ดอกสว่านแบบ Tricone: หลักการทำงาน ประเภท และการประยุกต์ใช้งานหลัก

ดอกสว่านแบบ Tricone ดอกสว่าน หลักการทำงาน: กลไกและประสิทธิภาพในการเจาะ

เข้าใจกระบวนการการกลิ้งและการบดอัดเพื่อแยกชิ้นส่วนหิน

ดอกสว่านแบบไทรคอนจะเจาะผ่านหินโดยใช้การหมุนที่ควบคุมได้ ซึ่งมีตัวตัดลักษณะกรวยสามชิ้นทำงานร่วมกันขณะหมุน เมื่อชุดสว่านหมุน ตัวกรวยเหล่านี้จะหมุนรอบแกนของตัวเอง ผสมผสานแรงกดลงล่างกับการเคลื่อนที่ไปมา เพื่อทำการบดทลายชั้นหินที่มีลักษณะแตกต่างกันออกไป รูปทรงของพื้นผิวตัดจะเปลี่ยนไปตามประเภทของหินที่ต้องการเจาะ สำหรับวัสดุที่นุ่มกว่า เช่น หินดินดาน (shale) จะใช้ฟันตัดที่ยาวและแหลมคมกว่า เพราะสามารถตัดผ่านวัสดุที่หลวมได้ดีกว่า แต่เมื่อต้องเจาะวัสดุที่แข็งกว่า เช่น หินทราย (sandstone) ดอกสว่านจะมีตัวตัดแบบสั้นและมนที่ทนต่อการสึกหรอได้ดีกว่า ทำให้อายุการใช้งานยาวนานขึ้น การทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่า ลวดลายฟันตัดที่ออกแบบพิเศษนี้ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเจาะในหินปูนที่มีความแข็งปานกลางประมาณ 18 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับรุ่นเก่าที่ใช้กันในอดีต เพื่อให้การทำงานเป็นไปอย่างราบรื่น หัวฉีดแรงดันสูงจะพ่นล้างเศษหินที่แตกออกแล้วออกจากบริเวณดอกสว่าน ซึ่งช่วยให้พื้นผิวตัดสัมผัสกับชั้นหินที่อยู่ด้านหน้าได้อย่างต่อเนื่อง

การหมุนแบบซิงโครไนซ์ของโคนสามชิ้นเพื่อการตัดที่สมดุลและมีเสถียรภาพ

แบริ่งที่ถูกกลึงด้วยความแม่นยำช่วยให้โคนสามารถหมุนได้ด้วยความเร็วที่ต่างกัน แต่ยังคงจัดแนวทุกอย่างให้เหมาะสม เมื่อเป็นเช่นนี้ น้ำหนักจะถูกกระจายไปทั่วหน้าตัดแทนที่จะรวมตัวอยู่จุดใดจุดหนึ่ง ซึ่งจริงๆ แล้วจะช่วยลดการสั่นสะเทือนจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งลงได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ในระหว่างทำงานเจาะทิศทาง ระบบแบริ่งรุ่นใหม่มาพร้อมกับซีลกันฝุ่นและเศษวัสดุไม่ให้เข้าไปภายในซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานลดลง การติดตั้งแบบสามโคนสามารถปรับสมดุลแรงบิดที่เปลี่ยนแปลงโดยธรรมชาติ ซึ่งหมายความว่าเครื่องเจาะสามารถเจาะลึกลงได้อย่างราบรื่นภายในช่วงความเร็วรอบ (RPM) ประมาณ 120 ถึง 350 รอบต่อนาที

การปรับค่าแรงกดบนดอกสว่าน (WOB) และความเร็วรอบ (RPM) ให้เหมาะสม เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด

เมื่อพูดถึงการปฏิบัติการเจาะ ช่างเจาะจำเป็นต้องหาจุดสมดุลที่เหมาะสมระหว่างน้ำหนักที่กดลงบนดอกสว่าน (WOB) ซึ่งมีค่าอยู่ระหว่างประมาณ 4,000 ถึง 45,000 ปอนด์ กับความเร็วในการหมุนดอกสว่าน โดยเป้าหมายหลักคือ การเจาะผ่านชั้นหินให้เร็วที่สุดเท่าที่จะทำได้ โดยไม่ทำให้ดอกสว่านเสียหาย การหาค่าที่เหมาะสมนี้มีความสำคัญอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อช่างเจาะปรับค่า WOB ให้ตรงกับมุมของลูกปืน (cone angles) ในดอกสว่านของพวกเขา จะช่วยเพิ่มอัตราการเจาะ (rate of penetration) ได้ประมาณ 22% โดยเฉพาะในชั้นหินแกรนิต พร้อมทั้งลดการสึกหรอของแบริ่งที่มีราคาสูง แต่ยังมีปัญหาอีกอย่างที่แฝงมาด้วย หากผู้ควบคุมเพิ่มความเร็วรอบต่อนาที (RPM) สูงเกินไปในหินที่มีความแข็งมาก ก็จะเกิดความร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว บางครั้งอุณหภูมิอาจสูงเกิน 300 องศาฟาเรนไฮต์ ความร้อนระดับนี้ทำให้ซีล (seals) เสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติ และนี่เป็นเรื่องที่ค่อนข้างร้ายแรง เพราะการเกิดความล้มเหลวของซีล (seal failures) มีสัดส่วนประมาณหนึ่งในสามของจำนวนครั้งที่ต้องเปลี่ยนเครื่องมือใต้ดินทั้งหมด ซึ่งส่งผลให้เกิดค่าใช้จ่ายที่สูญเสียไปจำนวนมาก

การพัฒนาความเสถียรเชิงกลเพื่อลดการหมุนปานของดอกสว่านในชั้นหินแข็ง

ดอกสว่านไตรโคนในปัจจุบันมีการออกแบบรูปทรงโคนพิเศษและระบบหล่อลื่นขั้นสูงที่ถูกพัฒนาขึ้นมาโดยเฉพาะเพื่อรับมือกับปรากฏการณ์การหมุนปาน ซึ่งเป็นปัญหาการสั่นสะเทือนที่ก่อให้เกิดความเสียหายขณะเจาะชั้นหินที่แข็งมาก เช่น ควอตไซต์ หรือ หินบะซอลต์ แบบจำลองต้นแบบบางรุ่นในช่วงแรกๆ ยังมีอุปกรณ์กันหมุนปานแบบไจโรสโคปที่สามารถลดการเคลื่อนที่ในแนวข้างของดอกสว่านได้ราว 60% ขณะปฏิบัติงานในบ่อน้ำพุร้อนที่มีระยะเจาะไกล นอกจากนี้ ตัวโคนยังได้รับการเคลือบด้วยวัสดุที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีเลเซอร์คลัด (Laser-Clad) ซึ่งช่วยเพิ่มความทนทานต่อการสึกกร่อนอย่างมาก ส่งผลให้ดอกสว่านเหล่านี้มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นมาก ประมาณ 25 ถึง 30 ชั่วโมงเพิ่มเติมก่อนที่จะต้องเปลี่ยนใหม่ เมื่อใช้งานในพื้นที่ที่มีซิลิกามาก

ประเภทของดอกสว่านไตรโคน: การออกแบบฟันมิลล์ (Milled Tooth) กับ ฟันแบบแทรก (Insert Tooth)

