Kľúčové nástroje pre vrty: Komplexný sprievodca klasifikáciou a použitím valčekových kužeľových vrtákov a diamantových vrtákov

01 Valčekové kužeľové vrtáky: Všestranné nástroje na prispôsobenie sa formáciám

Od svojho objavenia sa v roku 1909 sa valčekové kužeľové vrtáky stali najpoužívanejším typom vrtákov pri rotačnom vŕtaní. Ich jedinečná viackužeľová konštrukcia im umožňuje prispôsobiť sa rôznym formovacím podmienkam, od mäkkých až po extrémne tvrdé.

Štrukturálne zloženie a základné technológie

Valčekový kužeľový vrták sa skladá z piatich základných komponentov:

• Telo vrtáka: Tri kužeľové nohy zvarené dohromady, s pripojovacími závitmi v hornej časti.
• Valčekové kužele: Kužeľovité kovové telesá s frézovanými zubami alebo vloženými zubami na povrchu.
• Ložiskový systém: Pozostáva zo štyroch sád ložísk: veľkých, stredných, malých a axiálnych ložísk.
• Trysky: Zvyčajne 3-4, s priemerom 7-14 mm.
• Systém skladovania a tesnenia oleja: Gumové alebo kovové tesniace krúžky kombinované so zariadeniami na kompenzáciu tlaku.

Medzi nimi predstavuje technológia tesnenia ložísk kľúčový technologický prielom pre valčekové kužeľové vrtáky. Moderné vrtáky používajú systém kompenzácie tlaku oleja, ktorý udržiava dynamickú rovnováhu medzi tlakom oleja v dutine ložiska a tlakom v stĺpci vrtnej kvapaliny prostredníctvom komponentov, ako sú otvory na prenos tlaku, membrány na kompenzáciu tlaku a olejové misky.

Klasifikačný systém a kódovanie IADC

Medzinárodná asociácia vrtných dodávateľov (IADC) vyvinula globálne jednotný klasifikačný štandard pre valčekové kužeľové vrtáky s použitím trojmiestneho kódovacieho systému:

Prvá číslica: Typ zuba a príslušná formácia

1: Frézované zuby, mäkké útvary

2: Frézované zuby, stredne až stredne tvrdé útvary

3: Frézované zuby, tvrdé a abrazívne útvary

5: Vložte zuby, mäkké až stredné formácie

6: Vložte zuby, stredne tvrdé formácie

7: Vložte zuby, tvrdé a abrazívne útvary

8: Vložte zuby, extrémne tvrdé a vysoko abrazívne útvary

Druhá číslica: Podrozdelenie tvrdosti formácie (stupeň 1-4; vyššie čísla označujú tvrdšie formácie)

Tretia číslica: Štrukturálne charakteristiky bitu

4: Utesnené valivé ložiská

6: Utesnené klzné ložiská

7: Utesnené klzné ložiská + ochrana vložených kalibrov

8: Vychyľovacie vrtáky pre smerové vŕtanie

Zjednodušený klasifikačný systém IADC pre valčekové kužeľové vrtáky

Mechanizmus lámania hornín a charakteristiky pohybu

Počas prevádzky vykazuje valčekový kužeľový vrták tri typy zloženého pohybu:

• Otáčanie: Kužele sa otáčajú v smere hodinových ručičiek spolu s celým vrtákom.
• Rotácia: Zuby sa otáčajú proti smeru hodinových ručičiek okolo osi kužeľa.
• Posuvné: Vrátane radiálneho a tangenciálneho posuvného pohybu.

Tento zložený pohyb dosahuje dvojitý účinok lámania hornín:

1.Účinok drvenia nárazom: Striedavý kontakt jednoduchých a dvojitých zubov so spodným otvorom generuje pozdĺžne vibrácie, čím vznikajú rázové zaťaženia.

2.Efekt posuvného šmyku: Šmyk horniny sa dosahuje návrhom previsových, dvojitých kužeľových a odsadených konštrukcií.

Stratégia výberu a zosúladenie formácií 

Základné princípy pre výber valcovaných kužeľových vrtákov na základe vlastností horniny:

• Mäkké formácie: Vyberte vrtáky s odsadenými, previsnutými a dvojitými kužeľovými štruktúrami, vybavené vysokými, širokými a riedko frézovanými alebo vloženými zubami.
• Stredne tvrdé formácie: Znížte hodnoty odsadenia, previsu a dvojitého kužeľa; použite krátke, úzke a husté zuby.
• Tvrdé a abrazívne formácie: Použite jednokužeľové valce bez previsu alebo odsadenia, vybavené guľôčkovými alebo kužeľovitými guľôčkovými zubami.
• Formácie náchylné na vychýlenie: Vyberte vrtáky s krátkymi zubami bez odsadenia alebo s malým odsadením a bez kalibračných zubov.
• Prepletené mäkké a tvrdé formácie: Vyberte si typy vrtákov na základe tvrdšej horniny a dynamicky upravte parametre počas vŕtania.

