Concave Face Wear in Impregnated diamond coring bit- HQ size

خلاصه

یکی از روش های عیب یابی مته های آغشته به الماس مخصوص حفاری مغزه گیری اکتشافی بررسی نحوه سایش تاج مته می باشد. از این طرین این امکان وجود دارد تا عملیات حفاری مغزه گیری و پارامتر های آن را عیب یابی کرده و نسبت به تنظیم پارامتر ها اقدام کرد. ضمن اینکه با بررسی این موضوع می توان شرایط درون گمانه را نیز بررسی کرد. اما مبنای تمامی این عیب یابی ها مربوط به تاج مته است. ما در این مقاله ابتدا به تشریح ساختار یک مته می پردازیم و در ادامه نحوه محاسب مقادیر حداکثری حدی مطلق (absolute maximum rating) یک مته سایز HQ را بررسی خواهیم کرد. در ادامه با توجه به این اطلاعات حداکثر و حداقل سرعت حفاری مغزه گیری برای مته سایز HQ را محاسبه خواهیم کرد. در نهایت برمبنای اعداد به دست آمده بررسی خواهیم کرد که چرا مته ها به سمت داخل مقعر می شوند.

مقدمه

سایش مقعر مته به سمت داخل را بر مبنای دو اتفاق می توان تحلیل کرد. مبنای اول تنظیم نبودن پارامتر های حفاری شامل دور حفاری و وزن روی مته مناسب می باشد. مبنای دوم اتفاقاتی که در داخل گمانه می افتد از جمله وجود جسم خارجی در داخل گمانه و شرایط شکشتگی و یا سختی سنگ. در این مقاله ما بر مبنای اول یعنی تنظیم نبودن پارامتر های حفاری تمرکز خواهیم کرد.

برای درک بهتر موضوع نیاز است تا مفاهیم پایه را مرور کنیم.

مفاهیم کلیدی

مفاهیم مورد نیاز در این مبحث عبارتند از

• سرعت زاویه ای
• سرعت خطی

سرعت زاویه ای: عبارت از است از سرعت تغییر زاویه یک جسم دوار بر حسب رادیان بر ثانیه یعنی یک جسم دوار در هر ثانیه چند رادیان (یا درجه ) تغییر زاویه حول محور خود دارد. RPM یا دور در دقیقه نیز از همین جنس سرعت می باشد. در RPM یا دور در دقیقه بیان می دارد یک محور دوار در هر دقیقه چند دور) یا همان 360 درجه کامل و یا 2π  رادیان( تغییر در زاویه دارد.

بنا براین RPM و یا دور در دقیقه همان سرعت زاویه ای است.

سرعت خطی : این جنس از سرعت در واقع همان سرعتی است که همه می شناسم. به عنوان مثال سرعت ماشین بر حسب کیلومتر در ساعت. واحد سرعت خطی در مبنای اصلی متر بر ثانیه است یعنی یک جسم در حال حرکت در یک ثانیه چند متر تغییر مکان می دهد.

بنابراین سرعت خطی همان سرعت بر مبنای متر بر ثانیه است.

نحوه تبدیل سرعت زاویه ای به سرعت خطی و برعکس

هدف از بیان این موضوع در این مقاله این است که رابطه سرعت خطی و زاویه ای بررسی شده و بیان شود چرا در حفاری با افزایش قطر حفاری حداکثر دور مجاز چرخش مته بر حسب دور در دقیقه کاهش می یابد.

به عنوان مثال در حفاری با سایز PQ حداکثر سرعت مجاز برای چرخش مته 600 دور در دقیقه است این عدد برای سایزی HQ 1000 دور در دقیه و برای سایز NQ 1200 دور در دقیقه است. (البته این اعداد بستگی به مته انتخابی و مشخصات فنی ساخت مته دارد و برای مته با برند های متفاوت تغییر خواهد کرد).

البته گفتنی است حداکثر سرعت حفاری به پارامتر های دیگری نیز بستگی دارد از جمله این پارامتر ها عمق گمانه است. در واقع شرایطی در داخل گمانه حادث می شود که حداکثر سرعت حفاری را محدود می کند یکی از این پارامتر ها عمق گمانه است. پارامتر های دیگری از جمله جنس سنگ، ساینده بودن سنگ، سختی سنگ، میزان آبخور بودن گمانه، قدرت دستگاه حفاری، نوع سرمته، مهارت حفار و غیره می تواند حداکثر سرعت حفاری را محدود کند.

