوية الحقن α لثقب النفخ (الزاوية بين محور ثقب الحقن والمحور المركزي لرأس الحفر) عمومًا مع زيادة ضغط هواء العمل. تُظهر الاختبارات أنه كلما ارتفع ضغط هواء العمل، اقترب تدفق الهواء عالي الضغط ومسحوق الصخور من سطح قطع الصخور، مما يُسهّل إزالة الخبث. في هذه الحالة، يجب اعتبار زاوية الحقن α قيمة أكبر. إذا كان ضغط الهواء مرتفعًا وزاوية الحقن α صغيرة جدًا، فسيتحرك الغبار على السطح الفولاذي لرأس الحفر بعد انعكاسه من قاع الحفرة، مما يُفاقم تآكل جسم الفولاذ، ويتسبب في كشف الأسنان الوسطى وكسرها، ويُقصّر عمر رأس الحفر.
يجب اختيار عمق أخدود تفريغ المسحوق بشكل معقول وفقًا لعوامل مثل ضغط هواء العمل وصلابة الصخور. كلما زاد ضغط العمل أو صلابة الصخور، قلّ عمق أخدود تفريغ المسحوق، وإلا فسيكون أكبر. يجب ألا يتجاوز عمق أخدود تفريغ المسحوق العلوي عمق السن الأوسط المضغوط في الهيكل الفولاذي، ويجب ألا يتجاوز عمق أخدود تفريغ المسحوق الجانبي موضع الخط المركزي للسن الجانبي المصنوع من سبيكة معدنية، وذلك لتجنب انخفاض قدرة الهيكل الفولاذي على مقاومة القوى الخارجية، والتسبب في انهيار الأسنان وفقدانها، والتأثير على عمر خدمة لقمة الحفر.
