Cum influențează diferitele concepții ale danturii burghielor eficiența forajului în rocă dură și în sol

Principiile mecanice de bază: cum geometria dinților reglează transferul de energie și modul de fisurare

Designul dinților burghiului determină în mod direct eficiența energetică prin parametri geometrici care controlează mecanismele de fisurare a rocii. Configurația optimă a dinților minimizează energia pierdută, orientând cedarea către moduri eficiente de forfecare, nu către zdrobirea intensivă din punct de vedere energetic.

Unghiul vârfului, unghiul de retragere posterioră și unghiul de retragere laterală: influența lor directă asupra cedării rocii dominată de forfecare versus cedarea dominată de zdrobire

Unghiul vârfului joacă un rol important în modul în care încep fisurile. Unghiuri mai ascuțite, sub 90 de grade, tind să concentreze punctele de tensiune, ceea ce favorizează răspândirea rapidă a crăpăturilor prin formațiunile roștii. Apoi există unghiul de degajare posterioră, care se referă la modul în care dinții de tăiere sunt înclinați față de propria formațiune. Acesta determină, de fapt, tipul de cedare care are loc în timpul operațiunilor de foraj. La unghiuri mai mici, între 15 și 25 de grade, observăm în principal efecte de zdrobire prin compresiune. Totuși, când unghiul devine mai abrupt, în jur de 35–45 de grade, se creează condiții mai bune pentru cedarea prin forfecare, datorită fisurării prin întindere. De asemenea, unghiul de degajare laterală este important, deoarece influențează modul în care detritusul este evacuat din gaură și distribuie forțele laterale pe fața burghiului. Unghiuri mai agresive de degajare laterală, peste 20 de grade, pot reduce semnificativ problemele de formare a bilelor („balling”) în formațiuni lipicioase. Testele de teren arată că ajustarea corectă simultană a tuturor acestor parametri poate reduce consumul specific de energie cu aproximativ 18–22 % în condiții de foraj dominat de forfecare, comparativ cu situațiile în care mecanismul principal este zdrobirea (această descoperire a fost publicată în Journal of Petroleum Technology, ediția din 2023).

Dovadă FEA: energie specifică cu 27 % mai mare în configurația cu unghi mic de înclinare posterioră (15°) comparativ cu configurația optimă (35°) pe granit

Utilizarea analizei cu elemente finite ajută la determinarea modului în care forma influențează performanța în lucrul cu materiale din rocă dură. De exemplu, acele vechi proiecte cu unghi de degajare dorsal de 15 grade necesită aproximativ 27 la sută mai multă energie comparativ cu variantele mai noi, cu unghi de 35 de grade, în granit, deoarece nu gestionează compresia la fel de eficient. Obținerea unghiului potrivit face, de fapt, o diferență semnificativă: creează plane de forfecare mai bune și reduce problemele de confinare care încetinesc procesul. Analiza modelelor de distribuție a tensiunilor relevă, de asemenea, un aspect interesant: proiectele cu unghi de 35 de grade reduc tensiunea von Mises în jurul muchiei de tăiere cu aproximativ 41 la sută, ceea ce înseamnă o acumulare mai redusă de căldură și o uzură mai lentă a sculei în timp. Ceea ce ne arată aceasta, de fapt, este că, în cazul formărilor geologice rezistente, unde consumul de energie este cel mai important factor, forma efectivă a sculelor de tăiere are un impact mai mare asupra eficienței generale decât simpla utilizare a unor materiale extrem de dure.

Dinții burghiului Eficiență în proiectare și foraj în rocile dure (granit, cuarțit, bazalt)

Burghiuri cu inserții din carburi de tungsten (TCI): echilibrarea rezistenței la uzură și a riscului de fisurare fragilă la presiune de confinare ridicată

Burghiele TCI sunt, în mare parte, alegerea preferată pentru forajul în rocă dură, deoarece rezistă foarte bine uzurii. Totuși, atunci când ajungem în găurile extrem de adânci, unde presiunea devine foarte ridicată, dinții din carburi încep să prezinte fisuri cauzate de stres. Analizând rezultatele obținute prin metoda elementului finit (FEA), configurațiile cu unghi mic de degajare posterior (aproximativ 15 grade) necesită cu aproximativ 27% mai multă energie comparativ cu configurația ideală de 35 de grade, în condiții de foraj în granit. Această solicitare suplimentară accelerează, de asemenea, uzura inserțiilor. Odată ce depășim adâncimea de 1.500 de metri subterană, situația devine și mai dificilă, deoarece presiunea rocilor înconjurătoare depășește 50 MPa. Cercetările arată că fiecare creștere suplimentară de 10 MPa a presiunii determină o creștere de aproximativ 18% a fisurării inserțiilor în formațiunile de cuarțit. Alegerea calității potrivite de carburi este esențială în acest context. Variantele cu grăunțe grosolane suportă mai bine impacturile bruște, dar tind să se uzeze mai rapid în timp, ceea ce înseamnă că operatorii trebuie să găsească un echilibru între tenacitate și durabilitate, în funcție de tipul de lucrare pe care o desfășoară.

Când frezele cu dinți frezați excelă: Performanța rotativ-percusionară în cuarțit de 80 MPa și rolul rezilienței macro-geometriei

Când vine vorba de forarea rocilor extrem de dure de cuarțit, care au rezistențe la compresiune de peste 80 MPa, burghiurile cu dinți frezați depășesc în general inserturile clasice din carburi metalice (TCI). Forma acestor burghii le conferă rezistența structurală necesară pentru astfel de lucrări solicitante. Dinții din oțel suportă mai bine solicitările repetate decât inserturile fragile din carburi metalice, deoarece dezvoltă microfisuri într-un mod controlat, în loc să se spargă brusc și complet. Testele de teren au demonstrat, de fapt, că această abordare reduce numărul total de defecțiuni ale burghielor cu aproximativ 40%. Un alt avantaj major este designul cu guler mai larg, care împiedică aglomerarea deșeurilor de foraj în formațiunile de bazalt fracturat. Acest lucru asigură o funcționare continuă și eficientă, cu o eficiență de aproximativ 92%, comparativ cu doar 78% în cazul utilizării burghielor TCI standard în situații similare. Pentru companiile care efectuează studii seismice sau construiesc tuneluri prin medii complexe de roci dure, trecerea la burghiuri cu dinți frezați devine adesea o necesitate, nu doar o opțiune.

Dinții burghiului Eficiență în proiectare și foraj în formațiuni moi până la medii (argilă, șist, gresie alterată)

Prevenirea formării de bulgări și îmbunătățirea evacuării detritusului: Rolul esențial al unghiului agresiv de tăiere laterală și al geometriei canalelor

Lucrul cu formări bogate în argilă și isturi creează probleme reale pentru foratori, deoarece, atunci când detritusul nu este evacuat corespunzător, apar probleme de aglomerare a detritusului pe burghiuri. Acest fenomen apare când întreaga masă de deșeuri se lipește de burghiuri, determinând o rotație mai dificilă decât ar fi normal și încetinind în mod semnificativ adâncimea la care putem foră. Utilizarea unor unghiuri agresive de degajare laterală, cuprinse între 35 și 45 de grade, ajută la împingerea detritusului lateral, în canalele de scurgere, în loc să permită acumularea acestuia pe burghiu. Atunci când aceste unghiuri sunt combinate cu canale de scurgere mai bine proiectate — care au secțiuni mai largi și pereți mai înclinați — materialul se deplasează mult mai rapid, fără a se lipi. Testele efectuate în gresie alterată au evidențiat o reducere de aproximativ 40 % a problemelor de aglomerare comparativ cu configurațiile obișnuite de echipamente. Traseele optime de curgere ne previn de necesitatea de a foră din nou prin detritusul deja existent, ceea ce asigură o desfășurare continuă a operațiunilor și reduce uzura provocată de suprîncălzire în aceste formări dificile.

