Ključni alati za bušotine: Sveobuhvatni vodič za klasifikaciju i primjenu valjkastih konusnih svrdla i dijamantnih svrdla

01 Valjkasta konusna svrdla: Svestrani alati za prilagodbu formacijama

Od svoje pojave 1909. godine, valjkasti konusni svrdla postala su najčešće korištena vrsta svrdla u rotacijskom bušenju. Njihov jedinstveni višekonusni strukturni dizajn omogućuje im prilagodbu različitim uvjetima formacije, od mekih do izuzetno tvrdih.

Strukturni sastav i temeljne tehnologije

Valjkasto konusno svrdlo sastoji se od pet glavnih komponenti:

• Tijelo svrdla: Tri konusne noge zavarene zajedno, s priključnim navojem na gornjem dijelu.
• Valjkasti konusi: Konusna metalna tijela s glodanim zubima ili umetnutim zubima na površini.
• Sustav ležajeva: Sastoji se od četiri seta ležajeva: velikih, srednjih, malih i aksijalnih ležajeva.
• Mlaznice: Obično ih je 3-4, promjera 7-14 mm.
• Sustav za skladištenje i brtvljenje ulja: Gumeni ili metalni brtveni prstenovi u kombinaciji s uređajima za kompenzaciju tlaka.

Među njima, tehnologija brtvljenja ležajeva predstavlja ključni tehnološki proboj za valjkaste konusne svrdla. Moderna svrdla usvajaju sustav kompenzacije tlaka skladištenja ulja, koji održava dinamičku ravnotežu između tlaka ulja u šupljini ležaja i tlaka u stupcu tekućine za bušenje u bušotini putem komponenti kao što su otvori za prijenos tlaka, dijafragme za kompenzaciju tlaka i uljne čašice.

Klasifikacijski sustav i IADC kodiranje

Međunarodno udruženje izvođača bušenja (IADC) razvilo je globalno ujedinjeni klasifikacijski standard za valjkaste konusne svrdla, koristeći troznamenkasti sustav kodiranja:

Prva znamenka: Vrsta zuba i primjenjiva formacija

1: Glodani zubi, meke formacije

2: Glodani zubi, srednje do srednje tvrde formacije

3: Glodani zubi, tvrde i abrazivne formacije

5: Umetnite zube, meke do srednje formacije

6: Umetnuti zubi, srednje tvrde formacije

7: Umetnite zube, tvrde i abrazivne formacije

8: Umetnuti zubi, izuzetno tvrde i vrlo abrazivne formacije

Druga znamenka: Podjela tvrdoće formacije (stupanj 1-4; veći brojevi označavaju tvrđe formacije)

Treća znamenka: Strukturne karakteristike bita

4: Zatvoreni valjkasti ležajevi

6: Zatvoreni klizni ležajevi

7: Zatvoreni klizni ležajevi + zaštita umetnutih mjerača

8: Skretne svrdla za usmjereno bušenje

Pojednostavljeni IADC sustav klasifikacije za valjkaste konusne svrdla

Mehanizam lomljenja stijena i karakteristike gibanja

Tijekom rada, valjkasto konusno svrdlo pokazuje tri vrste složenog gibanja:

• Revolucija: Konusi se okreću u smjeru kazaljke na satu s cijelim svrdlom.
• Rotacija: Zubi se okreću suprotno od smjera kazaljke na satu oko osi konusa.
• Klizanje: Uključujući radijalno i tangencijalno klizanje.

Ovo složeno kretanje postiže dvostruki učinak razbijanja stijena:

1.Učinak udarnog gnječenja: Naizmjenični kontakt jednostrukih i dvostrukih zuba s donjom rupom generira uzdužne vibracije, stvarajući udarna opterećenja.

2.Učinak kliznog smicanja: Smicanje stijena postiže se projektiranjem prevjesnih, dvostrukih konusnih i pomaknutih struktura.

Strategija odabira i usklađivanje formacija 

Osnovni principi za odabir valjkastih konusnih svrdla na temelju svojstava stijene:

• Meke formacije: Odaberite svrdla s pomaknutom, prepuštenom i dvostrukom konusnom strukturom, opremljena visokim, širokim i rijetko glodanim ili umetnutim zubima.
• Srednje tvrde formacije: Smanjite vrijednosti pomaka, prepusta i dvostrukog konusa; koristite kratke, uske i guste zube.
• Tvrde i abrazivne formacije: Usvojite valjke s jednim konusom bez prevjesa ili pomaka, opremljene kuglastim ili konusno-kuglastim zubima.
• Formacije sklone otklonu: Odaberite svrdla s kratkim zubima bez pomaka ili s malim pomakom i bez mjernih zuba.
• Isprepletene meke i tvrde formacije: Odaberite vrste svrdla na temelju tvrđe stijene i dinamički prilagodite parametre tijekom bušenja.

