Dobór koronek do wierceń rdzeniowych – koronki

Geoinżynieria
MASZYNY I URZĄDZENIA
drogi mosty tunele
Dobór koronek do wierceń
rdzeniowych – koronki
diamentowe impregnowane
Koronki impregnowane są obecnie najczęściej stosowanymi narzędziami
diamentowymi w wierceniach geologicznych i inżynierskich. Sprawdzają się
w najtrudniejszych warunkach wiercenia i uważane są za jedne z najlepszych
na rynku wierceń rdzeniowych
mgr inż. Łukasz Baran, mgr inż. Michał Wójcik
GEOD
Koronki wiertnicze stosowane do wierceń rdzeniowych
używane są do wiercenia systemem wrzutowym typu „Q”,
jak i rdzeniowania klasycznego rdzeniówkami pojedynczymi i podwójnymi według standardu:
– DCDMA – koronki do rdzeniówek podwójnych typu T2,
T6, T6S,
– DCDMA – koronki do rdzeniówek pojedynczych B,
– Normy Polskiej – koronki do rdzeniówek podwójnych
typu M (59, 76, 93, 112, 132 mm)
– koronki do rdzeniówek pojedynczych typu P i W (59, 76,
93, 112, 132 mm)
Dobór koronki wiertniczej zawsze uzależniony jest od
rodzaju przewiercanych skał, jak również możliwości technicznych urządzenia wiertniczego, a w szczególności dostępnych zakresów prędkości obrotowych, nacisku na narzędzie i płynnej regulacji prędkości posuwu. Dostępne na
rynku koronki podzielić można na grupy:
– koronki widiowe o zróżnicowanym kształcie węglików
spiekanych,
– koronki diamentowe o zróżnicowanej ziarnistości,
– koronki impregnowane,
– koronki z gruzem z węglika spiekanego typu CarboDrill,
– koronki z płytkami PCD typu MaxPax lub podobne,
– koronki z płytkami TSD typu MaxSet Cubic R lub podobne.
– drobnoziarniste (skały bardzo twarde, zwięzłe),
Oddzielną silnie rozwijającą się grupę stanowią koronki impregnowane, które mogą być stosowane zarówno
do skał twardych, jak i skał miękkich. Istotny wpływ na
konstrukcje koronek impregnowanych ma stały rozwój
technologii proszków, nanotechnologii oraz precyzyjnej
kontroli procesu produkcji (monitoring ciśnienia kompakcji i temperatury wygrzewania). Koronki impregnowane są
obecnie najczęściej stosowanymi narzędziami diamentowymi w wierceniach geologicznych i inżynierskich. Projektowane są z ogromną precyzją i starannością, co powoduje,
że sprawdzają się w najtrudniejszych warunkach wiercenia i uważane są za jedne z najlepszych na rynku wierceń
rdzeniowych. Rezultatem stałego doskonalenia produkcji
narzędzi diamentowych jest zaprojektowany typoszereg
koronek usystematyzowany w grupach dla wszelkich zastosowań geotechnicznych, górniczych i geologicznych.
Różni producenci koronek impregnowanych oznaczają
koronki w odmienny sposób, lecz powszechnie przyjętą
zasadą w systematyzowaniu koronek jest stosowanie dla
skał miękkich i abrazywnych serii koronek o niskich numeracjach, natomiast wysokie numeracje serii do skał bardzo
twardych i zwięzłych.
W praktyce spotyka się koronki rdzeniowe o bardzo
zróżnicowanym kształcie, rozmieszczeniu ostrzy tnących
oraz kanałów płuczkowych. Tak szeroka różnorodność koronek wymuszona jest przez własności fizyko-mechaniczne
skał, do zwiercania których są przeznaczone. Rozmieszczenie ostrzy zawsze powinno zapewniać równomierne zwiercanie skały na całej powierzchni dna otworu, niezależnie
od rodzaju zastosowanego ostrza (węglik spiekany, płytka
PCD, diament ziarnisty, impregnat diamentowy). Najczęściej stosuje się koronki, w których matryce są zbrojone
diamentami ziarnistymi o różnej wielkości ziaren. Rozróżnia się koronki następującej ziarnistości (do różnego rodzaju skał):
– gruboziarniste (skały miękkie),
– średnioziarniste (skały o średniej twardości, twarde),
– średnio-drobnoziarniste (skały twarde, spękane),
Rys. 1. | Dobór twardości matrycy koronek impregnowanych do
przewiercanej skały
62
4 / 2011 [33]
lipiec - sierpień
MASZYNY I URZĄDZENIA
Geoinżynieria
drogi mosty tunele
– skał o wysokiej twardości,
– skał drobnoziarnistych,
– skał spoistych.
Idealnym rozwiązaniem w wierceniach
rdzeniowych jest zastosowanie urządzenia
wyposażonego w głowicę obrotową o zakresie prędkości obrotowych do 1500 obr./min
i płynnej regulacji siły i prędkości posuwu
(w zakresie od 1–2 cm/min). W większości
przypadków spotykamy na rynku urządzenia nisko- lub średnioobrotowe, odpowiednio o zakresie prędkości obrotowych do 300
obr./min i do 700 obr./min. Jak widać z zamieszczonego niżej wykresu (rys. 3), tak niskie prędkości obrotowe pozwalają jedynie
na technologicznie uzasadnione zastosowanie koronek rdzeniowych o dużej średnicy.