ความแตกต่างของโครงสร้างและการเลือกใช้วัสดุระหว่างดอกสว่านฟันมิลล์กับฟันแบบแทรก

ดอกสว่านแบบมิลล์ทูธ (MT) หรือดอกสว่านสามกรวยมีฟันทำจากเหล็กที่ถูกกลึงขึ้นรูปโดยตรงจากตัวกรวย ซึ่งทำให้ฟันที่ยาวและมีลักษณะคล้ายค้อนแตะสามารถทำงานได้ดีเมื่อเจาะผ่านชั้นหินที่นิ่ม ในทางกลับกัน ดอกสว่านแบบแทรกคาร์ไบด์ทังสเตน (TCI) จะใช้วิธีการที่แตกต่างออกไป โดยการอัดชิ้นส่วนคาร์ไบด์ที่มีความหนาแน่นสูงเข้าไปในตัวกรวยล่วงหน้า วิธีการผลิตที่แตกต่างกันของทั้งสองประเภทนี้นำไปสู่ความแตกต่างที่ชัดเจนในประสิทธิภาพการใช้งาน ดอกสว่าน MT มักจะเจาะเข้าไปลึกกว่าในหินที่นิ่ม เนื่องจากฟันของมันสามารถกัดเข้าไปในวัสดุได้ดีกว่า ในขณะที่ดอกสว่าน TCI มีความแตกต่างโดยสิ้นเชิง ด้วยการออกแบบแบบมอดูลาร์ที่ทำให้บริเวณเฉพาะของดอกสว่านมีความแข็งแรงมากขึ้นตามความต้องการ จึงทนทานต่อการแตกร้าวขณะเจาะภายใต้แรงกดดันสูงได้ดีกว่า

ประสิทธิภาพในการเจาะหินที่มีความเหนียวสูงเทียบกับหินแข็ง: การเลือกประเภทดอกสว่านให้เหมาะกับสภาพชั้นหิน

การเลือกดอกสว่านที่เหมาะสมเริ่มต้นจากการทำความเข้าใจว่าหินที่เราต้องเจาะนั้นมีลักษณะอย่างไร MT bits จะทำงานได้ดีที่สุดเมื่อใช้เจาะวัสดุที่มีความนุ่ม เช่น ชั้นทรายหลวมหรือดินเหนียว เนื่องจากฟันตัดที่ออกแบบมาให้กัดกันอย่างรุนแรงนั้นสามารถกัดเข้าไปในวัสดุได้ดี และมีความเร็วในการเจาะลึกมากกว่าทางเลือกอื่นๆ ประมาณ 30% ในทางกลับกัน TCI bits คือทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับหินที่มีความแข็งแรง เช่น ชั้นหินโดโลไมต์หรือหินบะซอลต์ หัวสว่านที่ทำจากคาร์ไบด์ทนทานต่อแรงกระแทกที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องได้ดีกว่าในสภาพหินแข็ง เมื่อผู้ปฏิบัติงานเลือกใช้ไม่ถูกต้อง ก็จะส่งผลให้เสียทั้งเวลาและค่าใช้จ่าย เราได้เห็นจากข้อมูลการเจาะจริงว่า การพยายามใช้ MT bits เจาะในชั้นควอตไซต์ จะทำให้อายุการใช้งานลดลงเกือบครึ่งหนึ่ง ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพและความคุ้มค่าของงบประมาณ

หัวคาร์ไบด์ (Tungsten Carbide Inserts) กับฟันเหล็ก (Steel Teeth): ความทนทานและการต้านทานการสึกหรอ

ความแตกต่างของอายุการใช้งานของฟันเหล็กเมื่อเทียบกับแผ่นคาร์ไบด์มีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ของวัสดุ ลองดูตัวอย่างเช่น ทังสเตนคาร์ไบด์ ซึ่งมีค่าความแข็งบนสเกลโมส์อยู่ระหว่าง 8.5 ถึง 9.0 ซึ่งสูงกว่าเหล็กธรรมดาที่มีค่าเพียง 4 ถึง 4.5 เท่านั้น แล้วนั่นหมายความว่าอย่างไรในทางปฏิบัติจริง? โดยทั่วไปแล้ว เครื่องมือคาร์ไบด์จะสามารถใช้งานได้นานกว่า 3 ถึง 5 เท่าของเหล็กก่อนที่จะต้องเปลี่ยนใหม่ เมื่อทำงานภายใต้สภาวะที่ใกล้เคียงกัน ฟันเหล็กจะเริ่มเกิดการบิดงอและเสียรูปเมื่อแรงดันของชั้นหินสูงกว่า 25,000 psi แต่คาร์ไบด์ยังสามารถรักษาความสามารถในการตัดได้แม้จะมีรอยร้าวเล็กๆ เกิดขึ้นบนพื้นผิว แน่นอนว่าความทนทานเพิ่มเติมนี้ก็มาพร้อมกับราคาที่สูงกว่า ดอกสว่าน TCI อาจมีราคาสูงกว่าดอกสว่าน MT มาตรฐานถึงครึ่งถึงสองในสามเท่าตัว ซึ่งทำให้การลงทุนในดอกสว่านเหล่านี้คุ้มค่าเป็นพิเศษในกรณีที่การเจาะต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงอย่างต่อเนื่องทุกวัน

