Wichtige Bohrlochwerkzeuge: Ein umfassender Leitfaden zur Klassifizierung und Anwendung von Rollenmeißeln und Diamantmeißeln

01 Rollenkegelbohrer: Vielseitige Werkzeuge zur Anpassung an Formationen

Seit ihrer Einführung im Jahr 1909 haben sich Rollenmeißel zum am weitesten verbreiteten Meißeltyp beim Drehbohren entwickelt. Ihre einzigartige Mehrkegelkonstruktion ermöglicht es ihnen, sich an unterschiedlichste Gesteinsformationen anzupassen, von weich bis extrem hart.

Strukturelle Zusammensetzung und Kerntechnologien

Ein Rollenkegelmeißel besteht aus fünf Kernkomponenten:

• Bohrkopf: Drei konische Schenkel sind miteinander verschweißt, mit Verbindungsgewinden im oberen Bereich.
• Rollenkegel: Konische Metallkörper mit gefrästen oder auf der Oberfläche eingesetzten Zähnen.
• Lagersystem: Besteht aus vier Lagersätzen: großen, mittleren, kleinen und Axiallagern.
• Düsen: Üblicherweise 3-4 an der Zahl, mit einem Durchmesser von 7-14 mm.
• Öllagerungs- und Abdichtungssystem: Dichtungsringe aus Gummi oder Metall in Kombination mit Druckausgleichsvorrichtungen.

Die Lagerdichtungstechnologie stellt dabei einen entscheidenden technologischen Durchbruch für Rollenmeißel dar. Moderne Meißel verfügen über ein Ölspeicherdruckausgleichssystem, das durch Komponenten wie Druckübertragungsbohrungen, Druckausgleichsmembranen und Ölkappen ein dynamisches Gleichgewicht zwischen dem Öldruck im Lagerraum und dem Druck der Bohrflüssigkeitssäule im Bohrloch aufrechterhält.

Klassifizierungssystem und IADC-Kodierung

Die International Association of Drilling Contractors (IADC) hat einen weltweit einheitlichen Klassifizierungsstandard für Rollenmeißel entwickelt, der auf einem dreistelligen Codierungssystem basiert:

Erste Ziffer: Zahntyp und anwendbare Ausbildung

1: Gefräste Zähne, weiche Formationen

2: Gefräste Zähne, mittelharte bis mittelharte Gebilde

3: Gefräste Zähne, harte und abrasive Formationen

5: Zähne einsetzen, weiche bis mittelfeste Gebilde

6: Zähne einsetzen, mittelharte Gebilde

7: Zähne einsetzen, harte und abrasive Formationen

8: Einsetzen von Zähnen, extrem harte und stark abrasive Formationen

Zweite Ziffer: Unterteilung der Gesteinshärte (Grad 1-4; höhere Zahlen weisen auf härtere Gesteinsformationen hin)

Dritte Ziffer: Strukturelle Merkmale des Bits

4: Abgedichtete Wälzlager

6: Abgedichtete Gleitlager

7: Abgedichtete Gleitlager + Schutz für Messeinsätze

8: Ablenkbohrkronen für Richtbohrungen

Vereinfachtes IADC-Klassifizierungssystem für Rollenmeißel

Gesteinsbruchmechanismus und Bewegungseigenschaften

Im Betrieb zeigt ein Rollenmeißel drei Arten von zusammengesetzter Bewegung:

• Revolution: Die Kegel drehen sich im Uhrzeigersinn mit dem gesamten Bohrer.
• Rotation: Die Zähne drehen sich gegen den Uhrzeigersinn um die Kegelachse.
• Gleiten: Einschließlich radialem und tangentialem Gleiten.

Diese kombinierte Bewegung erzielt einen doppelten Gesteinsbrecheffekt:

1.Stoßzerkleinerungseffekt: Der abwechselnde Kontakt von Einzel- und Doppelzähnen mit der Bodenbohrung erzeugt Längsschwingungen und damit Stoßbelastungen.

2.Gleitscherungseffekt: Die Felsscherung wird durch die Konstruktion von Überhang-, Doppelkegel- und Versatzstrukturen erreicht.

Auswahlstrategie und Formationsabgleich 

Grundprinzipien für die Auswahl von Rollenmeißeln auf Basis der Gesteinseigenschaften:

• Weiche Gesteinsformationen: Wählen Sie Meißel mit versetzter, überhängender und doppelkonischer Struktur, ausgestattet mit hohen, breiten und spärlich gefrästen oder eingesetzten Zähnen.
• Mittelharte Gesteinsformationen: Reduzieren Sie die Werte für Versatz, Überhang und Doppelkegel; verwenden Sie kurze, schmale und dichte Zähne.
• Harte und abrasive Formationen: Einkegelwalzen ohne Überhang oder Versatz, ausgestattet mit Kugel- oder Kegelkugelzähnen, verwenden.
• Bei Formationen mit Ablenkungsneigung: Wählen Sie Kurzzahnmeißel ohne oder mit geringem Versatz und ohne Messzähne.
• Wechsellagerung von weichen und harten Gesteinsformationen: Wählen Sie die Bohrmeißeltypen anhand des härteren Gesteins aus und passen Sie die Parameter während des Bohrvorgangs dynamisch an.

