การออกแบบและการวิเคราะห์เชิงตัวเลขของดอกสว่านหมุนเวียนอากาศย้อนกลับที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่สำหรับการเจาะค้อนลมแบบหมุนเวียนกลับในรู
 

 

การเจาะค้อนลมแบบหมุนเวียนกลับลงหลุม (RC-DTH) เป็นวิธีที่รวดเร็วและคุ้มค่าสำหรับการขุดเจาะหินแข็ง เนื่องจากดอกสว่าน RC แบบลมเป็นหัวใจสำคัญของระบบการเจาะค้อนลม RC-DTH เพื่อสร้างการไหลเวียนแบบย้อนกลับ ดอกสว่าน RC ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่จึงได้รับการออกแบบอย่างสร้างสรรค์และปรับให้เหมาะสมเชิงตัวเลขโดยคำนึงถึงความสามารถในการดูด ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มมุมเงยของหัวดูดและมุมโก่งสามารถปรับปรุงความสามารถในการดูดของดอกสว่านได้ ประสิทธิภาพของดอกสว่านจะถึงสถานะที่เหมาะสมที่สุดเมื่ออัตราการไหลของอากาศอยู่ที่ประมาณ 1.205 กิโลกรัม/วินาที หลังจากนั้นจะแสดงแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงแบบย้อนกลับพร้อมกับอัตราการไหลของมวลอากาศที่เพิ่มขึ้น เส้นผ่านศูนย์กลางที่เหมาะสมของหัวดูดคือ 20 มม. สำหรับดอกสว่านที่ศึกษาในงานนี้ ดอกสว่าน RC ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 665 มม. และค้อนลม RC-DTH ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 400 มม. ได้รับการผลิตขึ้น และทำการทดลองภาคสนาม ผลการทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่าอัตราการเจาะโดยใช้วิธีการเจาะด้วยค้อนลม RC-DTH นั้นมากกว่าสองเท่าของวิธีการเจาะแบบหมุนทั่วไป วิธีการขุดเจาะนี้ก่อให้เกิดศักยภาพที่ดีสำหรับการขุดเจาะหินแข็งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ที่ใช้ในส่วนบนของหลุมเจาะที่อยู่เหนือการก่อตัวของแหล่งกักเก็บที่มีศักยภาพสำหรับการขุดเจาะน้ำมันและก๊าซบนบก การขุดเจาะความร้อนใต้พิภพ และการขุดเจาะภาคสนามที่เกี่ยวข้อง

 

 

1 บทนำ

การเจาะค้อนลมแบบ Down-the-hole (DTH) ถือเป็นวิธีการขุดเจาะที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดวิธีหนึ่งสำหรับการขุดเจาะหินแข็ง1-3 ในการเจาะค้อนลม DTH การเจาะที่ตรงกว่าและต้นทุนต่อเมตรต่ำทำได้โดยการกระทบบ่อยครั้ง และแรงกระแทกสูงที่เม็ดมีด4, 5 เวลาสัมผัสของเม็ดมีดสว่านกับการก่อตัวของหินโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 2% ของเวลาปฏิบัติงานทั้งหมด ส่งผลให้น้ำหนักต่อบิต (WOB) สูงขึ้นทันที แม้ว่า หมายความว่า WOB ยังคงอยู่ที่ระดับที่ต่ำกว่า6-8 นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในวัตถุประสงค์ในการขุดเจาะแผ่นดินไหว (SWD) และระบุลักษณะเงื่อนไขการขุดเจาะ9, 10 นอกเหนือจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการขุดเจาะโคลนทั่วไปโดยใช้อากาศ เนื่องจากของไหลหมุนเวียนส่งผลให้อัตราการเจาะทะลุ (ROP) สูงขึ้น เนื่องจากแรงดันรูก้นวงแหวนต่ำ11 นอกจากนี้ การเจาะชั้นหินที่อาจก่อให้เกิดการผลิตโดยใช้แรงดันหลุมล่างวงแหวนซึ่งต่ำกว่าความดันรูพรุนของชั้นหินสามารถกำจัดความเสียหายของชั้นหินที่อาจส่งผลกระทบต่อการติดตาม - ในการผลิต 11 เนื่องจากข้อได้เปรียบที่กล่าวมาข้างต้น การเจาะค้อนลม DTH จึงถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการขุด และยังขยายไปสู่การขุดเจาะน้ำมันและก๊าซด้วย เนื่องจากแหล่งเก็บน้ำมันและก๊าซจำนวนมากขึ้นอยู่ภายใต้การก่อตัวของหินแข็ง

 

