أدوات الحفر الرئيسية: دليل شامل لتصنيف واستخدام رؤوس الحفر المخروطية الدوارة ورؤوس الحفر الماسية

1. رؤوس حفر مخروطية دوارة: أدوات متعددة الاستخدامات للتكيف مع التكوينات

منذ ظهورها عام 1909، أصبحت رؤوس الحفر المخروطية الدوارة أكثر أنواع رؤوس الحفر استخداماً في الحفر الدوراني. ويُمكّنها تصميمها الهيكلي الفريد متعدد المخاريط من التكيف مع ظروف التكوينات المختلفة، من اللينة إلى الصلبة للغاية.

التركيب الهيكلي والتقنيات الأساسية

يتكون مثقاب المخروط الدوار من خمسة مكونات أساسية:

• جسم المثقاب: ثلاث أرجل مخروطية ملحومة معًا، مع خيوط توصيل في الجزء العلوي.
• المخاريط الدوارة: أجسام معدنية مخروطية الشكل ذات أسنان مطحونة أو أسنان داخلية على السطح.
• نظام المحامل: يتألف من أربع مجموعات من المحامل: محامل كبيرة، متوسطة، صغيرة، ومحامل دفع.
• الفوهات: عادة ما يكون عددها 3-4، بقطر 7-14 ملم.
• نظام تخزين الزيت وإحكام الغلق: حلقات إحكام غلق مطاطية أو معدنية مدمجة مع أجهزة تعويض الضغط.

ومن بين هذه التقنيات، تمثل تقنية منع التسرب في المحامل طفرة تكنولوجية رئيسية في رؤوس الحفر المخروطية الدوارة. وتعتمد رؤوس الحفر الحديثة نظام تعويض ضغط تخزين الزيت، الذي يحافظ على التوازن الديناميكي بين ضغط الزيت في تجويف المحمل وضغط عمود سائل الحفر في قاع البئر من خلال مكونات مثل فتحات نقل الضغط، وأغشية تعويض الضغط، وأكواب الزيت.

نظام التصنيف وتشفير IADC

قامت الرابطة الدولية لمقاولي الحفر (IADC) بتطوير معيار تصنيف موحد عالميًا لريش الحفر المخروطية الدوارة، باستخدام نظام ترميز مكون من ثلاثة أرقام:

الرقم الأول: نوع السن والتكوين المناسب

1: أسنان مطحونة، تكوينات لينة

2: أسنان مطحونة، متوسطة إلى متوسطة الصلابة

3: أسنان مطحونة، وتكوينات صلبة وكاشطة

5: إدخال الأسنان، التكوينات اللينة إلى المتوسطة

6: إدخال الأسنان، التكوينات متوسطة الصلابة

7: إدخال الأسنان، والتكوينات الصلبة والكاشطة

8: إدخال الأسنان، وهي تكوينات شديدة الصلابة وذات قدرة عالية على الكشط

الرقم الثاني: تقسيم فرعي لصلابة التكوين (الدرجة 1-4؛ تشير الأرقام الأعلى إلى تكوينات أكثر صلابة)

الرقم الثالث: الخصائص الهيكلية للبت

4: محامل أسطوانية مغلقة

6: محامل انزلاقية مغلقة

7: محامل انزلاقية محكمة الإغلاق + حماية مقياس الإدخال

8: رؤوس حفر قابلة للتوجيه للحفر الموجه

نظام تصنيف IADC المبسط لريش المخروط الدوار

آلية تكسير الصخور وخصائص الحركة

أثناء التشغيل، يُظهر مثقاب المخروط الدوار ثلاثة أنواع من الحركة المركبة:

• الثورة: تدور المخاريط في اتجاه عقارب الساعة مع الجزء بأكمله.
• الدوران: تدور الأسنان عكس اتجاه عقارب الساعة حول محور المخروط.
• الانزلاق: بما في ذلك الانزلاق الشعاعي والمماسي.