Reaktion auf besondere Arbeitsbedingungen

• Kleine Bohrlöcher (<177 mm): Verwenden Sie Einwalzen-Kegelbohrkronen, die für eine höhere Festigkeit größere Kegel, Zähne und Lager aufweisen.
• Richtbohren: Wählen Sie spezielle Ablenkbohrkronen, deren dritte Ziffer im IADC-Code 8 ist. 

02 Diamantbohrkronen: Leistungsstarke Werkzeuge für harte Gesteinsformationen 

Als härtestes natürliches Material besitzt Diamant eine Mohshärte von Grad 10, eine Druckfestigkeit von bis zu 8800 MPa und eine 9000-fach höhere Verschleißfestigkeit als Stahl. Dank dieser Eigenschaften haben sich Diamantbohrkronen als optimales Werkzeug für die Bearbeitung harter Gesteinsformationen etabliert.

Klassifizierungssystem und technologische Entwicklung

Moderne Diamantbohrer werden hauptsächlich in drei Typen unterteilt:

1.Oberflächengefasste Diamantbohrer

• Diamantpartikel liegen auf der Oberfläche der Matrix frei.
• Geeignet für mittelharte bis harte Gesteinsformationen.
• Diamantpartikelgrößenklassifizierung:
• Weiche Formationen: 2 Körner pro Karat (gpc) (Partikelgröße ca. 4 mm)
• Mittelharte Formationen: 3-4 gpc (Partikelgröße ca. 3,6 mm)
• Harte Formationen: 10-15 gpc (Partikelgröße ca. 2,0 mm)

2.Imprägnierte Diamantbohrer

• Diamanten sind in der Matrix imprägniert (60-400 gpc).
• Geeignet für harte und abrasive Gesteinsformationen (z. B. Feuerstein, Kieseldolomit).
• Die Selbstschärfung von Diamanten wird durch Matrixverschleiß erreicht.

3.PDC-Bohrmeißel (Polykristalline Diamant-Kompaktbohrmeißel)

• Erstmals 1973 von General Electric (GE) aus den USA eingeführt.
• Kompakte Struktur: Diamantschicht + Hartmetallsubstrat.
• Geeignet für weiche bis mittelharte homogene Gesteinsformationen.

Strukturelle Auslegung und Kernparameter

Diamantbohrkronen sind in integraler Bauweise ohne bewegliche Teile gefertigt und umfassen im Wesentlichen Folgendes:

• Stahlgehäuse: Hergestellt aus mittelkohlenstoffhaltigem Stahl, mit Anschlussgewinden im oberen Bereich.
• Matrix: Wolframcarbidpulver + kupferbasiertes Bindemittel, Härtegrad HRC 30-45.
• Schleifmittel: Natürliche/synthetische Diamanten oder PDC-Kompakte.
• Wasserbauliche Anlagen: Wasserläufe und Strömungskanäle (radial, spiralförmig usw.).

Wichtige Designparameter

• Diamantkonzentration: Angepasst an die Abrasivität der Formation; höhere Konzentration bei abrasiveren Formationen.
• Vorsprunghöhe:
• Weiche Formationen: 1/3 der Partikelgröße
• Harte Formationen: 1/6 bis 1/10 der Partikelgröße
• Lippenform:
• Flachboden: Für homogene Formationen
• Gebogen: Für harte Formationen
• Gezahnt: Für abrasive Formationen

Gesteinsbruchmechanismus und Formationsreaktion

Die Gesteinsbrechmethode mit Diamantbohrkronen variiert je nach den Eigenschaften der Gesteinsformation:

Plastische Gesteinsformationen (z. B. Tonstein, Gips): Ähnlich einem „Pflug“-Prozess; Diamanten dringen in die Formation ein und verursachen plastisches Fließen des Gesteins.

Spröde Gesteinsformationen (z. B. Quarzsandstein): Es bilden sich volumetrische Brechgruben mit Schneidkorngrößen, die das 2- bis 4-fache des Diamantvorsprungs betragen, was zu einer hohen Effizienz führt.

Harte Gesteine ​​(z. B. Feuerstein, Kieselgestein): Es werden imprägnierte Meißel verwendet, und das Gesteinsbrechen erfolgt durch Mikroschneiden und -kratzen, ähnlich dem Schleifscheibenabrieb.

Technische Vorteile und Grenzen von PDC-Bits

Als revolutionäres Produkt innerhalb der Diamantbohrerfamilie bieten PDC-Bohrer einzigartige Vorteile:

Strukturelle Merkmale

PDC-Bohrmeißel mit Stahlkörper: Vollständig aus mittelgekohltem Stahl gefertigt und oberflächengehärtet.

Matrix-Body PDC-Bohrmeißel: Oberer Stahlkörper + untere Wolframkarbidmatrix für bessere Leistung.

Profilgestaltung

Parabolisch: Für weiche Gesteinsformationen, ermöglicht hohe Bohrtiefe und Bohrgeschwindigkeit.