Reakcia na špeciálne pracovné podmienky

• Malé vrty (<177 mm): Použite jednovalcové kužeľové vrtáky, ktoré majú väčšie kužele, zuby a ložiská pre vyššiu pevnosť.
• Smerové vŕtanie: Vyberte špeciálne vychyľovacie vrtáky s treťou číslicou kódu IADC 8. 

02 Diamantové vrtáky: Výkonné nástroje pre tvrdé formácie 

Ako najtvrdší materiál v prírode má diamant tvrdosť podľa Mohsa stupňa 10, pevnosť v tlaku až 8800 MPa a odolnosť voči opotrebovaniu 9000-krát vyššiu ako oceľ. Vďaka tejto vlastnosti sa diamantové vrtáky stali dokonalým nástrojom na riešenie tvrdých formácií.

Klasifikačný systém a technologický vývoj

Moderné diamantové vrtáky sa delia hlavne na tri typy:

1.Diamantové vrtáky s povrchovou úpravou

• Diamantové častice sú exponované na povrchu matrice.
• Vhodné pre stredne tvrdé až tvrdé formácie.
• Klasifikácia veľkosti diamantových častíc:
• Mäkké formácie: 2 zrná na karát (gpc) (veľkosť častíc približne 4 mm)
• Stredne tvrdé formácie: 3-4 gpc (veľkosť častíc cca 3,6 mm)
• Tvrdé formácie: 10-15 gpc (veľkosť častíc cca 2,0 mm)

2.Impregnované diamantové bity

• Diamanty sú impregnované vo vnútri matrice (60 – 400 gpc).
• Vhodné pre tvrdé a abrazívne formácie (napr. pazúrik, kremičitý dolomit).
• Samoostrenie diamantov sa dosahuje opotrebovaním matrice.

3.PDC vrtáky (kompaktné vrtáky z polykryštalického diamantu)

• Prvýkrát ho predstavila spoločnosť General Electric (GE) v Spojených štátoch v roku 1973.
• Kompaktná štruktúra: Diamantová vrstva + substrát zo spekaného karbidu.
• Vhodné pre mäkké až stredne tvrdé homogénne formácie.

Konštrukčný návrh a základné parametre

Diamantové vrtáky majú integrovaný dizajn bez pohyblivých častí, medzi ktoré patria najmä:

• Oceľové telo: Vyrobené zo stredne uhlíkovej ocele s pripojovacím závitom v hornej časti.
• Matrica: Prášok karbidu volfrámu + spojivo na báze medi s tvrdosťou HRC 30-45.
• Rezné prvky: Prírodné/syntetické diamanty alebo PDC výlisky.
• Hydraulické dielo: Vodné toky a prietokové kanály (radiálne, špirálové atď.).

Kľúčové parametre návrhu

• Koncentrácia diamantu: Upravená na základe abrazívnej sily formácie; vyššia koncentrácia pre abrazívnejšie formácie.
• Výška prečnievania:
• Mäkké formácie: 1/3 veľkosti častíc
• Tvrdé formácie: 1/6 – 1/10 veľkosti častíc
• Tvar pier:
• S plochým dnom: Pre homogénne formácie
• Zakrivené: Pre tvrdé formácie
• Zúbkovaný: Pre abrazívne formácie

Mechanizmus lámania hornín a reakcia formácie

Metóda lámania hornín diamantovými vrtákmi sa líši v závislosti od vlastností formácie:

Plastické formácie (napr. ílovec, sadrovec): Podobné procesu „orby“; diamanty prenikajú do formácie a spôsobujú plastický tok horniny.

Krehké útvary (napr. kremenný pieskovec): Vytvárajú sa objemové drviace jamy s reznými veľkosťami 2 až 4-krát väčšími ako vyčnievanie diamantov, čo vedie k vysokej účinnosti.

Tvrdé horniny (napr. pazúrik, kremičitá hornina): Používajú sa impregnované vrtáky a lámanie hornín sa dosahuje mikrorezaním a škrabaním, podobne ako pri odieraní brúsnym kotúčom.

Technické výhody a obmedzenia PDC bitov

Ako revolučný produkt v rodine diamantových vrtákov majú vrtáky PDC jedinečné výhody:

Štrukturálne vlastnosti

Oceľové PDC bity: Integrovaná stredne uhlíková oceľ s povrchovou úpravou kalením.

Vrtáky PDC s matricovým telom: Horné oceľové telo + spodná matrica z karbidu volfrámu, ktorá ponúka lepší výkon.

Dizajn profilu

Parabolický: Pre mäkké formácie, umožňuje vysoký záber a rýchlosť vŕtania.

