Descifrando el código de la perforación de roca dura: la tecnología DTH revolucionaria.
Según las condiciones geológicas del área de construcción, existen cuatro métodos de perforación principales comúnmente utilizados por los equipos de perforación, como se muestra en la Figura 1.
a. Los cabezales giratorios neumáticos o hidráulicos combinados con equipos de impacto transmiten energía de rotación y de impacto a través de la parte superior deltubo de perforación, entregando energía a la broca a través de ondas de choque en la tubería de perforación. Este método se limita a diámetros pequeños y profundidades poco profundas y generalmente se utiliza en canteras, sitios de construcción y operaciones mineras subterráneas.
b.Martillos de fondo de pozo (DTH) están ubicados en la parte inferior de la sarta de perforación. El aire comprimido ingresa al DTH a través de la sarta de perforación, impulsando un pistón en un movimiento alternativo que impacta directamente la broca, transfiriendo la energía del impacto a la roca. Este sistema tiene una pérdida de potencia mínima y es particularmente adecuado para pozos profundos, pozos rectos y rocas de dureza media.
do.Perforación con circulación inversa (RC)utiliza DTH para recolectar y transportar muestras de roca desde la cara de la broca. Los recortes secos y no contaminados se transportan a través del tubo central del DTH hacia un dispositivo de recolección de muestras, preparándolos para el análisis geológico.
d. Una caja de cambios impulsada por motores hidráulicos o eléctricos forma un cabezal de potencia giratorio, que aplica suficiente fuerza de alimentación a la broca de tres conos a través de un sistema de alimentación que se mueve hacia arriba y hacia abajo sobre la plataforma de perforación y una tubería de perforación de paredes gruesas. Este método se utiliza para rocas más blandas o rocas duras fuertemente unidas.
- Principios y características de DTH
Las formaciones perforadas con DTH son casi en su totalidad capaces de incluir todas las rocas ígneas, rocas metamórficas y rocas sedimentarias de dureza media o más dura. DTH es particularmente ventajoso para perforar roca dura y estratos duros porque la roca dura tiende a ser frágil. Bajo cargas de impacto, las fracturas no sólo ocurren en el lugar del impacto directo sino que también crean una zona rota, lo que resulta en fragmentos de roca más grandes. Por lo tanto, la velocidad de perforación es significativamente más rápida en comparación con la perforación puramente rotativa. El modelo mecánico de la Figura 2 ilustra las diversas cargas que actúan sobre la roca durante la perforación rotatoria por impacto.
Además, la perforación DTH (Down-the-Hole) es muy eficaz en formaciones propensas a la desviación del pozo, como estratos con estratos y foliación bien desarrollados, o capas de roca con dureza desigual y muchas fracturas. Puede reducir significativamente la desviación del pozo y también superar las dificultades al perforar capas de grava y lechos de rocas.
La perforación DTH se desarrolló a finales del siglo XIX y tiene una historia de más de un siglo. Aunque existen muchos tipos de perforadoras DTH, comparten una característica común: tanto el mecanismo de impacto como la broca están sumergidos en el pozo, y la rotación se combina con el impacto para romper la roca. Los equipos utilizados para generar la fuerza de impacto se pueden clasificar según su método de accionamiento en tipos neumáticos, hidráulicos, de presión de aceite, eléctricos y mecánicos.
Dado que la energía del impacto experimenta una pérdida significativa durante la transmisión y puede causar daños sustanciales a los componentes impactados, generalmente se requiere en operaciones de perforación más profundas que el equipo ingrese al pozo con la herramienta de perforación, de modo que la fuerza de impacto de salida pueda actuar directamente sobre la broca. o barril sacatestigos. Esto minimiza la pérdida de energía durante la transmisión, mejora la eficiencia energética y reduce la probabilidad de fallas en los equipos de fondo de pozo.
El DTH neumático, también conocido como DTH impulsado por aire, viene en muchos tipos estructurales y métodos de clasificación.
- Por clasificación de presión: tipos de alta presión, media presión y baja presión.
- Por estructura general: tipos pasantes y no pasantes.
- Por principio de funcionamiento de la válvula: tipo válvula de control, tipo válvula libre y tipo válvula híbrida.
- Por estructura de pistón: tipos de pistón de igual diámetro, pistón de diámetro desigual y pistón en tándem.
- Por tipo de distribución de aire: DTH con válvula y DTH sin válvula. El DTH con válvula se puede subdividir en tipos de válvula de placa, válvula de disco y válvula cilíndrica, mientras que el DTH sin válvula se puede dividir en tipo de escape de varilla central, tipo de distribución de aire de pistón y distribución de aire combinada por pistón, cilindro y varilla central.
- Por método de lavado de orificios y descarga de escoria: lavado de orificio central, lavado de orificio frontal y lavado de orificio lateral.
2. Determinación de los Esquemas Estructurales del Mecanismo de Impacto
2.1 Mecanismo de impacto sin válvula de suministro de autogas del pistón
Este tipo de mecanismo de impacto utiliza principalmente los conductos de gas del propio pistón para el suministro de gas, lo que da como resultado una estructura de pistón compleja con numerosos canales de gas, lo que reduce la resistencia y la vida útil del pistón. Sin embargo, este mecanismo de impacto integra los cilindros interior y exterior, aumentando el área de trabajo efectiva del pistón y mejorando la energía de impacto del mecanismo.
2.2 Mecanismo de impacto sin válvula para suministro de gas combinado de pistón y cilindro
Este tipo presenta una estructura simple que es fácil de fabricar, tiene una vida útil más larga del pistón y los orificios de gas están ubicados tanto en el cilindro como en el pistón. Esta estructura es ampliamente utilizada en el extranjero.
2.3 Mecanismo de impacto sin válvula de suministro de gas de la tubería central
En este mecanismo, los conductos de entrada de aire para las cámaras superior e inferior están dispuestos sobre el tubo circular por donde se desliza el pistón. Requiere una alta precisión de fabricación y tiene una vida útil relativamente corta para el tubo central.
2.4 Mecanismo de impacto del escape lateral
El llamado escape lateral significa que la ruta de los gases de escape sale del cuerpo del cilindro en lugar de pasar por el centro de la broca hasta el fondo del orificio. Este tipo de mecanismo de impacto generalmente tiene muchas vías de admisión y escape en el cuerpo del cilindro, lo que genera una resistencia estructural deficiente, posibilidad de grietas por fatiga longitudinales y una pérdida significativa de presión de aire, lo que resulta en efectos de enfriamiento y eliminación de desechos subóptimos para la broca.
2.5 Mecanismo de impacto de escape central
Este tipo de mecanismo de impacto expulsa escombros y gas directamente desde el centro de la broca hasta el fondo del agujero. El flujo de aire directo no solo mejora la eficiencia de eliminación de escombros sino que también mejora la eficiencia de perforación y el enfriamiento, extendiendo la vida útil de la broca. Este tipo estructural reemplaza las numerosas ranuras longitudinales en el cilindro interior de los mecanismos de impacto del escape lateral por una ranura anular, lo que reduce en gran medida la concentración de tensiones en el cilindro interior. Se ha convertido en una estructura ampliamente adoptada en los últimos años.
Mecanismo de impacto de pistón serie 2.6
El mecanismo de impacto de pistón en serie, también conocido como impactador de doble pistón (cabeza), divide el cilindro en dos cámaras mediante un anillo de aislamiento. Este diseño permite que ambas caras del pistón trabajen simultáneamente dentro del mismo diámetro de orificio, lo que resulta en una mayor potencia de impacto y una mayor frecuencia de impacto. En consecuencia, hay un sistema de escape doble que elimina eficazmente el polvo de roca del fondo del pozo. Sin embargo, su principal inconveniente es su compleja estructura y la necesidad de alta precisión en el mecanizado de piezas; por ejemplo, el pistón tiene hasta cinco superficies de contacto con componentes asociados, lo que limita su aplicación y promoción. Por lo tanto, este diseño adopta la segunda opción, que es el mecanismo de impacto sin válvula con suministro de gas combinado de pistón y cilindro. Su estructura se muestra en la Figura 3.
3.Análisis teórico y cálculos relevantes para DTH
3.1 Selección de parámetros operativos**
3.1.1 Longitud y peso del martillo: El diseño preliminar especifica una longitud inferior a 4500 mm y un peso inferior a 2500 kg.
3.1.2 Diámetro del martillo: El diámetro apropiado del martillo se determina en función del diámetro de perforación, fijado en 540 mm.
3.1.3 Diámetro de Perforación: Se refiere al diámetro del orificio del pilote, generalmente entre 550 mm y 600 mm.
3.1.4 Profundidad de perforación: según los requisitos de diseño del pilote, suele oscilar entre varias docenas de metros y cien metros.
3.1.5 Velocidad de perforación: La perforación DTH generalmente opera a velocidades de rotación bajas, típicamente entre 7 y 25 r/s.
3.1.6 Par de Rotación: El par máximo para este diseño se establece en 150 kN·m.
3.2 Cálculo de los parámetros de diseño
Los parámetros de diseño para DTH, específicamente los parámetros de rendimiento del equipo de impacto DTH, sirven como base para el diseño de la máquina y definen el rendimiento del equipo fabricado.
3.2.1 Presión de diseño P para equipos de impacto
En China, una presión de 0,49 MPa (aproximadamente 5 × 10^5 Pa) se elige ampliamente como estándar de diseño para equipos de impacto neumáticos. Dado que el DTH para este diseño es un dispositivo de impacto sin válvula con un gran diámetro de perforación y un pistón pesado, una mayor presión de aire mejorará aún más el rendimiento. Además, los compresores de aire de alta presión son cada vez más comunes y, de acuerdo con la norma internacional ISO 5941-1979, se selecciona una presión de diseño de 1,6 MPa.
3.2.2 Poder de impacto
Para el DTH utilizado para perforar orificios de gran diámetro, la energía de impacto de diseño puede fluctuar significativamente. La energía de impacto para este diseño se calcula de la siguiente manera:
3.2.3 Frecuencia de impacto
Generalmente, bajo energía de impacto constante, la frecuencia de impacto es proporcional a la potencia de salida del impactador. Sin embargo, cuando el diámetro del cilindro es fijo, aumentar la frecuencia de impacto requiere una reducción en la carrera del pistón, lo que a su vez disminuye la potencia de impacto simple. Una vez que la potencia de impacto individual cae por debajo de un cierto umbral, aumentar la frecuencia no producirá resultados satisfactorios de rotura de rocas. Por tanto, la selección de la frecuencia del impacto está limitada por la potencia del impacto.
Para DTH neumático que funciona a una presión de diseño de 0,5 MPa, la frecuencia no debe exceder los 16,8 Hz. Dado que el DTH opera a presiones de diseño entre 0,5 y 2,5 MPa, la frecuencia de impacto puede variar significativamente. La selección inicial de la frecuencia del impactador se puede calcular de la siguiente manera:
f = 10,4 + 7,6P
(2) donde P es la presión de suministro del sistema. Para este diseño, P = 1,6 MPa, por lo tanto:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Diseño de parámetros estructurales
Los principales parámetros estructurales del DTH incluyen el diámetro del cilindro, la carrera del pistón y las dimensiones del pistón. Aumentar el diámetro del cilindro puede mejorar tanto la potencia como la frecuencia del impacto, por lo que el diámetro debe maximizarse dentro de los límites del tamaño estructural. Normalmente, la diferencia entre el diámetro exterior del DTH y el diámetro del orificio no debe ser inferior a 15 a 20 mm, y la carcasa exterior del DTH no debe ser demasiado delgada. Por lo tanto, la relación entre el diámetro del cilindro DTH y el diámetro de perforación es generalmente superior a 0,5.
3.3.1 Diámetro de trabajo del cilindro y carrera estructural
El diámetro de trabajo D del cilindro se puede calcular de la siguiente manera:
D = K × D(diámetro) = (0,57 - 0,68) × D(diámetro) (3)
Para este diseño, D(diámetro interior) = 600 mm, por lo que D se toma como 360 mm. La carrera estructural S se toma empíricamente como S = 500 mm.
3.3.2 Masa del pistón
Las dimensiones radiales del pistón están limitadas por el tamaño y la estructura del cilindro, lo que permite pistones de igual o diferente diámetro. Las dimensiones lineales dependen del peso del pistón, que también se relaciona con la velocidad que tiene al golpear la broca. Por lo tanto, determinar las dimensiones estructurales del pistón es un aspecto complejo del diseño DTH. La masa del pistón DTH se puede estimar de la siguiente manera:
metro = 0,0205D^2,84 (4)
donde m es la masa del pistón en kg; D es el diámetro de trabajo del cilindro en cm.
Sustituyendo D = 36 se obtiene: m = 540 kg.
El DTH consta principalmente de una estructura de transmisión de par y un mecanismo de impacto neumático. La estructura de transmisión de torsión conecta la varilla de perforación y el DTH, transmitiendo fuerzas rotacionales de corte y tracción; el mecanismo de impacto neumático genera impacto, proporcionando potencia axial a la broca de impacto. Los detalles específicos de la estructura se muestran en la Figura 3.
La estructura de transmisión de torsión conecta la varilla de perforación y el impactador. La junta superior se conecta con la varilla de perforación y el impactador a través de roscas de tubería, principalmente para garantizar la estanqueidad al gas y al mismo tiempo transmitir torsión y fuerza de tracción. La válvula de retención evita que el lodo y el agua entren al impactador y a la varilla de perforación, controlada por un resorte. El asiento de entrada de aire con la varilla de suministro de gas funciona para introducir aire comprimido en el cilindro, facilitando la acción de suministro de gas junto con el cilindro y el pistón, logrando así un suministro combinado de gas. El anillo de seguridad con resorte evita que el pistón se salga del cilindro al reemplazar la broca.
3.4 Análisis de elementos finitos de la broca DTH
La broca DTH está sujeta a las fuerzas de impacto del pistón y al torque del cabezal impulsor. La fuerza que el aire comprimido ejerce sobre el pistón está dada por:
F = P×S (5)
donde P es la presión del sistema en Pa; S es el área de fuerza del pistón en m².
Por tanto, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Por tanto, la fuerza de impacto sobre la broca es:
F' = kF (6)
donde k es el coeficiente de impacto; F es la fuerza ejercida sobre la broca por el aire comprimido en N. Por tanto, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
El par aplicado a la broca DTH por el cabezal impulsor es N = 150 kN. Aplicando F' = 2688 kN y N = 150 kN a la broca mientras se fija la cara del extremo inferior de la broca, y utilizando material QT500-7 con un límite elástico de 320 MPa, se realiza el análisis de elementos finitos. Las condiciones específicas de carga y restricción y la división de la malla se muestran en las Figuras 4 y 5.
Los resultados del análisis de elementos finitos se muestran en la Figura 6, lo que indica que la tensión máxima es 144.355 MPa, que es menor que el límite elástico de QT500-7 (320 MPa), cumpliendo así con los requisitos.