برای تبدیل سرعت زاویه ای به سرعت خطی دانستن یک پارامتر ضروری است یعنی بجز سرعت چرخش برحسب دور در دقیقه باید قطر جسم دوار نیز مشخص باشد تا بتوان این دو نوع سرعت را به یکدیگر تبدیل کرد. این بدین معنی است که امکان تبدیل سرعت زاویه ای به سرعت خطی بدون دانستن قطر جسم دوار امکان پذیر نیست.

سرعت زاویه ای بر مبنای فرمول زیر به سرعت خطی تبدیل می شود.

V=(2*3.14*R*RPM)/60

 در این فرمول:

 V سرعت خطی بر حسب متر بر ثانیه

RPM سرعت چرخش جسم دوار بر اساس دور در دقیقه

R شعاع جسم دوار بر حسب متر

حال به عنوان مثال سرعت خطی لبه داخلی و لبه خارجی یک مته Hq که با سرعت 800 دور در دقیقه در حال چرخش است را محاسبه می کنیم.در نظر داشته باشید قطر لبه داخلی تاج مته سایز HQ 63.5  میلی متر و قطر خارجی  تاج مته سایز Hq 95.5  میلی متر است.

ابتدا شعاع داخلی و خارجی تاج مته را به متر تبدیل می کنیم.

شعاع داخلی عبارت است از 0.03175 متر

شعاع خارجی عبارت است از 0.04775 متر

اکنون سرعت خطی لبه داخلی تاج مته به این صورت محاسبه می شود:

V= (2*3.14*0.03172*800)/60=2.66 m/s

سرعت خطی لبه خارجی تاج مته نیز به این صورت است:

V= (2*3.14*0.04775*800)/60=4 m/s

بنابراین سرعت چرخش یک مته حفاری بر اساس سرعت خطی بر حسب متر بر ثانیه برای دور چرخش 800 دور در دقیقه برای لبه داخلی مته 2.66 متر بر ثانیه و برای لبه خارجی مته 4 متر بر ثانیه است.

حال اگر وسط تاج مته را در نظر بگیریم سرعت خطی عبارت است از :

V= (2*3.14*0.03975*800)/60=3.3 m/s

حال سوال اینجاست که  مگر یک مته HQ که با دور 800 د ور در دقیقه در دقیقه در حال چرخش است چند تا سرعت خطی دارد. جواب این سوال بینهایت است. بستگی دارد سرعت خطی را در چه شعاعی از مته مد نظر داشته باشیم مهم در مبحث ما سرعت خطی در لبه داخلی مته و لبه خارجی آن است.

ساختار یک مته حفاری مغزه گیری (Impregnated diamond coring bit)

همانگونه که مستحضرید و در مقالات قبلی به آن اشاره شد، مته های مغزه گیری از نوع مته های آغشته به الماس است. به طور خلاصه در این بند توضیح مختصری در مورد این مته ها ارایه می شود.

این مته ها ازاجزای زیر تشکیل شده اند:

• قسمت فلزی مته که رزوه مته و محل قرارگیری کیس روی آن قرار دارد.
• پایه اتصال مته
• تاج مته که شامل موارد زیر است:
  • پین های نصب شده در قطر داخلی و خارجی مته
  • الماس های مصنوعی (Syntenic  diamond)
  • پودر پایه (matrix)

مبنای تعیین حداکثر و حداقل سرعت چرخش یک مته بر مبنای سرعت خطی

الماس های مصنوعی به کار رفته در تولید مته ها به کار رفته دارای یک سری مشخصات فنی است که سازنده آن الماس در کاتالوگ خود بیان می کند. از جمله این مشخصات حداکثر  و حداقل سرعت خطی است که یک الماس می تواند با زمین برخورد داشته  باشد. این حداکثر و حداقل سرعت تابعی از مشخصات فیزیکی ساخت آن الماس است. این به این معنی است که یک الماس به کار رفته روی مته (به طور مثال یک دانه الماس با قطر کمتر از 0.5 میلی متر) در صورتی که با سرعتی بیشتر از مقدار ذکر شده در مشخصات فنی با زمین برخورد داشته باشد آسیب می بیند همچنین اگر با سرعتی کمتر از سرعت حداقل به زمین برخورد داشته باشد آسیب دیده و عمل برش سنگ به درستی انجام نمی شود. این آسیب ممکن است خرد شدن الماس باشد و یا سوخت الماس(در صورتی که الماس با سرعتی بیشتر از سرعت خطی بحرانی با زمین برخورد کند نرخ گرم شدن آن به گونه ای است که آب داخل گمانه ویا سیال حفاری امکان خنک کردن مته را ندارد. به عبارت دیگر نرخ گرم شده الماس ها بیشتر از نرخ خنک کنندگی سیال حفاری است.)

