हार्ड रॉक ड्रिलिंग के कोड को क्रैक करना: गेम-चेंजिंग डीटीएच टेक्नोलॉजी।
निर्माण क्षेत्र की भूवैज्ञानिक स्थितियों के अनुसार, आमतौर पर ड्रिल रिग द्वारा उपयोग की जाने वाली चार मुख्य ड्रिलिंग विधियाँ हैं, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है।
एक। प्रभाव उपकरण के साथ संयुक्त वायवीय या हाइड्रोलिक-चालित रोटरी हेड शीर्ष के माध्यम से घूर्णी और प्रभाव ऊर्जा संचारित करते हैंड्रिल पाइप, ड्रिल पाइप में शॉक तरंगों के माध्यम से ड्रिल बिट तक ऊर्जा पहुंचाना। यह विधि छोटे व्यास और उथली गहराई तक सीमित है और आम तौर पर खदानों, निर्माण स्थलों और भूमिगत खनन कार्यों में उपयोग की जाती है।
बी।डाउन-द-होल (डीटीएच) हथौड़े ड्रिल स्ट्रिंग के नीचे स्थित हैं। संपीड़ित हवा ड्रिल स्ट्रिंग के माध्यम से डीटीएच में प्रवेश करती है, एक पिस्टन को प्रत्यागामी गति में चलाती है जो सीधे ड्रिल बिट को प्रभावित करती है, प्रभाव ऊर्जा को चट्टान पर स्थानांतरित करती है। इस प्रणाली में न्यूनतम बिजली हानि होती है और यह विशेष रूप से गहरे छिद्रों, सीधे छिद्रों और मध्यम-कठोर चट्टानों के लिए उपयुक्त है।
सी।रिवर्स सर्कुलेशन (आरसी) ड्रिलिंगड्रिल बिट के मुख से चट्टान के नमूने एकत्र करने और परिवहन करने के लिए डीटीएच का उपयोग करता है। भूवैज्ञानिक विश्लेषण की तैयारी के लिए सूखी और असंदूषित कटिंग को डीटीएच के केंद्र पाइप के माध्यम से एक नमूना संग्रह उपकरण में भेजा जाता है।
डी। हाइड्रोलिक या इलेक्ट्रिक मोटर द्वारा संचालित गियरबॉक्स एक घूर्णन पावर हेड बनाता है, जो एक फीड सिस्टम के माध्यम से तीन-शंकु ड्रिल बिट पर पर्याप्त फ़ीड बल लागू करता है जो ड्रिल रिग और एक मोटी दीवार वाली ड्रिल पाइप पर ऊपर और नीचे चलता है। इस विधि का उपयोग नरम चट्टानों या मजबूती से जुड़ी कठोर चट्टानों के लिए किया जाता है।
- डीटीएच के सिद्धांत और विशेषताएं
डीटीएच के साथ ड्रिल की गई संरचनाएं सभी आग्नेय चट्टानों, रूपांतरित चट्टानों और तलछटी चट्टानों को शामिल करने में लगभग पूरी तरह से सक्षम हैं जो मध्यम-कठोर या कठोर हैं। डीटीएच विशेष रूप से कठोर चट्टान और कठोर परतों की ड्रिलिंग के लिए फायदेमंद है क्योंकि कठोर चट्टान भंगुर होती है। प्रभाव भार के तहत, न केवल प्रत्यक्ष प्रभाव स्थल पर फ्रैक्चर होते हैं, बल्कि एक टूटा हुआ क्षेत्र भी बनता है, जिसके परिणामस्वरूप बड़े चट्टान के टुकड़े होते हैं। इस प्रकार, शुद्ध रोटरी ड्रिलिंग की तुलना में ड्रिलिंग गति काफी तेज है। चित्र 2 में यांत्रिक मॉडल प्रभाव रोटरी ड्रिलिंग के दौरान चट्टान पर कार्य करने वाले विभिन्न भारों को दर्शाता है।