تحقق هذه الحركة المركبة تأثيراً مزدوجاً في تكسير الصخور:

1.تأثير السحق الناتج عن الصدمات: يؤدي التلامس المتناوب للأسنان المفردة والمزدوجة مع الفتحة السفلية إلى توليد اهتزاز طولي، مما يخلق أحمال صدمية.

2.تأثير القص الانزلاقي: يتم تحقيق قص الصخور من خلال تصميم الهياكل المتدلية والمخروطية المزدوجة والمزاحة.

استراتيجية الاختيار ومطابقة التشكيلة 

المبادئ الأساسية لاختيار رؤوس الحفر المخروطية الدوارة بناءً على خصائص الصخور:

• التكوينات اللينة: اختر رؤوس الحفر ذات الهياكل المائلة والبارزة والمخروطية المزدوجة، والمجهزة بأسنان مطحونة أو مدرجة طويلة وعريضة ومتباعدة.
• التكوينات متوسطة الصلابة: قلل من قيم الإزاحة، والنتوء، والمخروط المزدوج؛ استخدم أسنانًا قصيرة وضيقة وكثيفة.
• التشكيلات الصلبة والكاشطة: اعتمد بكرات مخروطية مفردة بدون بروز أو إزاحة، ومجهزة بأسنان كروية أو أسنان كروية مخروطية.
• التكوينات المعرضة للانحراف: اختر رؤوس حفر قصيرة الأسنان بدون إزاحة أو بإزاحة صغيرة، وبدون أسنان قياس.
• التكوينات اللينة والصلبة المتداخلة: اختر أنواع رؤوس الحفر بناءً على الصخور الأكثر صلابة، وقم بضبط المعلمات ديناميكيًا أثناء الحفر.

الاستجابة لظروف العمل الخاصة

• الثقوب الصغيرة (<177 مم): استخدم رؤوس حفر مخروطية أحادية الأسطوانة، والتي تحتوي على مخاريط وأسنان ومحامل أكبر لزيادة القوة.
• الحفر الموجه: اختر رؤوس حفر خاصة قابلة للانحراف بحيث يكون الرقم الثالث من رمز IADC هو 8. 

02 رؤوس حفر ماسية: أدوات قوية للتكوينات الصخرية الصلبة 

يُعتبر الماس أصلب مادة في الطبيعة، إذ تبلغ صلابته 10 درجات على مقياس موس، وقوة انضغاط تصل إلى 8800 ميجا باسكال، ومقاومة للتآكل تفوق مقاومة الفولاذ بـ 9000 مرة. وبفضل هذه الخاصية، أصبحت رؤوس الحفر الماسية الأداة الأمثل للتعامل مع التكوينات الصخرية الصلبة.

نظام التصنيف والتطور التكنولوجي

تنقسم رؤوس القطع الماسية الحديثة بشكل أساسي إلى ثلاثة أنواع:

1.رؤوس ماسية مثبتة على السطح

• تظهر جزيئات الماس على سطح المادة الأساسية.
• مناسب للتكوينات متوسطة الصلابة إلى الصلبة.
• تصنيف حجم جزيئات الماس:
• التكوينات اللينة: 2 حبة لكل قيراط (حجم الجسيمات حوالي 4 مم)
• التكوينات متوسطة الصلابة: 3-4 جم/بوصة مربعة (حجم الجسيمات حوالي 3.6 مم)
• التكوينات الصلبة: 10-15 جم/بوصة مربعة (حجم الجسيمات حوالي 2.0 مم)

2.رؤوس ماسية مشبعة

• يتم تشريب الماس داخل المصفوفة (60-400 جم/بوصة مربعة).
• مناسب للتكوينات الصلبة والكاشطة (مثل الصوان والدولوميت السيليسي).
• تتحقق خاصية الشحذ الذاتي للألماس من خلال تآكل المادة الأساسية.

3.رؤوس مفكات PDC (رؤوس مفكات الماس متعددة البلورات المضغوطة)

• تم طرحها لأول مرة من قبل شركة جنرال إلكتريك (GE) الأمريكية في عام 1973.
• بنية مضغوطة: طبقة من الماس + ركيزة من كربيد التنجستن.
• مناسب للتكوينات المتجانسة اللينة إلى متوسطة الصلابة.