นวัตกรรม: โครงสร้างการตัดแบบไฮบริดสำหรับชั้นหินที่หลากหลาย

ดอกสว่านแบบไฮบริดทริคอน (Hybrid tricone) ใช้เทคโนโลยีทั้ง MT และ TCI ร่วมกัน เพื่อรับมือกับชั้นหินที่มีลักษณะสลับซับซ้อนที่มักพบระหว่างการเจาะ โดยการจัดวางเม็ดคาร์ไบด์ (carbide inserts) ไว้ในตำแหน่งที่ต้องรับแรงกดอย่างเหมาะสม ทำให้ดอกสว่านทำงานร่วมกับฟันเหล็กในชั้นหินที่นุ่มกว่าได้ การออกแบบนี้ช่วยลดจำนวนครั้งที่ต้องเปลี่ยนดอกสว่านลงประมาณ 35% เมื่อเจาะผ่านชั้นหินที่สลับกันระหว่างดินดาน (shale) และทรายดาน (sandstone) รุ่นใหม่ของดอกสว่านชนิดีนี้ยังมีเม็ดคาร์ไบด์ที่มีความสูงเปลี่ยนแปลงไปอย่างค่อยเป็นค่อยไป รวมถึงลูกปืนรูปกรวยที่ออกแบบมาไม่สมมาตรอีกด้วย การปรับปรุงด้านการออกแบบดังกล่าวช่วยลดแรงสั่นสะเทือนขณะเปลี่ยนผ่านระหว่างหินชนิดต่างๆ ซึ่งส่งผลให้อัตราการเจาะ (rate of penetration) ดีขึ้นในสภาพธรณีวิทยาที่ซับซ้อน

องค์ประกอบหลักของดอกสว่านทริคอนและบทบาทต่อสมรรถนะการเจาะ

องค์ประกอบหลัก: ลูกปืนรูปกรวย (Cones), แบริ่ง (Bearings), ซีล (Seals), และหัวฉีดไฮดรอลิก (Hydraulic Nozzles)

พลังการตัดหินของดอกสว่านแบบไตรโคน (tricone drill bits) ขึ้นอยู่กับการทำงานร่วมกันอย่างกลมกลืนของส่วนประกอบหลักทั้งสี่ส่วน ลูกปั่น (cones) ที่ทำจากเหล็กกล้าหรือคาร์ไบด์ทังสเตนนั้นจะบดทลายชั้นหินโดยอาศัยแรงหมุน ในขณะที่ตลับลูกปืนแบบต้านทานแรงเสียดทานพิเศษสามารถรับแรงกดดันมหาศาลได้ประมาณ 15 ถึง 30 ตันในขณะที่ดอกสว่านกำลังทำงานอยู่ใต้ดิน สิ่งที่ทำให้ดอกสว่านเหล่านี้มีความทนทานยาวนานคือซีลแบบเขาวงกต (labyrinth style seals) ที่คอยกันโคลนเจาะ (drilling mud) ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนให้ห่างจากชิ้นส่วนตลับลูกปืนที่ละเอียดอ่อน หาไม่มีซีลเหล่านี้ระบบจะเกิดความล้มเหลวได้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากดอกสว่านเหล่านี้มักหมุนที่ความเร็ว 80 ถึง 120 รอบต่อนาที นอกจากนี้ยังมีหัวฉีดไฮดรอลิก (hydraulic nozzles) ที่พ่นของเหลวสำหรับการเจาะออกไปด้วยความเร็วสูงมาก คือ 100 ถึง 150 เมตรต่อวินาที ซึ่งการพ่นของเหลวนี้ไม่ใช่เพียงแค่เพื่อขจัดเศษหินเท่านั้น แต่ความเร็วสูงยังช่วยในการควบคุมอุณหภูมิที่สะสมในบริเวณตัด ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือได้อย่างมากในสภาวะการเจาะที่ท้าทาย