इसके अलावा, डीटीएच (डाउन-द-होल) ड्रिलिंग बोरहोल विचलन की संभावना वाली संरचनाओं में अत्यधिक प्रभावी है, जैसे कि अच्छी तरह से विकसित बिस्तर और पत्ते के साथ परतें, या असमान कठोरता और कई फ्रैक्चर के साथ चट्टान की परतें। यह बोरहोल विचलन को काफी कम कर सकता है और बजरी परतों और बोल्डर बेड के माध्यम से ड्रिलिंग में आने वाली कठिनाइयों को भी दूर कर सकता है।
डीटीएच ड्रिलिंग का विकास 19वीं सदी के अंत में हुआ था और इसका इतिहास एक सदी से भी अधिक पुराना है। हालाँकि कई प्रकार के डीटीएच ड्रिल हैं, लेकिन उनमें एक सामान्य विशेषता है: प्रभाव तंत्र और ड्रिल बिट दोनों बोरहोल में डूबे हुए हैं, जिसमें चट्टान को तोड़ने के लिए प्रभाव के साथ रोटेशन भी शामिल है। प्रभाव बल उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों को उनकी ड्राइविंग विधि के अनुसार वायवीय, हाइड्रोलिक, तेल दबाव, विद्युत और यांत्रिक प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है।
चूंकि प्रभाव ऊर्जा संचरण के दौरान महत्वपूर्ण नुकसान का अनुभव करती है और प्रभावित घटकों को काफी नुकसान पहुंचा सकती है, इसलिए आमतौर पर गहरे ड्रिलिंग कार्यों में यह आवश्यक होता है कि उपकरण ड्रिल उपकरण के साथ बोरहोल में प्रवेश करे, ताकि आउटपुट प्रभाव बल सीधे ड्रिल बिट पर कार्य कर सके। या कोर बैरल. यह ट्रांसमिशन के दौरान ऊर्जा हानि को कम करता है, ऊर्जा दक्षता में सुधार करता है और डाउनहोल उपकरण विफलता की संभावना को कम करता है।
वायवीय डीटीएच, जिसे वायु-चालित डीटीएच के रूप में भी जाना जाता है, कई संरचनात्मक प्रकारों और वर्गीकरण विधियों में आता है।
- दबाव रेटिंग के अनुसार: उच्च दबाव, मध्यम दबाव और निम्न दबाव प्रकार।
- समग्र संरचना द्वारा: गैर-थ्रू और थ्रू प्रकार।
- वाल्व संचालन सिद्धांत द्वारा: नियंत्रण वाल्व प्रकार, मुक्त वाल्व प्रकार और हाइब्रिड वाल्व प्रकार।
- पिस्टन संरचना के अनुसार: समान व्यास वाला पिस्टन, असमान व्यास वाला पिस्टन, और अग्रानुक्रम पिस्टन प्रकार।
- वायु वितरण प्रकार के अनुसार: वाल्वयुक्त डीटीएच और वाल्व रहित डीटीएच। वाल्वयुक्त डीटीएच को प्लेट वाल्व, डिस्क वाल्व और बेलनाकार वाल्व प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है, जबकि वाल्व रहित डीटीएच को केंद्र रॉड निकास प्रकार, पिस्टन वायु वितरण प्रकार और पिस्टन, सिलेंडर और केंद्र रॉड द्वारा संयुक्त वायु वितरण में विभाजित किया जा सकता है।
- होल वॉशिंग और स्लैग डिस्चार्ज विधि द्वारा: सेंटर होल वॉशिंग, फ्रंट होल वॉशिंग और साइड होल वॉशिंग।
2. प्रभाव तंत्र संरचनात्मक योजनाओं का निर्धारण
2.1 पिस्टन स्व-गैस आपूर्ति गैर-वाल्व प्रभाव तंत्र