Stosowanie zbyt małych prędkości obrotowych powoduje niski postęp wiercenia,
niszczenie rdzenia w rurze rdzeniowej oraz
erozję rdzenia poprzez długotrwałe magazynowanie w otworze.
Rys. 2. | Karta doboru matrycy koronki impregnowanej
W tej części artykułu omówiony zostanie sposób doboru koronek impregnowanych. Aby prawidłowo dobrać typ
narzędzia diamentowego do przewiercanych skał należy
równocześnie wziąć pod uwagę:
– twardość skał,
– abrazywność skał,
– stopień zeszczelinowania,
– stopień niejednorodności (duże ziarna w twardym lepiszczu),
– nachylenie warstw geologicznych i sposób zapadania,
– rodzaj urządzenia wiertniczego,
– dostępny zakres prędkości obrotowych,
– sposób regulacji prędkości posuwu,
– regulacja siły posuwu,
– średnica wiercenia i typ stosowanej rdzeniówki.
Drugim istotnym czynnikiem technicznym
jest sposób regulacji siły i prędkości posuwu.
Idealnym rozwiązaniem jest bezpośrednie
połączenie mechanizmu posuwu w postaci siłownika hydraulicznego dwustronnego
działania z wózkiem głowicy obrotowej.
Przedstawione rozwiązanie wykorzystuje
hydrauliczny system kontroli prędkości i siły
posuwu gwarantujące płynną regulację parametrów wiercenia
i 100% uzysku rdzenia. Elektrohydrauliczne układy regulacyjne wyposażone są w automatyczny system kontroli wiercenia,
gdzie prędkość posuwu i obroty są optymalizowane w zależności od rodzaju przewiercanych skał. W praktyce wiertniczej
często spotyka się urządzenia wiertnicze z mechanizmem posuwu z wykorzystaniem łańcucha lub liny i mechaniczną kontrolą prędkości posuwu (popuszczadło). Tego typu systemy
obarczone są dużą bezwładnością w działaniu, co powoduje
skokowy sposób regulacji posuwu. W wielu wypadkach jest to
decydującą przyczyną niskiego uzysku rdzenia.
W zależności od rodzaju stosowanego urządzenia wiertniczego należy stosować poniższe zasady:
– dla urządzeń o wysokim zakresie obrotów i pełnej regulacji
W oparciu o analizę powyżej przedstawionych
istotnych czynników mających wpływ na wiercenie, możemy określić:
– kształt matrycy,
– twardość matrycy,
– system kanałów płuczkowych,
– kształt korpusu koronki i rodzaj połączenia
gwintowego.
ZASADY
DOBORU KORONEK
GNOWANYCH
Niskie numery serii stosuje się dla:
– skał o niskiej twardości,
– skał o dużej grubości ziaren,
– skał porowatych i szczelinowatych.
Wysokie numery serii stosuje się dla:
IMPRE-
Rys. 3. | Dobór optymalnej prędkości obrotowej do średnicy narzędzia wiercącego
lipiec - sierpień
4 / 2011 [33]
63
Geoinżynieria
MASZYNY I URZĄDZENIA
drogi mosty tunele
STANDARD
posuwu należy dobierać rodzaj koronki kierując się wyłącznie parametrami geologicznymi,
– dla urządzeń o niskim zakresie obrotów i ograniczonej regulacji posuwu należy dobierać koronki o niższym numerze
serii, niż to wynika z parametrów geologicznych.
MOŻE BYĆ STOSOWANA DO KAŻDEGO RODZAJU
KORONEK IMPREGNOWANYCH
DOSKONAŁA CYRKULACJA PŁUCZKI ZE ŚRODKA
RDZENIÓWKI NA ZEWNĄTRZ
ZWIĘKSZONA POWIERZCHNIA PŁUKANIA (TPS)
LEPSZY WYPŁYW PŁUCZKI ORAZ POSTĘP WIERCENIA
ZREDUKOWANA POWIERZCHNIA URABIANIA DLA
TEJ SAMEJ WYDAJNOŚCI PŁUKANIA
ZALECANE DO WIERCENIA Z WYŻSZĄ PRĘDKOŚCIĄ
OBROTOWĄ
Taki wybór zapewnia lepszy uzysk rdzenia przy niższym
postępie wiercenia.
Algorytm postępowania przy doborze koronki impregnowanej przedstawiony został na poniższym schemacie. Uwzględnia
on podstawowe zasady doboru koronek impregnowanych.