ค้อนลมหมุนเวียนแบบย้อนกลับ (RC-DTH) เป็นเครื่องมือเจาะค้อน DTH ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่ขับเคลื่อนด้วยอากาศ 12 แตกต่างจากระบบค้อนลม DTH ทั่วไปสว่านที่มีโครงสร้างออกแบบเป็นพิเศษเป็นส่วนสำคัญของ RC- ระบบค้อนลม DTH และท่อเจาะผนังคู่สร้างเส้นทางการขนส่งสำหรับทั้งลมอัดและการเจาะ 13 ในระหว่างการเจาะ อากาศอัดจะถูกฉีดเข้าไปในวงแหวนของท่อผนังคู่และขับเคลื่อนค้อนลม RC-DTH เพื่อใช้การเป่าความถี่สูงที่กระทำกับสว่านแบบหมุนเวียนย้อนกลับ (RC) ซึ่งเกิดการหมุนเวียนแบบย้อนกลับ14 คุณลักษณะที่โดดเด่นของวิธีการเจาะนี้คือการผสมผสานระหว่างการเจาะแบบเพอร์คัชชั่นกับเทคนิคการเจาะแบบ RC ด้วยอากาศ

 

ตามธรรมเนียมแล้ว ในการเจาะแบบหมุนเวียนอากาศโดยตรง อากาศอัดจะถูกป้อนเข้าไปในด้านล่างของรูเจาะผ่านทางเดินตรงกลางของท่อเจาะ จากนั้นอากาศเสียจะนำส่วนที่เจาะออกจากรูเจาะผ่านช่องว่างวงแหวนที่เกิดจากท่อเจาะและผนังรู15 ในขณะที่ในการเจาะ RC ด้วยอากาศ อากาศอัดจะเข้าสู่ช่องว่างวงแหวนของท่อเจาะผนังคู่ผ่านทางแกนหมุนผนังคู่ อากาศเสียที่นำหัวเจาะกลับคืนสู่พื้นผิวผ่านทางตรงกลางของท่อเจาะด้านใน แทนที่จะเป็นช่องว่างวงแหวนที่เกิดจากท่อเจาะด้านนอกและผนังหลุมเจาะ ดังแสดงในรูปที่ 1 พื้นที่หน้าตัดของทางเดินตรงกลาง (วงกลมสีเหลือง b) ของระบบเจาะอากาศ RC มีขนาดเล็กกว่าพื้นที่หน้าตัดวงแหวน (วงแหวนสีเขียว a) มาก ตามข้อกำหนดปริมาตรขั้นต่ำสำหรับการเจาะอากาศ มั่นใจว่าความเร็วเคลื่อนที่ขั้นต่ำของอากาศ (สภาวะมาตรฐาน) อยู่ที่ประมาณ 15.2 เมตร/วินาที เพื่อการขนย้ายเครื่องตัดเจาะอย่างพึงพอใจ การศึกษาที่ดำเนินการโดย Sharma และ Chowdhry16 ยังระบุด้วยว่าเพียงการรักษาอากาศด้วยความเร็วการเคลื่อนที่ที่เหมาะสมเท่านั้นจึงจะสามารถเคลื่อนย้ายการตัดเจาะได้อย่างมีประสิทธิภาพ เห็นได้ชัดว่าการเจาะอากาศ RC นั้นง่ายกว่ามากในการเข้าถึงเกณฑ์ความเร็วในการเคลื่อนที่เนื่องจากการเจาะด้วยอากาศจะไหลในเส้นทางตรงกลางแทนที่จะเป็นช่องว่างวงแหวนระหว่างเสาเข็มเจาะและผนังหลุมเจาะ 17-20 ดังนั้นการใช้อากาศต่ำและความสามารถที่เป็นผลตามมาใน การเจาะรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่เป็นข้อได้เปรียบที่ชัดเจนสำหรับการเจาะแบบ RC ด้วยลม ซึ่งช่วยลดต้นทุนการรีมและเวลาดำเนินการได้อย่างมาก นอกจากนี้ เนื่องจากอากาศและการเจาะที่ระบายออกจากท่อระบายสามารถนำทางโดยตรงไปยังเครื่องตัดและตัวเก็บฝุ่นที่วางห่างจากสถานที่เจาะ สภาพแวดล้อมการทำงานก็ดีขึ้น และบรรยากาศก็ปราศจากน้ำมัน จึงเป็นอุปสรรคต่อคนงานเจาะและ อุปกรณ์จากการคุกคามของการขุดเจาะฝุ่น14, 21

 

 

 

 

 

รูปที่ 1

แผนผังวิธีการเจาะแบบหมุนเวียนอากาศย้อนกลับ

 

 