इस प्रकार का प्रभाव तंत्र मुख्य रूप से गैस आपूर्ति के लिए पिस्टन में गैस मार्गों का उपयोग करता है, जिसके परिणामस्वरूप कई गैस चैनलों के साथ एक जटिल पिस्टन संरचना होती है, जो पिस्टन की ताकत और जीवनकाल को कम कर देती है। हालाँकि, यह प्रभाव तंत्र आंतरिक और बाहरी सिलेंडरों को एकीकृत करता है, जिससे पिस्टन का प्रभावी कार्य क्षेत्र बढ़ता है और तंत्र की प्रभाव ऊर्जा बढ़ती है।
2.2 पिस्टन और सिलेंडर संयुक्त गैस आपूर्ति गैर-वाल्व प्रभाव तंत्र
इस प्रकार में एक सरल संरचना होती है जिसका निर्माण करना आसान होता है, इसमें पिस्टन का जीवनकाल लंबा होता है, और गैस छेद सिलेंडर और पिस्टन दोनों पर स्थित होते हैं। इस संरचना का विदेशों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
2.3 केंद्र पाइप गैस आपूर्ति गैर-वाल्व प्रभाव तंत्र
इस तंत्र में, ऊपरी और निचले कक्षों के लिए वायु सेवन मार्ग गोलाकार पाइप पर व्यवस्थित होते हैं जहां पिस्टन स्लाइड करता है। इसमें उच्च विनिर्माण परिशुद्धता की आवश्यकता होती है और केंद्र पाइप के लिए अपेक्षाकृत कम जीवनकाल होता है।
2.4 पार्श्व निकास प्रभाव तंत्र
तथाकथित साइड एग्जॉस्ट का मतलब है कि एग्जॉस्ट गैस पथ ड्रिल बिट के केंद्र से छेद के नीचे तक जाने के बजाय सिलेंडर बॉडी से बाहर निकलता है। इस प्रकार के प्रभाव तंत्र में आमतौर पर सिलेंडर बॉडी पर कई सेवन और निकास मार्ग होते हैं, जिससे खराब संरचनात्मक ताकत होती है, अनुदैर्ध्य थकान दरारें होने की संभावना होती है, और हवा के दबाव में महत्वपूर्ण हानि होती है, जिसके परिणामस्वरूप ड्रिल बिट के लिए उप-इष्टतम मलबे को हटाने और शीतलन प्रभाव होता है।
2.5 केंद्र निकास प्रभाव तंत्र
इस प्रकार का प्रभाव तंत्र ड्रिल बिट के केंद्र से सीधे छेद के नीचे तक मलबे और गैस को बाहर निकालता है। प्रत्यक्ष वायुप्रवाह न केवल मलबा हटाने की दक्षता को बढ़ाता है बल्कि ड्रिलिंग दक्षता और शीतलन में भी सुधार करता है, जिससे ड्रिल बिट का जीवनकाल बढ़ जाता है। यह संरचनात्मक प्रकार पार्श्व निकास प्रभाव तंत्र के आंतरिक सिलेंडर में कई अनुदैर्ध्य खांचे को एक कुंडलाकार खांचे से बदल देता है, जो आंतरिक सिलेंडर में तनाव एकाग्रता को काफी कम कर देता है। यह हाल के वर्षों में व्यापक रूप से अपनाई जाने वाली संरचना बन गई है।
2.6 श्रृंखला पिस्टन प्रभाव तंत्र
