Viktiga borrverktyg: En omfattande guide till klassificering och tillämpning av rullkonborrkronor och diamantborrkronor

01 Rullkonborrar: Mångsidiga verktyg för anpassning till formationer

Sedan de introducerades 1909 har rullkonborrkronor blivit den mest använda borrtypen inom rotationsborrning. Deras unika flerkoniga strukturdesign gör att de kan anpassa sig till olika formationsförhållanden, från mjuka till extremt hårda.

Strukturell sammansättning och kärnteknologier

En rullkonborr består av fem kärnkomponenter:

• Krokkropp: Tre konben svetsade ihop, med anslutningsgängor på den övre delen.
• Rullkoner: Koniska metallkroppar med frästa tänder eller insatständer på ytan.
• Lagersystem: Består av fyra uppsättningar lager: stora, medelstora, små och axiallager.
• Munstycken: Vanligtvis 3–4 till antalet, med en diameter på 7–14 mm.
• Oljelagrings- och tätningssystem: Tätningsringar av gummi eller metall kombinerade med tryckkompensationsanordningar.

Bland dessa representerar lagertätningstekniken ett viktigt tekniskt genombrott för rullkonborrkronor. Moderna borrkronor använder ett system för oljelagringstryckkompensation, vilket upprätthåller dynamisk balans mellan oljetrycket i lagerhålan och trycket i borrhålsvätskepelaren genom komponenter som trycköverföringshål, tryckkompensationsmembran och oljekoppar.

Klassificeringssystem och IADC-kodning

International Association of Drilling Contractors (IADC) har utvecklat en globalt enhetlig klassificeringsstandard för rullkonborrkronor med hjälp av ett tresiffrigt kodsystem:

Första siffran: Tandtyp och tillämplig formation

1: Frästa tänder, mjuka formationer

2: Frästa tänder, medelhårda till medelhårda formationer

3: Frästa tänder, hårda och slipande formationer

5: Insättningständer, mjuka till medelstora formationer

6: Insatständer, medelhårda formationer

7: Sätt in tänder, hårda och slipande formationer

8: Sätt in tänder, extremt hårda och mycket slipande formationer

Andra siffran: Underindelning av formationens hårdhet (grad 1-4; högre siffror indikerar hårdare formationer)

Tredje siffran: Bitstrukturegenskaper

4: Tätade rullager

6: Tätade glidlager

7: Tätade glidlager + skydd för insatsmätare

8: Avböjningsborr för riktad borrning

Förenklat IADC-klassificeringssystem för rullkonborrar

Bergbrytningsmekanism och rörelseegenskaper

Under drift uppvisar en rullkonborr tre typer av sammansatt rörelse:

• Rotation: Konerna roterar medurs med hela borret.
• Rotation: Tänderna roterar moturs runt konaxeln.
• Glidning: Inklusive radiell och tangentiell glidning.

Denna sammansatta rörelse uppnår en dubbel bergbrytande effekt:

1.Stötkrossningseffekt: Växlande kontakt mellan enkla och dubbla tänder och det nedre hålet genererar längsgående vibrationer, vilket skapar stötbelastningar.

2.Glidande skjuvningseffekt: Bergskjuvning uppnås genom utformning av överhäng, dubbelkon och förskjutna konstruktioner.

Urvalsstrategi och formationsmatchning 

Grundläggande principer för val av rullkonborrkronor baserat på bergegenskaper:

• Mjuka formationer: Välj borrar med förskjutna, överhängande och dubbelkoniska strukturer, utrustade med höga, breda och glest frästa eller insatständer.
• Medelhårda formationer: Minska värdena för offset, överhäng och dubbelkon; använd korta, smala och täta tänder.
• Hårda och slipande formationer: Använd enkoniska rullar utan överhäng eller förskjutning, utrustade med kultänder eller koniska kultänder.
• Formationer som är benägna att böja sig: Välj korta tandade borr utan eller med liten förskjutning, och inga gage-tänder.
• Inbäddade mjuka och hårda formationer: Välj borrkronorstyper baserat på den hårdare bergarten och justera parametrarna dynamiskt under borrningen.

