Jak różne konstrukcje zębowe wiertniczych główek wpływają na wydajność wiercenia w twardej skale i glebie

Podstawowe zasady mechaniki: jak geometria zębów określa przekazywanie energii i rodzaj pęknięcia

Konstrukcja zębowej części główki wiertniczej bezpośrednio decyduje o efektywności energetycznej poprzez parametry geometryczne kontrolujące mechanikę pękania skały. Optymalna konfiguracja zębów minimalizuje marnowanie energii, kierując proces pękania ku efektywnym trybom ścinania – a nie energochłonnemu zgniotowi.

Kąt wierzchołkowy, kąt tylnego i bocznego pochylenia: ich bezpośredni wpływ na dominację uszkodzenia ścinającego lub zgniotowego w skale

Kąt wierzchołkowy odgrywa dużą rolę w powstawaniu pęknięć. Ostrzejsze kąty poniżej 90 stopni mają tendencję do skupiania naprężeń, co przyspiesza rozprzestrzenianie się szczelin w formacjach skalnych. Następnie występuje kąt tylny (back rake), który określa nachylenie zęba tnącego względem samej formacji. Określa on w rzeczywistości rodzaj uszkodzenia występującego podczas operacji wiercenia. Przy niższych kątach w zakresie od 15 do 25 stopni dominują efekty ściskające i kruszące. Gdy jednak kąt staje się bardziej stromy – w zakresie od 35 do 45 stopni – powstają lepsze warunki do uszkodzenia ścinowego poprzez pękanie rozciągające. Istotny jest również kąt boczny (side rake), ponieważ wpływa on na sposób usuwania odpadów wiertniczych z otworu oraz na rozkład sił bocznych na powierzchni głowicy wiertniczej. Bardziej agresywne kąty boczne powyżej 20 stopni mogą znacznie zmniejszyć problem tzw. „kulowania” (balling) w lepkich formacjach. Testy polowe wykazały, że prawidłowe dobranie wszystkich tych parametrów jednocześnie pozwala obniżyć zużycie energii właściwej o około 18–22% podczas wiercenia w warunkach dominującego uszkodzenia ścinowego w porównaniu do sytuacji, w których głównym mechanizmem uszkodzenia jest kruszenie (wynik ten został opublikowany w czasopiśmie „Journal of Petroleum Technology” w wydaniu z 2023 roku).

Dowody analizy MES: o 27% wyższa energia właściwa przy niskim kącie nachylenia tylnego (15°) w porównaniu z optymalnym projektem (35°) na granicie

Zastosowanie analizy metodą elementów skończonych pozwala określić, w jaki sposób kształt wpływa na wydajność przy obróbce materiałów z twardych skał. Na przykład stare konstrukcje z kątem nachylenia tylnego wynoszącym 15 stopni wymagają około 27 procent więcej energii niż nowsze wersje z kątem 35 stopni przy wierceniu granitu, ponieważ gorzej radzą sobie z obciążeniem ściskającym. Dobór odpowiedniego kąta ma istotne znaczenie: sprzyja powstawaniu lepszych płaszczyzn ścinania i zmniejsza uciążliwe problemy związane z ograniczeniem przemieszczeń, które spowalniają proces. Analiza rozkładu naprężeń ujawnia również ciekawą zależność: konstrukcje z kątem 35 stopni zmniejszają naprężenia von Misesa w okolicy krawędzi tnącej o około 41 procent, co przekłada się na mniejsze nagrzewanie się narzędzia oraz wolniejsze zużycie jego krawędzi tnących w czasie eksploatacji. Wynika z tego, że przy pracy w trudnych formacjach geologicznych, gdzie najważniejsze jest zużycie energii, kształt narzędzi tnących ma większy wpływ na ogólną wydajność niż sam fakt stosowania materiałów o bardzo wysokiej twardości.

Zęby wiertła Projektowanie i wydajność wiercenia w twardej skale (granit, kwarcyt, bazalt)

Wiertniki z wkładkami z węglików wolframu (TCI): równoważenie odporności na zużycie i ryzyka kruchego pękania przy wysokim ciśnieniu obejmującym