Compromisuri între material și structură: TCI versus dinți frezați pentru eficiență susținută în foraj

Integritatea legăturii cu carbura, oboseala termică și microfisurarea dinților de oțel sub încărcare ciclică

Proiectarea dinților broșelor și eficiența lor de funcționare depind în mare măsură de controlul degradării materialelor atunci când sunt supuse stresurilor operaționale. Oboseala termică reprezintă o problemă majoră pentru broșele cu inserții din carburi (TCI), deoarece încălzirea și răcirea repetate slăbesc legătura dintre carbura și suport, ceea ce poate duce la desprinderea inserțiilor după sesiuni lungi de foraj. Dinții din oțel frezat prezintă, de asemenea, propriile probleme, dezvoltând microfisuri în timp, ca urmare a impacturilor repetate, în special în formări de granit, unde presiunea depășește 750 MPa. Analiza cu element finit arată că inserțiile din carburi (TCI) rezistă aproximativ de 1,8 ori mai mult înainte de a ceda în condiții de rocă dificilă, dar dacă geometria este prea agresivă, problemele termice apar de fapt mai repede. Dinții din oțel oferă însă o altă imagine: bătaia constantă în roci abrazive face ca aceste microfisuri să crească cu 0,3–0,5 mm la fiecare 100 de ore de funcționare, astfel încât, deși au un cost inițial mai mic, necesită înlocuire mai frecventă. Găsirea echilibrului potrivit pentru eficiența generală presupune alegerea instrumentului adecvat pentru fiecare aplicație. Inserțiile din carburi (TCI) oferă cele mai bune performanțe atunci când variațiile de temperatură nu sunt prea extreme și uzura este principala preocupare. Dinții din oțel sunt mai potriviți în situațiile în care rezistența la rupere și capacitatea de a suporta impacturi bruște sunt cele mai importante.

Întrebări frecvente

Care este impactul geometriei dinților burghiului asupra eficienței energetice?

Geometria dinților burghiului afectează direct eficiența energetică, dictând mecanismele de fisurare a rocii. Configurațiile optime minimizează pierderile de energie prin promovarea unor moduri eficiente de forfecare și evitarea zdrobirii, care consumă multă energie.

Cum influențează unghiul vârfului, unghiul de degajare posterior și unghiul de degajare lateral eșecul rocii în timpul forării?

Unghiul vârfului influențează inițierea fisurării, unghiurile mai ascuțite determinând o concentrare a tensiunilor și o propagare a fisurilor. Unghiurile de degajare posterior afectează tipul de eșec, unghiurile mai abrupte favorizând eșecul prin forfecare datorită întinderii. Unghiurile de degajare lateral influențează evacuarea deșeurilor de foraj și distribuția forțelor laterale, unghiurile mai agresive reducând problemele de formare a bilelor.

Cum contribuie analiza cu elemente finite (FEA) la înțelegerea performanței burghiului?

Analiza cu elemente finite (FEA) ajută la evaluarea performanței prin analizarea distribuției tensiunilor și a consumului de energie. Evidențiază impactul variațiilor de proiectare, cum ar fi unghiul de degajare posterior, asupra eficienței, uzurii și modelelor de tensiune, facilitând optimizarea formei sculei și a utilizării energiei.

Care sunt avantajele frezelor cu dinți frezați față de inserturile clasice din carburi metalice (TCI) în forajul în rocă dură?

Frezele cu dinți frezați oferă o rezistență structurală superioară, reducând defecțiunile prin generarea unor fisuri controlate. Ele se remarcă în forajul în roci dure, menținând eficiența și reducând problemele de blocare, spre deosebire de inserturile fragile din carburi metalice din TCIs clasice.

De ce este esențială selecția gradei potrivite de carburi în medii de foraj cu presiune ridicată?

În medii cu presiune ridicată, gradul de carburi influențează rezistența la uzură și la fisurare. Granulația grosolană rezistă mai bine la șocuri, dar se uzează mai rapid. Alegerea gradei potrivite echilibrează rezistența la șocuri și durabilitatea, asigurând o performanță optimă.