Подбор комплектов сверл под условия грунта и горных пород при бурении фундаментов

Выбор правильного Сверло По категориям геологических образований

Мягкие и средней твёрдости породы (UCS < 80 МПа): когда долота с мilled tooth и лопатообразные долота обеспечивают оптимальное проникновение и экономическую эффективность

Для сверло при бурении в более мягких грунтах, таких как сланцы, богатые глиной, меловые отложения и рыхлые известняковые образования с пределом прочности при одноосном сжатии ниже 80 МПа, чаще всего выбирают фрезерные долота с зубьями и лопатообразные долота. Отличительные режущие кромки клиновой формы обеспечивают мощное срезающее действие при меньших требованиях к крутящему моменту по сравнению с другими конструкциями. Полевые испытания показывают, что такие долота пробуривают аналогичные породные слои примерно на 40 % быстрее, чем традиционные карбидосодержащие долота. Финансовые преимущества также весьма существенны. Согласно недавним исследованиям, опубликованным в прошлом году в журнале «Drilling Efficiency Journal», эксплуатационные организации сообщают о снижении себестоимости бурения на погонный метр примерно на 30 % при работе преимущественно в глинистых формациях. Это достигается как за счёт снижения энергозатрат в процессе бурения, так и за счёт более редкой замены изношенных долот. Кроме того, их простая конструкция обеспечивает особую надёжность при бурении скважин большой протяжённости и направленных скважин, где наличие запасных компонентов не всегда возможно.

Твёрдая и очень твёрдая порода (предел прочности при сжатии 120 МПа): почему TCI и конические карбидные резцы Зубья сверл Превосходят PDC в условиях высокого сжатия

При бурении особенно твердых пород, таких как гранит, гнейс и крупные фрагменты кварцитов, вставки из карбида вольфрама (TCI) и конические карбидные долота работают лучше, чем системы с поликристаллическими алмазными компактами (PDC), применяемые в большинстве мест. Дело в том, что резцы PDC по сути скребут поверхность породы и чрезвычайно быстро изнашиваются при контакте с кремнезёмсодержащими материалами. В свою очередь, долота TCI разрушают породу за счёт контролируемых сил сжатия, создавая точечные нагрузки порядка 200 кН на квадратный сантиметр. Полевые испытания показывают, что такие долота сохраняют около 85 % своей первоначальной режущей способности даже после непрерывной работы в течение 120 часов в твёрдых базальтовых формациях. Это примерно вдвое дольше срока службы стандартных долот PDC в аналогичных условиях. Ещё одно преимущество обеспечивается конструкцией роликовых конусов этих инструментов, которые эффективно гасят вибрации в зонах нарушенной породы. Согласно недавним результатам, опубликованным в прошлом году в журнале «Geotechnical Drilling Review», такая конструкция снижает вероятность отклонения ствола скважины примерно вдвое по сравнению с системами с неподвижными резцами.

Понимание свойств пород: твёрдость, прочность и абразивность

Содержание кремнезёма и индекс абразивности: количественная оценка риска износа в песчанике, базальте и кварцитах

При абразивном износе содержание кремнезёма играет, безусловно, самую важную роль. Как только содержание SiO₂ превышает примерно 60 %, риск абразивного износа начинает возрастать по экспоненциальному закону, что зачастую ставит инженеров в тупик. В отрасли был разработан так называемый индекс абразивности ЦЕРШАР (сокращённо — ИАЦ) для оценки этого риска непосредственно на месте проведения работ. Например, горные породы с высоким содержанием кремнезёма, такие как песчаник, обычно имеют значения ИАЦ в диапазоне от 3,0 до 4,0, тогда как кварцит располагается ещё выше — примерно от 4,5 до 5,5. Эти материалы настолько быстро разрушают резцы, что применение специальных методов размещения карбидных вставок становится абсолютно необходимым. С другой стороны, базальт с низким содержанием кремнезёма содержит лишь от 10 до 25 % SiO₂ и имеет более низкие значения по шкале ИАЦ (примерно от 1,0 до 2,0). Хотя базальт и менее абразивен по сравнению с другими породами, он всё же создаёт определённые трудности из-за своей плотной, сцепленной минеральной структуры, требующей применения особых подходов при бурении.