CYKLON
SPOSÓB
ZAPROJEKTOWANY SZCZEGÓLNY KĄT PŁUKANIA
LEPSZY WYPŁYW PŁUCZKI WIERTNICZEJ
NAJWYDAJNIEJSZA W WIERCENIU W SPĘKANYCH
FORMACJACH SKALNYCH
DOBORU ODPOWIEDNIEJ KORONKI
IMPREGNOWANEJ
Aby dokonać wstępnej selekcji, należy przed zamówieniem oszacować cztery parametry
Twardość skały
Niska twardość
Rozmiar ziaren
skały
Skały gruboziarniste
Rodzaj skały
STOSUJ
Niski numer SERII
STOSUJ
niski numer SERII
STOSUJ
niski numer SERII
Wysoka twardość
skały
drobnoziarniste
skała spoista
STOSUJ
Wysoki numer
SERII
STOSUJ
wysoki numer
SERII
STOSUJ
wysoki numer
SERII
Skała porowata,
szczelinowata
STOSUJ
wyższy numer
SERII
W trakcie wiercenia wybraną koronką
notuj: mechaniczną prędkość wiercenia i całkowity przewiert koronką
OBJAW
Mały przewiert koronką
WYPRÓBUJ
Wyższy numer SERII
WYPRÓBUJ
Niższy numer SERII
Rys. 4. | Dobór optymalnej koronki impregnowanej
Stosując koronki impregnowane zalecane jest kontrolowanie postępu wiercenia poprzez dobór właściwej prędkości obrotowej koronki, natomiast jako parametr drugorzędny należy
przyjąć nacisk na koronkę. Procedura ta jest możliwa przez
zastosowanie wskaźnika RPI i RPC. Wskaźnik RPI określa
ilość obrotów koronki potrzebną do odwiercenia jednego cala
otworu. Wskaźnik RPC określa ilość obrotów koronki potrzebną do odwiercenia jednego centymetra otworu. Wskaźniki RPI
i RPC są decydujące dla uzyskania maksymalnego przewiertu koronką przy zachowaniu kryterium minimalnego kosztu
wiercenia i dobrej prędkości wiercenia.
RPC =
predkosc.obrotowa[obr. / min ] 800
=
= 80[obr. / cm]
uwiert [cm / min ]
10
RPI =
800[obr ./min ]
= 200[obr. / in]
4[in / min ]
IDEALNA WARTOŚĆ WSKAŹNIKÓW:
RPI= 200÷250 RPC=80÷100
W celu skalkulowania wskaźnika RPI (RPC) wystarczy podzielić stosowaną prędkość obrotową koronki [obr./min] przez
uzyskany postęp wiercenia.
Następnym nie mniej ważnym kryterium doboru odpowied64
SZCZEGÓLNY RODZAJ WYPŁYWU PŁUCZKI
POPRZEZ UFORMOWANE OTWORY NA CZOLE
KORONKI
MNIEJSZE CIŚNIENIE PŁUCZKI WIERTNICZEJ NA
KORONCE
NAJWYDAJNIEJSZA W WIERCENIU WE WZGLĘDNIE
MIĘKKICH FORMACJACH SKALNYCH
STOSUJ
niższy numer
SERII
urządzenie o małej
mocy
WIERCENIE
OBJAW
Mała mechaniczna prędkość wiercenia
PŁUKANIE CZOŁOWE
Rodzaj urządzenia
wiertniczego
Urządzenie o dużej
mocy
lipiec - sierpień
Tab. 1. | Konfiguracja matrycy koronki impregnowanej
niego narzędzia wiertniczego jest rodzaj i kształt matrycy.
Obecnie istnieje szeroki zakres możliwości wyboru kierunku
przepływu płuczki wiertniczej przez koronkę, aby zastosować najbardziej wydajny sposób wiercenia bez względu na
typ pracy, jaką ma wykonać. W tabeli zostały przedstawione
dostępne konfiguracje matrycy koronki impregnowanej.
Najnowszym osiągnięciem w dziedzinie konstruowania
i produkcji koronek impregnowanych jest koronka o podwyższonej matrycy. W stosunku do tradycyjnych koronek
impregnowanych, gdzie grubość warstwy impregnowanej
diamentami wynosiła 8–9 mm, w koronkach typu VULCAN
(produkcji firmy Fordia) wysokość matrycy została podwojona i wynosi 16 mm. Aby ustabilizować prace poszczególnych segmentów diamentowych, zastosowano mostki wykonane ze stopu o podobnym składzie jak matryca
(bez impregnacji diamentowej). Po zużyciu się wierzchniej warstwy impregnatu diamentowego mostki ścierają się
w łatwy sposób w procesie wiercenia. W koronkach typu
VULCAN o wysokiej matrycy szczególną uwagę zwrócono
na precyzyjną i trwałą stabilizację średnicy wewnętrznej i zewnętrznej koronki. Takie
rozwiązanie gwarantuje nawet dwukrotnie
większe uwierty na
koronkę, co w przypadku wierceń wrzutowych daje bardzo
dobre efekty ekonomiczne. W kolejnym
artykule autorzy zajmą
się omówieniem koronek widiowych, ziarnistych oraz PCD.
Fot. 1. |
Koronka impregnowana do
skał twardych
z matrycą o wysokości 16mm
4 / 2011 [33]
MASZYNY I URZĄDZENIA
Geoinżynieria
drogi mosty tunele
lipiec - sierpień
4 / 2011 [33]
65