Rund: Für Drehtischbohrungen, erleichtert das Eindringen in harte Zwischenschichten.

Konisch: Für Hochgeschwindigkeitsbohrungen mit guter Eindringleistung.

Anwendungsbeschränkungen

Nicht geeignet für Kiesformationen und Wechsellagerungen von weichen und harten Gesteinsschichten.

Temperaturbeständigkeitsgrenze (Verschleiß verstärkt sich oberhalb von 350℃; Festigkeitsversagen tritt bei 700℃ ein).

Schlechte Stoßfestigkeit; neue Bohrer neigen zum Ausbrechen der Kanten.

Vergleichstabelle der für Diamantbohrkronen geeigneten Gesteinsformationen

03 Leitfaden zur wissenschaftlichen Auswahl: Abstimmung von Formationen und Einsatzanforderungen

Goldene Regeln für die Auswahl von Kegelschneidgebissen

Formationshärteanpassung

Weiche Bodenverhältnisse: Wählen Sie Gebisse mit hohem Versatz, Überhang und Doppelkegelstruktur, ausgestattet mit keil- oder löffelförmigen Zähnen.

Harte Gesteinsformationen: Einkegelige, nicht versetzte Konstruktionen mit Kugelzähnen oder konischen Kugelzähnen verwenden.

Reaktion auf Abrasivität

Bei abrasiven Formationen verwenden Sie Wendeschneidplatten mit Messzähnen.

Sind die Zähne der äußeren Reihe abgerundet, während die Zähne der mittleren Reihe nur geringen Verschleiß aufweisen, sollte der nächste Bohrer mit einem verbesserten Zahnschutz konstruiert werden.

Gegenmaßnahmen für besondere Arbeitsbedingungen

Bei Formationen mit hoher Durchbiegungsneigung: Wählen Sie Kurzzahnmeißel ohne oder mit geringem Versatz; die Anpassungsfähigkeit an die Formation sollte etwas weicher sein als die tatsächliche Formation.

Wechsellagerung von weichen und harten Gesteinsformationen: Wählen Sie die Bohrmeißel anhand des härteren Gesteins aus und passen Sie die Parameter während des Bohrvorgangs dynamisch an.

Tiefbohrabschnittsbohrung: Verwenden Sie Bohrmeißel mit hoher Gesamtlänge, um den Zeitverlust beim Bohren auszugleichen.

Auswahlstrategie für Diamantbohrkronen

Anwendbare Bedingungen für PDC-Bits

Optimale Szenarien: Lange, homogene, weiche bis mittelharte Formationen (z. B. Schiefer, Tonstein, Gips).

Verbotene Szenarien: Kiesformationen, Feuersteinzwischenlagen, Wechsellagerungen von weichen und harten Formationen.

Parametereinstellung: Niedriges WOB (30-60 kN), hohe Drehzahl (100-300 U/min), großer Durchfluss.

Anwendbare Bedingungen für natürliche/synthetische Diamantbohrkronen

Harte bis extrem harte Gesteinsformationen (z. B. Granit, Quarzsandstein).

Stark abrasive Gesteinsformationen (z. B. Feuerstein, kieselsäurehaltiger Dolomit).

Turbinenbohrungen, Tief-/Ultratiefbohrungen und Kernbohrungen.

Spezielle Anforderungen an Kernbits

Rollenkegelbohrkronen: Vierrollenkegel (konisch/zylindrisch) oder Sechsrollenkegel (vollzylindrisch).

Diamantkernbohrer: Erfordern symmetrisch verteilte Schneidkanten mit gleichbleibender Verschleißfestigkeit.

Wichtigster Indikator: Konzentrizität zwischen Innenloch und Außenkreis, um eine Ovalisierung des Kerns zu vermeiden.

Beurteilung und Umgang mit Anomalien im Bohrloch

Funktionszustandserkennung des Rollenkegelmeißels

Lagerschaden: Periodisches Ruckeln des Drehtisches, Verschlimmerung bei hoher Belastung, reduzierte Bohrgeschwindigkeit bei normalem Pumpendruck.

Kegelverlust: Schweres Festklemmen des Bohrgestänges, heftige Schwankungen der Gewichtsanzeige, Änderung der Einfahrtiefe beim Hochziehen des Bohrgestänges.

Zahnverschleiß: Reduzierte Belastung des Drehtisches, kein Ruckeln, deutliche Verringerung der Bohrgeschwindigkeit.

Nutzungsregeln für Diamantbits

Der Bohrlochgrund muss vor dem Absenken des Bohrers gereinigt werden, um sicherzustellen, dass keine Metallspäne zurückbleiben.

Beginnen Sie mit dem Bohren bei geringem WOB und niedriger Drehzahl für das „Einlaufen“ (0,5 m Bohrlochgrundkonditionierung).

Vermeiden Sie Reibvorgänge; verwenden Sie gegebenenfalls ein niedriges Arbeitsgewicht und eine niedrige Drehzahl für einen gleichmäßigen Lauf.

Kontakt:Jessie Zhou
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