ในระบบเจาะค้อนลม RC-DTH ดอกสว่าน RC เป็นส่วนสำคัญในการสร้างการหมุนเวียนอากาศย้อนกลับ ความพยายามก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่ในการเจาะค้อนลม RC-DTH มุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพของดอกสว่านหมุนเวียนย้อนกลับโดยมีเป้าหมายเพื่อให้ได้การออกแบบที่ดีขึ้นเพื่อเพิ่มความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับ ความพยายามที่เป็นตัวแทน ได้แก่ ดอกสว่าน RC พร้อมหัวดูดที่ตั้งอยู่บนซี่โครง ประสิทธิภาพการควบคุมฝุ่นของดอกสว่าน RC ที่ตรวจสอบโดย Luo และคณะ การวิเคราะห์ประสิทธิภาพของดอกสว่าน RC พร้อมเครื่องกำเนิดแบบหมุนวน และดอกสว่าน RC ที่มีหัวฉีดหลายความเร็วเหนือเสียง14, 20, 22, 23 เส้นผ่านศูนย์กลางของดอกสว่าน RC เหล่านี้ที่ศึกษาในงานก่อนหน้านี้อยู่ระหว่าง 80 ถึง 200 มม. การประเมินศักยภาพการใช้งานและการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของดอกสว่าน RC ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ (มากกว่า 300 มม.) ยังคงไม่ได้รับการสำรวจเป็นหลัก เพื่อปรับปรุงความสามารถ RC ของดอกสว่านที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ ได้มีการศึกษาผลกระทบของพารามิเตอร์หัวดูดที่มีต่อประสิทธิภาพของดอกสว่านด้วยการคำนวณ และทำการทดลองภาคสนามเพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้

 

2 คำอธิบายของดอกสว่าน RC

รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างแผนผังของดอกสว่าน RC อากาศอัดจะไหลเข้าสู่ทางเดินตรงกลางของเครื่องมือเจาะผ่านหัวดูดและหัวล้าง อากาศจะเข้าสู่หัวดูด ซึ่งจะเกิดเป็นไอพ่นที่มีความเร็วการไหลสูง อากาศที่อยู่ติดกันบางส่วนจะถูกกักเข้าไปในไอพ่นเนื่องจากผลของปั๊มไอพ่น ส่งผลให้เกิดโซนแรงดันลบในบริเวณใกล้กับไอพ่น ความแตกต่างของแรงดันระหว่างด้านล่างของหลุมเจาะและโซนแรงดันลบภายในทางเดินตรงกลางสามารถสร้างแรงยกที่กระทำกับอากาศและการเจาะตัดด้านล่าง ในขณะเดียวกัน อากาศที่ผสมกับการตัดเจาะจะถูกดูดเข้าไปในทางเดินตรงกลางของเครื่องมือเจาะอย่างต่อเนื่องโดยได้รับความช่วยเหลือจากกระแสน้ำที่ไหลออกจากหัวฉีดชะล้าง ซึ่งจะกวาดการตัดเจาะเข้าไปในทางเดินตรงกลาง ความสามารถในการดูดนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการประเมินประสิทธิภาพของดอกสว่าน RC และสามารถแสดงได้ด้วยอัตราส่วนระหว่างอัตราการไหลของมวลของอากาศที่กักเข้าไปในช่องว่างวงแหวนระหว่างท่อเจาะและผนังหลุมเจาะกับอัตราการไหลของมวลอินพุตทั้งหมด .

 

 

 

 

 

รูปที่ 2

โครงสร้างแผนผังของดอกสว่านหมุนเวียนอากาศย้อนกลับที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่

 

 

3 แนวทางการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์

3.1 โดเมนและกริดการคำนวณ

ศึกษาดอกสว่านหมุนเวียนกลับที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 665 มม. ดอกสว่านขนาดนี้ตรงกับค้อนลม RC-DTH ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 400 มม. โดเมนการคำนวณถูกสร้างขึ้นโดยซอฟต์แวร์ Altair HyperWorks โดเมนการคำนวณแบบตาข่ายโดยทั่วไปจะแสดงในรูปที่ 3 โดเมนการคำนวณส่วนใหญ่ประกอบด้วยห้าส่วน รวมถึงหัวดูด หัวฉีดฟลัช ช่องว่างวงแหวนระหว่างผนังด้านในและด้านนอกของดอกสว่าน ช่องว่างวงแหวนที่เกิดจากดอกสว่านและรูเจาะ ผนังและทางเดินตรงกลางของเครื่องมือเจาะ โดเมนการคำนวณทั้งหมดถูกประกบเข้ากับกริดที่ไม่มีโครงสร้างแบบจัตุรมุขเนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนของโดเมน มีการใช้ความหนาแน่นสามเซลล์กริดเพื่อวิเคราะห์ความไวของกริดของแบบจำลองสว่าน ผลลัพธ์ในตารางที่ 1 แสดงว่าความแตกต่างสูงสุดคือ <5% กริดขนาดกลางถูกนำมาใช้ในการคำนวณของเราเพื่อสร้างสมดุลระหว่างต้นทุนเวลาและความแม่นยำของโมเดล