التصميم الهيكلي والمعايير الأساسية

تعتمد رؤوس الماس تصميمًا متكاملًا بدون أجزاء متحركة، وتشمل بشكل أساسي ما يلي:

• الهيكل الفولاذي: مصنوع من فولاذ متوسط ​​الكربون، مع خيوط توصيل في الجزء العلوي.
• المادة الأساسية: مسحوق كربيد التنجستن + معدن ربط قائم على النحاس، بدرجة صلابة من 30 إلى 45 HRC.
• عناصر القطع: الماس الطبيعي/الاصطناعي أو الماس المضغوط PDC.
• الهيكل الهيدروليكي: مجاري المياه وقنوات التدفق (شعاعية، حلزونية، إلخ).

معايير التصميم الرئيسية

• تركيز الماس: يتم تعديله بناءً على مدى خشونة التكوين؛ تركيز أعلى للتكوينات الأكثر خشونة.
• ارتفاع البروز:
• التكوينات اللينة: ثلث حجم الجسيمات
• التكوينات الصلبة: من 1/6 إلى 1/10 من حجم الجسيمات
• شكل الشفاه:
• قاع مسطح: للتكوينات المتجانسة
• منحني: للتكوينات الصلبة
• مسنن: للتكوينات الكاشطة

آلية تكسير الصخور واستجابة التكوين

تختلف طريقة تكسير الصخور باستخدام رؤوس الحفر الماسية باختلاف خصائص التكوين الصخري:

التكوينات اللدنة (مثل الحجر الطيني والجبس): تشبه عملية "الحرث"؛ حيث تخترق الماسات التكوين لتسبب التدفق اللدن للصخور.

التكوينات الهشة (مثل الحجر الرملي الكوارتزي): تتشكل حفر التكسير الحجمية، بأحجام قطع تتراوح من 2 إلى 4 أضعاف بروز الماس، مما يؤدي إلى كفاءة عالية.

الصخور الصلبة (مثل الصوان والصخور السيليسية): يتم استخدام رؤوس مشبعة، ويتم تحقيق تكسير الصخور من خلال القطع الدقيق والخدش، على غرار احتكاك عجلة الطحن.

المزايا والقيود التقنية لبتات PDC

باعتبارها منتجًا ثوريًا في عائلة رؤوس الحفر الماسية، تتمتع رؤوس الحفر PDC بمزايا فريدة:

السمات الهيكلية

رؤوس الحفر PDC ذات الجسم الفولاذي: فولاذ كربوني متوسط ​​متكامل مع معالجة سطحية للتصليد.

رؤوس PDC ذات الجسم المصفوفي: جسم فولاذي علوي + مصفوفة كربيد التنجستن السفلية، مما يوفر أداءً أفضل.

تصميم الملف الشخصي

القطع المكافئ: للتكوينات الرخوة، مما يتيح طولًا عاليًا ومعدل حفر مرتفع.

دائري: للحفر باستخدام طاولة دوارة، مما يسهل اختراق الطبقات الصلبة المتداخلة.

مخروطي: للحفر عالي السرعة، مع أداء اختراق جيد.

قيود التطبيق

غير مناسب للتكوينات الحصوية والتكوينات المتداخلة بين التربة الرخوة والصلبة.

حد مقاومة درجة الحرارة (يزداد التآكل فوق 350 درجة مئوية؛ ويحدث فشل القوة عند 700 درجة مئوية).

مقاومة ضعيفة للصدمات؛ من المرجح حدوث تشقق في حواف القطع الجديدة.

جدول مقارنة التشكيلات المناسبة لريش الحفر الماسية

03 دليل الاختيار العلمي: مطابقة التشكيلات والمتطلبات التشغيلية

قواعد ذهبية لاختيار لقمة المخروط الدوار

مطابقة صلابة التكوين

التكوينات اللينة: اختر لقم ذات إزاحة عالية، ونتوء، وهياكل مخروطية مزدوجة، ومجهزة بأسنان على شكل إسفين أو ملعقة.

