Як різні конструкції зубців свердловинних долот впливають на ефективність буріння в твердих породах і ґрунтах

Основні механічні принципи: як геометрія зубців визначає передачу енергії та режим руйнування

Конструкція зубців свердловинного долота безпосередньо визначає енергоефективність через геометричні параметри, що керують механізмами руйнування порід. Оптимальна конфігурація зубців мінімізує втрати енергії, спрямовуючи руйнування в ефективні режими зсуву, а не енергозатратне дроблення.

Кут вершини, кут заднього та кут бічного заточення: їх безпосередній вплив на руйнування порід, що домінує за механізмом зсуву чи дроблення

Кут загострення відіграє важливу роль у початку тріщин. Гостріші кути менше 90 градусів, як правило, концентрують напруження, що сприяє швидкому поширенню тріщин крізь гірськопородні утворення. Далі йде задній кут різання (back rake), який вказує на те, під яким кутом різальний зуб розташований щодо самої породи. Цей кут фактично визначає тип руйнування, що відбувається під час буріння. При менших кутах у діапазоні від 15 до 25 градусів переважають ефекти стискувального руйнування. Однак коли кут стає більш крутым — приблизно від 35 до 45 градусів — створюються кращі умови для зсувного руйнування через розтягувальні тріщини. Також має значення бічний кут різання (side rake), оскільки він впливає на те, як шлам видаляється з отвору, і розподіляє бічні навантаження по робочій поверхні долота. Більш агресивні бічні кути різання понад 20 градусів можуть значно зменшити проблему «закульковування» (balling) у липких породах. Польові випробування показали, що правильне одночасне налаштування всіх цих параметрів може знизити питому енергоспоживаність приблизно на 18–22 % під час буріння в умовах, де домінуюче руйнування відбувається за механізмом зсуву, порівняно з умовами, де основним механізмом є стискувальне руйнування (цей результат було опубліковано в журналі «Journal of Petroleum Technology» у випуску 2023 року).

Дані МКЕ: на 27 % вища питома енергія при малому куті нахилу спинки (15°) порівняно з оптимальним кутом (35°) у конструкції на граніті

Використання методу скінченних елементів допомагає з’ясувати, як форма впливає на продуктивність під час роботи з твердими гірськими породами. Наприклад, старі конструкції різців із кутом заднього захвату 15° вимагають приблизно на 27 % більше енергії порівняно з новішими версіями з кутом 35° при бурінні граніту, оскільки вони гірше сприймають стиснення. Правильний вибір кута дійсно має велике значення: він забезпечує краще утворення площин зсуву й зменшує ті неприємні проблеми обмеження, що уповільнюють процес. Аналіз розподілу напружень також демонструє цікавий факт: конструкції з кутом 35° знижують напруження фон Мізеса поблизу різального краю приблизно на 41 %, що означає менше нагрівання та повільніше зношення інструменту з часом. Це свідчить про те, що при роботі з важкими геологічними утвореннями, де найбільше значення має енергоспоживання, саме форма різальних інструментів має більший вплив на загальну ефективність, ніж просто використання надмірно твердих матеріалів.

Зуби бурового долота Ефективність проектування та буріння в твердих породах (граніт, кварцит, базальт)

Свердла з вставками з карбіду вольфраму (TCI): забезпечення балансу між стійкістю до зносу та ризиком крихкого руйнування під високим конфінуючим тиском

Різці TCI є практично стандартним вибором для буріння твердих гірських порід, оскільки вони дуже стійкі до зносу. Однак, коли ми опускаємося на дуже великі глибини, де тиск стає надзвичайно високим, карбідні зубці починають демонструвати ознаки тріщин, спричинених напруженим станом. Згідно з результатами нашого аналізу методом скінченних елементів (FEA), конструкції з невеликим кутом заднього заточення (близько 15 градусів) потребують приблизно на 27 % більше енергії порівняно з ідеальним кутом у 35 градусів під час роботи в граніті. Це додаткове навантаження також прискорює знос вставок. Після перевищення глибини 1500 метрів у надрах Землі умови стають ще складнішими, оскільки тиск навколишніх гірських порід перевищує 50 МПа. Дослідження показують, що кожне додаткове збільшення тиску на 10 МПа підвищує частоту тріщин у вставках приблизно на 18 % у кварцитових родовищах. Вибір відповідного класу карбіду тут має вирішальне значення. Варіанти з крупнозернистою структурою краще витримують раптові ударні навантаження, але з часом швидше зношуються, тому операторам доводиться знаходити компроміс між ударною в’язкістю та терміном служби залежно від специфіки конкретного завдання.

Коли фрезеровані зубчасті долота досягають найкращих результатів: ефективність роторно-ударного буріння в кварциті з межею міцності на стиск 80 МПа та роль стійкості макрогеометрії

Коли йдеться про буріння надзвичайно твердих кварцитових порід, межа міцності яких на стиск перевищує 80 МПа, фрезеровані зубчасті долота, як правило, перевершують традиційні долота з твердосплавними вставками (TCI). Специфічна форма таких доліт забезпечує їм необхідну структурну міцність для виконання таких складних завдань. Стальні зуби краще витримують повторювані навантаження, ніж крихкі твердосплавні вставки, оскільки вони утворюють мікротріщини у контрольованому режимі замість того, щоб руйнуватися одночасно. Польові випробування справді показали, що такий підхід зменшує загальну кількість відмов доліт приблизно на 40 %. Ще однією великою перевагою є більш широкий жолоб, який запобігає ущільненню шламу в розтрісканих базальтових породах. Це забезпечує безперебійну роботу з ККД приблизно 92 % порівняно з лише 78 % при використанні стандартних доліт з твердосплавними вставками в аналогічних умовах. Для компаній, які проводять сейсмічні дослідження або будують тунелі через змішані середовища твердих порід, перехід на фрезеровані зубчасті долота часто стає необхідністю, а не просто варіантом на вибір.

