30 Journal of Mining and Earth Sciences Vol 62, Issue 3a (2021) 30 - 36 Study on the wear mechanisms and rock destruction of core surface set bit in drilling for solid mineral exploration Thao Xuan Nguyen 1,*, Tuan Tran Nguyen , Nam Van Le Institute of Drilling Technology , Vietnam Faculty of Oil and Gas, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 18th Feb 2021 Accepted 25th May 2021 Available online 10th July 2021 In this paper, the authors present some research results of wearing process and rock destruction by diamond grit of core bit depending on drilling regime, rock hardness, diamond grit strength, etc through the simulation of the interaction effect between diamond grit attached to the core bit and the rock The relationship of the wear rate and rate of penetration of diamond core bit to the rotation per minute has been tested On the basis of the research results, the authors have proposed solutions to select the appropriate technology for diamond drilling to improve the efficiency of solid mineral exploration in Vietnam Keywords: Diamond core bit, Drilling technology, Wear and friction of core bit Copyright © 2021 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E - mail: thao.vimsat@gmail.com DOI: 10.46326/JMES.2021.62(3a).04 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 62, Kỳ 3a (2021) 30 - 36 31 Nghiên cứu q trình mịn phá hủy đá mũi khoan kim cương lớp khoan thăm dị khống sản rắn Nguyễn Xuân Thảo 1,*, Nguyễn Trần Tuân 2, Lê Văn Nam Viện Công nghệ Khoan, Việt Nam Khoa Dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 18/02/2021 Chấp nhận 25/5/2021 Đăng online 10/7/2021 Trong phạm vi báo, phương pháp mơ hình tác dụng tương hỗ hạt kim cương gắn mũi khoan với đá, tác giả trình bày số kết nghiên cứu q trình mịn phá huỷ đá hạt kim cương gắn mũi khoan phụ thuộc vào chế độ công nghệ khoan, độ cứng đá, độ bền hạt kim cương, Thử nghiệm xác lập mối quan hệ cường độ mòn mũi khoan vận tốc học phụ thuộc vào tốc độ vòng quay Trên sở kết nghiên cứu, báo đề xuất giải pháp lựa chọn công nghệ hợp lý khoan kim cương, nhằm nâng cao hiệu thăm dị khống sản rắn Việt Nam Từ khóa: Cơng nghệ khoan, Mịn ma sát, Mũi khoan kim cương © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Hiệu khoan lỗ khoan thăm dị khống sản rắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, có độ bền mũi khoan chế độ công nghệ khoan hợp lý Nhiều tài liệu nghiên cứu (Heinz, 2000; Soloviev, 1997; Neskoromnux, 2012) khẳng định: sử dụng mũi khoan kim cương áp dụng chế độ công nghệ khoan hợp lý làm tăng suất, tăng tuổi thọ mũi khoan giảm giá thành khoan Hiện nay, có quan điểm khác việc lựa chọn cấu trúc mũi khoan kim cương chế độ công nghệ khoan hợp lý (Nguyễn Xuân Thảo, 2002; 2020; Heinz, _ *Tác giả liên hệ E - mail: thao.vimsat@gmail.com DOI: 10.46326/JMES.2021.62(3a).04 2000; Soloviev, 1997), song chuyên gia thống nhất: i) Quá trình phá huỷ đá khoan kim cương trình tác dụng tương hỗ hạt kim cương gắn mũi khoan với đá, liên quan tới trình mịn hạt kim cương, mịn mũi khoan; q trình ma sát, q trình sinh nhiệt tính chất lý đá ; ii) Hiệu phá hủy đá cường độ mòn hạt kim cương gắn mũi khoan phụ thuộc vào