श्रृंखला पिस्टन प्रभाव तंत्र, जिसे डुअल-पिस्टन (हेड) इम्पैक्टर के रूप में भी जाना जाता है, एक आइसोलेशन रिंग का उपयोग करके सिलेंडर को दो कक्षों में विभाजित करता है। यह डिज़ाइन दोनों पिस्टन चेहरों को एक ही बोर व्यास के भीतर एक साथ काम करने की अनुमति देता है, जिसके परिणामस्वरूप अधिक प्रभाव शक्ति और उच्च प्रभाव आवृत्ति होती है। इसके अनुरूप, एक दोहरी निकास प्रणाली है जो छेद के नीचे से रॉक पाउडर को प्रभावी ढंग से हटा देती है। हालाँकि, इसका मुख्य दोष इसकी जटिल संरचना और मशीनिंग भागों में उच्च परिशुद्धता की आवश्यकता है; उदाहरण के लिए, पिस्टन में संबंधित घटकों के साथ पांच संभोग सतहें होती हैं, जो इसके अनुप्रयोग और प्रचार को सीमित करती हैं। इसलिए, यह डिज़ाइन दूसरे विकल्प को अपनाता है, जो पिस्टन और सिलेंडर संयुक्त गैस आपूर्ति के साथ गैर-वाल्व प्रभाव तंत्र है। इसकी संरचना चित्र 3 में दिखाई गई है।
3. डीटीएच के लिए सैद्धांतिक विश्लेषण और प्रासंगिक गणना
3.1 ऑपरेटिंग पैरामीटर्स का चयन**
3.1.1 हथौड़े की लंबाई और वजन: प्रारंभिक डिज़ाइन 4500 मिमी से कम की लंबाई और 2500 किलोग्राम से कम वजन निर्दिष्ट करता है।
3.1.2 हथौड़ा व्यास: उपयुक्त हथौड़ा व्यास 540 मिमी पर सेट ड्रिलिंग व्यास के आधार पर निर्धारित किया जाता है।
3.1.3 ड्रिलिंग व्यास: यह ढेर छेद के व्यास को संदर्भित करता है, आमतौर पर 550 मिमी और 600 मिमी के बीच।
3.1.4 ड्रिलिंग गहराई: ढेर डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार, यह आम तौर पर कई दर्जन मीटर और एक सौ मीटर के बीच होती है।
3.1.5 ड्रिल गति: डीटीएच ड्रिलिंग आम तौर पर कम घूर्णी गति पर संचालित होती है, आमतौर पर 7 और 25 आर/एस के बीच।
3.1.6 घूर्णी टॉर्क: इस डिज़ाइन के लिए अधिकतम टॉर्क 150 kN·m पर सेट है।
3.2 डिज़ाइन पैरामीटर्स की गणना
डीटीएच के लिए डिज़ाइन पैरामीटर, विशेष रूप से डीटीएच प्रभाव उपकरण के प्रदर्शन पैरामीटर, मशीन डिज़ाइन के आधार के रूप में कार्य करते हैं और निर्मित उपकरण के प्रदर्शन को परिभाषित करते हैं।
3.2.1 प्रभाव उपकरण के लिए डिज़ाइन दबाव पी
चीन में, वायवीय प्रभाव उपकरण के लिए डिज़ाइन मानक के रूप में 0.49 एमपीए (लगभग 5 × 10^5 पीए) का दबाव व्यापक रूप से चुना जाता है। यह देखते हुए कि इस डिज़ाइन के लिए डीटीएच एक बड़े ड्रिलिंग व्यास और भारी पिस्टन के साथ एक गैर-वाल्व प्रभाव उपकरण है, उच्च वायु दबाव प्रदर्शन को और बढ़ाएगा। इसके अतिरिक्त, उच्च दबाव वाले वायु कंप्रेसर तेजी से आम हो रहे हैं, और अंतरराष्ट्रीय मानक आईएसओ 5941-1979 के अनुसार, 1.6 एमपीए का डिज़ाइन दबाव चुना जाता है।
3.2.2 प्रभाव शक्ति
बड़े व्यास वाले छेदों को ड्रिल करने के लिए उपयोग किए जाने वाले डीटीएच के लिए, डिज़ाइन प्रभाव ऊर्जा में काफी उतार-चढ़ाव हो सकता है। इस डिज़ाइन के लिए प्रभाव ऊर्जा की गणना निम्नानुसार की जाती है:
3.2.3 प्रभाव आवृत्ति