Зуби бурового долота Конструювання та ефективність буріння в м’яких і середніх породах (глина, сланець, вивітрений пісковик)

Запобігання утворенню кульок і покращення видалення шламу: ключова роль агресивного бічного заточення та геометрії жолобів

Робота з глинистими та сланцевими породами створює справжні проблеми для бурильників, оскільки, коли шлам не видаляється належним чином, виникають проблеми з «забиванням» бурового інструменту. Це відбувається, коли весь цей шлам прилипає до бурових коронок, унаслідок чого їм важче обертатися, ніж потрібно, а також уповільнюється темп проходження глибини. Використання агресивних кутів бічного заточення у діапазоні від 35 до 45 градусів сприяє відштовхуванню шламу вбік — у жолобоподібні канали замість того, щоб дозволяти йому накопичуватися безпосередньо на самій коронці. У поєднанні з удосконаленими жолобами, що мають ширші ділянки та стрімкіші стінки, матеріал рухається значно швидше й не прилипає. Випробування, проведені у вивітрених пісковиках, показали приблизно на 40 % меншу кількість випадків забивання порівняно зі стандартними комплектаціями обладнання. Ефективні шляхи видалення шламу запобігають необхідності бурити повторно через старий шлам, що забезпечує безперебійну роботу та зменшує знос, спричинений перегріванням у цих складних породах.

Компроміси щодо матеріалу та конструкції: TCI проти фрезерованих зубців для забезпечення тривалої ефективності буріння

Цілісність карбідного зв’язку, термічна втома та мікротріщини у сталевих зубцях під циклічним навантаженням

Конструкція зубців свердла та їх ефективність у роботі значною мірою залежать від контролю руйнування матеріалу під дією експлуатаційних навантажень. Теплова втома є серйозною проблемою для свердел з твердосплавними вставками (TCI), оскільки багаторазове нагрівання й охолодження послаблює зв’язок між карбідом і основою, що може призвести до випадання вставок після тривалих сеансів буріння. У стальних фрезерованих зубців також є власні проблеми: з часом вони утворюють мікротріщини внаслідок постійних ударних навантажень, особливо помітно це в гранітних породах, де тиск перевищує 750 МПа. Згідно з аналізом методом скінченних елементів, твердосплавні вставки (TCI) працюють приблизно в 1,8 раза довше, ніж стальні зубці, перш ніж вийдуть із ладу в умовах буріння важких порід; однак якщо геометрія різального інструменту надто агресивна, теплові проблеми виникають навіть швидше. Стальні зубці мають іншу специфіку: постійне ударне навантаження в абразивних породах спричиняє росту мікротріщин на 0,3–0,5 мм кожні 100 годин роботи, тому, навіть попри нижчу початкову вартість, їх потрібно замінювати частіше. Знаходження оптимального балансу загальної ефективності означає підбір правильного інструменту під конкретну задачу. Твердосплавні вставки (TCI) показують найкращі результати за умов, коли температурні зміни не є надто різкими, а головною проблемою є знос. Стальні зубці є більш доцільним вибором у ситуаціях, де найважливішими є стійкість до руйнування та здатність витримувати раптові ударні навантаження.

ЧаП

Який вплив має геометрія зубців свердла на енергоефективність?

Геометрія зубців свердла безпосередньо впливає на енергоефективність, визначаючи механізми руйнування гірської породи. Оптимальні конфігурації мінімізують втрати енергії, сприяючи ефективним зсувним режимам і уникнувши енергоємного дроблення.

Як кут вершини, задній кут і бічний кут впливають на руйнування гірської породи під час буріння?

Кут вершини впливає на початок руйнування: гостріші кути сприяють концентрації напружень і поширенню тріщин. Задні кути впливають на тип руйнування: більш круті кути сприяють зсувному руйнуванню за рахунок розтягування. Бічний кут впливає на видалення шламу та розподіл бічних сил: агресивні кути зменшують проблему утворення кульок («balling»).

Як метод скінченних елементів (МСЕ) сприяє розумінню продуктивності свердел?

МКЕ допомагає оцінити експлуатаційні характеристики шляхом аналізу розподілу напружень та споживання енергії. Вона виявляє вплив змін у конструкції, наприклад кута заднього заточення, на ефективність, знос і характер напружень, що сприяє оптимізації форми інструменту та використання енергії.

Які переваги фрезерованих зубчастих долот перед традиційними долотами з твердосплавними вставками (TCI) при бурінні твердих порід?

Фрезеровані зубчасті долота забезпечують структурну стійкість, зменшуючи кількість відмов за рахунок утворення контрольованих тріщин. Вони чудово зарекомендовують себе при бурінні складних порід, зберігаючи ефективність і зменшуючи проблеми з заклинюванням, на відміну від крихких твердосплавних вставок у традиційних долотах TCI.

Чому вибір правильного сорту твердого сплаву є критичним у середовищах високого тиску?

У середовищах високого тиску сорт твердого сплаву впливає на стійкість до зносу та руйнування. Крупнозернисті марки краще витримують ударні навантаження, але швидше зношуються. Правильний вибір сорту забезпечує оптимальний баланс між ударостійкістю та терміном служби для досягнення найкращих експлуатаційних показників.