Κεφάλαιο 5ο Κοπτικά Άκρα

Αδαμαντοκορώνες (diamond bits) Τύποι κοπτικών άκρων Κοπτικά με περιστρεφόμενους κώνους (Roller Cone Bits-RCB ή rolling cutter bits ή rock bits) Πολυκρυσταλλικά συμπαγή αδαμαντοτρύπανα (Polycrystalline Diamond Compact bits-PDC bits) Αδαμαντοκορώνες (diamond bits)

Κοπτικά με ελάσματα (drag bits) Τα κοπτικά με ελάσματα είναι κατάλληλα για σχηματισμούς: Μαλακούς Κολλώδεις Μη συνεκτικούς

Κοπτικά με περιστρεφόμενους κώνους (Roller Cone Bits-RCB ή rolling cutter bits ή rock bits) Μαλακά πετρώματα χαμηλά θλιπτικά φορτία λεπτοί, οξύληκτοι, σχετικά μεγάλου μήκους Οδόντες Διάταξη αραιή Σκληρά πετρώματα υψηλά θλιπτικά φορτία (β) με ένθετους (εμφυτευμένους) οδόντες (α) με ενσωματωμένους οδόντες μικρού μήκους, στρογγυλεμένοι Οδόντες Διάταξη πυκνότερη

♦ τριβείς (journal pins) Τρίκωνα κοπτικά (three-cone bits) Kορυφή οδόντα Bάση οδόντα Οδόντες εξωτερικής σειράς με ενδιάμεσα κενά Τμήματα κοπτικού: Κώνος Νο. 3 ♦ άτρακτος (shank) Αύλακα μεταξύ οδόντων ♦ σκέλη (bit legs) Κώνος Νο. 2 Προεξέχουσα αιχμή ♦ τριβείς (journal pins) Μετρητής διαμέτρου σχήματος L Ακολουθούσα πλευροκόπηση (πλήρως σκληρυμένη επιφάνεια) Εγκοπή μεταξύ διαδοχικών σειρών οδόντων Οδηγούσα πλευροκόπηση (πλήρως σκληρυμένη επιφάνεια) Απάλειψη οδόντα Κώνος Νο. 1 (με προεξέχουσα αιχμή) Μετρητής διαμέτρου σχήματος T

Στοιχεία σχεδιασμού τρίκωνων κοπτικών Ένσφαιρος τριβέας Ωστικό κομβίο Μετρητής διαμέτρου Γωνία μεταξύ τριβέα & κοπτικού Κυλινδρικός τριβέας Γωνία μεταξύ τριβέα & κοπτικού Γωνία άξονα τριβέα και άξονα κοπτικού Απόσταση & αλληλεμπλοκή οδόντων Εκκεντρότητα κώνων Υδραυλική συμπεριφορά

Ταξινόμηση τρίκωνων κοπτικών

Αδαμαντοκορώνες (diamond bits) Κοπτικά κόκκου (διαμάντια σχετικά μεγάλου μεγέθους, εμφυτευμένα στη μήτρα) (έως 130 λίθοι/καράτι) (1 καράτι = 0,2 gr) Μαλακά και μέτριας σκληρότητας πετρώματα Κοπτικά κόνεως (διαμάντια μικρού μεγέθους, συσσωματωμένα στο υλικό της μήτρας) (από 200-4.500 λίθοι/καράτι) Σκληρά, φθοροποιά ή ρωγματωμένα πετρώματα

Τοποθέτηση των διαμαντιών σε καλούπι από γραφίτη Αδαμαντοκορώνες (diamond bits) (με φυσικά διαμάντια) Τμήματα κοπτικού Μέτωπο κοπτικού Εξωτερική αύλακα Στεφάνη Διαμάντια Τυπικό διαμέτρημα Αυλάκωση Εξωτερική αύλακα Δευτερεύουσα πορεία ρευστού Στέλεχος Εγκοπή Κύρια πορεία ρευστού Σύνδεσμος Τοποθέτηση των διαμαντιών σε καλούπι από γραφίτη Τομή κοπτικού Εσωτερικό σώμα Διαμάντι Στέλεχος Μήτρα

Πολυκρυσταλλικά αδαμαντοκοπτικά Πολυκρυσταλλικά συμπαγή αδαμαντοκοπτικά (Polycrystalline Diamond Compact bits – PDC bits) Εξωτερική αύλακα Εναλλάξιμο ακροφύσιο Κοπτήρας PDC Διαμέτρημα Θερμικά σταθερά πολυκρυσταλλικά αδαμαντοκοπτικά (Thermally Stable polycrystalline diamond compact Bits – TSP bits) Στέλεχος Εγκοπή

Μηχανισμός αποσύνθεσης του πετρώματος 1. Λειτουργία κοπτικών με ελάσματα Οριζόντια δύναμη (turning force) Κατακόρυφη δύναμη (bit weight) Δύναμη διείσδυσης (thrust) Επίπεδο διείσδυσης 30º Θρύμμα Επίπεδο διάτμησης πρώτης τάξης Γωνία διείσδυσης (bottom cutting angle) Γωνία κοπτικής ακμής & επιφάνειας προσβολής (bottom clearance angle) Σκληρυμένη επιφάνεια Γωνία απόξεσης (back rake) Ενσφήνωση ελάσματος + ελικοειδής κίνηση κοπτικού Κατακόρυφη δύναμη (W.O.B) + Οριζόντια δύναμη (ροπή στρέψης) Δύναμη διείσδυσης Πλευρική θραύση του πετρώματος που ξεκινά από τη θέση της εγκοπής με κατεύθυνση τη φορά της περιστροφής Γωνία μεταξύ κοπτικής ακμής και επιφάνειας προσβολής !!