आम तौर पर, निरंतर प्रभाव ऊर्जा के तहत, प्रभाव आवृत्ति प्रभावकार की आउटपुट शक्ति के समानुपाती होती है। हालाँकि, जब सिलेंडर का व्यास तय हो जाता है, तो प्रभाव आवृत्ति बढ़ने से पिस्टन स्ट्रोक में कमी की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप एकल प्रभाव शक्ति कम हो जाती है। एक बार जब एकल प्रभाव शक्ति एक निश्चित सीमा से नीचे गिर जाती है, तो आवृत्ति बढ़ाने से संतोषजनक रॉक-ब्रेकिंग परिणाम नहीं मिलेंगे। इस प्रकार, प्रभाव आवृत्ति का चयन प्रभाव शक्ति द्वारा बाधित होता है।
0.5 एमपीए के डिज़ाइन दबाव पर चलने वाले वायवीय डीटीएच के लिए, आवृत्ति 16.8 हर्ट्ज से अधिक नहीं होनी चाहिए। चूंकि डीटीएच 0.5 और 2.5 एमपीए के बीच डिज़ाइन दबाव पर काम करता है, प्रभाव आवृत्ति काफी भिन्न हो सकती है। प्रभावक की आवृत्ति के प्रारंभिक चयन की गणना निम्नानुसार की जा सकती है:
एफ = 10.4 + 7.6पी
(2) जहां पी सिस्टम आपूर्ति दबाव है। इस डिज़ाइन के लिए, P = 1.6 एमपीए, इसलिए:
एफ = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 हर्ट्ज़।
3.3 संरचनात्मक पैरामीटर डिज़ाइन
डीटीएच के मुख्य संरचनात्मक मापदंडों में सिलेंडर बोर व्यास, पिस्टन स्ट्रोक और पिस्टन आयाम शामिल हैं। सिलेंडर का व्यास बढ़ाने से प्रभाव शक्ति और आवृत्ति दोनों में वृद्धि हो सकती है, इसलिए व्यास को संरचनात्मक आकार की सीमा के भीतर अधिकतम किया जाना चाहिए। आमतौर पर, डीटीएच के बाहरी व्यास और बोर व्यास के बीच का अंतर 15 से 20 मिमी से कम नहीं होना चाहिए, और डीटीएच का बाहरी आवरण बहुत पतला नहीं होना चाहिए। इसलिए, डीटीएच सिलेंडर व्यास और ड्रिलिंग व्यास का अनुपात आम तौर पर 0.5 से ऊपर होता है।
3.3.1 सिलेंडर का कार्यशील व्यास और संरचनात्मक स्ट्रोक
सिलेंडर के कार्यशील व्यास डी की गणना निम्नानुसार की जा सकती है:
डी = के × डी(बोर) = (0.57 - 0.68) × डी(बोर) (3)
इस डिज़ाइन के लिए, डी(बोर) = 600 मिमी, इसलिए डी को 360 मिमी के रूप में लिया जाता है। संरचनात्मक स्ट्रोक एस को अनुभवजन्य रूप से एस = 500 मिमी के रूप में लिया जाता है।
3.3.2 पिस्टन द्रव्यमान
पिस्टन के रेडियल आयाम सिलेंडर के आकार और संरचना से बाधित होते हैं, जो समान या भिन्न व्यास वाले पिस्टन की अनुमति देते हैं। रैखिक आयाम पिस्टन के वजन पर निर्भर करते हैं, जो ड्रिल बिट पर प्रहार करते समय उसके वेग से भी संबंधित होता है। इसलिए, पिस्टन के संरचनात्मक आयामों का निर्धारण डीटीएच डिजाइन का एक जटिल पहलू है। डीटीएच पिस्टन के द्रव्यमान का अनुमान इस प्रकार लगाया जा सकता है:
एम = 0.0205डी^2.84 (4)
जहां m किलो में पिस्टन का द्रव्यमान है; डी सेमी में सिलेंडर का कार्यशील व्यास है।
D = 36 को प्रतिस्थापित करने पर: m = 540 किग्रा.