اینجا مشخص می شود که در صورتی که سرعت برخورد الماس با زمین از یک مقدار بیشتر باشد الماس کارایی خود را از دست خواهد داد. همچنین در صورتی که سرعت از یک مقدار کمتر باشد عمل برش سنگ به درستی انجام نمی شود.

عدد پایه برای بررسی این موضوع به طور تقریبی برای حداکثر سرعت برخورد یک الماس با زمین 5 متر در ثانیه و برای حداقل سرعت برخورد با زمین 3 متر در ثانیه است. در واقع اگر یک  الماس با سرعتی بیشتر از 5 متر در ثانیه با زمین برخورد کند کارایی خود را از دست خواهد داد. همچنین اگر با سرعتی کمتر از 3 متر در ثانیه با زمین برخورد کند عمل برش به درستی انجام نمی شود.

تبدیل حداکثر و حداقل سرعت مجاز برخورد یک الماس با زمین به دور در دقیقه

فرمولی که قبلا در مورد آن صحبت کردیم به این شرح بود:

V=(2*3.14*R*RPM)/60

بر اساس محاسبات ریاضی در صورتی که بخواهیم سرعت چرخش یا همان RPM را از سرعت خطی محاسبه کنیم فرمول فوق به شکل زیر تغییر خواهد کرد.

RPM=(V*60)/( 2*3.14*R(

در این فرمول همچون فرمول قبلی:

 V سرعت خطی بر حسب متر بر ثانیه

RPM سرعت چرخش جسم دوار بر اساس دور در دقیقه

R شعاع جسم دوار بر حسب متر

محاسبه حداقل سرعت حفاری در سایز HQ

حال میخواهیم سرعت چرخش یک مته حفاری سایز HQ را با فرض اینکه سرعت خطی در لبه خارجی تاج، لبه داخلی تاج  وسط تاج مته 3 متر در ثانیه باشد را محاسبه کنیم. همانطور که قبلا گفته شد قطر خارجی تاج مته مته HQ 95.5 میلی متر و قطر لبه داخلی مته نیز 63.5 است.

ابتدا شعاع لبه خارجی مته را به متر محاسبه می کنیم

شعاع لبه خارجی مته= 0.04775 متر

شعاع لبه داخلی =0.03175 متر

شعاع وسط تاج (معادل میانگین لبه خارجی و داخلی) =0.03975متر

اکنون سرعت چرخش لبه خارجی عبارت است از:

RPM=(3*60)/(2*3.14*0.04775)=180/0.29987=600 دور در دقیقه

سرعت چرخش لبه داخلی عبارت است از:

RPM=(3*60)/(2*3.14*0.03175)=180/0.19939=902 دور در دقیقه

سرعت چرخش وسط مته نیز به این شرح است:

RPM=(3*60)/(2*3.14*0.03975) =180/0.24963=721 دور در دقیقه

اعداد فوق به این شرح هستند که در صورتی که مته با دور 902 دور در دقیقه با زمین برخورد کند سرعت خطی لبه داخلی مته3 متر بر ثانیه خواهد بود. در صورتی که مته با 600 دور در دقیقه بچرخد سرعت خطی لبه خارجی مته برابر 3 متر بر ثانیه خواهد بود و در صورتی که سرعت چرخش مته 721 دور در دقیقه باشد سرعت خطی الماسی که وسط تاج مته قرار دارد با سرعت 3 متر بر ثانیه با زمین برخورد خواهد کرد.

محاسبه حداکثر سرعت حفاری در سایز HQ

حال میخواهیم سرعت چرخش یک مته حفاری سایز HQ را با فرض اینکه سرعت خطی در لبه خارجی تاج، لبه داخلی تاج  وسط تاج مته 5 متر در ثانیه باشد را محاسبه کنیم. همانطور که قبلا گفته شد قطر خارجی تاج مته مته HQ 95.5 میلی متر و قطر لبه داخلی مته نیز 63.5 است.

ابتدا شعاع لبه خارجی مته را به متر محاسبه می کنیم

شعاع لبه خارجی مته= 0.04775 متر.

شعاع لبه داخلی =0.03175 متر.

شعاع وسط تاج (معادل میانگین لبه خارجی و داخلی) =0.03975متر.