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 3

แบบจำลองกริดทั่วไปของฟิลด์การไหลภายในของดอกสว่านหมุนเวียนย้อนกลับและประเภทเงื่อนไขขอบเขต

 

 

กริด	จำนวนเซลล์	อัตราการไหลของมวลที่กักขัง (กก./วินาที)
ตารางละเอียด	4 870 311	0.41897
ตารางขนาดกลาง	3 010 521	0.42015
ตารางหยาบ	1 546 375	0.43732
% ความแตกต่าง		4.4

ตารางที่ 1. การวิเคราะห์ความไวของกริดสำหรับโดเมนการคำนวณ

 

 

3.2 สมการที่ใช้บังคับและเงื่อนไขขอบเขต

การไหลของอากาศภายในถือว่าเป็นไปตามหลักการอนุรักษ์มวล โมเมนตัม และพลังงาน สมการการปกครองทั่วไปคือ [24]:

 

 

 

โดยที่ ϕ หมายถึงตัวแปรตาม u หมายถึงเวกเตอร์ความเร็ว Γ หมายถึงสัมประสิทธิ์การแพร่ และ S คือคำที่มาจากแหล่งกำเนิดทั่วไป

 

ดังแสดงในรูปที่ 3 ช่องอากาศเข้าถูกกำหนดเป็นเงื่อนไขขอบเขต Mass_flow_inlet อัตราการไหลของปริมาตรของเครื่องมือค้อนลม RC-DTH (เส้นผ่านศูนย์กลาง 400 มม.) แตกต่างกันไปตั้งแต่ 30 ถึง 92 ลบ.ม./นาที (สภาวะมาตรฐาน) ซึ่งสอดคล้องกับอัตราการไหลของมวล 0.6025 ถึง 1.848 กิโลกรัม/วินาที ทางออกของทางเดินตรงกลางและทางออกของวงแหวนระหว่างผนังหลุมเจาะและเครื่องมือเจาะจะเปิดออกสู่บรรยากาศ ดังนั้น ช่องจ่ายทั้งสองนี้จึงถูกกำหนดเป็นเงื่อนไขขอบเขตของช่อง Pressure_outlet และแรงดันเกจจะถูกตั้งค่าเป็นศูนย์ ขอบเขตอื่นๆ ของโดเมนการคำนวณถูกกำหนดเป็นเงื่อนไขขอบเขตผนังที่ไม่มีการลื่นไถล

 

สมการการอนุรักษ์ความต่อเนื่องและโมเมนตัมและสมการการอนุรักษ์พลังงานได้รับการแก้ไขโดยใช้ Ansys Fluent สมการเนเวียร์-สโตกส์สำหรับการไหลอัดพร้อมกับแบบจำลองความปั่นป่วนที่เหมาะสมถูกนำมาใช้สำหรับการทำนายการไหลของอากาศภายใน การจำลองการไหลดำเนินการโดยใช้ตัวแก้ปัญหาตามความหนาแน่นแบบ 3 มิติ ในแนวทางนี้ สมการนาเวียร์-สโตกส์ที่ใช้ควบคุมจะถูกแก้ตามลำดับโดยใช้วิธีการวนซ้ำจนกว่าค่าที่กำหนดจะบรรจบกัน ในการจัดการกับการมีเพศสัมพันธ์ของความเร็วและความดัน จึงมีการใช้แผนอัลกอริทึมสมการเชื่อมโยงความดันกึ่งโดยนัย (SIMPLE) ซึ่งเชื่อมโยงสมการความต่อเนื่องและโมเมนตัมกับสมการสำหรับความดัน จึงถูกนำมาใช้เนื่องจากมีความแม่นยำมากและง่ายต่อการบรรลุการบรรจบกัน นอกจากนี้ยังใช้แบบจำลองปั่นป่วน k-ε มาตรฐานตามสมการการขนส่งแบบจำลอง เงื่อนไขการพาความร้อนในแง่ของพลังงานจลน์ปั่นป่วนและอัตราการกระจายแบบปั่นป่วนคำนวณโดยการแยกส่วนเหนือลมลำดับที่สอง ในขณะที่เงื่อนไขการแพร่กระจายได้รับการแก้ไขโดยผลต่างส่วนกลาง

 