Okrúhle: Na vŕtanie s otočným stolom, uľahčujúce prenikanie do tvrdých medzivrstvov.

Kónický: Pre vysokorýchlostné vŕtanie s dobrým penetračným výkonom.

Obmedzenia aplikácie

Nie je vhodné pre štrkové formácie a prepojené mäkko-tvrdé formácie.

Teplotná odolnosť (opotrebenie sa zintenzívni nad 350 ℃; k porušeniu pevnosti dochádza pri 700 ℃).

Slabá odolnosť voči nárazu; je náchylné na odštiepenie hrán nových vrtákov.

Porovnávacia tabuľka vhodných formácií pre diamantové vrtáky

03 Sprievodca vedeckým výberom: Zodpovedajúce formácie a prevádzkové požiadavky

Zlaté pravidlá pre výber valčekového kužeľového vrtáka

Zhoda tvrdosti formácie

Mäkké formácie: Vyberte vrtáky s vysokým odsadením, previsom a dvojitým kužeľom, vybavené klinovitými alebo lyžicovitými zubami.

Tvrdé formácie: Prijmite jednokužeľové, neodsadené štruktúry, vybavené guľovými zubami alebo kužeľovitými guľovými zubami.

Reakcia na abraziu

Pre abrazívne formácie použite vsadené vrtáky s kalibračnými zubami.

Ak sú zuby vonkajšieho radu zaoblené, zatiaľ čo stredné zuby vykazujú len malé opotrebenie, ďalší vrták by mal byť navrhnutý so zvýšenou ochranou meradla.

Protiopatrenia pre špeciálne pracovné podmienky

Formácie náchylné na vychýlenie: Vyberte vrtáky s krátkymi zubami bez odsadenia alebo s malým odsadením; prispôsobivosť formácie by mala byť o niečo mäkšia ako skutočná formácia.

Prepletené mäkko-tvrdé formácie: Vyberte vrtáky na základe tvrdšej horniny a dynamicky upravte parametre počas vŕtania.

Vŕtanie hlbokých vrtov: Na kompenzáciu straty času pri vŕtaní použite vrtáky s vysokou celkovou dĺžkou.

Stratégia výberu diamantových vrtákov

Platné podmienky pre bity PDC

Optimálne scenáre: Dlhé homogénne mäkké až stredne tvrdé formácie (napr. bridlica, ílovec, sadrovec).

Zakázané scenáre: Štrkové formácie, medzivrstvy pazúrika, medzivrstvy mäkkých a tvrdých materiálov.

Nastavenie parametrov: Nízke otáčky WOB (30-60 kN), vysoké otáčky (100-300 ot./min), veľký prietok.

Platné podmienky pre prírodné/syntetické diamantové vrtáky

Tvrdé až extrémne tvrdé útvary (napr. žula, kremenný pieskovec).

Vysoko abrazívne útvary (napr. pazúrik, kremičitý dolomit).

Vŕtanie turbínami, hlboké/ultrahlboké vrty a odber jadier.

Špeciálne požiadavky na vŕtacie korunky

Vŕtacie korunky s valčekovým kužeľom: Štvorvalčekový kužeľový (kužeľový/valcový) alebo šesťvalčekový kužeľový (plný valcový) dizajn.

Diamantové vŕtacie korunky: Vyžadujú symetricky rozložené rezné hrany s konzistentnou odolnosťou proti opotrebovaniu.

Kľúčový ukazovateľ: Sústrednosť medzi vnútorným otvorom a vonkajším kruhom, aby sa zabránilo ovalizácii jadra.

Posúdenie a riešenie anomálií v zdolnej vrtnej oblasti

Identifikácia pracovného stavu valčekového kužeľového vrtáka

Poškodenie ložiska: Pravidelné trasenie otočného stola, zhoršenie pri vysokom WOB, znížená rýchlosť vŕtania, ale normálny tlak čerpadla.

Strata kužeľa: Silné zaseknutie pri vŕtaní, prudké kolísanie indikátora závažia, zmena hĺbky zavŕtania pri vyťahovaní vrtnej kolóny.

Opotrebovanie zubov: Znížené zaťaženie otočného stola, žiadne trasenie, výrazné zníženie rýchlosti vŕtania.

Tabuá používania diamantových vrtákov

Pred spustením vrtáka do vrtu je potrebné vyčistiť spodnú časť otvoru, aby sa zabezpečilo, že v ňom nezostanú žiadne kovové úlomky.

Začnite vŕtať s malým dobehom vrtu (WOB) a nízkymi otáčkami pre „zábeh“ (úprava dna vrtu na hĺbku 0,5 m).

Vyhnite sa vystružovaniu; v prípade potreby použite nízke otáčky pri nábehu a nízke otáčky pre rovnomernú prevádzku.

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