Ferramentas clave para fondo de pozo: unha guía completa para a clasificación e aplicación de brocas de cono de rolo e brocas de diamante

01 Brocas de cono de rolo: ferramentas versátiles para adaptarse ás formacións

Desde a súa aparición en 1909, as brocas de cono de rolo convertéronse no tipo de broca máis empregado na perforación rotatoria. O seu deseño estrutural multicono único permítelles adaptarse a diversas condicións de formación, desde brandas ata extremadamente duras.

Composición estrutural e tecnoloxías básicas

Unha broca de cono de rolo consta de cinco compoñentes principais:

• Corpo da broca: Tres patas cónicas soldadas entre si, con roscas de conexión na parte superior.
• Conos de rolos: Corpos metálicos cónicos con dentes fresados ​​ou dentes de inserción na superficie.
• Sistema de rolamentos: composto por catro conxuntos de rolamentos: grandes, medianos, pequenos e rolamentos axiales.
• Boquillas: Normalmente de 3 a 4, cun diámetro de 7 a 14 mm.
• Sistema de almacenamento e selado de aceite: aneis de selado de goma ou metal combinados con dispositivos de compensación de presión.

Entre elas, a tecnoloxía de selado de rolamentos representa un avance tecnolóxico clave para as brocas de cono de rolos. As brocas modernas adoptan un sistema de compensación de presión de almacenamento de aceite, que mantén o equilibrio dinámico entre a presión do aceite na cavidade do rolamento e a presión da columna de fluído de perforación no fondo do pozo a través de compoñentes como orificios de transmisión de presión, diafragmas de compensación de presión e copas de aceite.

Sistema de clasificación e codificación IADC

A Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC) desenvolveu un estándar de clasificación unificado a nivel mundial para as brocas de cono de rolo, utilizando un sistema de codificación de tres díxitos:

Primeiro díxito: tipo de dente e formación aplicable

1: Dentes fresados, formacións brandas

2: Dentes fresados, formacións de dureza media a media

3: Dentes fresados, formacións duras e abrasivas

5: Dentes de inserción, formacións brandas a medias

6: Dentes de inserción, formacións de dureza media

7: Dentes de inserción, formacións duras e abrasivas

8: Dentes de inserción, formacións extremadamente duras e altamente abrasivas

Segundo díxito: Subdivisión da dureza da formación (Grao 1-4; os números máis altos indican formacións máis duras)

Terceiro díxito: características estruturais dos bits

4: Rodamentos de rolos selados

6: Rodamentos deslizantes selados

7: Rodamentos deslizantes selados + protección do calibre de inserción

8: Brocas deflectoras para perforación direccional

Sistema de clasificación IADC simplificado para brocas de cono de rolo

Mecanismo de rotura de rochas e características do movemento

Durante o funcionamento, unha broca de cono de rolo exhibe tres tipos de movemento composto:

• Revolución: Os conos xiran no sentido das agullas do reloxo xunto coa broca enteira.
• Rotación: Os dentes xiran en sentido antihorario arredor do eixe do cono.
• Deslizamento: incluíndo deslizamento radial e tanxencial.

Este movemento composto consegue un dobre efecto de rotura de rochas:

1.Efecto de esmagamento por impacto: o contacto alternado de dentes simples e dobres co orificio inferior xera vibracións lonxitudinais, creando cargas de impacto.

2.Efecto de corte por deslizamento: o corte da rocha conséguese mediante o deseño de estruturas en voladizo, dobre cono e desprazadas.

Estratexia de selección e correspondencia de formacións 

Principios básicos para a selección de brocas de cono de rolo en función das propiedades da rocha:

• Formacións brandas: Seleccione brocas con estruturas desviadas, en voladizo e de dobre cono, equipadas con dentes fresados ​​ou de inserción altos, anchos e dispersos.
• Formacións medianamente duras: Reducir os valores de desprazamento, voladizo e dobre cono; usar dentes curtos, estreitos e densos.
• Formacións duras e abrasivas: Adoptan rolos dun só cono sen saliente nin desprazamento, equipados con dentes de bóla ou dentes de bóla cónica.
• Formacións propensas a deflexión: Seleccione brocas de dentes curtos sen desprazamento ou con desprazamento pequeno e sen dentes de calibre.
• Formacións brandas e duras interestratificadas: selecciona os tipos de brocas en función da rocha máis dura e axusta dinamicamente os parámetros durante a perforación.