ระบบแบริ่งแบบปิดผนึก: เพิ่มความทนทานในสภาพแวดล้อมที่มีแรงกดดันสูง

ระบบแบริ่งแบบปิดผนึกในปัจจุบันสามารถยืดอายุการใช้งานได้ยาวนานขึ้นถึง 40% ในสภาพชั้นหินที่กัดกร่อนเมื่อเทียบกับการออกแบบแบบเปิด ระบบเหล่านี้ใช้ซีลแบบสามชั้นและสารหล่อลื่นที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถทนต่อสภาพการทำงานใต้ดินที่อุณหภูมิสูงกว่า 150°C การศึกษาการเจาะแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพแสดงให้เห็นว่าแบริ่งแบบปิดผนึกช่วยลดปัญหาการเสียหายก่อนวัยได้ถึง 62% ในชั้นหินภูเขาไฟผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันสิ่งปนเปื้อน

การออกแบบหัวฉีดและระบบไฮดรอลิก: การกำจัดเศษหินและการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ

การตั้งค่าหัวฉีดที่เหมาะสมจะต้องคำนึงถึงสมดุลของปัจจัยหลัก 3 ประการ:

การปรับปรุงสมรรถนะของระบบไฮดรอลิกแบบนี้ช่วยป้องกันการเกิดการอุดตันของหัวเจาะในดินเหนียว พร้อมทั้งทำให้แน่ใจว่ามีการระบายความร้อนได้เพียงพอในชั้นหินที่มีแร่ควอตซ์เป็นองค์ประกอบหลัก

กรณีศึกษา: การป้องกันการเกิดการรั่วซึมของซีลในบ่อน้ำพุร้อนลึกที่มีอุณหภูมิสูง

โครงการน้ำพุร้อนปี 2022 สามารถดำเนินการต่อเนื่องได้ถึง 298 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิความลึก 288°C โดยใช้เทคโนโลยีซีลขั้นสูง

• ติดตั้งซีลหลักแบบคาร์บอนคอมโพสิตที่มีความเสถียรต่อความร้อนเพิ่มขึ้น 82%
• ลดเวลาที่หยุดทำงานที่เกี่ยวข้องกับซีล จาก 18% เป็น 3% ของเวลาการเจาะทั้งหมด
• เพิ่มอัตราการเจาะเฉลี่ยได้ 22% ด้วยการรักษาความสมบูรณ์ของตลับลูกปืน

การประยุกต์ใช้หัวเจาะแบบ Tricone ในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ รวมถึงอุตสาหกรรมอื่นๆ

บทบาทสำคัญในกระบวนการเจาะน้ำมันและก๊าซทั้งบนบกและในทะเล

ดอกสว่านแบบไตรโคนมีความสำคัญอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ โดยสามารถเจาะชั้นหินที่มีความอ่อนนุ่ม เช่น หินดินดาน ไปจนถึงหินแกรนิตที่มีความแข็งสูงมาก ดอกสว่านเหล่านี้ทำงานได้ดีทั้งการเจาะบนบกหรือใต้น้ำ เนื่องจากสามารถทนต่อความร้อนและแรงดันที่เปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงในสภาพแวดล้อมที่ท้าทายเหล่านั้น ผู้ปฏิบัติงานพึ่งพาอาศัยกลไกการกลิ้งและการบดอัดแบบเฉพาะตัวของไตรโคน เพื่อให้สามารถเจาะลึกผ่านชั้นหินที่อยู่ลึกลงไปกว่า 15,000 ฟุต ใต้ระดับพื้นดินได้อย่างต่อเนื่อง ด้วยคุณสมบัติที่เหนือชั้นเช่นนี้ ดอกสว่านชนิดพิเศษเหล่านี้จึงยังคงเป็นตัวเลือกอันดับหนึ่งสำหรับบริษัทต่างๆ ที่กำลังสำรวจแหล่งสำรองใหม่ หรือดำเนินการบำรุงรักษาแหล่งผลิตที่มีอยู่ทั่วทุกมุมโลก

