مته دایره ای سه گانه در مقابل متدهای PDC: تفاوتهای اصلی و زمان استفاده از هر کدام

Cutting Mechanisms and Structural Design: How Tricone and PDC Drill Bits Work

Rolling Cone Action of Tricone Bits: Crushing Rock Through Mechanical Force

مته‌های دریل تری‌کون دارای سه مخروط چرخنده هستند که یا دارای درجات کاربید تنگستن هستند یا دندانه‌های فولادی برای خرد کردن سنگ با استفاده از فشار. وقتی رشته دریل می‌چرخد، این مخروط‌ها در واقع به‌صورت جداگانه روی یاتاقان‌های خود می‌چرخند، که این امر هم نیروی اصطکاکی و هم ضربه‌ای ایجاد می‌کند و لایه‌های مختلف سنگ را از هم جدا می‌کند. این طراحی به‌ویژه در حین حفاری در شرایط زمینی ترکیبی که مواد نرم در کنار بخش‌های سخت وجود دارند، عملکرد خوبی دارد. انطباق‌پذیری در چنین شرایطی بسیار مهم است. چیزی که مته‌های تری‌کون را متمایز می‌کند، نحوه قرارگیری دندانه‌های آنها و موقعیت نسبی مخروط‌ها نسبت به یکدیگر است. این ساختار مانع از گرفتگی مته می‌شود وقتی در شیل‌های چسبناک یا خاک‌های رسی کار می‌کند و این موضوع به‌طور قابل توجهی عملکرد آن را در طی گذرها دشوار بین انواع مختلف تشکیلات زیرزمینی بهبود می‌بخشد.

عمل برشی مته‌های PDC: نقش بریدن‌کننده‌های الماس چندبلوری

مته‌های PDC که به عنوان مته‌های الماسی چندبلوری (Polycrystalline Diamond Compacts) نیز شناخته می‌شوند، با برش‌دهنده‌های ثابتی کار می‌کنند که با الماس‌های ساختگی پوشیده شده‌اند و سنگ را از طریق عمل برش مداوم از بین می‌برند. این مته‌ها با مته‌های سه‌دریچه‌ای (tricone) تفاوت دارند، زیرا هیچ قطعه متحرکی در آنها وجود ندارد. در عوض، این ابزارها از سیستم برش‌دهنده‌هایی شبیه به تیغ استفاده می‌کنند که به‌طور مؤثر سنگ را در حین چرخش با دور بالا از بین می‌برند. برش‌دهنده‌های پوشیده شده با الماس تا 50 تا حتی 100 برابر بیشتر از مواد معمولی در سنگ‌های با سختی متوسط تا نرم، تیز باقی می‌مانند. این موضوع به کاهش هر دو عامل اصطکاک و تولید گرما در حین عملیات حفاری کمک می‌کند. از نظر معیارهای عملکرد، آزمایش‌های میدانی نشان می‌دهند که این مکانیسم برشی می‌تواند سرعت نفوذ (ROP) را در نوع‌های یکنواخت سنگی مانند رسوبات شیلی یا سازندهای نمکی، در مقایسه با فناوری مته‌های مخروطی سنتی، تقریباً 2 تا 4 برابر افزایش دهد. برای افرادی که به دنبال حداکثر کردن متر حفاری در هر دفعه استفاده از مته هستند، این موضوع تفاوت واقعی در کارایی عملیاتی ایجاد می‌کند.

تفاوت‌های سازه‌ای کلیدی: یاتاقان‌ها، چیدمان دندانه‌ها و پروفیل‌های مته

طراحی‌های تری‌کون (Tricone) بر روی دوام مکانیکی تأکید دارند و از یاتاقان‌های غلتشی آب‌بندی‌شده استفاده می‌کنند که در برابر ارتعاش در سنگ‌های سخت مقاومت می‌کنند، در حالی که مته‌های PDC با افزایش جریان سیال و دفع براده‌ها از طریق پروفایل‌های باز، عملکرد بهتری ارائه می‌دهند.

