การออกแบบฟันของหัวเจาะแต่ละแบบมีผลต่อประสิทธิภาพการเจาะในหินแข็งและดินอย่างไร

หลักการเชิงกลพื้นฐาน: รูปทรงเรขาคณิตของฟันควบคุมการถ่ายโอนพลังงานและโหมดการแตกหักอย่างไร

การออกแบบฟันของดอกสว่านมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานผ่านพารามิเตอร์เชิงเรขาคณิตที่ควบคุมกลศาสตร์ของการแตกหักของหิน การจัดวางฟันให้เหมาะสมจะช่วยลดการสูญเสียพลังงานโดยการนำให้เกิดการล้มสลายแบบแรงเฉือนซึ่งมีประสิทธิภาพ แทนที่จะเป็นการบดอัดซึ่งใช้พลังงานสูง

มุมปลายฟัน (Tip Angle), มุมเอียงด้านหลัง (Back Rake) และมุมเอียงด้านข้าง (Side Rake): อิทธิพลโดยตรงต่อการล้มสลายของหินแบบแรงเฉือนเป็นหลัก หรือแบบการบดอัดเป็นหลัก

มุมปลายของหัวเจาะมีบทบาทสำคัญต่อการเริ่มต้นของการแตกร้าว หัวเจาะที่มีมุมแหลมกว่า 90 องศา มักจะทำให้แรงกดสะสมอยู่ที่จุดเฉพาะ ซึ่งช่วยให้รอยร้าวแพร่กระจายผ่านชั้นหินได้อย่างรวดเร็ว ต่อมาคือ มุมหลัง (back rake) ซึ่งหมายถึงมุมที่ฟันตัดเอียงเทียบกับชั้นหินโดยตรง ซึ่งมุมนี้กำหนดประเภทของการล้มเหลวที่เกิดขึ้นระหว่างการเจาะจริง โดยที่มุมต่ำระหว่าง 15 ถึง 25 องศา จะส่งผลให้เกิดการบดอัดแบบกดทับเป็นหลัก แต่เมื่อมุมเพิ่มขึ้นจนอยู่ในช่วงประมาณ 35 ถึง 45 องศา จะสร้างเงื่อนไขที่เอื้อต่อการล้มเหลวแบบเฉือนผ่านการแตกร้าวด้วยแรงดึง นอกจากนี้ มุมข้าง (side rake) ก็มีความสำคัญเช่นกัน เพราะส่งผลต่อการขับเศษหินออกจากหลุมเจาะ และช่วยกระจายแรงด้านข้างไปทั่วพื้นผิวด้านหน้าของหัวเจาะ สำหรับมุมข้างที่มากกว่า 20 องศา จะช่วยลดปัญหาการเกาะตัวของเศษหิน (balling) บนหัวเจาะในชั้นหินที่มีความเหนียวได้อย่างมีนัยสำคัญ ผลการทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่า การปรับค่าพารามิเตอร์ทั้งหมดเหล่านี้ให้เหมาะสมร่วมกัน สามารถลดการใช้พลังงานจำเพาะลงได้ประมาณ 18 ถึง 22 เปอร์เซ็นต์ ในการเจาะภายใต้สภาวะที่กลไกการเฉือนเป็นหลัก เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีที่กลไกการบดอัดเป็นกลไกหลัก (วารสาร Journal of Petroleum Technology รายงานผลการศึกษานี้ในฉบับปี 2023)

หลักฐานจากการวิเคราะห์ด้วยองค์ประกอบจำกัด (FEA): พลังงานจำเพาะสูงขึ้น 27% ในการออกแบบมุมเอียงด้านหลังต่ำ (15°) เมื่อเทียบกับการออกแบบที่เหมาะสมที่สุด (35°) บนพื้นผิวหินแกรนิต

