Как различните конструкции на зъбите на бура влияят върху ефективността на буренето в твърди скали и почва

Основни механични принципи: Как геометрията на зъбите управлява преноса на енергия и начина на разрушение

Конструкцията на зъбите на бура директно определя енергийната ефективност чрез геометрични параметри, които управляват механиката на разрушението на скалата. Оптималната конфигурация на зъбите минимизира загубата на енергия, насочвайки разрушението към ефикасни режими на срязване, а не към енергийно интензивно смачкване.

Ъгъл на върха, ъгъл на задна резка и ъгъл на странична резка: Тяхното пряко влияние върху разрушението на скалата, доминирано от срязване или от смачкване

Ъгълът на върха играе голяма роля за начина, по който започват пукнатините. По-острите ъгли под 90 градуса обикновено фокусират точките на напрежение, което улеснява бързото разпространение на пукнатини през скалните формации. След това имаме задния ъгъл на резачното зъбче (back rake), който показва под какъв ъгъл резачното зъбче е наклонено спрямо самата формация. Той всъщност определя вида на разрушението, което настъпва по време на процеса на бурене. При по-малки ъгли между 15 и 25 градуса основно се наблюдават компресивни смачквания. Обаче, когато ъгълът стане по-стръмен — около 35–45 градуса — се създават по-благоприятни условия за срязващо разрушение чрез напрежението, предизвикващо пукнатини. Важен е и страничният ъгъл на резачното зъбче (side rake), тъй като той влияе върху начина, по който отпадъците се изхвърлят от кладенеца, и разпределя латералните сили по лицето на бурения трион. По-агресивните стойности на страничния ъгъл над 20 градуса могат значително да намалят проблемите с образуването на топки (balling) в лепкави формации. Полеви изпитания показват, че при правилна комбинация на всички тези параметри специфичното енергийно потребление може да се намали с около 18–22 % при бурене в условия, доминирани от срязване, в сравнение със случаите, при които основен механизъм е смачкването (този резултат е публикуван в списание Journal of Petroleum Technology в броя от 2023 г.).

Доказателства от FEA: 27 % по-висока специфична енергия при конструкция с малък ъгъл на наклона на задната част (15°) спрямо оптималната конструкция (35°) върху гранит

Използването на метода на крайните елементи помага да се установи как формата влияе върху производителността при работа с твърди скални материали. Например старите конструкции с ъгъл на заден наклон от 15 градуса изискват около 27 процента допълнителна енергия в сравнение с по-новите версии с ъгъл от 35 градуса при пробиване на гранит, тъй като те по-лошо понасят компресионните натоварвания. Изборът на правилния ъгъл всъщност има значително значение: той осигурява по-добри плоскости на срязване и намалява досадните проблеми с ограничаване, които забавят процеса. Анализът на моделите на разпределение на напреженията показва също така нещо интересно: конструкции с ъгъл от 35 градуса намаляват напрежението по критерия на фон Мизес около режещия ръб с приблизително 41 процента, което означава по-малко натрупване на топлина и по-бавно износване на инструмента с течение на времето. Това всъщност ни показва, че при работа с твърди геоложки формации, където енергийната ефективност е от първостепенно значение, самата форма на режещите инструменти оказва по-голямо влияние върху общата ефективност, отколкото просто използването на изключително твърди материали.

Зъби на бургия Дизайн и ефективност на буренето в твърди скали (гранит, кварцит, базалт)

Пилотни длета с вградени твърди сплави от волфрам (TCI): Балансиране на устойчивостта към износване и риска от крехко чупене при високо конфиниращо налягане

Резците TCI са почти стандартният избор за пробиване в твърда скала, тъй като изключително добре устойчиви на износване. Обаче, когато стигнем до много дълбоките кладенци, където налягането става изключително високо, карбидните зъби започват да показват признаци на уморни пукнатини. Според резултатите от нашите FEA-анализи конструкции с малък заден ъгъл на рязане (около 15 градуса) изискват около 27 % повече енергия в сравнение с оптималната конфигурация с ъгъл от 35 градуса при работа в гранит. Това допълнително натоварване ускорява и износването на вставките. След като преминем отметката от 1500 метра под земята, условията стават още по-тежки, тъй като налягането от околната скала надхвърля 50 MPa. Изследвания показват, че всяко допълнително нарастване на налягането с 10 MPa увеличава вероятността от пукнатини във вставките с около 18 % в кварцитни формации. Изборът на подходяща карбидна марка има решаващо значение в този случай. Вариантите с грубо зърно по-добре понасят внезапните удари, но с времето се износват по-бързо, което означава, че операторите трябва да балансират между ударопрочност и продължителност на експлоатация в зависимост от конкретната задача, с която се справят.

Когато фрезовани зъбни длета показват отлични резултати: ротационно-ударна производителност при кварцит с якост 80 MPa и ролята на устойчивостта на макрогеометрията

Когато става въпрос за пробиване на изключително твърди кварцитни скали с компресивна якост над 80 MPa, фрезовани зъбни длета обикновено надвишават традиционните твърдосплавни резцови върхове (TCI). Формата, по която са изработени тези длета, им придава необходимата структурна якост за такава изискваща работа. Стомните зъби по-добре понасят повтарящото се натоварване в сравнение с крехките карбидни вставки, тъй като образуват малки пукнатини по контролиран начин, вместо да се разрушават едновременно. Полевите изпитания всъщност установиха, че този подход намалява общия брой откази на длетата с около 40 %. Друго голямо предимство е по-широката им канавка, която предотвратява сплъстването на отпадъците в разбити базалтови формации. Това осигурява гладко функциониране с ефективност от около 92 %, в сравнение с само 78 % при използване на стандартни TCI длета в подобни ситуации. За компании, които извършват сейсмични проучвания или строят тунели през смесени среда с твърди скали, преминаването към фрезовани зъбни длета често става необходимо, а не просто възможност.