4 ผลการจำลองและการอภิปราย

รูปที่ 4 แสดงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันสถิตบนเส้นกึ่งกลางของทางเดินตรงกลาง แรงดันสถิตใกล้กับทางออกของหัวดูดในทิศทางที่ฉีดจะต่ำกว่าแรงดันด้านล่างของหลุมเจาะอย่างมาก แรงดันที่แตกต่างกันสูงถึง 20 kpa ซึ่งก่อให้เกิดแรงยกที่ชัดเจนซึ่งจะปั๊มการตัดเจาะออกจากด้านล่างของรูเจาะได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้เกิดการหมุนเวียนย้อนกลับที่มีประสิทธิภาพ โครงสร้างของหัวดูดควรได้รับการออกแบบเป็นพิเศษ ดังนั้นจึงได้มีการสร้างและตรวจสอบโดเมนการคำนวณสิบสี่โดเมนที่มีพารามิเตอร์หัวดูดที่แตกต่างกัน ศึกษาอิทธิพลของอัตราการไหลของมวลอากาศเข้า เส้นผ่านศูนย์กลาง มุมเงย และมุมโก่งของหัวดูดที่มีต่อความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของสว่าน RC รูปที่ 5 แสดงรูปร่างความเร็วทั่วไปของดอกสว่าน RC ตามที่สังเกต เมื่ออากาศอัดไหลเข้าสู่ทางเดินตรงกลาง กระแสน้ำวนหลายตัวจะเกิดขึ้นใกล้กับทางออกของหัวดูดและก้นหลุมเจาะ กระแสน้ำวนที่เกิดขึ้นในบริเวณใกล้กับทางออกของหัวดูดจะขยายพื้นที่ของโซนแรงดันต่ำ อย่างไรก็ตาม กระแสน้ำวนเหล่านี้ยังส่งผลให้พลังงานจลน์ของไอพ่นที่ปล่อยออกมาจากหัวดูดสูญเปล่า ส่งผลให้ผลการขึ้นรถไฟของไอพ่นลดลง และขัดขวางการเจาะทะลุผ่านช่องกลางอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในขณะที่กระแสน้ำวนที่ขับเคลื่อนโดยไอพ่นจะไหลออกจากหัวฉีดฟลัชชิ่งที่ด้านล่างของหลุมเจาะสามารถกวนการตัดสว่านและช่วยยกพวกมันเข้าไปในทางเดินตรงกลาง

 

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 4

การกระจายแรงดันสถิตโดยทั่วไปบนเส้นกึ่งกลางของทางเดินตรงกลางดอกสว่าน

 

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 5

รูปร่างความเร็วทั่วไปของสนามการไหลภายในดอกสว่าน

 

 

4.1 อิทธิพลของอัตราการไหลของมวลอากาศเข้าต่อความสามารถในการดูด

อัตราการไหลของมวลอากาศเข้าเป็นพารามิเตอร์เดียวที่สามารถปรับเปลี่ยนได้เมื่อผลิตเครื่องมือเจาะ ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากค้อนลม DTH ประกอบอยู่ที่ด้านบนของดอกสว่าน RC อัตราการไหลของมวลอากาศที่ผ่านดอกสว่านจึงเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา โดยทั่วไป อัตราการไหลของมวลอากาศได้รับการแก้ไขเนื่องจากการเคลื่อนที่ของลูกสูบของค้อนลม DTH การตรวจสอบผลกระทบของอัตราการไหลของมวลอากาศขาเข้าต่อความสามารถในการดูดของดอกสว่านสามารถให้คำแนะนำสำหรับกระบวนการเจาะได้ รูปที่ 6 แสดงผลของอัตราการไหลของมวลอากาศเข้าต่อความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับ ในการจำลองกลุ่มนี้ มีการกำหนดพารามิเตอร์โครงสร้างของหัวดูด ซึ่งรวมถึงมุมเงย 60° หัวดูดเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 มม. และมุมโก่ง 15° นอกจากนี้ หัวดูดยังกระจายอย่างสมมาตรและเป็นเส้นรอบวงเหนือผนังทางเดินตรงกลาง และจำนวนหัวดูดทั้งหมดมีหกหัว อัตราการไหลของมวลอากาศดูดจากช่องว่างวงแหวนระหว่างท่อเจาะและผนังหลุมเจาะจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของอัตราการไหลของมวลอากาศอินพุต และจะถึงสูงสุดเมื่ออัตราการไหลของมวลอากาศอินพุตคือ 1.205 กิโลกรัม/วินาที จากนั้นอากาศดูด มวลจากวงแหวนที่เกิดจากท่อเจาะและผนังหลุมเจาะจะลดลงอย่างรวดเร็วตามการเพิ่มขึ้นของอัตราการไหลของมวลอากาศขาเข้า เมื่ออัตราการไหลของมวลอากาศเข้า <1.205 กิโลกรัม/วินาที การเพิ่มอัตราการไหลของมวลอากาศเข้าของอากาศเข้าสามารถปรับปรุงความเร็วการฉีดของการไหลของอากาศจากหัวดูด ซึ่งสามารถปรับปรุงอัตราการไหลของมวลอากาศดูดได้ ในขณะที่พื้นที่หน้าตัดของทางเดินตรงกลางของดอกสว่านนั้นมีจำกัด แต่อากาศเข้าที่มากเกินไปจะทำให้ความต้านทานของการไหลของอากาศเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความสามารถในการดูดของดอกสว่านลดลง ตามที่สังเกต ความสามารถในการดูด (อัตราส่วนระหว่างอัตราการไหลของมวลอากาศดูดและอินพุต) ลดลงเมื่อเพิ่มอัตราการไหลของมวลอากาศอินพุต นี่อาจเป็นผลมาจากความสามารถในการอัดอากาศที่ใช้พลังงานมากขึ้นในการอัดอากาศ