การใช้การวิเคราะห์ด้วยองค์ประกอบจำกัด (Finite Element Analysis) ช่วยให้เข้าใจว่ารูปร่างของอุปกรณ์ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการทำงานกับวัสดุหินแข็งอย่างไร ตัวอย่างเช่น แบบเก่าที่มีมุมเอียงด้านหลัง (back rake) 15 องศา ต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้นประมาณ 27 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับแบบใหม่ที่มีมุม 35 องศา ในการเจาะหินแกรนิต เนื่องจากแบบเก่าจัดการแรงอัดได้ไม่ดีเท่า ดังนั้นการเลือกมุมที่เหมาะสมจึงมีผลอย่างมาก เพราะช่วยสร้างระนาบการเฉือน (shear planes) ที่ดีขึ้น และลดปัญหาการถูกจำกัด (confinement issues) ที่ทำให้กระบวนการช้าลง นอกจากนี้ การศึกษารูปแบบการกระจายแรงยังเผยให้เห็นสิ่งน่าสนใจอีกด้วย: แบบที่มีมุม 35 องศา สามารถลดแรง von Mises บริเวณขอบตัดได้ประมาณ 41 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งหมายความว่ามีการสะสมความร้อนน้อยลง และการสึกหรอของเครื่องมือช้าลงเมื่อใช้งานไปเรื่อยๆ สิ่งที่สรุปได้จากข้อมูลนี้คือ เมื่อทำงานกับชั้นหินที่มีความแข็งแกร่งสูง โดยเฉพาะในสถานการณ์ที่การใช้พลังงานเป็นปัจจัยสำคัญที่สุด รูปร่างจริงของอุปกรณ์ตัดจะมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพโดยรวมมากกว่าการพึ่งพาเพียงวัสดุที่มีความแข็งสูงเป็นพิเศษ

ฟันของดอกสว่าน การออกแบบและประสิทธิภาพการเจาะในหินแข็ง (หินแกรนิต หินควอตไซต์ หินบะซอลต์)

ดอกสว่านแบบมีแท่งทังสเตนคาร์ไบด์ (TCI): การสมดุลระหว่างความต้านทานการสึกหรอและความเสี่ยงต่อการแตกร้าวแบบเปราะบางภายใต้แรงกดดันจากสื่อรอบข้างสูง

หัวเจาะ TCI เป็นตัวเลือกหลักสำหรับการเจาะหินแข็ง เนื่องจากมีความต้านทานต่อการสึกหรอได้ดีมาก แต่เมื่อเราเจาะลึกลงไปในรูที่มีความลึกมากเป็นพิเศษ ซึ่งแรงดันเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก ฟันคาร์ไบด์เหล่านั้นจะเริ่มแสดงอาการแตกร้าวจากความเครียด จากรายงานผลการวิเคราะห์ด้วยวิธีองค์ประกอบจำกัด (FEA) พบว่าแบบที่มีมุมย้อนกลับของใบมีดต่ำ (ประมาณ 15 องศา) ต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้นประมาณ 27 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับแบบที่มีมุมย้อนกลับที่เหมาะสมที่สุดที่ 35 องศา ขณะทำงานกับหินแกรนิต พลังงานส่วนเกินนี้ยังทำให้แผ่นแทรก (inserts) สึกหรอเร็วขึ้นอีกด้วย เมื่อความลึกของการเจาะเกิน 1,500 เมตร สถานการณ์จะยิ่งยากลำบากยิ่งขึ้น เนื่องจากแรงดันจากหินรอบข้างเพิ่มสูงขึ้นเกิน 50 MPa งานวิจัยชี้ว่า แรงดันที่เพิ่มขึ้นอีก 10 MPa จะทำให้อัตราการแตกร้าวของแผ่นแทรกเพิ่มขึ้นประมาณ 18% ในชั้นหินควอตไซต์ การเลือกระดับคุณภาพของคาร์ไบด์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในกรณีนี้ ตัวเลือกที่มีเกรนหยาบสามารถทนต่อแรงกระแทกแบบฉับพลันได้ดีกว่า แต่มีแนวโน้มสึกหรอเร็วกว่าในระยะยาว ผู้ปฏิบัติงานจึงจำเป็นต้องปรับสมดุลระหว่างความเหนียวและความคงทนตามลักษณะงานที่กำลังเผชิญ

