Erilaisten porakärkien hampaiden suunnittelun vaikutus porauksen tehokkuuteen kovassa kivessä ja maaperässä

Ydinmekaaniset periaatteet: Kuinka hammaskonfiguraatio hallitsee energiansiirtoa ja murtumismoodia

Porakärkien hampaiden suunnittelu määrittää suoraan energiatehokkuuden geometrisillä parametreillä, jotka ohjaavat kivien murtumisfysiikkaa. Optimaalinen hammaskonfiguraatio minimoii hukattua energiaa ohjaamalla murtumismoodin tehokkaampaan leikkausmoodiin eikä energiakuluttavaan puristusmoodiin.

Kärkikulma, takapuurintakulma ja sivupuurintakulma: niiden suora vaikutus leikkausdominantiseen tai puristusdominantiseen kivien murtumiseen

Kärkikulmalla on suuri merkitys murtumien alkamisessa. Terävämmät kulmat alle 90 astetta keskittävät jännityspisteitä, mikä edistää halkeamien nopeaa leviämistä kallioluodoissa. Sitten on takarakekulma, joka viittaa siihen, kuinka leikkaushammas on kulmassa itse kallioluodon suhteen. Tämä määrittää itse asiassa sen, millaista vauriomekanismia tapahtuu porauksen aikana. Alhaisemmissa kulmissa 15–25 asteen välillä havaitaan pääasiassa puristusmurtumaa. Kun kulma kuitenkin kasvaa jyrkemmäksi noin 35–45 asteeseen, luodaan paremmat olosuhteet leikkausmurtumalle jännitysmurtuman kautta. Sivurakekulmalla on myös merkitystä, koska se vaikuttaa siiteen poistoon poraustiukasta ja jakaa sivusuuntaisia voimia porakärjen pinnalle. Suuremmat sivurakekulmat yli 20 astetta voivat huomattavasti vähentää palloiluongelmaa tarttuvissa kallioluodoissa. Kenttätestit osoittavat, että kaikkien näiden parametrien oikea yhteistoiminta voi vähentää erityisenergian kulutusta noin 18–22 prosenttia leikkausdominanttisissa porausolosuhteissa verrattuna tilanteisiin, joissa puristusmurtuma on pääasiallinen vauriomekanismi (Journal of Petroleum Technology raportoi tämän löydöksen vuoden 2023 numerossaan).

FEA-todiste: 27 % suurempi erityisenergia alhaisessa taka-kulmassa (15°) verrattuna optimaaliseen suunnitteluun (35°) graniitilla

Rajoitetun elementtimenetelmän (FEM) käyttö auttaa selvittämään, miten muoto vaikuttaa suorituskykyyn kovien kalliomateriaalien käsittelyssä. Esimerkiksi vanhat 15 asteen takaisinleikkausmuotoiset teräsuunnittelut vaativat noin 27 prosenttia enemmän energiaa kuin uudemmat 35 asteen versiot graniitissa, koska ne eivät kestä puristusta yhtä hyvin. Oikean kulman saaminen on itse asiassa merkittävää: se luo paremmat leikkaustasot ja vähentää niitä ärsyttäviä rajoitusongelmia, jotka hidastavat työtä. Jännitysjakaumamallien tarkastelu osoittaa myös mielenkiintoisen asian: 35 asteen suunnittelut vähentävät von Mises -jännitystä leikkausreunan ympärillä noin 41 prosentilla, mikä tarkoittaa vähäisempää lämmön muodostumista ja hitaampaa työkalun kulumista ajan mittaan. Tämä kertoo meille itse asiassa sen, että vaikeissa geologisissa muodostumissa, joissa energiankulutus on tärkeintä, leikkaustyökalujen todellinen muoto vaikuttaa kokonaistehokkuuteen enemmän kuin pelkästään erinomaisen kovien materiaalien käyttö.

Poranterät Suunnittelu ja porausytekyky kovassa kivessä (graaniti, kvartsiitti, basaltti)

Tungstenkarbiditulpat (TCI): Kulumisvastuun ja haurauden murtumisriskin tasapainottaminen korkeassa puristuspaineessa

TCI-porausterät ovat melko paljon kaikkien aikojen valinta kovakiviporausten suorittamiseen, koska ne kestävät kulumista erinomaisesti. Kun kuitenkin päästään hyvin syviin porausten reikiin, joissa paine kasvaa erinomaisen korkeaksi, karbidihampaiden pinnalle alkaa ilmetä jännitysrikkoja. FEA-tulostemme perusteella pienellä takaisinpuristuskulmalla (noin 15 astetta) suunnitellut terät vaativat noin 27 prosenttia enemmän energiaa verrattuna optimaaliseen 35 asteen kulmaan työskenneltäessä graniitissa. Tämä lisäkuormitus aiheuttaa myös nopeamman terien kulumisen. Kun alamme porata yli 1 500 metrin syvyyteen, olosuhteet muuttuvat entisestään vaikeammiksi, sillä ympäröivän kiven paine nousee yli 50 MPa:n. Tutkimusten mukaan jokainen lisäyksikkö 10 MPa painetta lisää terien rikkoutumia noin 18 prosenttia kvartsiittimuodostumissa. Oikean karbidilaadun valinta on tässä tilanteessa erinomaisen tärkeää. Karkearaakuiset vaihtoehdot kestävät äkillisiä iskuja paremmin, mutta ne kuluavat ajan myötä nopeammin, mikä tarkoittaa, että käyttäjien on tasapainotettava kestävyyden ja keston välillä riippuen siitä, millaista tehtävää he suorittavat.

Milloin jyrsittyjen hammaspäiden suorituskyky on erinomainen: pyörivän iskun suorituskyky 80 MPa:n kvartsiitissa ja makrogeometrian kestävyyden rooli

Kun porataan erityisen kovia kvartsiittikiviä, joiden puristuslujuus ylittää 80 MPa, hionnalla valmistetut hammasporakärjet yleensä suoriutuvat paremmin kuin perinteiset TCIs (tuhansien kovametallipalojen porakärjet). Näiden kärkien muoto antaa niille rakenteellisen lujuuden, joka tarvitaan tällaisessa vaativassa työssä. Teräshampaat kestävät toistuvaa rasitusta paremmin kuin hauraat kovametallipalat, koska ne muodostavat pieniä halkeamia hallitusti eivätkä rakoile yhtäkkiä kokonaan. Kenttätestit osoittivat, että tämä lähestymistapa vähentää kokonaismäisiä porakärkien vikoja noin 40 %. Toinen merkittävä etu on niiden laajempi porausjauheen poistokolo (gullet), joka estää porausjauheen tiukkenemisen murtuneissa basalttikivimuodoissa. Tämä pitää prosessin sujuvana noin 92 %:n teholla verrattuna vain 78 %:iin, joka saavutetaan standardien TCI-porakärkien käytöllä samankaltaisissa olosuhteissa. Seismisten tutkimusten suorittaville yrityksille tai tunnelien rakentajille sekasortoisissa kovakiviympäristöissä siirtyminen hionnalla valmistettuihin hammasporakärkiin on usein välttämättömyys, ei vaihtoehto.

Poranterät Suunnittelu ja poraus tehokkuus pehmeistä keskimittaisiin muodostumiin (savi, liuskekivi, säätöön joutunut hiekkakivi)

Palloilun estäminen ja purkauksen poiston parantaminen: agressiivisen sivuraajan ja urageometrian ratkaiseva rooli

Työskentely saveaisten ja shiilimäisten muodostumien kanssa aiheuttaa poraajille todellisia päänsärkyjä, sillä kun porausjätteet eivät poistu riittävän tehokkaasti, syntyy niin sanottuja bitin liimaprobleemia. Tämä tapahtuu, kun kaikki jätteet tarttuvat porakärkiin, mikä tekee pyörivästä liikkeestä vaikeampaa kuin pitäisi ja hidastaa poraussyvyyden saavuttamista. Voimakkaiden sivusuuntainen teräkulman käyttö (noin 35–45 astetta) auttaa ohjaamaan porausjätteet sivusuunnassa kanavoihin sen sijaan, että ne kertyisivät porakärjen päälle. Kun tällaiset teräkulmat yhdistetään paremmin suunniteltuihin kanaviin, joissa on laajemmat osiot ja jyrkempiä seinämiä, materiaali kulkeutuu huomattavasti nopeammin ilman tarttumisia. Testit tehtiin sävytetystä hiekkakivestä ja osoittivat noin 40 prosenttia vähemmän liimaprobleemia verrattuna tavallisilla laitteistoasetuksilla saatuun tulokseen. Hyvät virtauspolut estävät tarpeen porata uudelleen vanhojen jätteiden läpi toistuvasti, mikä pitää toiminnot sujuvina ja vähentää kulumaa, joka johtuu ylikuumenemisesta näissä haastavissa muodostumissa.