Зъби на бургия Дизайн и ефективност при бурене в меки до средно твърди формации (глина, шист, изветрял пясъчник)

Предотвратяване на образуването на топки и подобряване на отстраняването на резилните частици: ключовата роля на агресивния страничен ъгъл и геометрията на канавките

Работата с глинести и сланести формации предизвиква истински главоболия за бурилните бригади, тъй като при неправилно отстраняване на изкопаните материали възникват проблеми с образуването на „топки“ около свределите. Това се случва, когато целият отпадъчен материал се лепва за свределите, което води до по-голямо усилие при въртенето им и забавяне на скоростта на пробиване. Използването на агресивни ъгли на страничната резачка (около 35–45 градуса) помага изкопаните материали да се изтласкват встрани, към канавките, вместо да се наслояват върху самия свредел. Когато тези ъгли се комбинират с по-добре проектирани канавки — с по-широки участъци и по-стръмни стени, — материала се премества значително по-бързо и без да се лепи. Изпитания, проведени върху изветрял пясъчник, показаха около 40 % по-малко проблеми с образуването на „топки“, в сравнение с обичайните конфигурации на оборудването. Добре проектираните канали за протичане ни спестяват необходимостта да бурим повторно през старите отпадъчни материали, което осигурява непрекъснатост на операциите и намалява износването, причинено от прегряване в тези трудни формации.

Компромиси между материал и конструкция: TCI срещу фрезовани зъби за поддържане на ефективността при бурене

Цялостност на карбидната връзка, топлинна умора и микропукнатини в стоманените зъби при циклично натоварване

Дизайнът на зъбите на бура и ефективността им в значителна степен зависят от контрола върху разрушаването на материала при въздействието на експлоатационни напрежения. Топлинната умора е голям проблем за твърдосплавните (TCI) бури, тъй като повтарящото се нагряване и охлаждане отслабва връзката между карбида и основния материал, което може да доведе до изпадане на вставките след продължителни буренета. Зъбите от фрезирана стомана също имат своите проблеми — с времето се образуват микропукнатини поради постоянните удари, особено забележими в гранитни формации, където налягането надвишава 750 MPa. Анализът по метода на крайните елементи показва, че твърдосплавните вставки (TCI) издържат приблизително 1,8 пъти по-дълго преди отказ в тежки скални условия, но ако геометрията е прекалено агресивна, топлинните проблеми всъщност възникват по-бързо. За стоманените зъби обаче картината е различна. Постоянното ударно натоварване в абразивни скали води до разрастване на тези микропукнатини с 0,3–0,5 мм на всеки 100 часа работа, така че въпреки по-ниската им първоначална цена те трябва да се заменят по-често. Намирането на правилния баланс за общата ефективност означава подбор на подходящия инструмент за конкретната задача. Твърдосплавните вставки (TCI) работят най-добре, когато температурните промени не са прекалено рязки и основният проблем е износването. Стоманените зъби са по-подходящ избор в ситуации, където най-важни са устойчивостта към чупене и способността да поемат внезапни удари.

ЧЗВ

Какъв е ефектът от геометрията на зъбите на бура върху енергийната ефективност?

Геометрията на зъбите на бура директно влияе върху енергийната ефективност, като определя механиката на разрушаване на скалата. Оптималните конфигурации минимизират загубата на енергия, като насърчават ефективни срязващи режими и избягват енергийно интензивното дробене.

Как влияят ъгълът на върха, задният ъгъл на резене и страничният ъгъл на резене върху разрушаването на скалата по време на бурене?

Ъгълът на върха влияе върху инициирането на фрактури, като по-острите ъгли насърчават концентрацията на напрежение и разпространението на пукнатини. Задните ъгли на резене влияят върху типа разрушение, като по-стръмните ъгли насърчават срязващо разрушение чрез опън. Страничният ъгъл на резене влияе върху изхвърлянето на стружките и разпределението на латералните сили, като по-агресивните ъгли намаляват проблемите с образуването на топки.

Какво допринася анализът на крайни елементи (FEA) за разбирането на работата на бура?

Методът на крайните елементи (FEA) помага за оценка на производителността чрез анализ на разпределението на напреженията и консумацията на енергия. Той подчертава влиянието на вариациите в конструкцията, като например ъгълът на задна резка, върху ефективността, износа и моделите на напрежение, което допринася за оптимизиране на формата на режещия инструмент и употребата на енергия.

Какви са предимствата на фрезовани зъбни длета пред традиционните твърдосплавни длета (TCI) при пробиване в твърди скали?

Фрезованите зъбни длета осигуряват структурна устойчивост, намалявайки отказите чрез формиране на контролирани пукнатини. Те се отличават при пробиване в твърди скали, запазвайки ефективността и намалявайки проблемите със запъване, за разлика от крехките карбидни вставки в традиционните твърдосплавни длета (TCI).

Защо изборът на подходяща карбидна марка е от решаващо значение в среда с високо налягане при пробиване?

В среда с високо налягане карбидните марки влияят върху устойчивостта към износ и фрактуриране. Грубозърнестите марки по-добре понасят ударните натоварвания, но се изнасят по-бързо. Изборът на подходяща марка осигурява баланс между устойчивост към удари и дълготрайност за оптимална производителност.