เมื่อหัวเจาะแบบมีฟันเลื่อยให้ประสิทธิภาพสูงสุด: สมรรถนะแบบหมุน-ตีในหินควอตไซต์ความแข็ง 80 MPa และบทบาทของความทนทานของเรขาคณิตขนาดใหญ่

เมื่อต้องเจาะผ่านหินควอตไซต์ที่มีความแข็งแกร่งสูงมากซึ่งมีค่าความต้านแรงอัดเกิน 80 MPa ดอกสว่านแบบฟันกลึง (milled tooth bits) มักให้ผลดีกว่าดอกสว่านแบบคาร์ไบด์แท่ง (TCI) แบบดั้งเดิม เนื่องจากรูปร่างของดอกสว่านประเภทนี้มอบความแข็งแรงเชิงโครงสร้างที่จำเป็นสำหรับงานที่ท้าทายในระดับนี้ ฟันที่ทำจากเหล็กสามารถทนต่อแรงกดซ้ำ ๆ ได้ดีกว่าแท่งคาร์ไบด์ที่เปราะบาง เพราะฟันเหล็กจะเกิดรอยร้าวเล็กน้อยอย่างควบคุมได้ แทนที่จะแตกร้าวพร้อมกันทั้งหมดในคราวเดียว ผลการทดสอบภาคสนามพบว่าวิธีนี้ช่วยลดจำนวนครั้งที่ดอกสว่านเสียหายโดยรวมลงประมาณ 40% อีกข้อได้เปรียบสำคัญคือการออกแบบร่องเก็บเศษหิน (gullet) ที่กว้างขึ้น ซึ่งป้องกันไม่ให้เศษหินสะสมและอุดตันกันในชั้นหินบาซาลต์ที่แตกหัก ทำให้ระบบทำงานได้อย่างราบรื่นและมีประสิทธิภาพประมาณ 92% เมื่อเทียบกับเพียง 78% ที่ได้จากการใช้ดอกสว่าน TCI มาตรฐานในสถานการณ์ที่คล้ายกัน สำหรับบริษัทที่ดำเนินการสำรวจทางแผ่นดินไหวหรือก่อสร้างอุโมงค์ผ่านพื้นที่ที่มีหินแข็งผสมกัน การเปลี่ยนมาใช้ดอกสว่านแบบฟันกลึงมักกลายเป็นสิ่งจำเป็น มากกว่าจะเป็นเพียงทางเลือกหนึ่ง

ฟันของดอกสว่าน การออกแบบและประสิทธิภาพการเจาะในชั้นหินที่มีความแข็งต่ำถึงปานกลาง (ดินเหนียว หินโคลน และหินทรายที่ผุกร่อน)

การป้องกันการเกิดลูกบอล (Balling) และการปรับปรุงการกำจัดเศษหิน: บทบาทสำคัญของมุมเฉียงด้านข้างที่รุนแรง (Aggressive Side Rake) และรูปทรงร่อง (Gully Geometry)