Wiertła TCI są praktycznie standardowym wyborem do wiercenia w twardej skale, ponieważ doskonale odpierają zużycie. Jednak przy wierceniu bardzo głębokich otworów, gdzie ciśnienie osiąga ekstremalne wartości, zęby z węglików spiekanych zaczynają wykazywać oznaki pęknięć zmęczeniowych. Zgodnie z wynikami analizy MES konstrukcje o małym kącie tylnego nachylenia (około 15 stopni) wymagają o około 27 procent więcej energii niż optymalna konfiguracja o kącie 35 stopni podczas wiercenia w granicie. Dodatkowe obciążenie przyspiesza również zużycie wkładek. Po przekroczeniu głębokości 1500 metrów warunki stają się jeszcze trudniejsze, ponieważ ciśnienie otaczającej skały przekracza 50 MPa. Badania wykazują, że każde dodatkowe 10 MPa ciśnienia zwiększa liczbę pęknięć wkładek o około 18% w formacjach kwarcytu. Wybór odpowiedniej klasy węglików spiekanych ma tutaj ogromne znaczenie. Warianty o gruboziarnistej strukturze lepiej wytrzymują nagłe uderzenia, ale zużywają się szybciej w czasie, co oznacza, że operatorzy muszą dostosować wybór między odpornością na uderzenia a trwałością w zależności od charakteru wykonywanej pracy.

Kiedy frezowane wiertła osiągają doskonałe wyniki: wydajność obrotowo-udarowa w kwarcycie o wytrzymałości 80 MPa oraz rola odporności makrogeometrii

W przypadku wiercenia przez szczególnie trudne skały kwarcytowe o wytrzymałości na ściskanie przekraczającej 80 MPa frezowane wiertła z zębatymi głowicami zazwyczaj osiągają lepsze wyniki niż tradycyjne wiertła z płytkami karbidowymi (TCI). Specyficzny kształt tych wiertł powoduje, że posiadają one niezbędną wytrzymałość konstrukcyjną do wykonywania tak wymagających zadań. Zęby stalowe lepiej znoszą powtarzające się obciążenia niż kruche wkładki karbidowe, ponieważ tworzą drobne pęknięcia w sposób kontrolowany, zamiast łamać się całkowicie naraz. Badania polowe wykazały, że takie podejście zmniejsza całkowitą liczbę awarii wiertł o około 40%. Inną ważną zaletą jest szerszy kształt żłobków, który zapobiega zagęszczaniu się odpadów w złamanych formacjach bazaltowych. Dzięki temu proces wiercenia przebiega płynnie z wydajnością około 92%, podczas gdy przy zastosowaniu standardowych wiertł z płytkami karbidowymi (TCI) w podobnych warunkach wydajność ta wynosi zaledwie 78%. Dla firm realizujących badania sejsmiczne lub budujące tunele w środowiskach złożonych z różnych rodzajów twardych skał przejście na wiertła z zębatymi głowicami staje się często koniecznością, a nie jedynie opcją.

Zęby wiertła Wydajność projektowania i wiercenia w utworach miękkich do średnich (glina, łupki, zbadane piaskowce)

Zapobieganie tworzeniu się kul i poprawa usuwania odpadów wiertniczych: kluczowa rola agresywnego kąta bocznego ostrza i geometrii żłobków

Praca w formacjach bogatych w glinę i łupki stwarza prawdziwe problemy dla operatorów wiertnic, ponieważ niewłaściwe usuwanie odpadów wiertniczych prowadzi do zjawiska tzw. „kulowania wiertła”. Zjawisko to występuje, gdy cały ten materiał odpadowy przywiera do krawędzi tnących wiertła, powodując zwiększone opory obrotowe i spowalniając postęp wiercenia w głąb. Zastosowanie agresywnych kątów bocznego ostrza (tzw. side rake angles) w zakresie od 35° do 45° sprzyja przesuwaniu odpadów w kierunku bocznym, do kanałów odpływowych (żlebów), zamiast dopuszczania do ich nagromadzania się bezpośrednio na wiertle. Po połączeniu takich kątów z lepiej zaprojektowanymi żlebami – o szerszym przekroju i bardziej stromych ścianach – materiał odpadowy przemieszcza się znacznie szybciej i nie przywiera do powierzchni. Badania przeprowadzone w zbadanej piaskowcu zniszczonym wykazały około 40-procentowe zmniejszenie liczby przypadków kulowania w porównaniu do standardowych konfiguracji sprzętu. Dobrze zaprojektowane ścieżki przepływu zapobiegają konieczności wielokrotnego wiercenia przez już istniejące odpady, co zapewnia płynność operacji i ogranicza zużycie narzędzi spowodowane przegrzewaniem w tych trudnych formacjach.