Materiaali- ja rakenteelliset kompromissit: TCI vs. porattu hammas jatkuvan porausytevyyden varmistamiseksi

Karbidiyhteyden eheys, lämpöväsymys ja teräshampaan mikrorakojen muodostuminen syklisessä kuormituksessa

Porakärkien hampaiden suunnittelu ja niiden tehokkuus riippuvat suurelta osin materiaalin hajoamisen hallinnasta käyttöjännitteiden vaikutuksesta. Lämpöväsymys on suuri ongelma TCI-porakärjille, koska toistuva kuumeneminen ja jäähtyminen heikentää karbidin ja alustan välistä sidosta, mikä voi johtaa kiinnityskappaleiden löystymiseen pitkien porausistuntojen jälkeen. Jyrsittyjen teräshampaiden ongelmansa ovat omiaan: ajan myötä niissä kehittyy pieniä halkeamia kaikista iskuista, erityisesti huomattavissa graniittimuodostumissa, joissa paine ylittää 750 MPa. Elementtimenetelmällä tehty analyysi osoittaa, että TCI-kärjet kestävät noin 1,8 kertaa pidempään ennen vikaantumista kovissa kallio-olosuhteissa, mutta jos geometria on liian aggressiivinen, lämpöongelmat todellisuudessa esiintyvät nopeammin. Teräshampaat kertovat kuitenkin eri tarinan. Kova kallio aiheuttaa jatkuvaa iskua, mikä saa mikrohalkeamat kasvamaan 0,3–0,5 mm joka 100 käyttötunti, joten vaikka ne ovat alun perin edullisempia, niitä täytyy vaihtaa aikaisemmin. Oikean tasapainon löytäminen kokonaistehokkuuden kannalta tarkoittaa oikean työkalun valintaa tehtävän mukaan. TCI-kärjet toimivat parhaiten, kun lämpötilan muutokset eivät ole liian äärimmäisiä ja kulumisesta on pääasiallinen huolenaihe. Teräshampaat ovat järkevämpi valinta tilanteissa, joissa tärkeintä on särönkestävyys ja kyky kestää äkillisiä iskuja.

UKK

Mikä on porakärjen hammasgeometrian vaikutus energiatehokkuuteen?

Porakärjen hammasten geometria vaikuttaa suoraan energiatehokkuuteen määrittäen kallion murtumismekaniikat. Optimaaliset konfiguraatiot vähentävät energiahävikkiä edistämällä tehokkaita leikkausmuotoja ja välttämällä energiakulutusta aiheuttavaa puristusmurtumaa.

Miten kärkikulma, takaisinjyrkkyyskulma ja sivujyrkkyyskulma vaikuttavat kallion murtumiseen porauksen aikana?

Kärkikulma vaikuttaa murtuman aloittamiseen: terävämmät kulmat edistävät jännityskeskittymää ja halkeamien etenemistä. Takaisinjyrkkyyskulmat vaikuttavat murtumatyyppiin, jolloin jyrkempiä kulmia suosii leikkausmurtuma jännityksen kautta. Sivujyrkkyys vaikuttaa lastujen poistoon ja sivusuuntaisen voiman jakautumiseen, ja aggressiivisemmat kulmat vähentävät pallomuodostumisongelmia.

Miten elementtimenetelmä (FEA) edistää porakärjen suorituskyvyn ymmärtämistä?

FEA auttaa arvioimaan suorituskykyä analysoimalla jännitysjakaumaa ja energiankulutusta. Se korostaa suunnittelumuutosten, kuten takaisin kulmaisen terän kulman, vaikutusta tehokkuuteen, kulumiseen ja jännityskuvioihin, mikä edistää työkalun muodon ja energiankäytön optimointia.

Mitkä ovat porakärkien mukulaterien etulyötyjä perinteisiin TCIs-kärkiin verrattuna kovassa kivessä porattaessa?

Mukulateräkärjet tarjoavat rakenteellista kestävyyttä ja vähentävät vikoja kehittämällä ohjattuja halkeamia. Ne toimivat erinomaisesti vaikeassa kivessä porattaessa, säilyttäen tehokkuuden ja vähentäen tukkoisuusongelmia, toisin kuin hauraat karbidiliitokset perinteisissä TCIs-kärjissä.

Miksi oikean karbidilaadun valinta on ratkaisevan tärkeää korkeapaineisissa porausympäristöissä?

Korkeapaineisissa ympäristöissä karbidilaatu vaikuttaa kulumis- ja murtumisvastukseen. Karkearaakoinen rakenne kestää iskuja paremmin, mutta kuluisi nopeammin. Oikean laadun valinta tasapainottaa iskunkestävyyden ja kestävyyden saavuttaakseen optimaalisen suorituskyvyn.