Қатты тас пен топырақта әртүрлі бұрғылау ұштарының пішіні қалай бұрғылау тиімділігіне әсер етеді

Негізгі механикалық принциптер: Тістердің геометриясы энергия берілуі мен сындыру режимін қалай анықтайды

Бұрғылау ұштарының пішіні тастың сындыру механикасын бақылайтын геометриялық параметрлер арқылы энергиялық тиімділікті тікелей анықтайды. Оптималды тіс конфигурациясы энергияны шығындауын азайтып, тиімді ығысу режимдеріне бағытталған сындыруды қамтамасыз етеді — ал энергияға көп қажетті сығылуға емес.

Ұш бұрышы, артқы қисайту және бүйірлік қисайту: Олар ығысуға немесе сығылуға негізделген тастың сындыруына тікелей әсер етеді

Ұштың бұрышы трещиналардың пайда болуына үлкен әсер етеді. 90 градустан төменгі сүйір бұрыштар кернеу нүктелерін жинақтайды, бұл трещиналардың тау жыныстары арқылы тез таралуына ықпал етеді. Содан кейін артқы жылжыту (back rake) бар, ол кесу тісінің тау жынысына қатысты бұрышын көрсетеді. Бұл іс жүзінде құдық қазу кезіндегі қирату типін анықтайды. 15–25 градус аралығындағы төмен бұрыштарда негізінен қысу арқылы бұзылу әсерлері байқалады. Ал бұрыш 35–45 градусқа дейін өскен кезде, керілу арқылы трещиналану арқылы ығысу арқылы бұзылуға қолайлы жағдайлар туындайды. Бүйірлік жылжыту (side rake) да маңызды, себебі ол қиындылардың ұңғыма қуысынан шығуын әсер етеді және бит бетіне бойлық бағыттағы күштерді таратады. 20 градустан жоғары бүйірлік жылжыту бұрыштары ұстағыш тау жыныстарында «балинг» (шар тәрізді қиындылардың жиналуы) проблемасын қатты төмендетуге мүмкіндік береді. Өрістегі сынақтар көрсеткендей, бұл параметрлердің барлығын дұрыс таңдау қысу басымдығымен салыстырғанда, ығысу басымдығы шарттарында құдық қазу кезіндегі меншікті энергиялық шығындарды шамамен 18–22 пайызға азайтады («Journal of Petroleum Technology» журналы 2023 жылғы санында осы табыс туралы хабарлады).

ЖЭТ дәлелі: Гранитте төмен артқы бұрышты (15°) конструкциядағы меншікті энергия оптималды (35°) конструкцияға қарағанда 27% жоғары

Шекті элементтер әдісін қолдану қатты тасты материалдармен жұмыс істеген кезде пішіннің өнімділікке әсерін анықтауға көмектеседі. Мысалы, ескі 15 градустық артқы қиғыш бұрышы бар құрылымдар гранитте жаңа 35 градустық нұсқаларға қарағанда шамамен 27 пайызға артық энергия жұмсайды, себебі олар қысымды дұрыс қабылдамайды. Дұрыс бұрышты таңдау шынымен үлкен айырмашылық жасайды. Бұл жақсырақ ығысу жазықтықтарын қалыптастырады және жұмысты баяулататын қиындық туғызатын қысылу мәселелерін азайтады. Тербеліс таратылуының суреттерін қарағанда қызықты нәрсе байқалады: 35 градустық құрылымдар қиғыш қыры маңындағы фон Мизес кернеуін шамамен 41 пайызға азайтады, бұл жылу толығуының азаюы мен уақыт өте келе құралдың тозуының баяулауын білдіреді. Бұл бізге мынаны көрсетеді: энергия тұтынуы ең маңызды болатын қиын геологиялық қалыптасулармен жұмыс істеген кезде қиғыш құралдардың нақты пішіні жоғары қаттылыққа негізделген материалдарға тек ғана сүйенуге қарағанда жалпы өнімділікке көбірек әсер етеді.

Бұрғылау құралының тістері Қатты тау жыныстарында (гранит, кварцит, базальт) дизайн және құрғақ құдық қазу тиімділігі

Вольфрам қоспалы ілгектері (ВҚІ) бұрғылау құралдары: жоғары қысымда тозуға төзімділікті және сыну қаупін теңестіру