Resposta a condicións de traballo especiais

• Buracos pequenos (<177 mm): use brocas cónicas dun só rolo, que teñen conos, dentes e rolamentos máis grandes para unha maior resistencia.
• Perforación direccional: seleccione brocas deflectoras especiais co terceiro díxito do código IADC sendo 8. 

02 Brocas de diamante: ferramentas potentes para formacións duras 

Como o material máis duro da natureza, o diamante ten unha dureza Mohs de grao 10, unha resistencia á compresión de ata 8800 MPa e unha resistencia ao desgaste 9000 veces maior que a do aceiro. Aproveitando esta propiedade, as brocas de diamante convertéronse na ferramenta definitiva para abordar formacións duras.

Sistema de clasificación e evolución tecnolóxica

As brocas de diamante modernas divídense principalmente en tres tipos:

1.Brocas de diamante de fixación superficial

• As partículas de diamante están expostas na superficie da matriz.
• Apto para formacións de mediana a dura.
• Clasificación do tamaño das partículas de diamante:
• Formacións brandas: 2 grans por quilate (gpc) (tamaño de partícula aprox. 4 mm)
• Formacións de dureza media: 3-4 gpc (tamaño de partícula aprox. 3,6 mm)
• Formacións duras: 10-15 gpc (tamaño de partícula aprox. 2,0 mm)

2.Brocas de diamante impregnadas

• Os diamantes están impregnados dentro da matriz (60-400 gpc).
• Apto para formacións duras e abrasivas (por exemplo, sílex, dolomita silícea).
• O autoafiado do diamante conséguese mediante o desgaste da matriz.

3.Brocas PDC (brocas compactas de diamante policristalino)

• Introducido por primeira vez por General Electric (GE) dos Estados Unidos en 1973.
• Estrutura compacta: capa de diamante + substrato de carburo cementado.
• Apto para formacións homoxéneas de brandas a medianamente duras.

Deseño estrutural e parámetros principais

As brocas de diamante adoptan un deseño integral sen pezas móbiles, incluíndo principalmente:

• Corpo de aceiro: Fabricado en aceiro de carbono medio, con roscas de conexión na parte superior.
• Matriz: po de carburo de volframio + metal aglutinante a base de cobre, cun grao de dureza HRC 30-45.
• Elementos de corte: Diamantes naturais/sintéticos ou compactos PDC.
• Estrutura hidráulica: Cursos de auga e canles de fluxo (radiais, en espiral, etc.).

Parámetros clave de deseño

• Concentración de diamante: Axustada en función da abrasividade da formación; maior concentración para formacións máis abrasivas.
• Altura da protuberancia:
• Formacións brandas: 1/3 do tamaño das partículas
• Formacións duras: 1/6-1/10 do tamaño das partículas
• Forma do beizo:
• Fondo plano: Para formacións homoxéneas
• Curvo: Para formacións duras
• Serrado: Para formacións abrasivas

Mecanismo de rotura de rochas e resposta da formación

O método de rotura de rochas con brocas de diamante varía segundo as propiedades da formación:

Formacións plásticas (por exemplo, lutita, xeso): semellante a un proceso de "arado"; os diamantes penetran na formación para provocar o fluxo plástico da rocha.

Formacións fráxiles (por exemplo, arenito de cuarzo): Fórmanse pozos de trituración volumétrica, con tamaños de corte de 2 a 4 veces a protuberancia dos diamantes, o que resulta nunha alta eficiencia.

Rochas duras (por exemplo, sílex, rocha silícea): utilízanse brocas impregnadas e a rotura da rocha conséguese mediante microcorte e rabuñadura, de xeito similar á abrasión da muíña de amolar.

Vantaxes técnicas e limitacións dos bits PDC

Como produto revolucionario na familia de brocas de diamante, as brocas PDC teñen vantaxes únicas:

Características estruturais

Brocas PDC de corpo de aceiro: aceiro integral de carbono medio con tratamento de endurecemento superficial.

Puntas PDC de corpo matricial: corpo superior de aceiro + matriz inferior de carburo de tungsteno, que ofrecen un mellor rendemento.