ใช้ในก๊าซชเลและแท่นขุดเจาะ: การสร้างสมดุลระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพ

ดอกสว่านแบบไตรโคน (Tricone bits) สร้างความแตกต่างอย่างชัดเจนในการดำเนินการเจาะชั้นหินเชลล์ก๊าซ เนื่องจากช่วยให้บริษัทสามารถเจาะหลุมหลายหลุมในแนวที่กำหนดไว้จากจุดเดียวบนพื้นดินได้ สิ่งที่ทำให้ดอกสว่านเหล่านี้โดดเด่นคือความสามารถในการเปลี่ยนชิ้นส่วนตัดได้อย่างรวดเร็วขึ้นอยู่กับประเภทของชั้นหินที่กำลังเจาะอยู่ สิ่งนี้หมายความว่าใช้เวลาน้อยลงในการเปลี่ยนอุปกรณ์ใต้ดิน ซึ่งสามารถลดเวลาในการเดินทาง (trip times) ได้ดีขึ้นประมาณ 30% เมื่อเทียบกับการออกแบบดอกสว่านแบบตัดคงที่รุ่นเก่า เมื่อต้องเจาะชั้นหินทรายที่ผสมอยู่กับหินปูนซึ่งมักพบในชั้นหินเชลล์ ความยืดหยุ่นนี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ทีมเจาะต้องประเมินอยู่เสมอว่าดอกสว่านจะใช้งานได้นานแค่ไหนเทียบกับความเร็วที่ต้องการเจาะผ่านหิน การหาจุดสมดุลที่เหมาะสมนี้อาจเป็นตัวแปรสำคัญระหว่างการทำให้บ่อนั้นทำกำไรได้หรือไม่ได้เลย

การประยุกต์ใช้งานที่เพิ่มขึ้นในเหมืองแร่ บ่อน้ำ และการเจาะชั้นร้อนใต้พิภพ

เครื่องมือเหล่านี้ได้พัฒนาไปไกลเกินกว่าการใช้งานแค่ในธุรกิจน้ำมันและก๊าซธรรมชาติแล้วในปัจจุบัน เครื่องมือเหล่านี้กำลังสร้างความก้าวหน้าอย่างแท้จริงในด้านต่าง ๆ เช่น การค้นหาแร่ธาตุใหม่ ๆ การพัฒนาทรัพยากรน้ำ และการติดตั้งระบบพลังงานหมุนเวียนทั่วทั้งอุตสาหกรรม ในภาคการทำเหมือง เครื่องมือเหล่านี้ถูกใช้ในการเจาะหลุมสำหรับวางระเบิดเพื่อเข้าถึงแหล่งแร่เหล็กและแหล่งถ่านหิน บริษัทเจาะบ่อน้ำใช้เครื่องมือรุ่นพิเศษที่มีตลับลูกปืนแบบปิดสนิทเมื่อต้องทำงานเจาะผ่านชั้นหินดานที่มีน้ำใต้ดินอยู่ลึกเข้าไป อุตสาหกรรมพลังงานความร้อนใต้พิภพก็ได้รับประโยชน์จากเครื่องมือเหล่านี้มากเช่นกัน เนื่องจากเครื่องมือเหล่านี้สามารถเจาะผ่านชั้นหินภูเขาไฟที่พบได้ทั่วไปในพื้นที่แหล่งความร้อนใต้พิภพรายงานอุตสาหกรรมจากปีที่แล้วแสดงให้เห็นว่าอัตราการนำเครื่องมือเหล่านี้ไปใช้งานเพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 12 ต่อปี เนื่องจากโครงการต่าง ๆ เพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ ที่ต้องการใช้ประโยชน์จากความร้อนของโลกเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า

การเอาชนะความท้าทายด้านพลังงานความร้อนใต้พิภพ: ความร้อน การกัดกร่อน และอายุการใช้งานของดอกสว่าน