การเจาะในชั้นหินดินเหนียวและชั้นหินสไลต์ที่มีความอุดมสมบูรณ์ส่งผลให้ผู้ปฏิบัติงานด้านการเจาะประสบปัญหาอย่างแท้จริง เนื่องจากเมื่อเศษวัสดุจากการเจาะไม่ถูกกำจัดออกอย่างเหมาะสม จะเกิดปัญหา "การเกาะตัวของเศษวัสดุที่ปลายดอกสว่าน" (bit balling) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อเศษวัสดุทั้งหมดนั้นยึดติดอยู่กับปลายดอกสว่าน ส่งผลให้ดอกสว่านหมุนได้ยากขึ้นกว่าปกติ และทำให้ความลึกของการเจาะลดลง ด้วยการใช้มุมเฉียงด้านข้าง (side rake angles) ที่มีความรุนแรงในช่วง 35 ถึง 45 องศา จะช่วยผลักเศษวัสดุให้เคลื่อนตัวไปทางด้านข้างเข้าสู่ร่องนำเศษวัสดุ (gully channels) แทนที่จะปล่อยให้สะสมอยู่บนปลายดอกสว่านเอง เมื่อรวมเข้ากับการออกแบบร่องนำเศษวัสดุที่ดีขึ้น เช่น มีส่วนกว้างขึ้นและผนังชันขึ้น เศษวัสดุจะสามารถเคลื่อนผ่านไปได้เร็วขึ้นอย่างมากโดยไม่เกิดการยึดติด การทดสอบที่ดำเนินการในหินทรายที่ผ่านการผุกร่อนแล้ว แสดงให้เห็นว่ามีปัญหาการเกาะตัวของเศษวัสดุที่ปลายดอกสว่านลดลงประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับการตั้งค่าอุปกรณ์แบบทั่วไป เส้นทางการไหลที่ดีช่วยป้องกันไม่ให้เราต้องเจาะผ่านเศษวัสดุเก่าซ้ำๆ อีก ซึ่งส่งผลให้การปฏิบัติงานดำเนินไปอย่างราบรื่น และลดการสึกหรอที่เกิดจากความร้อนสะสมในชั้นหินที่มีความท้าทายเหล่านี้

การแลกเปลี่ยนระหว่างวัสดุและโครงสร้าง: TCI เทียบกับฟันเจาะแบบกัด (Milled Tooth) เพื่อประสิทธิภาพการเจาะอย่างต่อเนื่อง

ความสมบูรณ์ของพันธะคาร์ไบด์ ความล้าจากความร้อน และไมโครคราคที่เกิดขึ้นกับฟันเหล็กภายใต้การรับโหลดแบบเป็นรอบ

การออกแบบฟันของสว่านและการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพของฟันเหล่านั้นขึ้นอยู่กับการควบคุมการสลายตัวของวัสดุเป็นหลักเมื่อวัสดุนั้นถูกกระทำด้วยแรงเครียดจากการใช้งาน ปัญหาความล้าจากความร้อน (Thermal fatigue) เป็นปัญหาใหญ่สำหรับสว่านแบบ TCI เนื่องจากการให้ความร้อนและระบายความร้อนซ้ำๆ ส่งผลให้พันธะระหว่างคาร์ไบด์กับวัสดุฐานอ่อนแอลง ซึ่งอาจนำไปสู่การหลุดออกของแท่งคาร์ไบด์หลังการเจาะเป็นเวลานาน ฟันที่ทำจากเหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการกัด (Milled steel teeth) ก็มีปัญหาของตนเองเช่นกัน โดยจะเกิดรอยแตกจิ๋วขึ้นตามระยะเวลาที่ใช้งานเนื่องจากการกระแทกซ้ำๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในชั้นหินแกรนิตที่ความดันสูงกว่า 750 เมกะพาสคาล การวิเคราะห์ด้วยวิธีองค์ประกอบจำกัด (Finite element analysis) แสดงให้เห็นว่าแท่งคาร์ไบด์ (TCIs) มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นประมาณ 1.8 เท่าก่อนจะเสียหายในสภาพหินที่แข็งแกร่ง แต่หากเรขาคณิตของฟันออกแบบมาอย่างรุนแรงเกินไป ปัญหาความร้อนจะเกิดขึ้นเร็วกว่าเดิม ฟันที่ทำจากเหล็กกล้าเล่าเรื่องที่ต่างออกไป แรงกระแทกอย่างต่อเนื่องในหินที่กัดกร่อนสูงทำให้รอยแตกจิ๋วเหล่านี้ขยายตัวในอัตรา 0.3 ถึง 0.5 มิลลิเมตรทุกๆ 100 ชั่วโมงของการใช้งาน ดังนั้น แม้ฟันเหล็กกล้าจะมีราคาต้นทุนต่ำกว่า แต่ก็จำเป็นต้องเปลี่ยนบ่อยกว่า การหาสมดุลที่เหมาะสมเพื่อประสิทธิภาพโดยรวมจึงหมายถึงการเลือกเครื่องมือที่เหมาะสมกับงานนั้นๆ โดยเฉพาะ แท่งคาร์ไบด์ (TCIs) ให้ประสิทธิภาพดีที่สุดเมื่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิไม่รุนแรงมากนัก และปัญหาหลักคือการสึกหรอ ขณะที่ฟันที่ทำจากเหล็กกล้าเหมาะสมกว่าในสถานการณ์ที่ต้องการความต้านทานต่อการหักและความสามารถในการรองรับแรงกระแทกอย่างฉับพลันเป็นหลัก

