Как различные конструкции зубьев буровых долот влияют на эффективность бурения в твёрдых породах и грунтах

Основные механические принципы: как геометрия зубьев определяет передачу энергии и характер разрушения

Конструкция зубьев бурового долота напрямую определяет энергоэффективность за счет геометрических параметров, управляющих механикой разрушения породы. Оптимальная конфигурация зубьев минимизирует потери энергии, направляя разрушение в режимы эффективного сдвига, а не энергоемкого дробления.

Угол вершины, задний и боковой углы наклона: их прямое влияние на сдвиговое или дробящее доминирующее разрушение породы

Угол наконечника играет важную роль в инициировании трещин. Более острые углы менее 90 градусов, как правило, концентрируют напряжения, что способствует быстрому распространению трещин по горным породам. Затем следует задний угол заточки (back rake), определяющий угол наклона режущего зуба относительно самой породы. Именно этот параметр определяет тип разрушения, возникающего в процессе бурения. При меньших углах в диапазоне от 15 до 25 градусов преобладают эффекты сжимающего дробления. Однако при увеличении угла до 35–45 градусов создаются более благоприятные условия для сдвигового разрушения за счёт растяжения и образования трещин. Важное значение имеет также боковой угол заточки (side rake), поскольку он влияет на вынос шлама из скважины и распределение боковых нагрузок по рабочей поверхности долота. Более агрессивные значения бокового угла заточки свыше 20 градусов могут значительно снизить вероятность образования шариков («balling») в липких породах. Полевые испытания показали, что правильная совместная настройка всех этих параметров позволяет сократить удельное энергопотребление при бурении в условиях, где доминирует сдвиговое разрушение, примерно на 18–22 % по сравнению с ситуациями, в которых основным механизмом разрушения является дробление (данное заключение было опубликовано в журнале «Journal of Petroleum Technology» в выпуске за 2023 год).

Данные МКЭ: на 27 % более высокая удельная энергия при малом угле наклона задней части (15°) по сравнению с оптимальным углом (35°) на граните

Использование метода конечных элементов помогает определить, как форма инструмента влияет на его производительность при работе с твёрдыми горными породами. Например, устаревшие конструкции зубьев с задним углом 15 градусов требуют примерно на 27 % больше энергии по сравнению с современными версиями с углом 35 градусов при бурении гранита, поскольку они хуже справляются с нагрузками сжатия. Выбор правильного угла действительно имеет большое значение: он способствует формированию более эффективных плоскостей сдвига и снижает нежелательные эффекты конфинемента, замедляющие процесс бурения. Анализ распределения напряжений также выявляет интересную закономерность: конструкции с углом 35 градусов снижают эквивалентное напряжение по критерию фон Мизеса в районе режущей кромки примерно на 41 %, что приводит к меньшему нагреву и более медленному износу инструмента со временем. Это означает, что при бурении сложных геологических формаций, где особенно важна энергоэффективность, именно геометрия режущего инструмента оказывает большее влияние на общую эффективность, чем просто применение сверхтвёрдых материалов.

Зубья бурового долота Конструкция и эффективность бурения в твёрдых породах (гранит, кварцит, базальт)

Пики с твердосплавными вставками (TCI): баланс между износостойкостью и риском хрупкого разрушения при высоком конфинирующем давлении

Резцы TCI практически являются стандартным выбором для бурения в твердых породах благодаря их высокой износостойкости. Однако при достижении очень больших глубин, где давление становится чрезвычайно высоким, карбидные зубья начинают проявлять признаки усталостных трещин. Согласно результатам нашего анализа методом конечных элементов (МКЭ), конструкции с малым задним углом заточки (около 15 градусов) требуют на 27 % больше энергии по сравнению с оптимальной конструкцией с углом 35 градусов при проходке гранита. Это дополнительное напряжение также ускоряет износ вставок. После преодоления отметки в 1500 метров в глубине условия становятся ещё более тяжёлыми, поскольку давление окружающих горных пород превышает 50 МПа. Исследования показывают, что каждое дополнительное повышение давления на 10 МПа увеличивает частоту образования трещин во вставках примерно на 18 % в кварцитовых породах. Правильный выбор марки карбида в данном случае имеет решающее значение. Варианты с крупнозернистой структурой лучше выдерживают ударные нагрузки, однако со временем они интенсивнее изнашиваются, поэтому операторам приходится выбирать компромисс между прочностью и долговечностью в зависимости от конкретных условий работы.

Когда фрезерованные долота показывают превосходные результаты: эффективность вращательно-ударного бурения в кварцитах с пределом прочности 80 МПа и роль устойчивости макрогеометрии

При бурении особенно прочных кварцитовых пород с пределом прочности при сжатии свыше 80 МПа фрезерованные долота, как правило, превосходят традиционные долота с твердосплавными вставками (TCI). Конструкция таких долот обеспечивает необходимую структурную прочность для выполнения столь сложных задач. Стальные зубья лучше выдерживают многократные нагрузки по сравнению с хрупкими твердосплавными вставками, поскольку они образуют мелкие трещины контролируемым образом, а не разрушаются одномоментно. Полевые испытания показали, что такой подход снижает общее количество отказов долот примерно на 40 %. Другим важным преимуществом является более широкая форма канавок (гуттеров), которая предотвращает уплотнение шлама в разрушенных базальтовых формациях. Это обеспечивает бесперебойную работу с коэффициентом эффективности около 92 % по сравнению с 78 % при использовании стандартных долот с твердосплавными вставками (TCI) в аналогичных условиях. Для компаний, выполняющих сейсмические исследования или строящих тоннели в гетерогенных средах с преобладанием твёрдых пород, переход на фрезерованные долота зачастую становится необходимостью, а не просто вариантом выбора.

Зубья бурового долота Конструкция и эффективность бурения в мягких и средней твёрдости породах (глина, сланец, выветрившийся песчаник)

Предотвращение образования шариков и повышение эффективности удаления керна: ключевая роль агрессивного бокового угла заточки и геометрии желобов

Работа с глинистыми и сланцевыми породами создаёт серьёзные трудности для бурильщиков, поскольку при недостаточной эвакуации шлама возникает проблема «набивки долота». Это происходит, когда весь этот обломочный материал прилипает к долоту, из-за чего крутящий момент возрастает сверх необходимого, а скорость проходки снижается. Применение повышенных углов бокового затылка (около 35–45 градусов) способствует смещению шлама вбок — в желобчатые каналы, а не его накоплению непосредственно на долоте. В сочетании с улучшенной конструкцией желобов — более широкими по сечению и с более крутыми стенками — материал перемещается значительно быстрее и не прилипает. Испытания в выветрившемся песчанике показали снижение частоты набивки долота примерно на 40 % по сравнению со стандартными комплектациями оборудования. Эффективные пути потока шлама исключают необходимость повторного бурения через уже образовавшийся шлам, что обеспечивает стабильность технологического процесса и снижает износ инструмента, вызванный перегревом в таких сложных горных породах.

Компромиссы в выборе материала и конструкции: ТЦИ против фрезерованных зубьев для обеспечения стабильной эффективности бурения

Целостность карбидного соединения, термическая усталость и микротрещины в стальных зубьях при циклической нагрузке

Конструкция зубьев бурового долота и их эффективность в значительной степени зависят от контроля разрушения материала под действием эксплуатационных нагрузок. Тепловая усталость представляет собой серьёзную проблему для долот с твердосплавными вставками (TCI), поскольку многократные циклы нагрева и охлаждения ослабляют связь между карбидом и основой, что может привести к выпадению вставок после продолжительных буровых работ. У стальных фрезерованных зубьев также имеются свои недостатки: под воздействием ударных нагрузок со временем образуются мелкие трещины, особенно заметные в гранитных породах, где давление превышает 750 МПа. Анализ методом конечных элементов показывает, что срок службы твердосплавных вставок в сложных горных условиях примерно в 1,8 раза превышает срок службы стальных зубьев; однако при излишне агрессивной геометрии тепловые проблемы возникают даже быстрее. Стальные зубья демонстрируют иную картину: постоянные ударные нагрузки в абразивных породах приводят к росту микротрещин со скоростью от 0,3 до 0,5 мм за каждые 100 часов работы, поэтому, несмотря на более низкую начальную стоимость, их приходится заменять чаще. Поиск оптимального баланса общей эффективности требует подбора подходящего инструмента под конкретную задачу. Твердосплавные вставки (TCI) показывают наилучшие результаты при умеренных температурных колебаниях, когда основной проблемой является износ. Стальные зубья целесообразнее применять в ситуациях, где решающее значение имеют прочность на разрушение и способность выдерживать внезапные ударные нагрузки.

Часто задаваемые вопросы

Какое влияние оказывает геометрия зубьев бурового долота на энергоэффективность?

Геометрия зубьев бурового долота напрямую влияет на энергоэффективность, определяя механику разрушения горной породы. Оптимальные конфигурации минимизируют потери энергии за счёт обеспечения эффективных режимов сдвига и предотвращения энергоёмкого дробления.

Как угол вершины, задний угол и боковой угол влияют на разрушение породы в процессе бурения?

Угол вершины влияет на начало образования трещин: более острые углы способствуют концентрации напряжений и распространению трещин. Задние углы определяют тип разрушения: более крутые углы способствуют сдвиговому разрушению за счёт растяжения. Боковые углы влияют на вынос шлама и распределение боковых сил: агрессивные значения углов снижают вероятность образования шариков («balling»).

Какой вклад вносит метод конечных элементов (МКЭ) в понимание характеристик бурового долота?

МКЭ помогает оценить производительность за счёт анализа распределения напряжений и энергопотребления. Он выявляет влияние конструктивных изменений — например, угла заднего наклона — на эффективность, износ и характер распределения напряжений, что способствует оптимизации формы инструмента и расхода энергии.

Каковы преимущества фрезерных долот по сравнению с традиционными долотами с твердосплавными вставками (TCI) при бурении в твёрдых породах?

Фрезерные долота обладают повышенной структурной прочностью, что снижает вероятность отказов за счёт формирования контролируемых трещин. Они превосходно зарекомендовали себя при бурении в сложных горных породах, сохраняя высокую эффективность и снижая проблемы, связанные с забивкой, в отличие от хрупких твердосплавных вставок в традиционных долотах TCI.

Почему выбор правильного сорта твёрдого сплава критически важен в условиях бурения под высоким давлением?

В условиях высокого давления сорт твёрдого сплава влияет на стойкость к износу и трещинообразованию. Крупнозернистые сплавы лучше выдерживают ударные нагрузки, но быстрее изнашиваются. Выбор оптимального сорта позволяет достичь баланса между ударной стойкостью и долговечностью для обеспечения наилучших эксплуатационных характеристик.