Richtige Verwendung von Dreikegelbohrern
Wie die Lithologie der Formation das Bohrmeißelversagen beeinflusst: Die Lithologie der Formation beeinflusst die Bohrleistung auf vielfältige Weise: Sie beeinflusst die Bohrgeschwindigkeit und die Bohrlochtiefe, kann komplexe Bohrprobleme wie Spülungsverluste, Kicks, Bohrlochkollaps und Festklemmen des Bohrgestänges verursachen, verändert das Verhalten der Spülflüssigkeit und beeinflusst die Bohrlochqualität (Bohrlochabweichungen und unregelmäßige Durchmesser), was wiederum die Zementierqualität beeinträchtigt. Die Analyse der Lithologie und ihres Bohrverhaltens ist unerlässlich für die Auswahl des geeigneten Bohrmeißels und die Beurteilung, ob dessen Einsatz sinnvoll ist.
Tone, Schlammsteine und Schiefer: Diese Gesteinsformationen absorbieren leicht freies Wasser aus der Bohrflüssigkeit und quellen auf. Dadurch verringert sich der Bohrlochdurchmesser, und es entsteht ein Widerstand beim Bohren, der zu einem Festklemmen des Bohrgestänges führen kann. Längeres Einweichen kann außerdem zu Abplatzungen und einer Aufweitung des Bohrlochs führen, was einen Einsturz zur Folge haben kann. Verwenden Sie nach Möglichkeit Süßwasser oder Bohrspülung mit geringer Dichte und niedriger Viskosität. Kohlenstoffhaltige Schiefer weisen eine geringe Kohäsion auf und neigen zum Einsturz. Weiche, tonreiche Formationen lassen sich zwar schnell bohren, sind aber anfällig für Verklumpungen des Bohrers.
Sandsteine: Die Eigenschaften von Sandstein variieren stark in Abhängigkeit von Korngröße, Mineralzusammensetzung und Zementart. Feinere Körner, ein höherer Quarzgehalt und kieselsäure- oder eisenreicher Zement machen das Gestein härter und abrasiver, was den Verschleiß des Bohrers erhöht (z. B. Quarzarenit). Ein höherer Anteil an Tonzement, Glimmer oder Feldspat macht das Gestein weicher und erleichtert das Bohren. Gröbere Körner und eine unzureichende Zementierung erhöhen die Permeabilität und das Risiko von Flüssigkeitsverlusten; ein dicker Filterkuchen kann sich an der Bohrlochwand bilden und zu Verklebungen und damit zu Problemen beim Bohren führen.
Konglomerate: Bohrungen in Konglomeraten führen häufig zu Bohrerflattern, Rattern und Bohrlochwandschäden. Bei geringer Förderleistung oder unzureichender Spülungsviskosität gelangen Partikel in Kiesgröße nicht ohne Weiteres an die Oberfläche; große Bohrkleinpartikel können Bohrkegel und -zähne beschädigen.
Kalksteine: Typischerweise hart, mit geringer Bohrgeschwindigkeit und begrenzter Bohrtiefe. Viele Kalksteine weisen Risse, Drusen und Hohlräume auf; das Antreffen dieser kann zu Bohrlochstillstand, Auswaschungen, Spülungsverlust und gelegentlich zu Blowouts führen. Kalkstein beeinflusst Bohrgeschwindigkeit, mechanische Vorschubgeschwindigkeit und Bohrmeißelverschleiß erheblich. Wechselnde harte und weiche Schichten (z. B. Tonstein im Wechsel mit hartem Sandstein) und stark einfallende Formationen erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Bohrlochabweichungen; Bohrmeißelschäden treten häufiger bei stark abgelenkten Bohrlöchern auf. Lösliche Salzschichten (Gips, Halit usw.) können die Eigenschaften der Spülflüssigkeit verschlechtern und die normale Bohrmeißelleistung beeinträchtigen.
Bohrparameter und ihre Auswirkungen. Die wichtigsten steuerbaren Bohrparameter sind das Gewicht auf dem Bohrmeißel (WOB), die Drehzahl (RPM) und die Spülungszirkulationsrate. Diese Parameter sollten anhand der Formationsbedingungen, des Bohrmeißeltyps, der Leistungsfähigkeit der Bohranlage und der Erfahrung des Bedieners ausgewählt werden. Bohrparameter werden üblicherweise wie folgt klassifiziert:
Optimierte Bohrparameter: diejenigen, die unter gegebenen Bedingungen das beste wirtschaftliche Ergebnis erzielen.
Aggressive (oder verbesserte) Bohrparameter: Werte, die höher als normal sind, um höhere Bohrgeschwindigkeiten zu erzielen.
Spezielle Bohrtechniken: spezifische Methoden oder eingeschränkte Parametersätze, die für bestimmte Ziele verwendet werden.
Unterschiedliche Parametereinstellungen erfordern unterschiedliche Bohrmeißeltypen; Bohrmeißel versagen unter verschiedenen Bohrbedingungen durch unterschiedliche Mechanismen und müssen dementsprechend behandelt werden.