tính chất lý đá, chế độ công nghệ khoan, cấu trúc mũi khoan, độ bền hạt kim cương điều kiện môi trường tiếp xúc mũi khoan với đá Trong phạm vi báo, phương pháp mơ hình tác dụng tương hỗ hạt kim cương gắn mũi khoan với đá, nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ q trình mòn phá hủy đá hạt kim cương Trên sở kết nghiên cứu thử nghiệm thực tế, tác giả đề xuất giải pháp lựa chọn thông số chế độ 32 Nguyễn Xuân Thảo nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 30 - 36 khoan hợp lý, phù hợp với điều kiện địa chất cụ thể nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ mũi khoan, vận tốc học khoan giảm giá thành khoan Nghiên cứu trình mịn phá hủy đá hạt kim cương gắn mũi khoan Khi nghiên cứu q trình mịn phá hủy đá khoan kim cương, tác giả tiến hành theo hai hướng: i) nghiên cứu tác dụng tương hỗ hạt kim cương với đá trình khoan (Heinz, 2000; Soloviev, 1997); ii) nghiên cứu tác dụng tương tác nhóm hạt kim cương gắn mũi khoan với đá trình khoan (Heinz, 2000; Soloviev, 1997) Hạt kim cương gắn mũi khoan theo sơ đồ khác độ nhơ bề mặt đế khác Vì vậy, tác dụng với đá trình khoan tạo chiều dày lớp đá bị phá hủy khác Mơ hình tác dụng tương hỗ nhóm hạt kim cương trình phá hủy đá mơ tả Hình Từ Hình 1, nhận thấy hạt kim cương gắn đế mũi khoan lớp có kích thước khác nhau, độ nhơ khác tạo độ nháp mặt tiết diện đế mũi khoan Trong trình khoan, hạt kim cương tiếp nhận tải trọng chiều trục khác nhau, chiều dày lớp đá bị phá hủy khác Trong trình khoan, nhờ tác dụng tải trọng chiều trục momen quay, hạt kim cương dịch chuyển cắt đá Chiều sâu trung bình cắt đá sau vòng quay htb (m/vòng) hạt kim cương tham gia phá hủy đá liên quan tới vận tốc học xác định theo công thức sau (Soloviev, 1997 ): 𝜈𝑚 ℎ𝑡𝑏 = (1) 𝑛𝑚 Trong đó: vm - vận tốc học khoan, m/s; ntốc độ vòng quay, v/phút; m- số lượng hạt kim cương mũi khoan tham gia phá hủy đá Từ (1) cho thấy, việc nghiên cứu tác dụng tương hỗ nhóm hạt kim cương gắn mũi khoan với đá trình khoan phức tạp Vì vậy, để làm sáng tỏ yếu tố ảnh hưởng tới q trình mịn phá hủy đá khoan kim cương, hầu hết chuyên gia theo hướng nghiên cứu tác dụng tương hỗ hạt kim cương với đá trình khoan, sau phương pháp nội suy tính tốn chế độ làm việc mũi khoan kim cương Q trình tính tốn mịn hiệu phá hủy đá hạt kim cương gắn mũi khoan thực điều kiện sau: - Hạt kim cương dạng hình cầu bán kính Ra, làm việc điều kiện đá đồng không nứt nẻ, độ cứng đá Ps; - Chế độ khoan hợp lý; mùn khoan tạo thành trình khoan rửa kịp thời khơng ảnh hưởng tới q trình làm việc hạt kim cương; - Nhiệt độ sinh trình cắt đá làm mát nước rửa không ảnh hưởng tới độ bền bề mặt tiếp hạt kim cương với đá Mơ hình tác dụng tương hỗ trình phá hủy đá hạt kim cương mơ tả Hình Dưới tác dụng tải trọng chiều trục Pa hạt kim cương xâm nhập vào đá nén ép tạo vùng phá hủy với chiều sâu hp; nhờ momen quay, hạt kim cương chuyển động cắt đá với chiều dày lớp cắt h chiều sâu hạt kim cương xâm nhập vào đá; đồng thời trình cắt đá hạt cương bị mòn với chiều cao i Như chiều dày thực tế lớp đá bị cắt ht xác định: ℎ𝑡 = ℎ − 𝑖 (2) Với: hạt kim cương; đế mũi khoan; vùng đá bị phá hủy; Pa - tải trọng chiều trục tác dụng lên hạt kim cương, N; h3 - khe hở đế mũi khoan đá, m; hB - đá, m); hP - chiều sâu lớp đá bị phá hủy, m; i - chiều cao hạt kim cương Hình Mơ hình tác dụng tương hỗ nhóm hạt kim cương mũi khoan đá trình khoan đến 10 - số thứ tự hạt kim cương; h1,… h9 - chiều sâu cắt đá; l - khoảng cách hạt cắt Nguyễn Xuân Thảo nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 30 - 36 𝑣𝑜 = 33 𝜋𝐷𝑛 60 (8) Trong đó: D - đường kính trung bình mũi 𝐷 +𝐷 khoan, m; 𝐷 = 2; D1 D2 - đường kính ngồi mũi khoan, m; n- tốc độ vịng quay, v/phút Mặt khác cơng ma sát tỷ lệ với thể tích mịn hạt kim cương: 𝐴 A = Ma Va hay 𝑉𝑎 = 𝑀 (9) 𝑎 Hình Mơ hình tác dụng tương hỗ hạt kim cương đá trình khoan bị mịn độ nhơ hạt kim cương, m; h - chiều dày lớp đá bị cắt; m - chiều sâu xâm nhập hạt kim cương vào Thể tích mịn hạt kim cương q trình phá hủy đá xác định sau: 𝑉𝑎 = 𝑆𝑎 𝑖 (4) Trong đó: r - bán kính tiếp xúc hạt kim cương với đá, cm Từ Hình có: 𝑟 = 𝑅𝑎2 − (𝑅𝑎 − 𝑖)2 = 2𝑅𝑎 𝑖 − 𝑖 (5) Từ ta có: 𝑉𝑎 = 𝜋𝑑𝑎 𝑖 (6) Công ma sát sinh trình mịn hạt kim cương xác định theo cơng thức (Soloviev, 1997): 𝐴 = 𝑓𝑃𝑎 𝑉0 𝑡 𝜋𝑓𝑃𝑎 𝐷𝑛𝑡 60𝑀𝑎 (10) So sánh với (10) (6), sau rút gọn ta có: 𝑓𝑃𝑎 𝐷𝑛𝑡 𝑑𝑎 𝑀𝑎 (11) 𝑖 = 0,13√ Từ công thức (11) nhận thấy chiều cao mịn hạt kim cương q trình phá huỷ đá hàm phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tốc độ vịng quay, tải trọng chiều trục, kích thuớc độ bền mòn hạt kim cương gắn mũi khoan, kích thước mũi khoan, hệ số ma sát thời gian khoan 𝑃 𝑙 Nếu thay giá trị 𝑃𝑎 = 𝑚 𝑡 = 𝑣𝑘 vào công 𝑚 Loại bỏ i2 nhỏ so với Ra, r2 = 2Rai; thay giá r2 vào biểu thức (4) ta có: 𝑆𝑎 = 2𝜋𝑅𝑎 𝑖 = 𝜋𝑑𝑎 𝑖 𝑉𝑎 = (3) Trong đó: Va- thể tích mịn hạt kim cương, m3; Sa- diện tích tiếp xúc hạt kim cương với đá, m2; i- chiều cao mòn hạt kim cương, m; 𝑆𝑎 = 𝑟 Trong đó: Ma = 4,05.1013 J/m3 - độ bền mòn hạt kim cương So sánh (7) (9), sau biến đổi ta có cơng thức xác định thể tích mịn Va sau: (7) Trong đó: A - cơng sinh q trình mịn hạt kim cương, J; f - hệ số ma sát hạt kim cương đá; Pa - tải trọng chiều trục tác dụng lên hạt kim cương, N; t - thời gian tiếp xúc hạt kim cương với đá (thời gian khoan túy), giây (s); v0 - vận tốc chuyển động hạt kim cương, m/s; thức (11) xác định chiều cao mòn trung bình kim cương mũi khoan sau: 𝑓𝑃𝐷𝑛𝑙𝑘 𝑎 𝑀𝑎 𝑣𝑚 𝑖𝑡𝑏 = 0,13√𝑚𝑑 (12) Trong P - tải trọng chiều trục tác dụng lên mũi khoan, N; lk- chiều dài hiệp khoan, m; vm- vận tốc học khoan, m/s Nếu tính chiều dày cắt đá h hạt kim cương htb đó, thay giá trị itb từ biểu thức (12) giá trị htb từ biểu thức (1) vào (2) xác định chiều sâu thực tế cắt đá hạt kim cương gắn mũi khoan lớp sau vòng quay sau: ℎ𝑡 = 𝑣𝑚 𝑛𝑚 𝑓𝑃𝐷𝑛𝑙𝑘 𝑚𝑑𝑎 𝑀𝑎 𝑣𝑚 − 0,13√ (13) 34 Nguyễn Xuân Thảo nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 30 - 36 Kết thử nghiệm thảo luận Thử nghiệm điều kiện sản xuất nhằm mục đích xác lập phụ thuộc vận tốc học mòn mũi khoan kim cương vào chế độ công nghệ khoan Thử nghiệm tiến hành lỗ khoan thăm dò than Mạo Khê, Quảng Ninh tầng đá cát kết liền khối chiều sâu 93÷100 m; độ cứng đá cấp X theo bảng phận cấp đất đá theo độ khoan Dung dịch dùng để rửa lỗ khoan dung dịch sét điều chế từ bột sét bentonit; thông số dung dịch: tỷ trọng γ = 1,05÷1,1 g/cm3, độ nhớt T = 19÷20 s, độ thải nước B = 6÷8 cm3/30 