От мягкой породы до твёрдой: выбор круглых или острых зубьев для погружных буровых коронок — всё зависит от породы
При бурении с погружным пневмоударником (DTH) тип горной породы является решающим фактором при выборе профиля зубьев долота. Различия в твёрдости и пределе прочности на сжатие напрямую влияют на эффективность дробления, скорость износа и эксплуатационные расходы круглых (закруглённых) зубьев по сравнению с остроконечными. Только точное соответствие геометрии зубьев свойствам горной породы позволяет добиться эффективного и экономичного бурения; неправильный выбор приводит к низкой скорости проходки и быстрому износу долота.
Мягкие породы: круглый зуб идеально подходит для бурения — «щадящее дробление» для эффективного бурения. Мягкие породы характеризуются низкой твёрдостью и низкой прочностью на сжатие (обычно <30 МПа), такие как сланец, аргиллит, мергель и рыхлый песчаник. Эти породы разрушаются без агрессивного прокалывания; механизм дробления круглыми зубьями «сжатие + измельчение» соответствует этому поведению и является предпочтительным вариантом для бурения мягких пород.
Почему круглые зубья подходят для мягких пород? Мягкие породы относительно рыхлые и неустойчивы к сжатию. Конструкция с круглыми зубьями обеспечивает поверхностный контакт, что увеличивает площадь контакта при ударе, более равномерно распределяя усилие по поверхности породы. Это сжатие вызывает пластическую деформацию и фрагментацию — процесс, аналогичный уплотнению материала дорожным катком, — поэтому сильные локальные удары не нужны. Это экономит энергию и минимизирует чрезмерное разрушение структуры породы. Во время вращения круглые зубья также измельчают ранее разрушенный шлам до более мелких частиц, которые легче удаляются промывочной жидкостью и меньше подвержены засорению скважины. Равномерная фрагментация также способствует поддержанию устойчивости ствола скважины, предотвращая неровности профиля и обрушение стенок.
Проблемы при использовании остроконечных зубьев в мягких породах. Остроконечные зубья фокусируют усилие на очень малой площади (точечный контакт), что приводит к чрезмерному дроблению мягкой породы в мелкий порошок. Это приводит к потере энергии (мощность не преобразуется в эффективное проникновение) и может привести к засорению промывочных и шламовых каналов из-за налипания мелкого порошка на стенки каналов, что снижает эффективность бурения. Острые наконечники в среде с низким сопротивлением могут деформироваться (изгибаться или затупляться), сокращая срок службы долота и увеличивая затраты на его замену.
Твёрдые породы: предпочтительны остроконечные зубья — «мощное проникновение» для преодоления высокой прочности. Твёрдые породы обладают высокой твёрдостью и прочностью на сжатие (обычно 60 МПа), например, гранит, кварцит, базальт и диабаз. Эти плотные, прочные породы невозможно эффективно разрушить одним лишь сжатием; для эффективного проникновения им требуется колющее и раскалывающее действие остроконечных зубьев. Поэтому остроконечные зубья — очевидный выбор для бурения твёрдых пород.
Почему заостренные зубья подходят для твердой породы Плотная твердая порода имеет прочную внутреннюю связь; сжатие поверхности контакта само по себе не может ее разрушить. Заостренные зубья концентрируют силу удара на небольшой площади кончика (площадь контакта составляет всего около 1/5–1/10 от площади контакта круглых зубьев), создавая гораздо более высокое локальное давление (в несколько раз больше, чем у круглых зубьев). Это концентрированное давление прокалывает поверхность породы и инициирует трещины. При продолжающемся вращении и ударе эти начальные трещины растут, соединяются и распространяются вдоль плоскостей излома, эффективно раскалывая породу — как клин раскалывает дерево. Это напрямую воздействует на внутреннюю структуру породы и быстро увеличивает скорость проникновения. Например, при бурении гранита проникновение заостренными зубьями может быть в 2–3 раза быстрее, чем круглыми зубьями, и позволяет избежать проблемы «измельчения без проникновения», которую круглые зубья испытывают на твердых поверхностях.