คำถามที่พบบ่อย

รูปทรงของฟันสว่านมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างไร

รูปทรงของฟันสว่านส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานผ่านกลไกการแตกร้าวของหิน การจัดเรียงที่เหมาะสมจะลดการสูญเสียพลังงานให้น้อยที่สุด โดยส่งเสริมโหมดการเฉือนที่มีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงการบดอันใช้พลังงานสูง

มุมปลาย (tip angle) มุมหลัง (back rake) และมุมข้าง (side rake) มีอิทธิพลต่อการล้มสลายของหินในระหว่างการเจาะอย่างไร

มุมปลายมีผลต่อการเริ่มต้นการแตกร้าว โดยมุมที่แหลมกว่าจะส่งเสริมการรวมตัวของแรงเครียดและการขยายตัวของรอยแตก มุมหลังมีผลต่อประเภทของการล้มสลาย โดยมุมที่ชันกว่าจะเอื้อต่อการล้มสลายแบบเฉือนผ่านแรงดึง ส่วนมุมข้างมีผลต่อการขับเคลื่อนเศษหินออกและกระจายแรงตามแนวข้าง โดยมุมที่รุนแรงมากขึ้นจะช่วยลดปัญหาการจับตัวเป็นก้อน (balling)

การวิเคราะห์ด้วยองค์ประกอบจำกัด (FEA) มีส่วนช่วยในการทำความเข้าใจประสิทธิภาพของสว่านอย่างไร

การวิเคราะห์ด้วยองค์ประกอบจำกัด (FEA) ช่วยประเมินประสิทธิภาพโดยการวิเคราะห์การกระจายแรงเครียดและการใช้พลังงาน โดยเน้นย้ำถึงผลกระทบของความแปรผันในการออกแบบ เช่น มุมเฉียงด้านหลัง (back rake angle) ต่อประสิทธิภาพ ความสึกหรอ และรูปแบบแรงเครียด ซึ่งช่วยสนับสนุนการปรับแต่งรูปร่างของเครื่องมือและการใช้พลังงานให้เหมาะสมที่สุด

ข้อได้เปรียบของดอกสว่านแบบฟันกลึง (milled tooth bits) เมื่อเทียบกับดอกสว่านแบบแท่งคาร์ไบด์แบบดั้งเดิม (TCIs) ในการเจาะหินแข็งคืออะไร

ดอกสว่านแบบฟันกลึงมีความแข็งแรงเชิงโครงสร้างสูง จึงลดโอกาสเกิดความล้มเหลวโดยการพัฒนาแนวรอยแตกที่ควบคุมได้ ดอกสว่านประเภทนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเจาะหินที่มีความแข็งแกร่งสูง สามารถรักษาประสิทธิภาพไว้ได้ดีและลดปัญหาการอุดตัน (pack-up issues) ซึ่งต่างจากแท่งคาร์ไบด์แบบเปราะบางที่ใช้ในดอกสว่านแบบดั้งเดิม (TCIs)

เหตุใดการเลือกเกรดคาร์ไบด์ที่เหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมการเจาะที่มีแรงดันสูง

ในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันสูง เกรดคาร์ไบด์ส่งผลต่อความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการแตกร้าว โดยเกรดที่มีเม็ดผลึกหยาบสามารถทนต่อแรงกระแทกได้ดีกว่า แต่สึกหรอเร็วกว่า การเลือกเกรดที่เหมาะสมจึงเป็นการสร้างสมดุลระหว่างความต้านทานแรงกระแทกกับอายุการใช้งาน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด