Hidraulica sapei de foraj: Cum îmbunătățește designul de spălare performanța de foraj

O sapă de foraj face mai mult decât să spargă roca. De asemenea, trebuie să îndepărteze rapid și constant deșeurile zdrobite de pe fundul găurii. Dacă particulele fine de rocă rămân în jurul sapei, acestea sunt zdrobite din nou, energia de foraj este irosită, penetrarea încetinește și generarea de praf poate crește.

Din acest motiv, designul de spălare este o parte importantă a ingineriei sapei de foraj. Forma canelurilor de spălare, direcția orificiilor de evacuare a apei sau a aerului și rotația sapei afectează eficiența cu care deșeurile părăsesc gaura.

De ce este importantă îndepărtarea butașilor

În timpul forajului cu impact, butoanele sau plăcuțele din carbură sparg roca în fragmente. Aceste fragmente trebuie să se deplaseze din fundul găurii, prin canalele de spălare ale sapei și în afara găurii.

Când îndepărtarea este slabă, deșeurile se adună pe fundul găurii. Apoi, sapa lovește în mod repetat materialul care a fost deja spart, în loc să atingă roca proaspătă. Acest lucru creează mai multe probleme:

• Rată de penetrare mai mică.

• Consum mai mare de energie pe metru forat.

• Uzură mai rapidă a carburii și a oțelului pentru biți.

• Creșterea căldurii la fața de tăiere.

• Mai mult praf fin și vizibilitate redusă.

• Risc mai mare de blocare a burghiului sau de găurire instabilă.

O spălare eficientă ajută la îndeplinirea sarcinilor de către fiecare impact. De asemenea, menține burghiul mai rece și protejează garnitura de foraj de vibrații și sarcini inutile.

Design tradițional cu canelură de spălare

Multe sape tradiționale pentru foraj de rocă utilizează caneluri de curățare care sunt în linii mari paralele cu axa sapei. Această configurație oferă un pasaj de curgere liber și este ușor de fabricat. Cu toate acestea, nu reflectă întotdeauna traiectoria reală a fluidului încărcat cu deșeuri în timpul forajului.

O sapă de foraj nu rămâne staționară. Aceasta lovește, se rotește și avansează în același timp. Drept urmare, particulele fine de rocă care transportă apă sau aer urmează o traiectorie curbată, mai degrabă decât o traiectorie axială dreaptă. Cu cât sapa se rotește mai repede, cu atât acest efect de rotație poate deveni mai puternic.

Dacă geometria canelurii nu susține mișcarea naturală a fluxului de spălare, rezistența crește. Este necesară mai multă energie pentru a transporta deșeurile prin canelură și în susul găurii.

Geometrie a canelurilor simplificată

O canelură de spălare aerodinamică este concepută pentru a ghida apa, aerul și deșeurile de-a lungul unei traiectorii de curgere mai line. În loc să trateze canelura ca pe un simplu canal drept, designul ia în considerare efectul combinat al fluxului de spălare axială și al rotației sapei.

Cel mai potrivit unghi de canelure depinde de mai mulți factori:

• Viteza de rotație a biților.

• Diametrul burghiului.

• Mediu de spălare: apă, aer sau un sistem combinat.

• Diametrul găurii și adâncimea de găurire.

• Tipul de rocă și dimensiunea debitului generat.

• Designul feței biților și dispunerea butoanelor.

În practică, vitezele de rotație mai mari pot necesita un unghi al canelurii mai pronunțat, deoarece fluxul de deșeuri are o componentă circumferențială mai puternică. Găurirea la viteză mai mică poate necesita un unghi mai mic. Scopul este de a reduce turbulențele și rezistența inutilă la curgere, menținând în același timp o suprafață de trecere suficientă pentru îndepărtarea fiabilă a deșeurilor.

Direcția găurii de spălare este la fel de importantă

Poziția și direcția orificiilor de spălare afectează eficiența cu care deșeurile sunt îndepărtate de pe fața sapei. Orificiile de spălare frontală ajută la deplasarea particulelor fine spre exterior, din zona centrală. Orificiile de spălare a canelurilor pot ajuta la transportul acestui material în fluxul principal de retur.

Dacă aceste două fluxuri se opun unul celuilalt, se pierde energie și detritusul poate circula sau se poate așeza în apropierea zonei de măsurare. Un design mai bun coordonează direcția orificiilor de evacuare astfel încât căile de curgere să se susțină reciproc.

Obiectivul nu este pur și simplu presiunea maximă a apei. Spălarea eficientă vine din utilizarea eficientă a presiunii disponibile. Un sistem bine proiectat poate direcționa fluxul către zonele în care este cel mai probabil să se acumuleze detritus, în special în apropierea marginii fundului găurii și de-a lungul secțiunii de măsurare.

Beneficiile unei hidraulice mai bune a bitului

Geometria îmbunătățită a spălării poate oferi mai multe beneficii operaționale:

• Îndepărtarea mai rapidă a deșeurilor de rocă.

• Rată de penetrare mai mare.

• Reșucinare inferioară a materialului spart.

• Temperatură redusă a suprafeței bitului.

• Durată de viață îmbunătățită a corpului din carbură și oțel.

• Condiții de foraj mai stabile.

• Generare mai mică de praf fin în aer.

Rezultatul este o utilizare mai eficientă a energiei de impact a burghiului. În loc să zdrobească în mod repetat particule fine, burghiul poate menține contactul cu roca proaspătă și poate avansa mai eficient.

În utilizarea pe teren, îmbunătățirea reală depinde de condițiile rocilor, de parametrii de foraj și de întregul sistem de foraj. Un design al sapei care funcționează bine în rocă dură și uscată poate necesita caracteristici de spălare diferite în teren moale, fracturat sau acvifer.

Designul trebuie să se potrivească cu întregul sistem de găurire

Designul de tip „flanjer” nu poate fi separat de restul sapei. Dispunerea butonului, forma feței, protecția calibrului, diametrul sapei și setările sapei influențează performanța hidraulică.

De exemplu, o sapă cu caneluri de spălare excelente poate funcționa prost dacă alimentarea cu apă este insuficientă, orificiul de spălare a prăjinii este blocat sau echipa de foraj utilizează setări de avans și rotație nepotrivite. De asemenea, forma corectă a canelurii trebuie să fie compatibilă cu presiunea disponibilă și volumul așteptat de deșeuri.

Producătorii de scule ar trebui să utilizeze teste de laborator, analize de curgere a fluidelor și studii pe teren pentru a evalua noile modele de sape. Echipele de foraj ar trebui să monitorizeze rata de penetrare, nivelul de praf, uzura sapei, performanța de spălare și starea găurii atunci când compară opțiunile de sape.

O cale de curgere mai bună susține o forare mai bună

Eficiența forajului în rocă nu este determinată doar de puterea de impact sau de calitatea carburii. Modul în care apa, aerul și deșeurile se mișcă în jurul sapei este la fel de important. O sapă cu caneluri aerodinamice și găuri de spălare coordonate poate reduce rezistența la curgere, poate curăța fundul găurii mai eficient și poate îmbunătăți eficiența fiecărui impact.

Pentru mine, cariere și contractori, alegerea unei sape cu o geometrie de spălare bine proiectată poate reduce uzura, poate îmbunătăți productivitatea și poate susține operațiuni de foraj mai sigure și mai curate.