Svar på särskilda arbetsförhållanden

• Små borrhål (<177 mm): Använd konborrkronor med en rulle, vilka har större koner, tänder och lager för högre hållfasthet.
• Riktad borrning: Välj speciella avböjningsborrkronor där den tredje siffran i IADC-koden är 8. 

02 Diamantborrkronor: Kraftfulla verktyg för hårda formationer 

Som det hårdaste materialet i naturen har diamant en Mohs-hårdhet av grad 10, en tryckhållfasthet på upp till 8800 MPa och en slitstyrka som är 9000 gånger högre än stål. Genom att utnyttja denna egenskap har diamantborrkronor blivit det ultimata verktyget för att hantera hårda formationer.

Klassificeringssystem och teknologisk utveckling

Moderna diamantskär är huvudsakligen indelade i tre typer:

1.Ytbesatta diamantborrar

• Diamantpartiklar exponeras på matrisytan.
• Lämplig för medelhårda till hårda formationer.
• Klassificering av diamantpartikelstorlek:
• Mjuka formationer: 2 grain per carat (gpc) (partikelstorlek ca 4 mm)
• Medelhårda formationer: 3–4 gpc (partikelstorlek ca 3,6 mm)
• Hårda formationer: 10–15 gpc (partikelstorlek ca 2,0 mm)

2.Impregnerade diamantbitar

• Diamanterna impregneras inuti matrisen (60-400 gpc).
• Lämplig för hårda och slipande formationer (t.ex. flinta, kiselhaltig dolomit).
• Diamantsjälvslipning uppnås genom matrisslitage.

3.PDC-bitar (polykristallina diamantkompaktbitar)

• Introducerades först av General Electric (GE) i USA 1973.
• Kompakt struktur: Diamantlager + hårdmetallsubstrat.
• Lämplig för mjuka till medelhårda homogena formationer.

Strukturell design och kärnparametrar

Diamantborrar har en integrerad design utan rörliga delar, främst inklusive:

• Stålkropp: Tillverkad av medelstarkt kolstål, med anslutningsgängor på den övre delen.
• Matris: Volframkarbidpulver + kopparbaserad bindemetall, med en hårdhetsgrad på HRC 30-45.
• Skärelement: Naturliga/syntetiska diamanter eller PDC-kompakter.
• Hydraulisk struktur: Vattendrag och flödeskanaler (radiella, spiralformade etc.).

Viktiga designparametrar

• Diamantkoncentration: Justeras baserat på formationens slipförmåga; högre koncentration för mer slipande formationer.
• Utstickshöjd:
• Mjuka formationer: 1/3 av partikelstorleken
• Hårda formationer: 1/6-1/10 av partikelstorleken
• Läppform:
• Plattbottnad: För homogena formationer
• Böjd: För hårda formationer
• Tandad: För slipande formationer

Bergbrytningsmekanism och formationsrespons

Bergbrytningsmetoden för diamantborrkronor varierar med formationens egenskaper:

Plastiska formationer (t.ex. lersten, gips): Liknar en "plöjningsprocess"; diamanter penetrerar formationen och orsakar plastiskt flöde av bergart.

Spröda formationer (t.ex. kvartsandsten): Volumetriska krossgropar bildas, med skärstorlekar 2–4 gånger större än diamanter, vilket resulterar i hög effektivitet.

Hårda bergarter (t.ex. flinta, kiselhaltig bergart): Impregnerade borr används, och bergbrytning uppnås genom mikroskärning och repning, liknande slipning av slipskivor.

Tekniska fördelar och begränsningar med PDC-bitar

Som en revolutionerande produkt i diamantborrfamiljen har PDC-borr unika fördelar:

Strukturella egenskaper

PDC-borr med stålkropp: Integrerat medelstarkt kolstål med ythärdningsbehandling.

Matrix-Body PDC-borr: Övre stålkropp + nedre volframkarbidmatris, vilket ger bättre prestanda.

