Как трехконусное буровое долото разрушает породу: два механизма, происходящие на дне скважины.
Трехконусное буровое долото выглядит просто снаружи. Три конуса, ряды зубьев, резьбовое соединение сверху. Поверните, надавите, и камень разобьется. На этом все.
Но то, что происходит на дне скважины, гораздо интереснее — и понимание этого объясняет, почему трехгранное буровое долото, разработанное для мягкого сланца, разрушается в твердом граните, и наоборот. Долото использует одновременно два различных механизма разрушения породы, и именно баланс между ними определяет, какая конструкция долота подходит для известняка, а какая — для кремня.
Настройка: Вращение и оборот
Корпус бурильного долота вращается вокруг оси бурильной колонны — это вращение, очевидное движение. Но каждый из трех конусов также вращается независимо на своей собственной опорной оси. По мере вращения корпуса долота конусы катятся по дну скважины, как три маленьких колеса.
Это двойное движение имеет значение, поскольку определяет, как зубья конического конуса контактируют с породой. Зуб конуса не просто вдавливается в породу. Он перекатывается в зону контакта, пробивает дно и выкатывается. Схема контакта колеблется между контактом одного зуба и двумя зубьями по мере перекатывания конуса, что создает ритмичный цикл нагрузки.
Механизм первый: удар и сокрушение
По мере вращения конусов количество зубьев, контактирующих с дном, чередуется между одним и двумя. Когда нагрузку несет один зуб, центр конуса немного опускается. Когда нагрузку несут два зуба, центр конуса поднимается. Это постоянное движение вверх-вниз — с частотой зацепления зубьев, которая может составлять сотни циклов в минуту — создает продольную вибрацию во всей буровой колонне.
А вот и вся прелесть: буровая колонна действует как пружина. Вибрация упруго сжимает и растягивает сталь, накапливая и высвобождая энергию с каждым циклом. Эта колебательная упругая энергия передается через зубья в породу в виде серии ударов. Долото не просто давит на породу — оно бьет по ней, используя саму буровую колонну в качестве механизма накопления и высвобождения энергии.
Ударное воздействие и дробление являются основным механизмом разрушения породы в трехзубчатых долотах. Именно они выполняют основную работу в породах средней и твердой породы. Зубья концентрируют вес на долоте в очень малых зонах контакта — тысячи фунтов на квадратный дюйм на кончике зуба — и порода разрушается под действием сжатия под каждым зубом.
Механизм второй: Срез и соскабливание
Если бы конусы просто катились, они бы просто раздавили. Но в большинстве трехконусных конструкций предусмотрено контролируемое скольжение во время катления конусов, и это скольжение соскребает камни со дна так же, как это делает буровой долото.
Скольжение обеспечивается тремя геометрическими приемами, заложенными в конструкцию конуса и подшипника:
Смещение конуса Это означает, что вершина конуса не направлена точно в центр долота. Ось конуса намеренно смещена относительно центральной линии долота. По мере вращения конуса это смещение заставляет внешние зубья скользить тангенциально по нижней части — создавая скребковое движение в направлении вращения.
Профиль составного конуса Это означает, что конус не является идеальным. Разные участки конуса имеют разные углы. Зубья на стыке углов конуса не могут катиться просто потому, что геометрия поверхности не совпадает — они должны скользить. Это создает дополнительное тангенциальное трение, особенно эффективное в измерительной зоне, где качество стенок отверстия имеет наибольшее значение.
Смещение журнала Это приводит к изменению угла наклона оси конусного подшипника, так что конусы не направлены прямо к центру. Это создает осевую составляющую скольжения — зубья скользят вбок относительно направления вращения. Смещение цапфы создает сдвиговое воздействие, которое прорезает более мягкие, более пластичные породы.
Как конструкция соотносится с формированием
Вот ключевое правило проектирования, определяющее, будет ли работать трехконусное долото в данном геологическом образовании:
Мягкие и среднетвердые породы(сланец, мягкий известняк, рыхлый песчаник): максимальное режущее воздействие. Конструкция долота включает в себя смещение конуса, сложные профили конуса и смещение цапфы. Задействованы все три механизма скольжения. Зубья агрессивно соскребают породу, удаляя ее за счет сочетания среза и легкого дробления. Расстояние между зубьями большое, чтобы предотвратить образование комков в вязких породах.
Среднетвердые и твердые геологические образования(доломит, твердый известняк, среднезернистый песчаник): умеренное сдвиговое воздействие. Долото имеет конусное смещение и сложный конусный профиль, но без смещения цапфы. Скольжение уменьшено. Дробление становится доминирующим механизмом, а сдвиговое воздействие обеспечивает дополнительное удаление материала. Расстояние между зубьями уменьшается.
Очень твердые, абразивные образования(гранит, кварцит, кремень): полное отсутствие преднамеренного скольжения. В буровом долоте используются одноконусные профили без смещения и без смещения цапфы. Конусы катятся максимально чисто. Удаление породы осуществляется путем дробления — высокое контактное напряжение, низкое скольжение, максимальная прочность зубьев. Зубья короткие, расположены близко друг к другу и изготовлены из самых твердых доступных марок твердосплава.
Если использовать буровое долото для мягких пород (с большим смещением, интенсивным скольжением) в твердом граните, зубья будут не измельчать, а царапать. Твердосплавные зубья быстро изнашиваются до состояния заусенцев при работе с гранитом. И наоборот, буровое долото для твердых пород (без смещения, с чистым перекатыванием) в мягком сланце измельчает без царапания и бурит медленно, потому что сланец лучше реагирует на сдвиг, чем на сжатие.
Что это означает при покупке?
Рынок трехконусных долот сегментирован по твердости породы именно по этой причине. Код IADC на долоте указывает не только на тип подшипника и материал зубьев, но и кодирует геометрическую конструкцию: величину смещения, профиль конуса, наличие смещения цапфы. Два долота с одинаковым диаметром и одинаковой резьбой могут представлять собой принципиально разные машины, оптимизированные для разных пород.
Когда кто-то говорит вам, что трехконусное буровое долото не сработало в определенном геологическом образовании, спросите, по какому стандарту IADC оно работало. В девяти случаях из десяти дело было не в недостатке, а в неправильной конструкции долота для данной породы.