Μηχανισμός αποσύνθεσης του πετρώματος Κοπτήρας (bit tooth) Μηχανισμός αποσύνθεσης του πετρώματος Πίεση στον πυθμένα της γεώτρησης (borehole pressure) Πέτρωμα (Α) ΠΡΟΣΚΡΟΥΣΗ ΚΟΠΤΗΡΑ (TOOTH IMPACT) 2. Λειτουργία κοπτικών με περιστρεφόμενους κώνους (θεωρία των κρατήρων) Κρατήρας (Β) ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΚΡΑΤΗΡΑ (WEDGE FORMATION) (Α) Αξονική φόρτιση (Ρ) στον κοπτήρα (bit tooth) (B) Ρ > θλιπτικής αντοχής πετρώματος περιοχή σύνθλιψης (μορφής κρατήρα - crushed wedge) Ρωγμάτωση (C) ΡΩΓΜΑΤΩΣΗ (FRACTURE) (C) Αύξηση P συμπίεση πετρώματος από κοπτήρα έντονες πλευρικές δυνάμεις στο συμπαγές πέτρωμα διατμητική τάση > διατμητικής αντοχής ρωγμάτωση πετρώματος (fracture) Θρυμματισμένη ζώνη (D) ΣΥΝΑΚΟΛΟΥΘΕΣ ΡΩΓΜΑΤΩΣΕΙΣ (POST-FRACTURE) “ΨΑΘΥΡΟ” (ΧΑΜΗΛΗ ΠΙΕΣΗ) “ΨΕΥΔΟΠΛΑΣΤΙΚΟ” (ΥΨΗΛΗ ΠΙΕΣΗ) (D) Συνεχής αύξηση P συνακόλουθες ρωγματώσεις έντονα θρυμματισμένη ζώνη (broken rock) (Ε) Χαμηλές διαφορές πιέσεων: εύκολη απομάκρυνση θρυμματισμένου πετρώματος (ejection) από τον κρατήρα (Ε) Απομάκρυνση (Ejection) (Ε΄) ΧΡΟΝΟΣ (F,G) Μετατόπιση κοπτήρα, επανάληψη ίδιου μηχανισμού (Ε΄) Υψηλές διαφορές πιέσεων: P + τριβή δύσκολη απομάκρυνση θρυμμάτων από τον κρατήρα (F) 2ος κρατήρας (Second wedge) (F΄) (F΄,G΄) Μετατόπιση επιπέδων ρωγμάτωσης ∕∕ επίπεδο αρχικής ρωγμάτωσης (πλαστική παραμόρφωση - ψευδοπλαστικοί κρατήρες) (G) Απομάκρυνση (Ejection) (G΄)

Μηχανισμός αποσύνθεσης του πετρώματος 3. Λειτουργία αδαμαντοκορώνων Στοιχείο υλικού κομμένο με διαμάντι ΔΙΑΜΑΝΤΙ Αυλάκι που σχηματίζεται από το διαμάντι Συνδυασμός διάτμησης και θλίψης Διείσδυση διαμαντιών Έντονο σβάρνισμα (π.χ. όργωμα με άροτρο – ploughing action)

Παράμετροι λειτουργίας κοπτικών Τεχνικές παράμετροι διάτρησης: Μηχανικές παράμετροι: (βάρος επί του κοπτικού, ταχύτητα περιστροφής, τύπος κοπτικού) Υδραυλικές παράμετροι: (παροχή λάσπης, πίεση λάσπης, τύπος και χαρακτηριστικά ρευστού διάτρησης, όπως πυκνότητα, ιξώδες κ.λπ.) Ιδιότητες πετρώματος: (μηχανικές, ορυκτολογικές, φθοροποιές) Μηχανικές παράμετροι Μεταβολή ταχύτητας διάτρησης (R) με το βάρος επί του κοπτικού (W) Μεταβολή ταχύτητας διάτρησης (R) με την ταχύτητα περιστροφής (N) (μαλακοί σχηματισμοί)

Παράμετροι λειτουργίας κοπτικών Υδραυλικές παράμετροι Ιδιότητες ρευστού διάτρησης: Παροχή αντλιών: (πυκνότητα, διαφορική πίεση, ιξώδες) Σχετική προχώρηση (%) Ιξώδες (cP, Stormer) Ταχύτητα διάτρησης (ft/hr) Pm – Πίεση στήλης λάσπης (psi) Pm- Pf – Διαφορική πίεση (psi) ΠΑΡΟΧΗ ΑΝΤΛΙΑΣ Διάμετρος κοπτικού (in) Ταχύτητα εκροής ακροφυσίων