Deseño de perfil

Parabólica: Para formacións brandas, o que permite unha alta metraxe e velocidade de perforación.

Redonda: Para perforación con mesa rotatoria, facilitando a penetración en intercapas duras.

Cónico: Para perforación a alta velocidade, con bo rendemento de penetración.

Limitacións da aplicación

Non é axeitado para formacións de grava e formacións interestratificadas de tipo brando-dura.

Límite de resistencia á temperatura (o desgaste intensifícase por riba dos 350 ℃; a falla por resistencia ocorre a 700 ℃).

Mala resistencia ao impacto; é probable que se produzan desconchados nos bordos das brocas novas.

Táboa comparativa das formacións aplicables para as brocas de diamante

03 Guía de selección científica: Formacións coincidentes e requisitos operativos

Regras de ouro para a selección de brocas de cono de rolo

Correspondencia da dureza da formación

Formacións brandas: seleccione brocas con gran desprazamento, voladizo e estruturas de dobre cono, equipadas con dentes en forma de cuña ou de culler.

Formacións duras: Adopta estruturas dun só cono, non desprazadas, equipadas con dentes esféricos ou dentes esféricos cónicos.

Resposta á abrasividade

Para formacións abrasivas, use brocas de inserción con dentes de calibre.

Se os dentes da fila exterior están redondeados mentres que os dentes do medio mostran pouco desgaste, a seguinte parte debería deseñarse cunha protección de calibre mellorada.

Contramedidas para condicións de traballo especiais

Formacións propensas a deflexións: selecciona brocas de dentes curtos sen desprazamento ou con desprazamento pequeno; a adaptabilidade da formación debería ser lixeiramente máis branda que a formación real.

Formacións interestratificadas de rocha branda e dura: selecciona brocas en función da rocha máis dura e axusta dinamicamente os parámetros durante a perforación.

Perforación de seccións de pozos profundos: usar brocas con metros totais elevados para compensar a perda de tempo de disparo.

Estratexia de selección para brocas de diamante

Condicións aplicables para os bits PDC

Escenarios óptimos: Formacións longas homoxéneas de brandas a semiduras (por exemplo, xisto, lutita, xeso).

Escenarios prohibidos: formacións de grava, interestratos de sílex, formacións brandas-duras interestratificadas.

Axuste de parámetros: WOB baixo (30-60 kN), RPM elevado (100-300 rpm), caudal elevado.

Condicións aplicables para brocas de diamante natural/sintético

Formacións duras a extremadamente duras (por exemplo, granito, arenito de cuarzo).

Formacións moi abrasivas (por exemplo, sílex, dolomita silícea).

Perforación con turbinas, pozos profundos/ultraprofundos e operacións de extracción de núcleos.

Requisitos especiais para as brocas de núcleo

Brocas de cono de rolos: deseño de cono de catro rolos (cónico/cilíndrico) ou de cono de seis rolos (completamente cilíndrico).

Brocas de diamante: requiren filos de corte distribuídos simetricamente con resistencia ao desgaste consistente.

Indicador clave: Concentricidade entre o orificio interior e o círculo exterior para evitar a ovalización do núcleo.

Xuízo e xestión de anomalías no fondo do pozo

Identificación das condicións de traballo da broca cónica de rolos

Danos nos rolamentos: sacudidas periódicas da mesa rotatoria, que empeoran con WOB elevado, velocidade de perforación reducida pero presión da bomba normal.

Perda de cono: Atascos graves da perforación, flutuación violenta do indicador de peso, cambio na profundidade de disparo ao subir a sarta de perforación.

Desgaste dos dentes: Carga reducida da mesa rotatoria, sen sacudidas, diminución significativa da velocidade de perforación.

Tabús de uso para as brocas de diamante

Débese limpar o fondo do burato antes de colocar a broca no fondo do burato para garantir que non queden restos metálicos.

Comezar a perforar cun WOB pequeno e baixas RPM para a "rodaxe" (acondicionamento de fondo de pozo de 0,5 m).

Evite as operacións de escariado; se é necesario, use un WOB baixo e baixas RPM para un funcionamento uniforme.

Contacto:Jessie Zhou
Móbil/Whatsapp:+0086-18109206861
Web:www.landrilltools.com