 

 

 

 

 

รูปที่ 6

อิทธิพลของอัตราการไหลของมวลอากาศอินพุตต่อความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของดอกสว่าน

 

 

4.2 อิทธิพลของเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวดูดต่อความสามารถในการดูด

อากาศเข้ามีสองทางให้ระบายออกจากช่องว่างวงแหวนของท่อเจาะผนังคู่ หัวดูด และหัวฉีดฟลัช เมื่อกำหนดอัตราการไหลของมวลอากาศที่ป้อนเข้า อัตราส่วนระหว่างอัตราการไหลของมวลอากาศที่หัวดูดและหัวชะล้างจะเพิ่มขึ้นตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวดูดที่เพิ่มขึ้น ความสามารถในการดูดของดอกสว่าน RC จะเพิ่มขึ้นเมื่อความเร็วของการฉีดถูกรักษาไว้ที่ระดับหนึ่ง รูปที่ 7 แสดงผลของเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวดูดต่อความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับ ในกลุ่มการจำลองนี้ มีการกำหนดพารามิเตอร์โครงสร้างของหัวดูด ซึ่งรวมถึงมุมเงย 60° มุมโก่ง 15° และอัตราการไหลของมวลอากาศอินพุต 70 ลบ.ม./นาที เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวดูด <20 มม. การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวดูดจะช่วยเพิ่มความสามารถในการดูดของดอกสว่าน เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 20 มม. ความสามารถในการดูดของดอกสว่านจะลดลงอย่างมาก โมเมนตัมของแรงลมที่พุ่งออกมาจากหัวดูดมีผลกระทบอย่างมากต่อความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของดอกสว่าน เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวดูดมีขนาดใหญ่กว่า 20 มม. แอมพลิจูดที่ลดลงของความเร็วเจ็ทจะมีชัยเหนือแอมพลิจูดที่เพิ่มขึ้นของอัตราการไหลของมวลที่หัวดูด ส่งผลให้ความสามารถในการดูดของดอกสว่านลดลง

 

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 7

อิทธิพลของเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวดูดต่อความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของดอกสว่าน

 

 

4.3 อิทธิพลของมุมเงยของหัวดูดต่อความสามารถในการดูด

มุมเงยของหัวดูดถูกกำหนดให้เป็นมุมระหว่างส่วนตัดขวางของทางเดินตรงกลางกับเส้นกึ่งกลางของหัวดูด รูปที่ 8 แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มมุมเงยสามารถปรับปรุงความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของดอกสว่านได้ กระแสน้ำที่ไหลจากหัวดูดจะรบกวนซึ่งกันและกัน เนื่องจากหัวดูดทั้งหมดที่เอียงไปบนผนังของดอกสว่าน การชนกันระหว่างไอพ่นเหล่านี้จะส่งผลให้เกิดการใช้พลังงาน และลดโมเมนตัมตามแนวแกนของการไหลของไอพ่น ซึ่งจะทำให้ความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของสว่านลดลง การรบกวนระหว่างการไหลของเจ็ทจะรุนแรงมากขึ้นเมื่อมุมเงยของหัวดูดมีขนาดเล็กลง

 

 

 

รูปที่ 8

อิทธิพลของมุมเงยของหัวดูดต่อความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของดอกสว่าน

 

4.4 ผลของมุมโก่งของหัวดูดต่อความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับ

มุมโก่งของหัวดูดหมายถึงมุมระหว่างการฉายเส้นกึ่งกลางของหัวดูดหนึ่งตัวบนหน้าตัดของทางเดินตรงกลางกับทิศทางปกติของผนังทางเดินตรงกลางที่ทางออกของหัวดูด รูปที่ 9 แสดงอิทธิพลของมุมโก่งของหัวดูดต่อความสามารถในการดูด เมื่อมุมโก่งของหัวดูดเพิ่มขึ้น ความสามารถในการดูดของสว่านก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก อากาศที่ไหลจากหัวดูดที่มีมุมโก่งสามารถก่อให้เกิดกระแสหมุนวนในทางเดินตรงกลาง ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการดูดของดอกสว่าน ยิ่งกว่านั้น เจ็ตส์ที่โก่งตัวสามารถระงับการรบกวนระหว่างพวกมันได้ อย่างไรก็ตาม ค่าสูงสุดสำหรับมุมโก่งจะถูกจำกัดด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางของดอกสว่าน และไม่สามารถเพิ่มได้อย่างไม่จำกัด