Odgovor na posebne radne uvjete

• Male bušotine (<177 mm): Koristite konusne svrdla s jednim valjkom, koja imaju veće konuse, zube i ležajeve za veću čvrstoću.
• Usmjereno bušenje: Odaberite posebne skretne svrdla s trećom znamenkom IADC koda 8. 

02 Dijamantna svrdla: Moćni alati za tvrde formacije 

Kao najtvrđi materijal u prirodi, dijamant ima Mohsovu tvrdoću 10. stupnja, tlačnu čvrstoću do 8800 MPa i otpornost na habanje 9000 puta veću od čelika. Iskorištavajući ovo svojstvo, dijamantna svrdla postala su ultimativni alat za rješavanje tvrdih formacija.

Klasifikacijski sustav i tehnološka evolucija

Moderni dijamantni svrdla se uglavnom dijele na tri vrste:

1.Dijamantna svrdla s površinskim učvršćivanjem

• Dijamantne čestice su izložene na površini matrice.
• Pogodno za srednje tvrde do tvrde formacije.
• Klasifikacija veličine čestica dijamanta:
• Meke formacije: 2 zrna po karatu (gpc) (veličina čestica cca. 4 mm)
• Srednje tvrde formacije: 3-4 gpc (veličina čestica cca. 3,6 mm)
• Tvrde formacije: 10-15 gpc (veličina čestica cca. 2,0 mm)

2.Impregnirani dijamantni svrdla

• Dijamanti su impregnirani unutar matrice (60-400 gpc).
• Pogodno za tvrde i abrazivne formacije (npr. kremen, silikatni dolomit).
• Samooštrenje dijamanata postiže se trošenjem matrice.

3.PDC svrdla (kompaktna svrdla od polikristalnog dijamanta)

• Prvi put ga je uvela tvrtka General Electric (GE) iz Sjedinjenih Država 1973. godine.
• Kompaktna struktura: Dijamantni sloj + podloga od cementiranog karbida.
• Pogodno za meke do srednje tvrde homogene formacije.

Strukturni dizajn i parametri jezgre

Dijamantna svrdla imaju integralni dizajn bez pokretnih dijelova, uglavnom uključujući:

• Čelično tijelo: Izrađeno od srednje ugljičnog čelika, s priključnim navojem na gornjem dijelu.
• Matrica: Prah volframovog karbida + vezivno sredstvo na bazi bakra, tvrdoće HRC 30-45.
• Rezni elementi: Prirodni/sintetički dijamanti ili PDC kompakti.
• Hidraulička građevina: Vodotoci i protočni kanali (radijalni, spiralni itd.).

Ključni parametri dizajna

• Koncentracija dijamanta: Prilagođena na temelju abrazivnosti formacije; veća koncentracija za abrazivnije formacije.
• Visina izbočenja:
• Meke formacije: 1/3 veličine čestica
• Tvrde formacije: 1/6-1/10 veličine čestica
• Oblik usana:
• Ravno dno: Za homogene formacije
• Zakrivljeno: Za tvrde formacije
• Nazubljeno: Za abrazivne formacije

Mehanizam lomljenja stijena i odgovor formacije

Metoda razbijanja stijena dijamantnim svrdlima varira ovisno o svojstvima formacije:

Plastične formacije (npr. muljeviti kamen, gips): Slično procesu "oranja"; dijamanti prodiru u formaciju uzrokujući plastični tok stijene.

Krhke formacije (npr. kvarcni pješčenjak): Formiraju se volumetrijske drobne jame, s veličinom rezanja 2-4 puta većom od izbočenja dijamanata, što rezultira visokom učinkovitošću.

Tvrde stijene (npr. kremen, silikatna stijena): Koriste se impregnirani svrdla, a lomljenje stijene postiže se mikrorezanjem i grebanjem, slično abraziji brusnog kotača.

Tehničke prednosti i ograničenja PDC bitova

Kao revolucionarni proizvod u obitelji dijamantnih svrdla, PDC svrdla imaju jedinstvene prednosti:

Strukturne značajke

PDC svrdla s čeličnim tijelom: Integrirani srednje ugljični čelik s površinskim kaljenjem.

Matrix-Body PDC svrdla: Gornje čelično tijelo + donja matrica od volframovog karbida, što nudi bolje performanse.