2.1 Einfluss des Gewichts auf den Meißel (WOB) Der Einfluss des Gewichts auf den Meißel (WOB) ist eine wesentliche Voraussetzung für das Brechen von Gestein an der Meißelvorderseite. Die Größe des WOB bestimmt die Art und Weise des Gesteinsbruchs und beeinflusst direkt die Bohrgeschwindigkeit und den Meißelverschleiß. Unter axialer Belastung und Drehmoment verschleißen, stumpfen ab oder brechen die Schneidzähne beim Eindringen in das Gestein und dessen Abscherung, was die Bohrgeschwindigkeit deutlich beeinträchtigt. Mit zunehmendem WOB steigt zwar im Allgemeinen die Bohrgeschwindigkeit, jedoch verschleißen Lager und Schneidzähne schneller, was wiederum die Bohrgeschwindigkeit reduziert. Der Zusammenhang zwischen WOB und Bohrgeschwindigkeit verändert sich in drei Phasen:
Oberflächenbruchstadium: Ist das Arbeitsgewicht (WOB) geringer als die Eindruckhärte des Gesteins, können die Schneidzähne nicht eindringen, sondern tragen die Gesteinsoberfläche nur ab. Der Verschleiß ist hoch und das Eindringen gering, wobei das Eindringen proportional mit zunehmendem Arbeitsgewicht ansteigt.
Ermüdungsbruchstadium: Wenn WOB sich der Eindringhärte des Gesteins nähert, erzeugt die wiederholte Einwirkung der Zähne viele Oberflächenrisse und es kommt zu einer fortschreitenden Fragmentierung, auch ohne vollständiges Eindringen.
Phase der Massenzerstörung: Sobald das Bohrgewicht (WOB) die Härte des Gesteins übersteigt, dringen die Zähne ein und erzeugen Massenzerstörung. Das Bohren wird dadurch effizienter, und dies ist der normale Bohrvorgang. Daher muss das angewendete Bohrgewicht ausreichend sein, damit die Zähne eindringen und eine Massenzerstörung erzeugen können.
Die Verdopplung des Bohrgewichts (WOB) in Tests mit Dreikegelbohrkronen zeigte, dass verschiedene Gesteinsarten unterschiedlich reagieren: Mittelharte Gesteine (Gesteinsklassen 6–7) weisen die größte Steigerung der Bohrgeschwindigkeit auf; weichere (Klassen 4–5) und härtere (Klassen 8–9) Gesteine zeigen geringere Steigerungen. Beim Bohren von klebrigen, weichen Formationen kann es zu Bohrschlammbrücken und Festklemmen der Bohrkrone kommen, daher sollte das Bohrgewicht relativ niedrig sein. In stark abrasiven Formationen führt ein unzureichendes Bohrgewicht zu vorzeitigem Verschleiß der Bohrkrone, daher sollte das Bohrgewicht entsprechend erhöht werden. Beim Bohren in geklüfteten Formationen ist Bohrerprellung häufig, und das Bohrgewicht sollte reduziert werden, um Zahnbruch oder Abplatzungen zu vermeiden. Das Bohrgewicht ist daher ein kritischer Parameter, der ein ausreichendes Eindringen der Bohrkrone mit minimalem Verschleiß in Einklang bringen muss.
2.2 Einfluss der Drehzahl (U/min) Die Drehzahl gibt an, wie schnell sich ein Bohrmeißel mit einem bestimmten Durchmesser dreht. Da das Gesteinsbrechverhalten und der Einfluss des Bohrgewichts (WOB) von der Gesteinshärte abhängen, müssen bei der Betrachtung des Einflusses der Drehzahl auf das Gesteinsbrechen und das mechanische Eindringen lithologische Faktoren und die Gesteinsbrechzeit berücksichtigt werden.
Drehzahl in weichen Gesteinsformationen: In weichen, hochplastischen Gesteinsformationen mit geringem Abrieb (z. B. tonartige Schichten) entspricht die Spandicke der Eindringtiefe der Zähne, und der Zahnverschleiß ist minimal. Bei konstantem Auflagegewicht steigen Drehzahl und mechanische Eindringgeschwindigkeit annähernd proportional an.
Drehzahl in mittelharten und harten Gesteinsformationen: In diesen Formationen sind die Eindringhärte und die Abrasivität höher; die Zähne stumpfen schneller ab, die Kontaktfläche vergrößert sich und die Rissausbreitungs- und Verformungszeiten verlängern sich. Das Eindringen verlangsamt sich und ein höherer Kraftaufwand auf den Tisch (WOB) ist erforderlich. Eine Erhöhung der Drehzahl in harten Formationen kann die Gesteinsbrechzeit pro Umdrehung verlängern, sodass eine zu hohe Drehzahl einen vollständigen Bruch verhindern kann, bevor die Zähne ausgreifen. Dies reduziert das effektive Eindringen und beschleunigt den Verschleiß. Daher sollte die Drehzahl in mittelharten oder harten Formationen nicht übermäßig erhöht werden.
Drehzahlunterschiede zwischen verschiedenen Gesteinsarten: Jede Gesteinsart weist eine charakteristische Ansprechkurve und eine Grenzdrehzahl auf. Bei Tonen steigt die Eindringgeschwindigkeit proportional zur Drehzahl; bei harten, stark abrasiven Gesteinen nimmt die Eindringgeschwindigkeit aufgrund der längeren Gesteinszerkleinerungszeit und der niedrigeren Grenzdrehzahl langsamer mit der Drehzahl zu – ein Überschreiten dieses Grenzwerts kann die Eindringgeschwindigkeit sogar verringern.
Testergebnisse zur Verdopplung der Drehzahl an Dreikegelbohrkronen zeigen, dass sich die Bohrgeschwindigkeit bei Gestein der Härteklasse 4 (z. B. Marmor) um etwa 93 % erhöhte, während sie bei porphyrischem Granit der Härteklasse 9 nur etwa 28 % betrug. Von Härteklasse 4 bis 9 nimmt die Bohrgeschwindigkeitssteigerung mit steigender Drehzahl entlang einer Kurve ab. Eine Erhöhung der Drehzahl ist daher bei weichen, wenig abrasiven Gesteinsformationen vorteilhaft, bietet aber bei harten, stark abrasiven Gesteinsformationen nur einen begrenzten Nutzen.