Profildesign

Parabolisk: För mjuka formationer, möjliggör hög borrlängd och borrhastighet.

Rund: För borrning med roterande bord, vilket underlättar penetrering av hårda mellanbäddar.

Konisk: För höghastighetsborrning, med god penetrationsprestanda.

Applikationsbegränsningar

Ej lämplig för grusformationer och mellanliggande mjuk-hårda formationer.

Temperaturbeständighetsgräns (slitaget intensifieras över 350 ℃; hållfasthetsbrott uppstår vid 700 ℃).

Dålig slagtålighet; kanterna på nya borr är benägna att flisas av.

Jämförelsetabell över tillämpliga formationer för diamantborrkronor

03 Vetenskaplig urvalsguide: Matchande formationer och operativa krav

Gyllene regler för val av rullkonskrona

Matchning av formationshårdhet

Mjuka formationer: Välj borr med hög offset, överhäng och dubbelkonstrukturer, utrustade med kilformade eller skedformade tänder.

Hårda formationer: Använd enkoniska, icke-förskjutna strukturer, utrustade med kultänder eller koniska kultänder.

Reaktion på slipkraft

För slipande formationer, använd insatsborr med gage-tänder.

Om tänderna i den yttre raden är rundade medan de mellersta tänderna uppvisar lite slitage, bör nästa borrspett utformas med förbättrat skydd mot givare.

Motåtgärder för särskilda arbetsförhållanden

Formationer benägna att böjas: Välj korta tandade borrkronor utan eller med liten förskjutning; formationens anpassningsförmåga bör vara något mjukare än den faktiska formationen.

Inbäddade mjuk-hårda formationer: Välj borrkronor baserat på den hårdare bergarten och justera parametrarna dynamiskt under borrningen.

Djupbrunnssektionborrning: Använd borrkronor med hög total yta för att kompensera för förlorad utlösningstid.

Urvalsstrategi för diamantborr

Tillämpliga villkor för PDC-bitar

Optimala scenarier: Långa homogena mjuka till medelhårda formationer (t.ex. skiffer, lersten, gips).

Förbjudna scenarier: Grusformationer, flintaberg, mellanliggande mjuk-hårda formationer.

Parameterinställning: Låg WOB (30-60 kN), högt varvtal (100-300 rpm), stort flöde.

Tillämpliga villkor för naturliga/syntetiska diamantborrar

Hårda till extremt hårda formationer (t.ex. granit, kvartsandsten).

Mycket slipande formationer (t.ex. flinta, kiselhaltig dolomit).

Turbinborrning, djupa/ultradjupa brunnar och kärnborrningsoperationer.

Särskilda krav för kärnborrar

Rullkonkärnborrkronor: Konisk design med fyra rullar (konisk/cylindrisk) eller konisk design med sex rullar (helcylindrisk).

Diamantkärnborrkronor: Kräver symmetriskt fördelade skäreggar med jämn slitstyrka.

Nyckelindikator: Koncentricitet mellan det inre hålet och den yttre cirkeln för att undvika kärnovalisering.

Bedömning och hantering av anomalier i borrhål

Identifiering av rullkonens arbetstillstånd

Lagerskador: Periodiska skakningar i rotationsbordet, förvärras vid högt WOB, minskad borrhastighet men normalt pumptryck.

Konförlust: Kraftig borrning som fastnar, våldsamma fluktuationer i viktindikatorn, förändring i infällningsdjup när borrsträngen dras upp.

Tandslitage: Minskad belastning på rotationsbordet, inga skakningar, betydande minskning av borrhastigheten.

Användningstabun för diamantborrar

Det nedre hålet måste rengöras innan borrkronan körs ner i borrhålet för att säkerställa att inga metallrester finns kvar.

Börja borra med liten voltvolym och lågt varvtal för "inkörning" (0,5 m bottenhålskonditionering).

Undvik brotschning; använd vid behov lågt strängtryck och lågt varvtal för jämn drift.

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