Kompromisy materiałowe i konstrukcyjne: TCI kontra frezowane zęby w celu zapewnienia trwałej wydajności wiercenia

Integralność wiązania karbidowego, zmęczenie cieplne oraz mikropęknięcia zębów stalowych pod wpływem obciążenia cyklicznego

Projekt zębatych końcówek wiertła oraz ich skuteczność pracy zależą w dużej mierze od kontroli rozkładu materiału pod wpływem naprężeń eksploatacyjnych. Zmęczenie termiczne stanowi poważny problem dla wiertłowych główek z wkładkami karbidowymi (TCI), ponieważ cykliczne nagrzewanie i ochładzanie osłabia połączenie między karbidem a podłożem, co może prowadzić do wypadania wkładek po dłuższych sesjach wiercenia. Zęby ze stali frezowane mają własne problemy — z czasem powstają na nich mikroskopijne pęknięcia spowodowane wielokrotnymi uderzeniami, szczególnie widoczne w formacjach granitowych, gdzie ciśnienie przekracza 750 MPa. Analiza metodą elementów skończonych wykazuje, że wkładki karbidowe (TCI) wytrzymują około 1,8 raza dłużej przed uszkodzeniem w trudnych warunkach skalnych; jednak jeśli geometria jest zbyt agresywna, problemy termiczne występują nawet szybciej. Zęby stalowe prezentują inną sytuację: ciągłe uderzenia w skałach o wysokiej twardości powodują wzrost tych mikropęknięć w zakresie od 0,3 do 0,5 mm co każde 100 godzin pracy, więc choć początkowo są tańsze, wymagają częstszej wymiany. Znalezienie odpowiedniej równowagi zapewniającej ogólną wydajność oznacza dobranie odpowiedniego narzędzia do danego zadania. Wkładki karbidowe (TCI) działają najlepiej, gdy zmiany temperatury nie są zbyt skrajne, a głównym czynnikiem ograniczającym żywotność jest zużycie. Zęby stalowe są bardziej uzasadnione tam, gdzie najważniejsze są odporność na pęknięcie oraz zdolność do wytrzymania nagłych uderzeń.

Często zadawane pytania

Jakie jest oddziaływanie geometrii zębów wiertła na wydajność energetyczną?

Geometria zębów wiertła bezpośrednio wpływa na efektywność energetyczną, określając mechanikę pękania skał. Optymalne konfiguracje minimalizują marnowanie energii, sprzyjając wydajnym trybom ścinania i unikając intensywnego zużycia energii podczas kruszenia.

W jaki sposób kąt wierzchołkowy, kąt tylny i kąt boczny wpływają na uszkodzenie skały podczas wiercenia?

Kąt wierzchołkowy wpływa na inicjację pęknięcia – ostrzejsze kąty powodują skupienie naprężeń i propagację szczelin. Kąty tylne wpływają na rodzaj uszkodzenia: bardziej strome kąty sprzyjają uszkodzeniom ścinanym poprzez rozciąganie. Kąty boczne wpływają na usuwanie odpadów wiertniczych oraz na rozkład sił bocznych; bardziej agresywne kąty zmniejszają problemy związane z tworzeniem się grudek.

W jaki sposób analiza metodą elementów skończonych (MES) przyczynia się do zrozumienia wydajności wiertła?

Analiza MES pomaga ocenić wydajność poprzez analizę rozkładu naprężeń i zużycia energii. Podkreśla wpływ zmian w konstrukcji, takich jak kąt tylnego nachylenia, na wydajność, zużycie oraz wzorce naprężeń, wspierając optymalizację kształtu narzędzia i zużycia energii.

Jakie są zalety frezowanych wiertów z zębami w porównaniu do tradycyjnych wiertów z wkładkami karbidowymi (TCI) w wierceń w skałach twardych?

Frezowane wierty z zębami charakteryzują się odpornością konstrukcyjną, co ogranicza awarie poprzez kontrolowane powstawanie pęknięć. Doskonale sprawdzają się przy wierceń w trudnych skałach, zapewniając stałą wydajność i redukując problemy związane z zatkaniami, w przeciwieństwie do kruchych wkładek karbidowych stosowanych w tradycyjnych wiertach TCI.

Dlaczego dobór odpowiedniego stopnia karbidu jest kluczowy w środowiskach wierceń wysokociśnieniowych?

W środowiskach wysokociśnieniowych stop karbidu wpływa na odporność na zużycie i pękanie. Zrny gruboziarniste lepiej wytrzymują uderzenia, ale szybciej się zużywają. Wybór odpowiedniego stopnia pozwala osiągnąć optymalny kompromis między odpornością na uderzenia a trwałością, zapewniając najlepszą możliwą wydajność.