 

 

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 9

อิทธิพลของมุมโก่งของหัวดูดต่อความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของดอกสว่าน

 

 

 

5 การทดลองภาคสนาม
 

เพื่อตรวจสอบอัตราการเจาะโดยใช้ค้อนลม RC-DTH ในรูปแบบหินแข็ง ดอกสว่านที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 665 มม. และค้อนลม RC-DTH ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 400 มม. (RC-DTH 400) ผลิต ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าค่าที่เหมาะสมที่สุดของพารามิเตอร์หัวดูดสำหรับสว่าน RC ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 665 มม. รวมถึงเส้นผ่านศูนย์กลางหัวดูด มุมเงย และมุมโก่งอยู่ที่ 20 มม. 60° และ 20° ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม พารามิเตอร์หัวดูดที่ใหญ่เกินไปจะทำให้ความแข็งแรงของดอกสว่านลดลง หัวดูดทั้งหกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 มม. มุมเงย 45° และมุมโก่ง 10° ได้รับเลือกในที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าดอกสว่านมีอายุการใช้งานยาวนาน โครงสร้างการออกแบบของค้อนลม RC-DTH และภาพถ่ายของต้นแบบที่ผลิตขึ้นของเครื่องมือค้อนลม RC-DTH ดังแสดงในรูปที่ 10 เมื่อค้อนลม RC-DTH ทำงาน การเคลื่อนที่ของลูกสูบสามารถแบ่งออกได้ ออกเป็นสองเฟส: เฟสแบ็คฮอลและเฟสสโตรค และแต่ละเฟสจะได้รับประสบการณ์การรับอากาศ การขยายตัวของอากาศ การอัดอากาศ และขั้นตอนไอเสียของอากาศ ความดันอากาศปกติและอัตราการไหลของปริมาตรอากาศปกติของ RC-DTH400 คือ 1.8 MPa และ 92 ลบ.ม./นาที ตามลำดับ ความถี่กระแทกที่กำหนดและความเร็วกระแทกของลูกสูบคือ 14.35 เฮิรตซ์ และ 8.01 เมตร/วินาที ตามลำดับ นอกจากนี้ ยังมีการผลิตส่วนประกอบอุปกรณ์เสริมอื่นๆ รวมถึงท่อเจาะผนังคู่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 140 มม. เคลลีผนังคู่ และแกนหมุนผนังคู่

 

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 10

โครงสร้างการออกแบบและภาพภาพถ่ายของเครื่องมือค้อนลมแบบหมุนเวียนกลับลงหลุม

 

สถานที่ทดลองภาคสนามตั้งอยู่ในเมืองฝอซาน มณฑลกวางตุ้ง ประเทศจีน การก่อตัวของสถานที่ทดสอบประกอบด้วยดินร่วนที่มีความหนา 3.99 ม. หินตะกอนอาร์จิลเลเชียสที่ผ่านการผุกร่อนด้วยความหนา 17 ม. และหินทรายอาร์จิลเลเชียสสีแดงที่ไม่มีการบดอัดใต้หินทรายอาร์จิลเลเชียสที่ผ่านการผุกร่อนแล้ว ชั้นดินที่หลวมและชั้นหินทรายเนื้อดินที่ผุกร่อนสามารถเจาะได้อย่างง่ายดายโดยใช้วิธีการเจาะแบบหมุนทั่วไป อย่างไรก็ตาม อัตราการเจาะของการขุดเจาะในหินตะกอนอาร์จิลเลเชียสสีแดงที่ไม่มีการผ่านสภาพอากาศนั้นค่อนข้างต่ำ โดยสามารถเข้าถึงได้ <2 ม./ชม. และตะกรันที่จมอยู่นั้นทำความสะอาดได้ยาก

 

เพื่อที่จะดำเนินการทดสอบการเจาะด้วยค้อนลม RC-DTH ชั้นดินที่หลวมและชั้นหินทรายเนื้อดินที่ผุกร่อนจะถูกเจาะโดยวิธีการเจาะแบบหมุนทั่วไป จากนั้นจึงใช้ระบบเจาะค้อนลม RC-DTH เพื่อเจาะการก่อตัวของหินตะกอนสีแดงที่ไม่มีการบดอัด แผนผังของระบบทดสอบภาคสนามแสดงในรูปที่ 11 เครื่องอัดอากาศหนึ่งเครื่องผลิตโดย Atlas Copco ที่มีปริมาณอากาศไหลสูงสุด 34 ลบ.ม./นาที และความดันอากาศปกติที่ 30 บาร์ และเครื่องอัดอากาศโดย Ingersoll Rand ที่มีปริมาณอากาศสูงสุด อัตราการไหล 25.5 ลบ.ม./นาที และความกดอากาศปกติ 24 บาร์ ใช้ในการจ่ายอากาศอัด มีการใช้สารหล่อลื่นเพื่อหล่อลื่นลูกสูบ แท่นขุดเจาะแบบหมุน SD20E ที่ผลิตโดย Guangxi Liugong Group Co., Ltd. ถูกนำมาใช้เพื่อให้แรงหมุนและ WOB ในกระบวนการขุดเจาะ

