Kluczowe narzędzia do wierceń wgłębnych: kompleksowy przewodnik po klasyfikacji i zastosowaniu wierteł stożkowych i diamentowych

01 Wiertła stożkowe rolkowe: wszechstronne narzędzia dopasowujące się do formacji

Od momentu wprowadzenia na rynek w 1909 roku, świdry stożkowe rolkowe stały się najpopularniejszym rodzajem świdrów do wiercenia obrotowego. Ich unikalna, wielostożkowa konstrukcja pozwala im dostosować się do różnych warunków geologicznych, od miękkich po ekstremalnie twarde.

Skład strukturalny i technologie rdzeniowe

Wiertło stożkowe rolkowe składa się z pięciu głównych elementów:

• Korpus wiertła: Trzy stożkowe ramiona zespawane ze sobą, z gwintem łączącym w górnej części.
• Stożki rolkowe: stożkowe korpusy metalowe z frezowanymi zębami lub zębami wkładanymi na powierzchni.
• Układ łożyskowy: składający się z czterech zestawów łożysk: dużego, średniego, małego i oporowego.
• Dysze: Zwykle 3-4 sztuki, o średnicy 7-14 mm.
• System magazynowania i uszczelniania oleju: pierścienie uszczelniające gumowe lub metalowe połączone z urządzeniami wyrównującymi ciśnienie.

Wśród nich technologia uszczelnienia łożysk stanowi kluczowy przełom technologiczny w świdrach stożkowych rolkowych. Nowoczesne świdry wykorzystują system kompensacji ciśnienia oleju, który utrzymuje dynamiczną równowagę między ciśnieniem oleju w komorze łożyska a ciśnieniem w kolumnie płuczki wiertniczej poprzez takie elementy, jak otwory przenoszące ciśnienie, membrany kompensujące ciśnienie i miseczki olejowe.

System klasyfikacji i kodowanie IADC

Międzynarodowe Stowarzyszenie Wykonawców Wiertniczych (IADC) opracowało globalnie ujednolicony standard klasyfikacji wierteł stożkowych rolkowych, wykorzystujący trzycyfrowy system kodowania:

Pierwsza cyfra: rodzaj zęba i stosowana forma

1: Zęby frezowane, formacje miękkie

2: Zęby frezowane, formacje średnio- i średniotwarde

3: Zęby frezowane, twarde i ścierne formacje

5: Włóż zęby, formacje miękkie do średnich

6: Wkłady z zębami, formacje średnio twarde

7: Włóż zęby, formacje twarde i ścierne

8: Wkłady zębate, formacje wyjątkowo twarde i wysoce ścierne

Druga cyfra: Podział twardości formacji (stopień 1-4; wyższe liczby oznaczają twardsze formacje)

Trzecia cyfra: Charakterystyka strukturalna bitu

4: Łożyska wałeczkowe uszczelnione

6: Uszczelnione łożyska ślizgowe

7: Uszczelnione łożyska ślizgowe + zabezpieczenie wskaźnika wkładki

8: Wiertła odchylające do wiercenia kierunkowego

Uproszczony system klasyfikacji IADC dla wierteł stożkowych rolkowych

Mechanizm kruszenia skał i charakterystyka ruchu

Podczas pracy wiertło stożkowe rolkowe wykazuje trzy rodzaje ruchu złożonego:

• Rewolucja: stożki obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara wraz z całym wiertłem.
• Obrót: Zęby obracają się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wokół osi stożka.
• Przesuwanie: Obejmuje przesuwanie promieniowe i styczne.

Ten złożony ruch zapewnia podwójny efekt kruszenia skał:

1.Efekt kruszenia udarowego: naprzemienny kontakt pojedynczych i podwójnych zębów z dolnym otworem generuje drgania wzdłużne, tworząc obciążenia udarowe.

2.Efekt ścinania ślizgowego: ścinanie skał uzyskuje się poprzez projektowanie struktur nawisowych, dwustożkowych i przesuniętych.

Strategia selekcji i dopasowanie formacji 

Podstawowe zasady doboru świdrów stożkowych rolkowych na podstawie właściwości skały:

• Formacje miękkie: Wybierz wiertła o przesuniętej, wystającej i dwustożkowej strukturze, wyposażone w wysokie, szerokie i rzadkie zęby frezowane lub wkładane.
• Formacje średniotwarde: Zmniejsz wartości przesunięcia, nawisu i podwójnego stożka; używaj krótkich, wąskich i gęstych zębów.
• Formacje twarde i ścierne: zastosowano rolki jednostożkowe bez wystających elementów lub przesunięć, wyposażone w zęby kuliste lub stożkowo-kuliste.
• Formacje podatne na ugięcia: Wybierz wiertła o krótkich zębach, bez przesunięcia lub z małym przesunięciem i bez zębów wzorcowych.
• Przewarstwione formacje miękkie i twarde: Wybierz typ wiertła w zależności od twardości skały i dynamicznie dostosuj parametry podczas wiercenia.