التكوينات الصلبة: اعتماد هياكل مخروطية مفردة غير منزاحة، مزودة بأسنان كروية أو أسنان كروية مخروطية.

الاستجابة للخشونة

بالنسبة للتكوينات الكاشطة، استخدم رؤوس حفر ذات أسنان قياس.

إذا كانت أسنان الصف الخارجي مستديرة بينما تظهر الأسنان الوسطى القليل من التآكل، فيجب تصميم القطعة التالية بحماية محسّنة للمقياس.

تدابير مضادة لظروف العمل الخاصة

التكوينات المعرضة للانحراف: اختر رؤوس حفر قصيرة الأسنان بدون إزاحة أو بإزاحة صغيرة؛ يجب أن تكون قدرة التكوين على التكيف أكثر ليونة قليلاً من التكوين الفعلي.

التكوينات اللينة والصلبة المتداخلة: اختر رؤوس الحفر بناءً على الصخور الأكثر صلابة، وقم بضبط المعلمات ديناميكيًا أثناء الحفر.

حفر الآبار العميقة: استخدم رؤوس حفر ذات طول إجمالي كبير للتعويض عن فقدان وقت السحب.

استراتيجية اختيار رؤوس الحفر الماسية

الشروط المطبقة على بتات PDC

السيناريوهات المثلى: تكوينات طويلة متجانسة لينة إلى متوسطة الصلابة (مثل الصخر الزيتي، والحجر الطيني، والجبس).

السيناريوهات المحظورة: التكوينات الحصوية، والطبقات المتداخلة من الصوان، والتكوينات المتداخلة من الصخور الرسوبية والصلبة.

إعدادات المعلمات: وزن منخفض (30-60 كيلو نيوتن)، سرعة دوران عالية (100-300 دورة في الدقيقة)، معدل تدفق كبير.

الشروط المطبقة على رؤوس الحفر المصنوعة من الماس الطبيعي/الاصطناعي

تكوينات صلبة إلى شديدة الصلابة (مثل الجرانيت، والحجر الرملي الكوارتزي).

تكوينات شديدة الكشط (مثل الصوان والدولوميت السيليسي).

حفر التوربينات، والآبار العميقة/العميقة جداً، وعمليات أخذ العينات اللبية.

متطلبات خاصة للوحدات الأساسية

رؤوس الحفر ذات النواة المخروطية الدوارة: تصميم مخروطي بأربعة بكرات (مخروطي/أسطواني) أو مخروطي بستة بكرات (أسطواني كامل).

رؤوس الحفر الماسية: تتطلب حواف قطع موزعة بشكل متناظر مع مقاومة تآكل ثابتة.

المؤشر الرئيسي: التمركز بين الفتحة الداخلية والدائرة الخارجية لتجنب تشوه اللب.

تقييم ومعالجة الشذوذات في قاع البئر

تحديد حالة تشغيل لقمة المخروط الدوار

تلف المحامل: اهتزاز دوري للطاولة الدوارة، يزداد سوءًا تحت ضغط مرتفع، وانخفاض معدل الحفر ولكن ضغط المضخة طبيعي.

فقدان المخروط: انحشار شديد أثناء الحفر، وتقلب عنيف في مؤشر الوزن، وتغير في عمق السحب عند سحب سلسلة الحفر.

تآكل الأسنان: انخفاض الحمل على الطاولة الدوارة، وعدم حدوث اهتزازات، وانخفاض كبير في معدل الحفر.

محظورات استخدام رؤوس الماس

يجب تنظيف الفتحة السفلية قبل إنزال المثقاب إلى أسفل الحفرة لضمان عدم وجود أي بقايا معدنية.

ابدأ الحفر باستخدام وزن منخفض للمثقاب وسرعة دوران منخفضة لعملية "التحضير" (0.5 متر لتجهيز قاع البئر).

تجنب عمليات التوسيع؛ وإذا لزم الأمر، استخدم وزن منخفض على المحمل وسرعة دوران منخفضة للحصول على تشغيل موحد.

اتصال :جيسي تشو
جوال/واتساب:+0086-18109206861
الموقع الإلكتروني:www.landrilltools.com