 

 

 

 

รูปที่ 11

แผนผังระบบทดสอบภาคสนาม

 

 

มีการเจาะหลุมทดสอบ 2 หลุม และความลึกสูงสุดของหลุมเจาะคือ 50.8 ม. อัตราการเจาะสูงสุดที่ 6.0 ลบ.ม./ชม. ถูกสังเกตในกระบวนการขุดเจาะ และอัตราการเจาะเฉลี่ยคือ 4.5 ลบ.ม./ชม. ในสภาวะของอัตราการไหลของปริมาตรอากาศและความดันอากาศที่ต่ำกว่าค่าที่กำหนด การทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่าดอกสว่าน RC สามารถเข้าถึงสภาวะการไหลเวียนย้อนกลับที่ดี แม้ว่าพารามิเตอร์ของหัวดูดจะไม่ได้เหมาะสมที่สุดก็ตาม ไม่พบตะกรันจมในกระบวนการล้างหลุมเจาะ ดังแสดงในรูปที่ 12 มีอากาศและฝุ่นเพียงเล็กน้อยเล็ดลอดออกมาจากช่องว่างวงแหวนของเครื่องมือเจาะและผนังหลุมเจาะ การตัดเจาะกลับคืนสู่พื้นผิวส่วนใหญ่เป็นอนุภาคขนาดกลางถึงขนาดใหญ่ นอกจากนี้ ไม่พบตะกรันจมในกระบวนการชะล้างหลุมเจาะ และการตัดเจาะสามารถกลับคืนสู่พื้นผิวได้อย่างต่อเนื่อง สรุปได้ว่าระบบเจาะค้อนลม RC-DTH อยู่ในสภาพการทำงานที่ดีและมีสมรรถนะที่โดดเด่นในการเจาะหลุมเจาะเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่

 

 

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 12

ภาพบรรยากาศการทดลองภาคสนาม. A การไหลเวียนย้อนกลับที่เกิดขึ้นในกระบวนการขุดเจาะ B, การเจาะตัด; C กระบวนการล้างหลุมเจาะ D ปากท่อระบายพร้อมกระแสฉีดพ่น

 

 

6 บทสรุป

เพื่อปรับปรุงอัตราการเจาะและได้รับการดำเนินการขุดเจาะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม จึงเสนอวิธีการเจาะด้วยค้อนลม RC-DTH เพื่อเจาะการก่อตัวแข็งด้านบนเหนือการก่อตัวของอ่างเก็บน้ำที่มีศักยภาพ ดอกสว่าน RC เป็นส่วนสำคัญของระบบการเจาะค้อนลม RC-DTH เพื่อให้เกิดการไหลเวียนแบบย้อนกลับ โดยได้ทำการศึกษาพาราเมตริกบนดอกสว่าน RC ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 665 มม. ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มมุมเงยและมุมโก่งของหัวดูดสามารถปรับปรุงความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของดอกสว่านได้ ความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของดอกสว่านจะถึงจุดสูงสุดเมื่ออัตราการไหลของมวลอากาศอินพุตเท่ากับ 1.205 กิโลกรัม/วินาที หลังจากนั้นจะลดลงเมื่อเพิ่มอัตราการไหลของมวลอากาศอินพุต ดอกสว่านที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 665 มม. และค้อนลม RC-DTH ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 400 มม. ได้รับการผลิตขึ้น และทำการทดสอบภาคสนาม ผลการทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่าความสามารถในการหมุนเวียนย้อนกลับของดอกสว่าน RC ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ที่ออกแบบมานั้นดี และอัตราการเจาะสูงสุดในการทดลองภาคสนามอยู่ที่ 6.0 ลบ.ม./ชม. ซึ่งสามารถลดเวลาและต้นทุนการดำเนินการขุดเจาะได้อย่างมาก

 

กิตติกรรมประกาศ
 

งานนี้ได้รับทุนจากโครงการพัฒนาการวิจัยหลักแห่งรัฐของจีน (Grant No. 2016YFC0801402 และ 2016YFC0801404) โครงการสำคัญด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติของจีน (Grant No. 2016ZX05043005) มูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน (Grant No. 51674050 ). เราขอขอบคุณผู้ตรวจสอบที่ไม่เปิดเผยตัวตนสำหรับคำแนะนำพิเศษของพวกเขา