TCI тәсілдері қатты тастың құрылысында қазу үшін негізгі таңдау болып табылады, себебі олар әлдеқайда жақсы тозуға төзімді. Алайда біз қысымы өте жоғары болатын әрі өте терең қазылған орындарға түскен кезде карбидті тістерде кернеу сызықтары пайда болады. Біздің шекті элементтердің әдісі (FEA) бойынша алынған нәтижелерге сүйенсек, гранитпен жұмыс істеген кезде артқы қиғаш бұрышы төмен дизайндар (шамамен 15 градус) идеалды 35 градустық орнатуға қарағанда шамамен 27 пайызға көп энергия қажет етеді. Бұл қосымша кернеу инсертердің тезірек тозуына да әкеледі. Біз жер астында 1500 метрден аса тереңдікке түскен кезде жағдай тағы да қиындайды, себебі қоршаған тастың қысымы 50 МПа-дан асады. Зерттеулерге сүйенсек, кварцитті тау жыныстарында қысымның әрбір 10 МПа-ға өсуі инсертердегі сынғыштықты шамамен 18 пайызға арттырады. Дұрыс карбидтің дәрежесін таңдау мұнда өте маңызды. Ірі түйіршікті нұсқалар қатты соққыларға жақсы төзеді, бірақ уақыт өте келе тезірек тозады, яғни операторлар қандай жұмысқа қатысатынына қарай беріктік пен қызмет ету мерзімін теңестіруі керек.

Милленді тістері бар бұрғылау басы қашан жақсы көрсеткіш көрсетеді: 80 МПа кварцитте ротациялы-перкуссионды өнімділік және макрогеометриялық тұрақтылықтың рөлі

Қатты кварцитті тастар арқылы өту кезінде (олардың сығылу беріктігі 80 МПа-дан асады), тісті бұрғылау басындағы тістер әдеттегі ТСИ-лерден (түрлі карбидті салындылар) жалпы алғанда жоғары нәтиже көрсетеді. Бұл басқарушылардың пішіні оларға осындай қиын жұмысқа қажетті конструкциялық беріктік береді. Стальдан жасалған тістер әлсіз карбидті салындыларға қарағанда қайталанатын кернеуге төзімдірек, себебі олар бірден қираған кезде емес, бақыланатын тәртіппен кішкентай трещиналарға ұшырайды. Жер бетіндегі сынақтар осы әдістің барлық бұрғылау басының апатқа ұшырауын шамамен 40% азайтатынын көрсетті. Тағы бір үлкен артықшылығы — кең қуыс дизайны, ол бұзылған базальт тау жыныстарында қиындықтардың бірігуін болдырмауға көмектеседі. Бұл ұқсас жағдайларда стандартты ТСИ бұрғылау басын қолданған кезде 78%-ке қарағанда, жұмыстың тиімділігін шамамен 92% дейін сақтайды. Сейсмикалық зерттеулер жүргізетін немесе әртүрлі қатты тастар ортасы арқылы туннельдер салатын компаниялар үшін тісті бұрғылау басына ауысу көбінесе мүмкіндік емес, ал қажеттілік болып табылады.

Бұрғылау құралының тістері Жұмсақтан орташа қаттылықтағы тау жыныстарында (саз, сланец, ыдыраған құмтастың) өнімнің дизайны мен ұңғыма құрылысының тиімділігі

Шар тәрізді қабықшалардың пайда болуын болдырмау және қиындыларды алып тастауды жақсарту: қатты бүйірлік кескіш бұрышы мен ойық геометриясының маңызды рөлі

Сазды және сланецті тау жыныстарымен жұмыс істеу бұрғылаушылар үшін нағыз қиындықтар туғызады, себебі қиындылар дұрыс шығарылмаса, бұрғылау ұштарына қиындылардың жабысуы («бит баллинг») пайда болады. Бұл құбылыс қиындылардың барлығы бұрғылау ұштарына жабысып қалған кезде байқалады, нәтижесінде айналу қозғалысы қажеттіден артық кернеу тудырады және тереңдікке түсу жылдамдығы төмендейді. 35–45 градус аралығындағы белсенді бүйірлік қиылу бұрыштарын қолдану қиындыларды бұрғы ұшына жиналмай, орнына ойыстарға (гулли каналдарына) бүйірлік бағытта ығытуға көмектеседі. Осындай бүйірлік қиылу бұрыштарын кеңейтілген бөліктері мен тік қабырғалары бар жақсартылған ойыстармен үйлестірген кезде материал біріктірілген жерге жабыспай, әлдеқайда жылдам өтеді. Сызған құмтастың қаттылығын сынақтарда тексерген кезде дәстүрлі жабдықтардың орнатылуымен салыстырғанда «бит баллинг» проблемалары шамамен 40 пайызға азаяды. Жақсы ағыс жолдары біздің ескі қиындыларды қайтадан бұрғылауға мәжбүр етпейді, сондықтан өндірістік процестер сауытты жүреді және осы қиын тау жыныстарында қызуға байланысты тозу азаяды.