โลกของการเจาะชั้นความร้อนใต้พิภพต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่ค่อนข้างรุนแรง โดยมักพบอุณหภูมิสูงกว่า 300 องศาเซลเซียส พร้อมกับของไหลที่มีฤทธิ์กัดกร่อนซึ่งส่งผลให้อุปกรณ์ทั่วไปเสื่อมสภาพลงตามเวลา เพื่อรับมือกับความท้าทายนี้ ดอกสว่านแบบไตรโคนรุ่นใหม่จึงได้รับการออกแบบโดยมีการเสริมชิ้นส่วนคาร์ไบด์ทังสเตนและระบบหล่อลื่นพิเศษที่พัฒนาขึ้นเพื่อปกป้องตลับลูกปืนที่สำคัญไม่ให้เกิดความล้มเหลว การทดสอบในสภาพจริงแสดงให้เห็นว่าดอกสว่านที่อัปเกรดแล้วมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์ เมื่อใช้งานในแหล่งกักเก็บความร้อนใต้พิภพที่มีอุณหภูมิสูงและค่าเอนทัลปีสูง ความทนทานในระดับนี้มีความสำคัญอย่างมากสำหรับบริษัทที่พยายามเข้าถึงแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่อยู่ลึกใต้ภูเขาไฟที่ยังปะทุอยู่และพื้นที่ทางธรณีวิทยาที่มีความเข้มข้นสูงอื่น ๆ

ความทนทานและความสามารถในการทำงานของดอกสว่านในชั้นหินที่ซับซ้อน

การวัดประสิทธิภาพ: อัตราการเจาะเทียบกับอายุการใช้งานของดอกสว่าน

ดอกสว่านมักเผชิญกับเป้าหมายที่ขัดแย้งกันเมื่อต้องทำงานผ่านชั้นหินที่แข็งแกร่ง ดอกสว่านจำเป็นต้องเจาะได้เร็วพอที่จะทำงานให้เสร็จ แต่ก็ต้องมีความทนทานเพียงพอที่จะคุ้มค่าในการใช้งาน งานวิจัยล่าสุดในปี 2023 ได้ศึกษาดอกสว่านแบบแทรกทังสเตนคาร์ไบด์ขนาด 17 1/2 นิ้ว และพบสิ่งที่น่าสนใจ เมื่อควบคุมการสั่นสะเทือนได้อย่างเหมาะสม ดอกสว่านเหล่านี้สามารถเพิ่มความเร็วในการเจาะหินได้ประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ แต่มีเงื่อนไขตรงที่ว่า วิธีการนี้จะได้ผลก็ต่อเมื่อผู้ควบคุมเครื่องมือมีระบบตรวจสอบสภาพการทำงานแบบเรียลไทม์ที่สามารถสังเกตสัญญาณการสึกหรอของตลับลูกปืนได้ ทีมงานภาคสนามต้องพิจารณาและควบคุมสมดุลระหว่างตัวชี้วัดประสิทธิภาพต่างๆ ขึ้นอยู่กับประเภทของหินที่กำลังเจาะอยู่ ตัวอย่างเช่น ชั้นทรายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน การลดแรงกดที่ใช้กับดอกสว่านลงประมาณ 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ อาจช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือได้ยาวนานขึ้นเกือบสองเท่า โดยไม่ทำให้ความเร็วในการเจาะลดลงมากนัก

ข้อมูลภาคสนาม: ระบบตลับลูกปืนแบบปิดช่วยยืดอายุการใช้งานดอกสว่านได้ยาวนานขึ้นถึง 25%

เทคโนโลยีการปิดผนึกขั้นสูงกำลังเปลี่ยนแปลงมาตรฐานความทนทาน ผลการทดสอบภาคสนามที่เปรียบเทียบระบบแบริ่งแบบเปิดดั้งเดิมกับระบบปิดผนึกสมัยใหม่แสดงให้เห็นว่า:

• มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น 22% ในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูง (350°F ขึ้นไป) ของแหล่งก๊าซเชลล์
• ลดการปนเปื้อนของสารหล่อลื่นจากเศษหินเจาะได้ 63%
• ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาน้อยลง 40% ต่อฟุตการเจาะในชั้นหินปูนแบบชั้นซ้อน
  ระบบที่ปิดผนึกมีประสิทธิภาพโดดเด่นโดยเฉพาะในการเจาะแนวนอน ซึ่งแรงด้านช่วยเร่งการสึกหรอของแบริ่งแบบดั้งเดิม ซึ่งได้รับการยืนยันจากโครงการพลังงานความร้อนใต้พิภพในปี 2024 ที่สามารถดำเนินการได้มากกว่า 1,200 ชั่วโมงโดยไม่มีการล้มเหลวของซีล