phút; mũi khoan dùng khoan thử nghiệm mũi khoan kim cương lớp Trung Quốc đường kính 76 mm; chế độ cơng nghệ khoan: tải trọng chiều trục tác dụng mũi khoan P = 10.000 N; vận tốc vòng quay n = 200 v/phút, 400 v/phút, 600 v/phút 800 v/phút Từ kết thử nghiệm xây dựng đồ thị phụ thuộc vận tốc học vm mòn mũi khoan J vào tốc độ vịng quay (Hình 3) Từ đồ thị (Hình 3) cho thấy, tốc độ vịng quay n nằm khoảng 200÷400 v/phút (vùng I), vận tốc học tăng nhanh; cường độ mòn tăng dần theo qui luật tuyến tính; vùng II, tốc độ vịng quay tăng 400÷600 v/phút, vận tốc học khơng tăng có xu hướng giảm dần; đó, cường độ mịn mũi khoan tăng dần Ở vùng III, tốc độ vòng quay tăng lớn 600 v/phút vận tốc học giảm cách rõ rệt; đồng thời cường độ mòn mũi khoan tăng nhanh khơng tn theo qui luật tuyến tính Như vậy, giới hạn tốc độ vòng quay hợp lý, vận tốc học tăng nhanh, cường độ mòn mũi khoan tăng theo qui luật tuyến tính Khi tốc độ vòng quay vượt giới hạn hợp lý, vận tốc học giảm dần cường độ mòn tăng nhanh Khi đánh giá hiệu phá hủy đá khoan kim cương, chuyên gia dựa vào tiêu tiến độ mũi khoan sau vòng quay Theo quan điểm chuyên gia (Heinz, 2000; Soloviev, 1997) tiêu không phản ánh thực chất trình phá hủy đá mũi Hình Sự phụ thuộc vận tốc học khoan vm cường độ mòn J mũi khoan lớp đường kính 76 mm vào tốc độ vịng quay khoan đá cát kết Mạo Khê, Quảng Ninh Nguyễn Xuân Thảo nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 30 - 36 khoan kim cương mà tiêu tổng hợp liên quan tới tính chất lý đá, thơng số chế độ khoan cấu trúc mũi khoan Từ biểu thức (1) cho thấy, trường hợp số lượng hạt kim cương gắn mũi khoan tham gia phá hủy đá khơng thay đổi; tiến độ trung bình mũi khoan htb tăng xảy khi: i) vận tốc học tăng tốc độ vịng quay khơng tăng giảm; ii) vận tốc học trình khoan khơng thay đổi, tốc độ vịng quay giảm Trong trường hợp này, hiệu phá huỷ đá tăng chủ yếu tăng tải trọng chiều trục tác dụng lên mũi khoan; tăng tải trọng chiều trục, khe hở mặt tiếp xúc đế mũi khoan với đá giảm, làm cản trở trình mùn khoan Từ dẫn tới tượng “bó mùn khoan”, tăng nhiệt độ bề mặt tiếp xúc làm tăng độ mòn hạt kim cương đế mũi khoan Nếu tiếp tục tăng tải trọng tác dụng lên mũi khoan, vận tốc khoan giảm cường độ mịn mũi khoan tăng Tiến độ trung bình htb mũi khoan không thay đổi mức độ tăng vận tốc học tốc độ vòng quay Trong trường hợp htb đạt tới giá trị tối ưu, nghĩa thông số chế độ khoan lựa chọn phù họp với tính chất lý đá đảm bảo cho mũi khoan phá hủy đá điều kiện “phá huỷ thể tích” Ngược lại, tiến độ trung bình htb mũi khoan sau vịng quay giảm do: i) vận tốc vịng quay tăng mà vận tốc học không tăng khơng thay đổi; ii) vận tốc vịng quay khơng tăng vận tốc học giảm Nguyên nhân chủ yếu trường hợp lựa chọn tải trọng chiều trục tác dụng lên mũi khoan vận tốc vịng quay chưa phù hợp, khơng đảm bảo độ tiến sâu hạt cắt mũi khoan vào đá; dẫn tới mũi khoan làm việc chế độ mài mịn Tại bề mặt tiếp xúc khơng xảy tượng phá huỷ thể tích, hiệu phá huỷ đá bị giảm cường độ mòn mũi khoan tăng Kết luận Từ kết nghiên cứu rút số kết luận sau: - Chiều cao mòn hạt kim cương gắn mũi khoan lớp phụ thuộc vào chế độ khoan, kích thước độ bền mịn hạt kim cương gắn mũi khoan, kích