Материалдық және конструкциялық компромисстер: тұрақты бұрғылау әсерін қамтамасыз ету үшін ТСИ мен фрезерленген тіс

Карбидтің байланыс беріктігі, жылулық циклдық шыдамсыздығы және циклдық жүктеме кезіндегі болат тістің микротрещиналары

Бұрғылау құралының тістерінің конструкциясы мен олардың жұмыс істеу тиімділігі негізінен операциялық кернеулерге ұшырағанда материалдың бұзылуын бақылауға байланысты. ТЦИ-тістері үшін жылулық усталу — үлкен проблема, себебі қайталанатын қызу мен салқындату карбид пен негіз арасындағы байланысты әлсіретеді, сондықтан ұзақ бұрғылау сеанстарынан кейін енгізбелер шешіліп кетуі мүмкін. Тісті болаттың өзі де өзіндік мәселелері бар: әртүрлі соққылардан уақыт өте келе микроскопиялық трещиналар пайда болады, бұл әсіресе қысым 750 МПа-дан асатын граниттік таужыныстарда айқын байқалады. Шекті элементтердің талдауы көрсеткендей, қиын таужыныстарда ТЦИ-тістердің тозуға дейінгі қызмет ету мерзімі шамамен 1,8 есе ұзақ болады, бірақ егер геометриясы өте агрессивті болса, жылулық проблемалар әлдеқайда тез пайда болады. Ал болат тістері басқаша әңгіме айтады. Абразивті таужыныстардағы тұрақты соққылар нәтижесінде осы микротрещиналар әрбір 100 сағаттық жұмыс істеу кезінде 0,3–0,5 мм аралығында ұзарады, сондықтан да бастапқыда олар арзан болса да, тезірек ауыстырылуы қажет. Жалпы тиімділік үшін дұрыс тепе-теңдікті табу — дұрыс құралды дұрыс жұмысқа сәйкестендірумен анықталады. ТЦИ-тістер температураның өзгерістері өте шамадан тыс емес және негізгі мәселе — тозу болған кезде ең жақсы нәтиже көрсетеді. Ал болат тістері сынға қарсы төзімділік пен қатты соққыларға шыдай алу қабілеті ең маңызды болған жағдайларда тиімдірек болады.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Бұрғылау құралының тіс геометриясы энергиялық тиімділікке қандай әсер етеді?

Бұрғылау құралының тістерінің геометриясы тау жыныстарының сыну механикасын анықтай отырып, тікелей энергиялық тиімділікке әсер етеді. Оңтайлы конфигурациялар энергияның шығынын азайтып, тиімді ығысу режимдерін қолдай отырып және энергия көп қажет ететін сығылу режимдерін болдырмау арқылы оны минимизациялайды.

Ұш бұрышы, артқы қию бұрышы және бүйірлік қию бұрышы бұрғылау кезіндегі тау жыныстарының қирауына қалай әсер етеді?

Ұш бұрышы сыну басталуына әсер етеді: сүйір бұрыштар кернеудің шоғырлануын және трещиналардың таратылуын қолдайды. Артқы қию бұрышы қирау типіне әсер етеді: тік бұрыштар керілу арқылы ығысу қирауын қолдайды. Бүйірлік қию бұрышы қиындықтардың шығуына және бойлық күштердің таралуына әсер етеді: белсенді бұрыштар шаралану (бөлшектердің шаралануы) мәселелерін азайтады.

Шекті элементтер әдісі (ШЭӘ) бұрғылау құралының жұмыс істеу сапасын түсіну үшін қандай үлес қосады?

FEA құрылымдық кернеу таралуын және энергия тұтынуын талдау арқылы өнімнің сапасын бағалауға көмектеседі. Ол құрылымдық өзгерістердің, мысалы, артқы қиғаш бұрыштың, пайдалы әсер коэффициентіне, тозуға және кернеу үлгілеріне әсерін көрсетеді, сондықтан құралдың пішіні мен энергия тұтынуын оптимизациялауға көмектеседі.

Қатты тау жыныстарын өңдеуде фрезерленген тістері бар құралдардың дәстүрлі ТЦИ-лерге қарағандағы артықшылықтары қандай?

Фрезерленген тістері бар құралдар құрылымдық беріктікке ие болады, олар бақыланатын трещиналардың пайда болуы арқылы апаттарды азайтады. Олар қатты тау жыныстарын өңдеуге жақсы бейімделген, пайдалы әсер коэффициентін сақтайды және құралдың ішіне тау жынысының қабатталуын (pack-up) азайтады, ал дәстүрлі ТЦИ-лердегі хрупкий карбидті қоспалар осындай қасиеттерге ие емес.

Жоғары қысымды өңдеу ортасында дұрыс карбид маркасын таңдау неге маңызды?

Жоғары қысымды ортада карбид маркалары тозуға және сынуға төзімділікті әсер етеді. Ірі түйірлер соққыға төзімдіріек, бірақ тез тозады. Дұрыс марканы таңдау соққыға төзімділік пен ұзақ мерзімді жұмыс істеу қабілетін теңестіреді, сондықтан құрылғының жоғары сапалы жұмыс істеуі қамтамасыз етіледі.