กลยุทธ์เพื่อเพิ่มความทนทานในชั้นหินแบบผสมและคาดการณ์ไม่แน่นอน

มีสามแนวทางหลักที่มีบทบาทสำคัญในวิศวกรรมความทนทานในปัจจุบัน:

1. โครงสร้างฟันตัดแบบปรับตัวได้ – ดีไซน์ฟันแบบไฮบริดที่ผสมผสานการกลึงกับการติดตั้งหมุดช่วยลดการสึกหรอของโคนเจาะในชั้นหินที่มีความแข็งและอ่อนสลับกัน
2. ระบบไฮดรอลิกแบบไดนามิก – การปรับค่าหัวฉีดอัตโนมัติช่วยรักษาประสิทธิภาพในการขับเคลื่อนเศษหินขณะเจาะให้เหมาะสม แม้ความแข็งของชั้นหินจะเปลี่ยนแปลง
3. การสร้างแบบจำลองการสึกหรอเชิงพยากรณ์ – อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องจักรประมวลผลข้อมูลแรงบิดแบบเรียลไทม์ เพื่อแนะนำการปรับค่าความเร็วรอบต่อนาที (RPM) ก่อนที่จะเกิดความเครียดกับชิ้นส่วนสำคัญ
   การวิเคราะห์หลายหลุมเจาะแสดงให้เห็นว่ากลยุทธ์เหล่านี้ช่วยลดเหตุการณ์หยุดเจาะฉุกเฉินลง 38% ในแอ่งน้ำมันที่มีความซับซ้อน โดยที่ดอกสว่านสามารถเจาะถึงเป้าหมายระดับความลึกที่วางแผนไว้ (TD) ได้ภายในระยะเวลาที่ใกล้เคียงกับที่คำนวณไว้ไม่เกิน 5%

คำถามที่พบบ่อย

องค์ประกอบหลักของดอกสว่านแบบ Tricone คืออะไร

ดอกสว่านแบบ Tricone ประกอบด้วยโคน (Cones) แบริ่ง ซีล และหัวฉีดไฮดรอลิกเป็นหลัก แต่ละส่วนทำงานร่วมกันเพื่อทำลายชั้นหินอย่างมีประสิทธิภาพ

ดอกสว่านแบบฟันเหล็กกลึง (Milled tooth) และแบบแทรกฟันคาร์ไบด์ (Insert tooth) แตกต่างกันอย่างไร

ดอกสว่านแบบฟันเหล็กกลึง (Milled tooth bits) มีฟันเหล็กที่ถูกกลึงขึ้นจากโคน ซึ่งเหมาะสำหรับชั้นหินที่นุ่มกว่า ในขณะที่ดอกสว่านแบบแทรกฟันคาร์ไบด์ (Insert tooth bits) ใช้แทรกฟันคาร์ไบด์ทังสเตนที่เหมาะสำหรับชั้นหินที่แข็งกว่า

เหตุใดการปรับค่าแรงกดบนดอกสว่าน (WOB) และความเร็วรอบ (RPM) จึงมีความสำคัญในการเจาะ

การปรับให้เหมาะสมกับน้ำหนักบนดอกสว่าน (WOB) และความเร็วรอบต่อนาที (RPM) จะช่วยให้การเจาะมีประสิทธิภาพ พร้อมทั้งลดการสึกหรอและป้องกันการเสียหายของดอกสว่าน ซึ่งช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายและเวลา

ดอกสว่านแบบไตรโคนมีส่วนช่วยอย่างไรต่อการเจาะชั้นธรณีความร้อน

ในงานเจาะชั้นธรณีความร้อน ดอกสว่านแบบไตรโคนมีความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและของเหลวที่กัดกร่อน ช่วยยืดอายุการใช้งานและเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตพลังงาน