Puha kőzettől a kemény kőzetig: Kerek vagy hegyes fogak kiválasztása DTH fúrófejekhez – Minden a kőzeten múlik
A mélyfúrás (DTH) során a kőzettípus a döntő tényező a fúró fogprofiljának kiválasztásakor. A keménység és a nyomószilárdság közötti különbségek közvetlenül befolyásolják a zúzás hatékonyságát, a kopási sebességet és az üzemeltetési költségeket a kerek (lekerekített) fogak és a hegyes fogak között. A fúrás csak a foggeometria kőzettulajdonságokhoz való pontos illesztésével lehet hatékony és gazdaságos; a rossz választás rossz behatolási sebességhez és gyors fúrókopáshoz vezet.
Puha kőzet: a kerek fogak ideálisak – „kímélő zúzás” a hatékony fúráshoz A puha kőzeteket alacsony keménység és alacsony nyomószilárdság jellemzi (jellemzően < 30 MPa), mint például a pala, az agyagkő, a márga és a morzsalékos homokkő. Ezek a kőzetek agresszív átszúrás nélkül törnek; a kerek fogazatú „nyomás + őrlés” zúzásmechanizmus megfelel ennek a viselkedésnek, és az előnyben részesített választás a lágy kőzetek fúrásához.
Miért illeszkednek a kerek fogak a puha kőzethez? A puha kőzetek viszonylag lazák és gyengék az összenyomódásban. A kerek fogú kialakítás felületi érintkezést biztosít, amely nagyobb érintkezési területet hoz létre az ütközés során, egyenletesebben elosztva az erőt a kőzet felületén. Ez az összenyomódás képlékeny deformációt és aprózódást okoz – ez a folyamat hasonló az úthenger tömörítéséhez –, így a nehéz, lokalizált ütések szükségtelenek. Ez egyrészt energiát takarít meg, másrészt minimalizálja a kőzetszerkezet túlzott roncsolódását. Forgás közben a kerek fogak a korábban tört forgácsot finomabb részecskékké őrlik, amelyeket könnyebb eltávolítani az öblítőközeggel, és kisebb valószínűséggel tömítik el a furatot. Az egyenletes aprózódás a fúrólyuk stabilitásának fenntartásában is segít, elkerülve a szabálytalan furatprofilokat és a falomlást.
Problémák a hegyes fogak puha kőzetben történő használatakor A hegyes fogak az erőt egy nagyon kis területre (pontérintkezés) összpontosítják, ami túlságosan finom porrá aprítja a puha kőzetet. Ez energiapazarlást okoz (a teljesítmény nem alakul át hatékony behatolássá), és az öblítő és a forgácscsatornák eltömődéséhez vezethet, amikor a finom por a csatorna falához tapad, csökkentve a fúrás hatékonyságát. A hegyes végek alacsony ellenállású környezetben deformálódhatnak (elgörbülhetnek vagy eltompulhatnak), lerövidítve a fúró élettartamát és növelve a csereköltségeket.
Kemény kőzet: a hegyes fogak előnyösek – „erőteljes behatolás” a nagy szilárdság leküzdésére. A kemény kőzetek nagy keménységgel és nagy nyomószilárdsággal rendelkeznek (jellemzően s> 60 MPa), mint például a gránit, a kvarcit, a bazalt és a diabáz. Ezeket a sűrű, erős kőzeteket nem lehet hatékonyan feltörni pusztán nyomással; a hatékony behatoláshoz a hegyes fogak szúró-hasító hatására van szükségük. Ezért a hegyes fogak egyértelmű választást jelentenek a kemény kőzetek fúrásához.
Miért illeszkednek a hegyes fogak a kemény kőzethez? A sűrű kemény kőzet erős belső kötéssel rendelkezik; a felületi érintkezési nyomás önmagában nem képes eltörni. A hegyes fogak egy kis csúcsfelületre koncentrálják az ütési erőt (az érintkezési terület csak körülbelül 1/5–1/10-e a kerek fogak érintkezési területének), sokkal nagyobb helyi nyomást hozva létre (a kerek fogak többszörösét). Ez a koncentrált nyomás átszúrja a kőzet felületét, és repedéseket indít el. A folyamatos forgás és ütés hatására ezek a kezdeti repedések növekednek, összekapcsolódnak és a törési síkok mentén terjednek, hatékonyan hasítva a kőzetet – mint egy ék, amely a fát hasítja. Ez közvetlenül megtámadja a kőzet belső szerkezetét, és gyorsan növeli a behatolási sebességet. Gránitfúrásnál például a hegyes fogakkal a behatolás 2-3-szor gyorsabb lehet, mint a kerek fogakkal, és elkerülhető a „behatolás nélküli csiszolás” probléma, amelyet a kerek fogak mutatnak a kemény felületeken.
Problémák a kerek fogak kemény kőzetben történő használatakor A kerek fogak nagyobb területen osztják el az erőt, megakadályozva a kemény kőzet repesztéséhez szükséges nagy helyi nyomást. Az ütések csak felületi barázdálódást vagy kopást okoznak, nem pedig valódi törést, így a behatolási sebesség csak 1/5–1/10-e lehet a hegyes fogakkal elérhetőnek, ami energiapazarlást jelent az alapjárati forgásban. A nagy keménységű kőzettel szembeni erős súrlódás gyorsan lekopja a kerek fogakat (gyakran 1-2 óra elteltével cserét igényel), míg a hegyes fogak ugyanilyen körülmények között 4-6 órán át kitarthatnak. A gyakori fúrócsere növeli az állásidőt és az összköltséget.
Közepesen kemény kőzet: a részletes litológia alapján kell dönteni — rugalmasan alakítható, vagy hibrid terveket kell alkalmazni. A tiszta puha és a tiszta kemény kőzet között helyezkedik el a közepesen kemény kőzet (nyomószilárdság 30–60 MPa), például sűrű homokkő, kristályos mészkő és néhány gneisz. Ezen kőzetek fogainak kiválasztásakor figyelembe kell venni a részletes litológiát (pl. kvarcszemcsék jelenléte, heterogenitás). Sok esetben vegyes vagy hibrid fogmintázat (kerek + hegyes) a megfelelő.
Fogak kiválasztásának kritériumai közepesen kemény kőzetben
Ha a közepesen kemény kőzet egyenletes és nincsenek benne kemény közbeeső rétegek (pl. homogén, sűrű homokkő), akkor a „megerősített kerek fogak” (nagyobb keménység és optimalizált érintkezési ív) előnyben részesítendők a nyomáson alapuló törés fokozása érdekében; a kerek fogak kiegyensúlyozott hatékonyságot és csökkentett kopást biztosíthatnak a hegyes fogakhoz képest.
Ha a közepesen kemény kőzet kvarcszemcséket vagy helyi kemény foltokat tartalmaz (pl. kristályos mészkő vagy kovakő rétegekkel ellátott homokkő), akkor „rövid, erős hegyes fogakat” (vastagabb, keményebb végek) kell választani a helyi kemény pontok átszúrásához és a kerek fogak gyors helyi kopásának elkerüléséhez.
Ha a litológia réteges (pl. lágy rétegek kemény rétegek felett), vegyes fogazatú fúrófej-kialakítást használjon – kerek fogak a külső gyűrűn és hegyes fogak a belső gyűrűn –, hogy a különböző rétegeket gyakori fúrófej-csere nélkül lehessen kezelni.
Közepesen kemény kőzet esetén az alapelv Kerüljük a teljesen „puha vs. kemény” gondolkodásmódot; a szabály az, hogy a domináns kőzetjellemzőt kell figyelembe venni. Ha az általános kőzettan lágyabbá válik, csak lokális kemény foltokkal, akkor a hegyes fogú, kerek fogakat kell előnyben részesíteni tartalékként. Ha az általános kőzettan keményebbé válik, lokális puha varratokkal, akkor a hegyes fogú, kerek fogakat kell előnyben részesíteni tartalékként. A választást próbafúrással érvényesítsük (pl. fúrjunk 10–20 percig, majd ellenőrizzük a fogkopást és a behatolást), és állítsuk be az optimális teljesítmény érdekében.
Összefoglalás: három fő tényező, amely meghatározza a fogak kiválasztását A kőzettípus hatása a kerek vagy hegyes fogak kiválasztására három fő tényezőre vezethető vissza: keménység, nyomószilárdság és szerkezeti egyenletesség. A kiválasztási logika a következőképpen foglalható össze:
Keménység + nyomószilárdság: alacsony keménység/alacsony nyomószilárdság → válasszon kerek fogakat; magas keménység/nagy nyomószilárdság → válasszon hegyes fogakat.
Szerkezeti egyenletesség: homogén litológia (nincsenek közbeeső rétegek vagy kemény foltok) → egyetlen, a domináns kőzethez illeszkedő fogprofil elfogadható; heterogén litológia (közbeeső rétegekkel vagy kemény foltokkal) → rugalmas párosítást vagy hibrid fogmintázatot igényel.
Az üzemeltetési céloknak való megfelelés: ha „nagy hatékonyság + hosszú élettartam” a cél → válassza ki a kőzethez pontosan illő foggeometriát; ha „széles körű alkalmazkodóképességre van szüksége többféle litológiához” → vegye figyelembe a hibrid fogkialakításokat vagy a cserélhető vágófejeket.
A kőzettípus befolyásolja a DTH fúrófejek fogainak kiválasztását. Csak a kőzet jellemzőinek ismeretével lehet kihasználni a kerek és hegyes fogak erősségeit, és maximális fúrási hatékonyságot elérni minimális költséggel.