В породах с высокой абразивностью гибридные конструкции долот с асимметричным расположением резцов обеспечивают более равномерное распределение износа по режущей структуре — увеличивая срок службы до 200 % по сравнению с традиционными конфигурациями (Mining Tech Review, 2022).

Оптимизация геометрии долота и режущей структуры для обеспечения устойчивости и производительности

Трещиноватые, слоистые и однородные пласты: подбор конических, крестообразных и шарошечных конфигураций в зависимости от структуры горной породы

Устойчивость буровых долот во многом зависит от того, насколько хорошо форма зубьев соответствует типу породы, через которую ведётся бурение, а не только от прочности самих зубьев. При бурении трещиноватых и разрушенных пород шарообразные зубья распределяют ударные нагрузки по всей поверхности долота, что снижает вибрации и предотвращает преждевременное откалывание зубьев при резких ударных нагрузках. Для слоистых разрезов, например при чередовании сланца и песчаника, предпочтительнее использовать зубья с поперечным режущим профилем. Такие зубья чисто рассекают слои, обеспечивая более стабильную работу: они снижают колебания крутящего момента примерно на тридцать процентов и улучшают контроль за направлением скважины. В свою очередь, для монолитных твёрдых пород с пределом прочности при одноосном сжатии от 80 до 120 мегапаскалей оптимальны конические зубья. Их заострённая форма концентрирует давление непосредственно в массив породы, что обеспечивает эффективное её разрушение и одновременно предотвращает такие проблемы, как чрезмерное накопление породы или нежелательные подскоки долота в процессе работы.

Стратегия размещения карбида: концентрированный или распределённый карбид вольфрама для увеличения срока службы бурового долота в абразивных грунтах

Расположение карбидов имеет решающее значение при работе с различными типами износа и при распределении нагрузки по инструменту. При обработке тяжелых материалов, таких как гранит, где действуют высокие силы сжатия, размещение карбидных вставок непосредственно на переднем крае позволяет им лучше выдерживать экстремальные точки давления по сравнению с их рассеянным расположением. Это обеспечивает более длительное сохранение остроты режущих кромок при одновременном поддержании высокой скорости проникновения. Для пород с высоким содержанием кремнезёма, например кварцитового песчаника, лучшие результаты достигаются при использовании карбидных композиций, при которых мелкие частицы равномерно распределяются по всему зубу, а не сконцентрированы в отдельных группах. Такие равномерно распределённые карбиды формируют поверхности, которые изнашиваются постепенно, а не разрушаются одномоментно. Испытания в реальных условиях показывают, что применение этих методов может увеличить срок службы буровых долот примерно на 15–20 % в абразивных слоях горных пород, поскольку они предотвращают эрозию, характерную для основания резцов на долотах с неоптимальной конструкцией. На практике это означает, что операторы получают стабильные показатели бурения в сочетании со значительно более длительным сроком службы инструмента при продолжительных работах в глубоких скважинах.

Раздел часто задаваемых вопросов

Что такое индекс абразивности CERCHAR (CAI)?

Индекс абразивности CERCHAR (CAI) — это показатель, используемый в отрасли для количественной оценки риска абразивного износа, особенно в породных формациях с высоким содержанием кремнезёма. Он помогает определить степень абразивности конкретного типа горной породы, что влияет на выбор бурового оборудования и технологий.

Почему содержание кремнезёма имеет значение при бурении?

Содержание кремнезёма существенно влияет на абразивность породных формаций. Высокие концентрации кремнезёма могут экспоненциально увеличить износ буровых долот, что требует учёта специфических конструктивных и материаловедческих решений для снижения абразивного износа и продления срока службы долота.

Как сверло как геометрия влияет на производительность?

Геометрия бурового долота, включая форму зубьев, играет важнейшую роль при подборе долота под структуру горной породы. Оптимальная конфигурация зубьев позволяет снизить вибрации, улучшить распределение давления и повысить устойчивость и эффективность буровых операций.