Dizajn profila

Parabolični: Za meke formacije, što omogućuje veliku duljinu i brzinu bušenja.

Okruglo: Za bušenje s rotacijskim stolom, olakšavajući prodiranje u tvrde međuslojeve.

Konusni: Za bušenje velikom brzinom, s dobrim performansama prodiranja.

Ograničenja primjene

Nije prikladno za šljunčane formacije i isprepletene meko-tvrde formacije.

Granica otpornosti na temperaturu (trošenje se pojačava iznad 350℃; do gubitka čvrstoće dolazi na 700℃).

Slaba otpornost na udarce; sklona je pojava odlomljivanja rubova novih svrdla.

Usporedna tablica primjenjivih formacija za dijamantne svrdla

03 Vodič za znanstveni odabir: Usklađivanje formacija i operativnih zahtjeva

Zlatna pravila za odabir valjkastog konusnog svrdla

Usklađivanje tvrdoće formacije

Meke formacije: Odaberite svrdla s velikim pomakom, prepustom i dvostrukim konusnim strukturama, opremljena klinastim ili žlicastim zubima.

Tvrde formacije: Usvojite jednokonusne, nepomične strukture, opremljene kuglastim ili konusno-kuglastim zubima.

Reakcija na abrazivnost

Za abrazivne formacije koristite umetke s kalibriranim zubima.

Ako su zubi vanjskog reda zaobljeni, dok srednji zubi pokazuju malo trošenja, sljedeći nastavak treba biti konstruiran s poboljšanom zaštitom mjerila.

Protumjere za posebne radne uvjete

Formacije sklone otklonu: Odaberite svrdla s kratkim zubima bez pomaka ili s malim pomakom; prilagodljivost formacije trebala bi biti nešto mekša od stvarne formacije.

Isprepletene meko-tvrde formacije: Odaberite svrdla na temelju tvrđe stijene i dinamički prilagodite parametre tijekom bušenja.

Bušenje dubokog dijela bunara: Koristite svrdla s velikom ukupnom duljinom kako biste kompenzirali gubitak vremena okretanja.

Strategija odabira dijamantnih svrdla

Primjenjivi uvjeti za PDC bitove

Optimalni scenariji: Duge homogene meke do srednje tvrde formacije (npr. škriljac, muljeviti kamen, gips).

Zabranjeni scenariji: Šljunčane formacije, proslojci kremena, proslojci meko-tvrdih formacija.

Postavljanje parametara: Niski WOB (30-60 kN), visoki okretaji (100-300 o/min), veliki protok.

Primjenjivi uvjeti za prirodne/sintetičke dijamantne svrdla

Tvrde do izuzetno tvrde formacije (npr. granit, kvarcni pješčenjak).

Visoko abrazivne formacije (npr. kremen, silicijev dolomit).

Bušenje turbinama, duboke/ultraduboke bušotine i operacije jezgrovanja.

Posebni zahtjevi za krune za bušenje

Valjkasto-konusne krune za bušenje: Izvedba s četiri valjkasta konusa (konusni/cilindrični) ili šest valjkasta konusa (potpuni cilindrični).

Dijamantne krune za bušenje: Zahtijevaju simetrično raspoređene rezne rubove s konzistentnom otpornošću na habanje.

Ključni pokazatelj: Koncentričnost između unutarnjeg otvora i vanjskog kruga kako bi se izbjegla ovalizacija jezgre.

Procjena i rukovanje anomalijama u bušotini

Identifikacija radnog stanja valjkastog konusnog svrdla

Oštećenje ležaja: Periodično podrhtavanje rotacijskog stola, pogoršanje pri visokom WOB-u, smanjena brzina bušenja, ali normalan tlak pumpe.

Gubitak konusa: Jako zaglavljivanje bušenja, snažno kolebanje indikatora težine, promjena dubine uvrtanja prilikom izvlačenja bušaće kolone.

Trošenje zuba: Smanjeno opterećenje rotacijskog stola, bez podrhtavanja, značajno smanjenje brzine bušenja.

Tabui za korištenje dijamantnih svrdla

Donja rupa mora se očistiti prije spuštanja svrdla u bušotinu kako bi se osiguralo da u njoj nema metalnih ostataka.

Započnite bušenje s malim WOB-om i niskim okretajima za "razradu" (kondicioniranje dna rupe od 0,5 m).

Izbjegavajte operacije razvrtanja; ako je potrebno, koristite niski WOB i niske okretaje za ujednačen rad.

Kontakt:Jessie Zhou
Mobitel/Whatsapp:+0086-18109206861
Web:www.landrilltools.com