اکنون سرعت چرخش لبه خارجی عبارت است از:

RPM=(5*60)/(2*3.14*0.04775) =300/0.29987=1000 دور در دقیقه

سرعت چرخش لبه داخلی عبارت است از:

RPM=(5*60)/(2*3.14*0.03175) =300/0.19939=1500 دور در دقیقه

سرعت چرخش وسط مته نیز به این شرح است:

RPM=(5*60)/(2*3.14*0.03975) =300/0.24963=1200 دور در دقیقه

اعداد فوق به این شرح هستند که در صورتی که مته با دور 1500 دور در دقیقه با زمین برخورد کند سرعت خطی لبه داخلی مته3 متر بر ثانیه خواهد بود. در صورتی که مته با 1000 دور در دقیقه بچرخد سرعت خطی لبه خارجی مته برابر 3 متر بر ثانیه خواهد بود و در صورتی که سرعت چرخش مته 1200 دور در دقیقه باشد سرعت خطی الماسی که وسط تاج مته قرار دارد با سرعت 3 متر بر ثانیه با زمین برخورد خواهد کرد.

استخراج حداکثر و حداقل سرعت مته در سایز HQ

بیشتری سرعت خطی با فرض اینکه سرعت چرخش بر حسب دور بر دقیقه ثابت باشد در لبه خارجی اتفاق می افتد بنابراین مبنا برای حداکثر سرعت مجاز مته لبه خارجی است در صورتی که سرعت خطی حداکثر لحاظ شود یعنی 1000 دور در دقیقه

معیار برای حداقل سرعت خطی نیز لبه خارجی است چون همیشه سرعت لبه خارجی در سرعت چرخش ثابت بیشتر از لبه داخلی است. بنابراین سرعت چرخش حداقل در لبه خارجی نیز طبق محاسبات انجام شده 600 دور در دقیقه است.

اعداد فوق برای مته سایز HQ بیانگر این است که حداقل سرعت حفاری می بایست 600 دور در دقیقه و حداکثر سرعت حفاری نیز می بایست 1000 دور در دقیقه باشد.

در جدول زیر  حداکثر سرعت و حداقل سرعت چرخش مته برگرفته از کاتالوگ شرکت های معروف بیان شده است که نشان می دهد اعداد محاسبه شده در این مقاله با اعداد مندرج در کاتالوگ ها همخوانی دارد.

شرکت	حداقل سرعت چرخش	حداکثر سرعت چرخش
Boart longyear	600	1000
DBC	750	950
Jinshi	600	1000
Sino Core Drill	600	1000
Fordia	400	1000

چرا مبنا را برای حداکثر سرعت چرخش لبه بیرونی قرار می دهند؟ جواب این است که با افزایش قطر سرعت خطی بیشتر می شود و بیشتری سرعت خطی در لبه بیرونی مته ایجاد می شود بنابراین الماس های لبه بیرونی معمولا زودتر از بین می روند.

اکنون برگردیم به مبحث اولیه در مقاله یعنی عیب یابی مته هایی که از لبه داخلی آنها به سمت داخل سایید ه شده است .

نتیجه گیری

سایش مقعر به سمت داخل

علت اصلی سایش مته به سمت داخل عدم تناسب بین وزن روی مته و سرعت چرخش است. به عبارت بهتر وزن روی مته نسبت به سرعت چرخش زیاد است. چرا مته به سمت داخل مقعر می شود؟ چون که در سرعت چرخش یکسان سرعت خطی برخورد الماس ها با زمین در لبه بیرونی بیشتر است. این بدان معنی است که لبه بیرونی مته به دلیل اینکه سرعت خطی بیشتری نسبت به لبه داخلی مته دارد(طبق محاسبات انجام شده در مقاله) عملیات برش سنگ در لبه بیرونی مته به درستی انجام می شود ولی در لبه داخلی مته به دلیل اینکه سرعت خطی کمتری نسبت به لبه خارجی دارد عملیات برش به درستی انجام نمی شود. این موضوع باعث می شود تا الماس های لبه داخلی مته خراب شده و به سرعت مصرف شوند. مصرف شدن الماس ها باعث می شود تا ماتریس مته ساییده شود. در صورتی که الماس های بیرونی به درستی به وظیفه خود عمل می کنند بنابراین مته به سمت داخل مقعر می شود.

راهکار برای این نوع عیب مته این است که در صورتی که شرایط حفاری اجازه می دهد دور چرخش مته را افزایش دهید. در صورتی که به دلیل شرایط زمین شناسی و توان دستگاه امکان افزایش دور وجود نداشته باشد می بایست وزن روی مته را کم کرد تا نرخ پیشروی کاهش یابد.

در صورتی که با تنظیم پارامتر های حفاری مشکل فوق حل نشد می بایست از یک مته با سختی بیشتر برای حفاری استفاده نمود.