Проблемы при использовании круглых зубьев в твёрдой породе. Круглые зубья распределяют усилие по большей площади, предотвращая высокое локальное давление, необходимое для разрушения твёрдой породы. Удары вызывают лишь образование царапин или истирание поверхности, а не её полное разрушение, поэтому скорость проходки может составлять всего 1/5–1/10 от скорости, достигаемой при использовании остроконечных зубьев, что приводит к потере энергии при холостом вращении. Сильное трение о высокотвёрдую породу быстро истирает круглые зубья (часто требуя замены через 1–2 часа), тогда как остроконечные зубья в тех же условиях могут служить 4–6 часов. Частая замена долот увеличивает время простоя и общие затраты.
Породы средней твёрдости: принимайте решение на основе детальной литологии — будьте гибкими или используйте гибридные конструкции. Между чисто мягкими и чисто твёрдыми породами находятся породы средней твёрдости (предел прочности на сжатие 30–60 МПа), такие как плотные песчаники, кристаллические известняки и некоторые гнейсы. При выборе зубьев для этих пород необходимо учитывать детальную литологию (например, наличие зёрен кварца, неоднородность). Во многих случаях целесообразна смешанная или гибридная форма зубьев (круглая + заострённая).
Критерии выбора зубьев в породах средней твердости
Если порода средней твердости однородна и не содержит твердых прослоев (например, однородный плотный песчаник), отдайте предпочтение «усиленным круглым зубьям» (более высокая твердость и оптимизированная дуга контакта) для улучшения дробления на основе сжатия; круглые зубья могут обеспечить сбалансированную эффективность и меньший износ по сравнению с заостренными зубьями.
Если порода средней твердости содержит частицы кварца или локальные твердые пятна (например, кристаллический известняк или песчаник с кремневыми прослойками), выбирайте «короткие, крепкие, заостренные зубья» (более толстые, твердые кончики), чтобы пробить локальные твердые пятна и избежать быстрого местного износа круглых зубьев.
Если литология слоистая (например, мягкие слои лежат над твердыми), используйте долота со смешанной конструкцией зубьев — круглые зубья на внешнем кольце и заостренные зубья на внутреннем кольце — чтобы обрабатывать разные слои без частой смены долот.
Основной принцип работы с породами средней твёрдости: избегайте однозначного подхода «мягкие против твёрдых»; правило заключается в том, чтобы учитывать преобладающие характеристики породы. Если общая литология имеет тенденцию к ухудшению свойств, за исключением локальных участков повышенной твёрдости, отдавайте предпочтение круглым зубьям и заострённым зубьям в качестве резерва. Если общая литология имеет тенденцию к ухудшению свойств, за исключением локальных участков повышенной твёрдости, отдавайте предпочтение острым зубьям и заострённым зубьям в качестве резерва. Подтвердите выбор пробным бурением (например, пробурите 10–20 минут, затем проверьте износ зубьев и глубину проникновения) и скорректируйте для оптимизации производительности.
Резюме: три основных фактора, определяющих выбор зубьев. Влияние типа горной породы на выбор круглых или заостренных зубьев сводится к трём основным факторам: твёрдости, прочности на сжатие и структурной однородности. Логику выбора можно суммировать следующим образом:
Твердость + прочность на сжатие: низкая твердость/низкая прочность на сжатие → выбирайте круглые зубья; высокая твердость/высокая прочность на сжатие → выбирайте заостренные зубья.
Структурная однородность: однородная литология (без прослоев и твердых пятен) → приемлем единый профиль зубцов, соответствующий доминирующей породе; неоднородная литология (с прослоями и твердыми пятнами) → требуется гибкое парное расположение или гибридная схема зубцов.
Соответствие эксплуатационным целям: если вам нужна «высокая эффективность + длительный срок службы» → выбирайте геометрию зубьев точно под породу; если вам нужна «широкая приспособляемость к различным литологиям» → рассмотрите гибридные конструкции зубьев или сменные режущие головки.
Тип породы является определяющим фактором при выборе зубьев для погружных буровых долот. Только понимание характеристик породы позволит использовать преимущества круглых и заостренных зубьев и добиться максимальной эффективности бурения при минимальных затратах.