Reakcja na szczególne warunki pracy

• Małe otwory (<177 mm): należy stosować wiertła stożkowe jednorolkowe, które mają większe stożki, zęby i łożyska zapewniające większą wytrzymałość.
• Wiercenie kierunkowe: Wybierz specjalne wiertła odchylające, w których trzecia cyfra kodu IADC wynosi 8. 

02 Wiertła diamentowe: Potężne narzędzia do twardych formacji 

Jako najtwardszy materiał w naturze, diament ma twardość 10 w skali Mohsa, wytrzymałość na ściskanie do 8800 MPa i odporność na zużycie 9000 razy większą niż stal. Wykorzystując tę ​​właściwość, wiertła diamentowe stały się najlepszym narzędziem do obróbki twardych formacji skalnych.

System klasyfikacji i ewolucja technologiczna

Nowoczesne wiertła diamentowe dzielimy zasadniczo na trzy typy:

1.Wiertła diamentowe powierzchniowe

• Cząsteczki diamentu są odsłonięte na powierzchni matrycy.
• Nadaje się do formacji średniotwardych i twardych.
• Klasyfikacja wielkości cząstek diamentu:
• Formacje miękkie: 2 ziarna na karat (gpc) (wielkość cząstek ok. 4 mm)
• Formacje średniotwarde: 3-4 gpc (wielkość cząstek ok. 3,6 mm)
• Twarde formacje: 10-15 gpc (wielkość cząstek ok. 2,0 mm)

2.Impregnowane diamentowe bity

• Diamenty są impregnowane wewnątrz matrycy (60-400 gpc).
• Nadaje się do twardych i ściernych formacji (np. krzemionki, dolomitu krzemionkowego).
• Samoostrzenie diamentu następuje poprzez zużycie matrycy.

3.Bity PDC (kompaktowe bity z polikrystalicznego diamentu)

• Po raz pierwszy wprowadzony na rynek w 1973 roku przez amerykańską firmę General Electric (GE).
• Kompaktowa konstrukcja: warstwa diamentowa + podłoże z węglika spiekanego.
• Nadaje się do podłoży jednorodnych, miękkich i średniotwardych.

Projekt konstrukcyjny i parametry rdzenia

Wiertła diamentowe posiadają integralną konstrukcję, bez ruchomych części, w tym głównie:

• Korpus stalowy: Wykonany ze stali średniowęglowej, z gwintowanymi króćcami przyłączeniowymi w górnej części.
• Matryca: Proszek węglika wolframu + spoiwo na bazie miedzi o twardości HRC 30-45.
• Elementy tnące: Diamenty naturalne/syntetyczne lub kompakty PDC.
• Obiekty hydrotechniczne: cieki wodne i kanały przepływowe (promieniowe, spiralne itp.).

Kluczowe parametry projektowe

• Stężenie diamentów: Dostosowywane do ścieralności formacji; wyższe stężenie w przypadku formacji o większej ścieralności.
• Wysokość wystająca:
• Formacje miękkie: 1/3 wielkości cząstek
• Twarde formacje: 1/6-1/10 wielkości cząstek
• Kształt ust:
• Z płaskim dnem: Do formacji jednorodnych
• Zakrzywione: Do twardych formacji
• Ząbkowane: Do formacji ściernych

Mechanizm rozbijania skał i reakcja formacji

Metoda rozbijania skał za pomocą wierteł diamentowych różni się w zależności od właściwości formacji:

Formacje plastyczne (np. mułowiec, gips): podobne do procesu „orania”; diamenty wnikają w formację, powodując plastyczny przepływ skały.

Kruche formacje (np. piaskowiec kwarcowy): Tworzą się objętościowe doły kruszące, w których średnica cząstek jest 2–4 razy większa od wielkości diamentów, co zapewnia wysoką wydajność.

Twarde skały (np. krzemień, skała krzemionkowa): Stosuje się impregnowane kawałki, a kruszenie skały odbywa się poprzez mikronacinanie i zarysowywanie, podobnie jak w przypadku ścierania tarczą szlifierską.

Zalety techniczne i ograniczenia bitów PDC

Jako rewolucyjny produkt w rodzinie bitów diamentowych, bity PDC charakteryzują się wyjątkowymi zaletami:

Cechy strukturalne

Bity PDC ze stalowym korpusem: Stal węglowa o średniej wytrzymałości z hartowaną powierzchnią.

Wiertła Matrix-Body PDC: górny korpus ze stali + dolna matryca z węglika wolframu, zapewniająca lepszą wydajność.

Projekt profilu

Paraboliczne: Do miękkich formacji, umożliwiające wykonywanie dużych nawierceń i wierceń o dużej szybkości.