डीटीएच में मुख्य रूप से एक टॉर्क ट्रांसमिशन संरचना और एक वायवीय प्रभाव तंत्र शामिल है। टॉर्क ट्रांसमिशन संरचना ड्रिल रॉड और डीटीएच को जोड़ती है, घूर्णी काटने और खींचने वाली ताकतों को संचारित करती है; वायवीय प्रभाव तंत्र प्रभाव उत्पन्न करता है, प्रभाव ड्रिल बिट को अक्षीय शक्ति प्रदान करता है। विशिष्ट संरचना विवरण चित्र 3 में दिखाए गए हैं।
टॉर्क ट्रांसमिशन संरचना ड्रिल रॉड और इम्पैक्टर को जोड़ती है। ऊपरी जोड़ पाइप थ्रेड्स के माध्यम से ड्रिल रॉड और इम्पैक्टर से जुड़ता है, मुख्य रूप से गैस की जकड़न सुनिश्चित करने के साथ-साथ टॉर्क संचारित करने और बल खींचने के लिए भी। चेक वाल्व कीचड़ और पानी को इम्पैक्टर और ड्रिल रॉड में प्रवेश करने से रोकता है, जो एक स्प्रिंग द्वारा नियंत्रित होता है। गैस आपूर्ति रॉड के साथ वायु सेवन सीट सिलेंडर में संपीड़ित हवा को पेश करने का काम करती है, जिससे सिलेंडर और पिस्टन के साथ गैस आपूर्ति की कार्रवाई आसान हो जाती है, जिससे संयुक्त गैस आपूर्ति प्राप्त होती है। स्प्रिंग सेफ्टी रिंग ड्रिल बिट को बदलते समय पिस्टन को सिलेंडर से बाहर फिसलने से रोकती है।
3.4 डीटीएच ड्रिल बिट का परिमित तत्व विश्लेषण
डीटीएच ड्रिल बिट पिस्टन से प्रभाव बल और ड्राइव हेड से टॉर्क के अधीन है। संपीड़ित हवा द्वारा पिस्टन पर लगाया गया बल इस प्रकार दिया जाता है:
एफ = पी × एस (5)
जहां P, Pa में सिस्टम दबाव है; S वर्ग मीटर में पिस्टन का बल क्षेत्र है।
इस प्रकार, एफ = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 एन।
इसलिए, ड्रिल बिट पर प्रभाव बल है:
एफ' = केएफ (6)
जहां k प्रभाव गुणांक है; F, N में संपीड़ित हवा द्वारा ड्रिल बिट पर लगाया गया बल है। इस प्रकार, F' = 20 × 134400 = 2688 kN।
ड्राइव हेड द्वारा डीटीएच ड्रिल बिट पर लगाया गया टॉर्क N = 150 kN है। ड्रिल बिट के निचले सिरे को ठीक करते समय ड्रिल बिट पर F' = 2688 kN और N = 150 kN लगाने और 320 MPa की उपज शक्ति के साथ QT500-7 सामग्री का उपयोग करने पर, परिमित तत्व विश्लेषण किया जाता है। विशिष्ट लोडिंग और बाधा की स्थिति और जाल विभाजन चित्र 4 और 5 में दिखाए गए हैं।
परिमित तत्व विश्लेषण के परिणाम चित्र 6 में दिखाए गए हैं, जो दर्शाता है कि अधिकतम तनाव 144.355 एमपीए है, जो क्यूटी500-7 (320 एमपीए) की उपज शक्ति से कम है, इस प्रकार आवश्यकताओं को पूरा करता है।