اندازه و پیکربندی برش‌دهنده: تطبیق ساختار برشی با سختی سازند

در کار با سازندهای نرم‌تر سنگی، استفاده از مته‌های PDC بزرگ‌تر با اندازه‌های 13 تا 19 میلی‌متر بهترین عملکرد را دارد، زیرا سطح برش بیشتری فراهم می‌کنند که منجر به افزایش نرخ نفوذ می‌شود. با این حال، در مناطق سخت‌تر و خورنده، مته‌های کوچک‌تر در محدوده 8 تا 12 میلی‌متر با پشتیبانی قوی‌تر از زیرلایه عمر بیشتری در مته بور می‌دهند. متاهای تریکون (Tricone) با توجه به سختی متفاوت سازندها از طریق پیکربندی دندانه‌های خود عمل می‌کنند. در شرایط زمینی نرم‌تر، معمولاً دندانه‌ها با فاصله بیشتری قرار گرفته‌اند، در حالی که در سنگ‌های سخت یا شکسته، دندانه‌ها کوتاه‌تر و به هم نزدیک‌تر هستند. برخی از طراحی‌های جدیدتر مته‌های ترکیبی (هیبریدی) در واقع کارایی برشی فناوری PDC را با ویژگی‌های دوام متاهای سنتی تریکون ترکیب می‌کنند. این ترکیب‌ها در حفاری از میان لایه‌های متناوب سنگ آهکی و ماسه‌سنگ بهبودهای واقعی نشان داده‌اند که برای تجهیزات معمولی چالش‌برانگیز است.

عملکرد در سازندهای زمین‌شناسی مختلف: جایی که هر مته بهترین عملکرد را دارد

رسوب‌های نرم: نرخ نفوذ بالا با مته‌های PDC

مته‌های PDC در رسوب‌های نرم مانند گل و ماسه‌های غیرمتراکم پرچم می‌دارند، جایی که عمل برشی آن‌ها موجب دستیابی به نرخ نفوذی می‌شود که تا سه برابر سریع‌تر از مته‌های تریکون است. قطعه‌های برشی الماس چندبلوری به‌صورت کارآمد از طریق سنگ‌های انعطاف‌پذیر برش می‌خورند و بدون تولید گرمای بیش‌ازحد، این امر در حفاری لایه‌های شیل حساس به آب یا گمبو بسیار حیاتی است.

سنگ متوسط تا سخت: تحمل و پایداری بیشتر تریکون

مته‌های تریکون در حفاری از طریق سازندهای متوسط تا سخت مانند سنگ آهک و دولومیت و به‌ویژه در شرایطی که مقاومت ضربه‌ای خوبی مورد نیاز است، عملکرد بسیار خوبی دارند. عامل اصلی کارایی آنها طراحی مته‌های مخروطی غلتان است که تنش مکانیکی را به‌خوبی در تمام یاتاقان‌ها توزیع می‌کند. این موضوع به حفظ یک نرخ نفوذ ثابت در حدود ۴ تا ۶ متر در ساعت حتی در مواجهه با لایه‌های سخت و ناامنی‌برانگیز کمک می‌کند. آزمایش‌های میدانی نیز چیزی جالب را نشان داده‌اند: مته‌های تریکون مجهز به درزگیرهای کاربید تنگستن حدود ۱۲ تا ۱۵ درصد سریع‌تر از مته‌های PDC معمولی در شرایط مشابه سازندی کار می‌کنند. این موضوع دلیل این امر را روشن می‌کند که چرا بسیاری از بهره‌برداران هنوز این مته‌ها را برای برخی کاربردها انتخاب می‌کنند، هرچند فناوری‌های جدیدتری نیز در دسترس باشد.

مناطق ترکیبی و ساینده: چالش‌های مربوط به مته‌های برشی PDC

کارایی برشی مته‌های PDC در متوالی‌های لایه‌ای با نوک‌های جس و یا لایه‌های کوارتزیت، تبدیل به یک ضعف می‌شود. مواد ساینده، سایش در مته‌های برشی را نسبت به مکانیسم خرد کردن مته‌های تریکون، ۲۰ تا ۳۰ درصد افزایش می‌دهند؛ این موضوع در تحلیلی از عملیات حفاری در حوضه پرمسال ۲۰۲۳ نشان داده شده است.

مطالعه موردی: کارایی حفاری در شیل ایگل فورد تگزاس

آزمایش‌های میدانی که در سال 2023 در سازندهای شیلی ایگل فورد انجام شد، به خوبی عملکرد بهتر مته‌های PDC را نسبت به گزینه‌های سنتی نشان داد. در این آزمایش‌ها، نفوذ حفاری به حدود 28.5 متر در ساعت با استفاده از دندانه‌های به‌صورت خاصی چیدمان‌یافته روی سطح مته امکان‌پذیر شد. آنچه واقعاً تفاوت ایجاد کرد، روش‌های جدید کنترل ارتعاشات در عمق چاه بود. این تکنیک‌ها باعث کاهش مشکلات سایش اولیه به میزان تقریبی 40 درصد شدند که این امر به معنی کاهش زمان توقف و هزینه‌های تعویض است. وقتی شرکت‌ها طراحی هوشمندانه مته‌ها را با تنظیمات دقیق در عملیات واقعی ترکیب می‌کنند، بهبودهای قابل‌ملاحظه‌ای در عملکرد خود مشاهده می‌کنند. نتایج به‌دست‌آمده از ایگل فورد نشان می‌دهد که فناوری PDC فقط امیدوارکننده نیست، بلکه امروزه مزایای قابل‌مشاهده‌ای برای بهره‌بردارانی فراهم کرده است که تمایل به سرمایه‌گذاری در روش‌های مهندسی مناسب دارند.

سازگاری سازند و انتخاب مته حفاری بر اساس لیتولوژی

سنگ‌های کربناته در مقابل سازندهای لایه‌ای: انتخاب مته متناسب با نوع سنگ

قطعات PDC در سنگ کربناتی یکنواخت بهتر کار می کنند زیرا آنها به طور موثر در ساختار سنگ های سازگار برش می دهند. در طرف دیگر، تریکون هایی که مجهز به ورودی های کاربید ولتفستم (TCI) هستند، هنگام برخورد با لایه های مخلوط شیل، سنگ شن و ماسه و گل عملکرد بسیار بهتری دارند. حرکت خرد کردن آنها دقیقاً همان چیزی است که برای این نوع تشکیلات مورد نیاز است که در آن سختی ناگهان از یک لایه به لایه دیگر تغییر می کند. یک پروژه حفاری اخیر در شمال عراق در سال 2024 نشان داد که قطعات PDC موفق به حفاری از طریق سنگ آهک با نرخ 18 درصد سریعتر در مقایسه با روش های دیگر شدند. در همین حال، همان تکه های TCI در هنگام کار در انواع متناوب سنگ، مشکلات ناشی از ارتعاش را حدود 32 درصد کاهش می دهند. تطابق قطعه مناسب با نوع خاص سنگ، از نظر اقتصادی هم تفاوت واقعی ایجاد می کند. هزینه های حفاری حدود 22 سنت در هر متر کاهش می یابد وقتی زمان کمتری برای تغییر قطعات صرف می شود و سرعت عمومي حفاری بهبود می یابد.

طبقه بندی سختی سنگ و چارچوب تصمیم گیری برای انتخاب بیت

چارچوب سیستماتیک سختی سنگ در انتخاب مته راهنمایی می‌کند:

سیستم طبقه‌بندی IADC با کمّی کردن سایندگی و استحکام فشاری، به مته‌زن‌ها کمک می‌کند تا مشخصات مته را با چالش‌های لایه‌های زمین هماهنگ کنند. به عنوان مثال، متدهای TCI با کد IADC 415 می‌توانند در مناطق غنی از کوارتز که در آن متدهای PDC دچار آسیب حرارتی می‌شوند، مقاومت کنند.

موارد استفاده بهینه: زمانی که باید بین PDC و تریکون انتخاب کنید، به شرایط توجه کنید

متدهای PDC را برای چاه‌های عمودی در کربنات‌های یکنواخت یا شیل‌های نرم که نیاز به حداکثر نرخ نفوذ (ROP) دارند انتخاب کنید. متدهای تریکون را هنگام حفاری انتخاب کنید:

• چاه‌های جهت‌دار در مناطق گسله
• رسوبات بسیار ساینده (به عنوان مثال، ماسه‌سنگ با بیش از ۴۰٪ کوارتز)
• فاصله‌های با تغییرات ناگهانی لیتولوژی
  یاتاقان‌های مکانیکی تریکون‌ها نسبت به ناگهانی‌های سختی مقاومت بیشتری دارند و خطر شکست‌های کلی را در حوضه‌های پیچیده به میزان ۲۷٪ کاهش می‌دهند، طبق تحلیل متدهای کند شده.

کارایی هزینه‌ای و هزینه کل مالکیت: متدهای PDC در مقابل تریکون

هزینه‌های اولیه: چرا مته‌های PDC نیازمند سرمایه‌گذاری بیشتری هستند؟

مته‌های PDC حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد هزینه اولیه بیشتری نسبت به مته‌های تریکون دارند، زیرا ساخت قطعات الماسی سنتزی و استفاده از مواد تخصصی فرآیند پیچیده‌تری دارد. این هزینه‌های بالاتر نشان‌دهنده مهندسی پیشرفته هستند اما ممکن است برای عملیات‌های با محدودیت سرمایه چالش‌برانگیز باشند. در مقابل، مته‌های تریکون به دلیل ساختار ساده‌تر و استفاده از قطعات کاربید تنگستن موجود در دسترس، گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه‌تر را فوراً فراهم می‌کنند.