Okrągłe: Do wiercenia na stole obrotowym, ułatwiające penetrację twardych warstw pośrednich.

Stożkowe: Do wiercenia z dużą prędkością, z dobrą wydajnością penetracji.

Ograniczenia aplikacji

Nie nadaje się do formacji żwirowych i przewarstwionych formacji miękko-twardych.

Granica odporności na temperaturę (zużycie nasila się powyżej 350℃; utrata wytrzymałości następuje przy 700℃).

Niska odporność na uderzenia; istnieje ryzyko wykruszenia krawędzi nowych bitów.

Tabela porównawcza formacji odpowiednich dla wierteł diamentowych

03 Przewodnik po wyborze naukowym: Dopasowanie formacji i wymagania operacyjne

Złote zasady wyboru bitów stożkowych rolkowych

Dopasowanie twardości formacji

Formacje miękkie: Wybierz wiertła z dużym offsetem, wystającym wierzchołkiem i strukturą dwustożkową, wyposażone w zęby w kształcie klina lub łyżki.

Twarde formacje: należy zastosować struktury jednostożkowe, nieprzesunięte, wyposażone w zęby kuliste lub stożkowo-kuliste.

Reakcja na ścieralność

Do obróbki materiałów ściernych należy stosować wiertła z zębami wzorcowymi.

Jeśli zęby zewnętrznego rzędu są zaokrąglone, a zęby środkowe wykazują niewielkie zużycie, kolejny wiertło powinno zostać zaprojektowane z myślą o lepszej ochronie wskaźnika.

Środki zaradcze w przypadku szczególnych warunków pracy

Formacje podatne na odkształcenia: Wybierz wiertła o krótkich zębach, bez przesunięcia lub z niewielkim przesunięciem; zdolność adaptacji do formacji powinna być nieco bardziej miękka niż faktyczna formacja.

Przewarstwione formacje miękko-twarde: Wybierz wiertła w zależności od twardości skały i dynamicznie dostosuj parametry podczas wiercenia.

Wiercenie głębokich odwiertów: należy używać wierteł o dużym całkowitym skoku, aby zrekompensować stratę czasu zadziałania.

Strategia wyboru wierteł diamentowych

Obowiązujące warunki dla bitów PDC

Optymalne scenariusze: Długie, jednorodne formacje miękkie do średnio twardych (np. łupki, mułowce, gips).

Zabronione scenariusze: formacje żwirowe, przewarstwienia krzemienia, przewarstwienia miękko-twardych formacji.

Ustawienia parametrów: niski WOB (30–60 kN), wysokie obroty (100–300 obr./min), duży przepływ.

Obowiązujące warunki dla bitów diamentowych naturalnych/syntetycznych

Formacje twarde i niezwykle twarde (np. granit, piaskowiec kwarcowy).

Formacje o dużej ścierności (np. krzemień, dolomit krzemionkowy).

Wiercenie turbinowe, głębokie i bardzo głębokie odwierty oraz operacje rdzeniowania.

Specjalne wymagania dotyczące wierteł rdzeniowych

Wiertła rdzeniowe stożkowe rolkowe: konstrukcja czterorolkowa (stożkowa/cylindryczna) lub sześciorolkowa (pełnocylindryczna).

Wiertła diamentowe: wymagają symetrycznie rozłożonych krawędzi skrawających o stałej odporności na zużycie.

Wskaźnik główny: Koncentryczność między otworem wewnętrznym a okręgiem zewnętrznym zapobiegająca owalizacji rdzenia.

Ocena i postępowanie w przypadku anomalii w otworze wiertniczym

Identyfikacja stanu roboczego wiertła stożkowego rolkowego

Uszkodzenie łożysk: okresowe wstrząsy stołu obrotowego, pogarszające się przy wysokim WOB, zmniejszonej szybkości wiercenia, ale normalnym ciśnieniu pompy.

Utrata stożka: poważne zakleszczenie się wiertła, gwałtowne wahania wskaźnika ciężaru, zmiana głębokości zanurzenia podczas wyciągania przewodu wiertniczego.

Zużycie zębów: zmniejszone obciążenie stołu obrotowego, brak wstrząsów, znaczne zmniejszenie szybkości wiercenia.

Tabu dotyczące stosowania wierteł diamentowych

Przed wprowadzeniem wiertła do otworu należy oczyścić dolny otwór, aby mieć pewność, że nie pozostały w nim żadne metalowe zanieczyszczenia.

Rozpocznij wiercenie od małej głębokości wiercenia i niskich obrotów na minutę w celu „dotarcia” (przygotowania dna otworu na głębokość 0,5 m).

Unikaj operacji rozwiercania; jeśli to konieczne, stosuj niskie WOB i niskie obroty, aby zapewnić równomierną pracę.

Kontakt:Jessie Zhou
Mobilny/WhatsApp:+0086-18109206861
Sieć:www.landrilltools.com