thước mũi khoan, hệ số ma sát thời gian khoan 35 - Sự phụ thuộc vận tốc học, cường độ mòn mũi khoan khoan kim cương với tốc độ vòng quay phụ thuộc tương phản tăng tốc độ vòng quay, vận tốc học tăng nhanh đồng thời cường độ mòn mũi khoan tăng với mức độ chậm Nếu tiếp tục tăng tốc độ vòng quay vận tốc học giảm, cường độ mòn mũi khoan tăng nhanh - Ở vùng Quảng Ninh, khoan mũi khoan kim cương lớp đường kính 76 mm đá cát kết độ cứng cấp X theo độ khoan, nên áp dụng chế độ khoan với tải trọng chiều trục 10.000 N, tốc độ vòng quay dụng cụ khoan khoảng 350÷550 v/phút; - Kết nghiên cứu tác dụng tương hỗ hạt kim cương đá giúp hiểu rõ chất trình mịn phá hủy đá Trên sở lựa chọn cấu trúc mũi khoan, chế độ công nghệ khoan kim cương hợp lý phù hợp với thực tế loại đá Lời cảm ơn Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Duy Tuấn, Viện Công Nghệ Khoan có giúp đỡ quý báu học thuật sở nghiên cứu; xin chân thành cảm ơn Công ty than Mạo Khê - TKV giúp đỡ hộ trợ công tác thử nghiệm khoan tiến hành thuận lợi thu nhiều kết Đóng góp tác giả Tác giả Nguyễn Xuân Thảo nghiên cứu chế mòn hạt kim cương trình cắt đá lưỡi khoan đề xuất giải pháp hạn chế mòn Nguyễn Trần Tuân Lê Văn Nam chịu trách nhiệm áp dụng thử nghiệm lý thuyết vào thực tiễn khoan Mỏ Mạo Khê tổng hợp số liệu Tài liệu tham khảo Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Trương Tú, (2002) Nghiên cứu số biện pháp nâng cao tốc độ học khoan kim cương tốc độ vòng quay lớn Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học lần thứ 15 Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội 5258 Nguyễn Xuân Thảo, Trần Văn Bản, Trần Đình Kiên, Nguyễn Thế Vinh, Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Trần Tuân, Nguyễn Văn Thịnh, 36 Nguyễn Xuân Thảo nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 62(3a), 30 - 36 Nguyễn Thị Thục Anh, (2020) Cơng nghệ khoan thăm dị Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 698 trang Soloviev N V., Trikhotkin V F., Bogdanov R K., Zakora A P., (1997) Công nghệ khoan kim cương điều kiện địa chất phức tạp VNIIOENG Mátx-Cơ-Va 332 trang Соловьев Н В., Чихоткин В.Ф., Богданов Р К., Закора А.П., (1997) Ресурсосберегающая технология алмазного бурения в сложных геологических условиях ВНИИОЭНГ Москва 332 с Heinz W F., (2000) Diamond drilling hanbook South Africa 538 pages Neskoromnux V.V., (2012) Nguyên lý phá huỷ đất đá cơng tác thăm dị Đại học Tổng hợp Ciberia Krasnodar 300 trang Нескоромных В.В (2012) Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ Красноярск СФУ 300 с ... nâng cao tuổi thọ mũi khoan, vận tốc học khoan giảm giá thành khoan Nghiên cứu q trình mịn phá hủy đá hạt kim cương gắn mũi khoan Khi nghiên cứu trình mòn phá hủy đá khoan kim cương, tác giả tiến... thống nhất: i) Quá trình phá huỷ đá khoan kim cương trình tác dụng tương hỗ hạt kim cương gắn mũi khoan với đá, liên quan tới trình mịn hạt kim cương, mịn mũi khoan; q trình ma sát, q trình sinh... xúc mũi khoan với đá Trong phạm vi báo, phương pháp mơ hình tác dụng tương hỗ hạt kim cương gắn mũi khoan với đá, nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ trình mịn phá hủy đá hạt kim cương Trên sở kết nghiên