تحلیل هزینه هر متر: صرفه‌جویی در بلندمدت با استفاده از مته‌های PDC در سازندهای مناسب

در صورتی که شما باید از طریق لایه‌های نرم تا متوسط سنگی مانند شیل یا سنگ آهک بور کنید، مته‌های PDC در بلند مدت مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند، هرچند در ابتدا هزینه بیشتری دارند. نحوه برش این مته‌ها از طریق سازند، باعث می‌شود نرخ نفوذ برای اپراتورها ۳۰ تا ۵۰ درصد بهتر شود. علاوه بر این، کارگران نیازی ندارند آن‌ها را به همان اندازه که برای مته‌های سه‌لول معمولی لازم است جایگزین کنند. برخی از آزمایش‌های میدانی نشان می‌دهند که در صورت کار با انواع سنگ یکنواخت، این موضوع می‌تواند منجر به کاهش هزینه‌ها به میزان تقریباً ۱۸ تا ۲۵ سنت به ازای هر متر حفاری شود. تیم‌های میدانی که به این مته‌ها تغییر مدل داده‌اند، صرفه‌جویی قابل‌توجهی را پس از چند چاه گزارش کرده‌اند و این هزینه اولیه اضافی را برای بیشتر عملیات به‌صرفه می‌کند.

زمان توقف، فرکانس تعویض و تأثیر نگهداری بر هزینه کلی

مته‌های سه‌لول هزینه‌های عملیاتی پنهانی را از طریق موارد زیر ایجاد می‌کنند:

• نگهداری از یاتاقان‌ها : نیازمند روان‌کاری منظم با افزایش ۱۵ درصدی نرخ خرابی در مناطق ساینده
• زمان سفر (Trip time) : ۳ تا ۵ بار تعویض مته بیشتر در هر چاه نسبت به مته‌های PDC
• عملیات استخراج قطعه گم‌شده (Fishing operations) : خطر از دست دادن قسمت مخروطی که می‌تواند هر حادثه به میزان ۱۵ هزار تا ۵۰ هزار دلار هزینه داشته باشد
  مته‌های PDC قطعات متحرک را حذف می‌کنند و زمان غیرفعال را 20 تا 35 درصد کاهش داده و هزینه‌های نگهداری را به شدت کاهش می‌دهند.

داده‌های میدانی: هزینه هر فوت در عملیات بکن، داکوتای شمالی

دوشپاهی و عمر مفید در محیط‌های نفوذی چالش‌برانگیز

مقاومت در برابر سایش در سازندهای با سایندگی بالا

مته‌های PDC واقعاً در هنگام کار با لایه‌های سخت و ساینده مانند ماسه‌سنگ و شیل عملکرد بسیار خوبی دارند، چرا که مجهز به دندانه‌های مخصوص الماسی چندبلوری (PDC) هستند. این دندانه‌ها به‌مراتب بهتر در برابر اصطکاک مقاومت می‌کنند، در مقایسه با مواد قدیمی‌تری که قبلاً استفاده می‌شدند. از سوی دیگر، مته‌های تریکون به شدت به قطعات کاربید تنگستن متکی هستند، اما این قطعات تمایل دارند که به‌سرعت در معرض سنگ‌های غنی از سیلیس و در طول زمان ساییده شوند. بر اساس آزمایش‌های میدانی که در چندین سایت حفاری انجام شده، بیشتر دندانه‌های PDC حتی پس از کارکرد حدود 150 ساعت در سازندهای سخت، هنوز حدود 80 تا 90 درصد از توان برش اولیه خود را حفظ می‌کنند. در همین حال، اپراتورها معمولاً نیاز دارند قطعات تریکون را بین 50 تا 70 ساعت دیگر در شرایط مشابه تعویض کنند. این تفاوت بزرگ تأثیر قابل‌توجهی بر هزینه‌های عملیاتی و زمان توقف در عملیات حفاری دارد.

تخریب حرارتی و مکانیکی: دندانه‌های PDC در مقابل قطعات کاربید تنگستن

گرمای شدیدی که در اعماق زمین به بیش از 300 درجه فارنهایت یا حدوداً 149 درجه سانتی‌گراد یافت می‌شود، تأثیرات متفاوتی بر انواع مختلف ابزارهای مته‌کاری دارد. قطعات برشی PDC تا زمانی که دمای 1292 فارنهایت را تجربه نکنند، سالم باقی می‌مانند، چون الماس به خوبی گرما را هدایت می‌کند، هرچند تغییرات ناگهانی دما ممکن است باعث ایجاد ترک‌های میکروسکوپی در آنها شود. در مورد مته‌های تری‌کان، مشکل اصلی آنچه است که در مورد یاتاقان‌های آنها اتفاق می‌افتد وقتی که دما بالا می‌رود. یاتاقان‌های غلتشی درزگیری‌شده دیگر به خوبی کار نمی‌کنند و به ازای هر 50 درجه افزایش دما، تقریباً یک‌سوم از موثر بودن روغن‌کاری خود را از دست می‌دهند. در مورد درجات کاربید تنگستن، این قطعات تمایل دارند به آهستگی خرد شوند تا اینکه یکباره بشکنند، که این امر آنها را در مناطقی که دماهای متغیری تجربه می‌کنند، قابل اعتماد می‌سازد. بیشتر مهندسان میدانی این قابلیت پیش‌بینی را در کار در چنین شرایط دشواری ترجیح می‌دهند.

تعادل بین نرخ نفوذ بالا (ROP) و دوام مته در مناطق متغیر

اپراتورهای میدانی معمولاً هنگامی که به اعداد بالای نفوذپذیری در تشکیلات سنگی یکنواخت نیاز دارند، به سراغ مته‌های PDC می‌روند، هرچند که معمولاً با مته‌های تریکون به محض برخورد با لایه‌های پیچیده سنگ آهکی مخلوط با جنگلی (چرت) تعویض می‌کنند. یک آزمایش میدانی اخیر در حوضه پریمیان در سال 2023 نتایج جالبی را نیز نشان داد. مته‌های PDC حدوداً 22 درصد بهتر از مته‌های تریکون در نرخ نفوذ عمل کردند، بدون شک. اما اینجا یک مشکل وجود داشت - هر زمان که تغییرات ناگهانی در سختی سنگ رخ داد، تیم‌ها مجبور شدند حدوداً سه برابر بیشتر سفرهای تعویض مته را انجام دهند. در اینجا است که تیم‌های حفاری باهوش شروع به فکر کردن به رویکردهای ترکیبی می‌کنند. استفاده از مته‌های تریکون در این مناطق گذار و استفاده از مته‌های PDC در بخش‌های یکنواخت، در واقع هزینه کل حفاری را به میزان 18 دلار و 50 سنت در هر فوت نسبت به استفاده فقط از یک نوع مته کاهش داد. وقتی از دو دیدگاه هزینه و کارایی به آن فکر کنید، کاملاً منطقی است.

‫سوالات متداول‬

تفاوت‌های اصلی بین مته‌های تریکون و مته‌های PDC چیست؟

مته‌های تریکون از مخروط‌های دوار استفاده می‌کنند و برای شرایط زمینی ترکیبی مناسب هستند، در حالی که مته‌های PDC دارای بریدن‌کننده‌های ثابت پوشیده از الماس‌های سنتزی هستند و در تشکیلات سنگی یکنواخت عملکرد بهتری دارند.

چرا مته‌های PDC در ابتدا گران‌تر هستند؟

تولید مته‌های PDC به دلیل استفاده از بریدن‌کننده‌های الماسی سنتزی دارای فرآیند تولید پیچیده‌تری است و این امر باعث بالاتر بودن هزینه‌های اولیه آن‌ها نسبت به مته‌های تریکون ساده‌تر می‌شود.

مته‌های تریکون چگونه با تشکیلات زمین‌شناسی مختلف کنار می‌آیند؟

مته‌های تریکون قابلیت تطبیق دارند و با استفاده از آرایش‌های مختلف دندانه‌ها می‌توانند در تشکیلات نرم و سخت عمل کنند. آن‌ها در تشکیلات متوسط به سخت مانند سنگ آهک و دولومیت عملکرد بهتری دارند.

در چه مواقعی بهتر است به جای مته‌های تریکون از مته‌های PDC استفاده شود؟

در چاه‌های عمودی در کربنات‌های یکنواخت یا شیل‌های نرم که نیاز به نرخ نفوذ بالا دارند، استفاده از مته‌های PDC مناسب‌تر است.

مقایسه هزینه هر متر بین مته‌های PDC و مته‌های تریکون چگونه است؟

مته‌های PDC تمایل دارند در سازندهای مناسب صرفه‌جویی بلندمدت ایجاد کنند و هزینه‌ها را به دلیل دوام و نرخ نفوذ بالاتر، 18 تا 25 سانت در هر متر کاهش دهند.