Испытания вращательного резания и характеристики разрушения пород трёхреберных PDC-резцов в плотных твёрдых песчаниках формации Сюйцзяхэ в Сычуаньском бассейне, Китай

Почему важно разрушать твёрдую породу

Извлечение природного газа из глубоких, упорных пластов зависит от того, как быстро и безопасно мы можем через них просверлить. На юго-западе Китая формация Сюйцзяхэ содержит большие запасы газа в плотных песчаниках, но порода настолько твёрдая и абразивная, что долота быстро изнашиваются, замедляя бурение и повышая затраты. В этом исследовании рассматривается новый тип алмазного резца для долота и показано, как изменение мелкой геометрии каждого режущего зуба может существенно повлиять на эффективность проходки подземной породы.

Слой твёрдой породы, богатой газом

Песчаники формации Сюйцзяхэ залегают глубоко под Сычуаньским бассейном и насыщены кварцевыми зернами, что делает породу одновременно очень твёрдой и плотной. Эти условия хорошо удерживают газ, но вредны для режущих инструментов: порода быстро затупляет кромки, сокращает расстояние, которое может прошить долото до замены, и повышает риск выхода скважины из калибра. Во всём мире поликристаллические алмазные компактные (PDC) долота стали основным инструментом при бурении нефти и газа, но стандартные плоские резцы испытывают трудности в таких пластах. Инженеры начали исследовать трёхмерные формы резцов, которые делают больше, чем просто соскребание; их цель — вызвать трещинообразование и разрушение породы более энергоэффективным способом.

Новая форма для алмазных резцов

Команда сосредоточилась на трёхреберных PDC-резцах, чья рабочая поверхность имеет три выступающих ребра, и сравнила их с традиционными плоскими резцами. С помощью специализированного испытательного стенда они вдавливали и тянули одиночные резцы по блокам плотного твёрдого песчаника, взятого в обнажениях Сюйцзяхэ. Оборудование позволяло контролировать скорость вдавливания резца в породу, скорость вращения образца под ним и радиальное расстояние от центра долота, моделируя разные участки реального долота. Чувствительные датчики сил регистрировали изменения усилий при вдавливании и резании по мере того, как резец проникал с поверхности на несколько миллиметров в породу.

Наблюдение за разрушением породы

Отслеживая силу во времени, исследователи выявили повторяющуюся картину по мере продвижения резца: сила постепенно нарастала, затем колебалась при образовании трещин и отрыве сколов, после чего снова повышалась. Эти стадии соответствовали упругому изгибу, хрупкому разрушению и очередной фазе упругой нагруженности. Для обоих типов резцов существовал оптимальный угол наклона, обеспечивавший наилучшее проникновение при заданной нагрузке, но значения различались: примерно 30 градусов для плоских резцов и 25 градусов для трёхреберных. Трёхреберная конструкция требовала более высокого пиковой силы на той же глубине, поскольку её ребра контактировали с большим объёмом породы, однако она создавала более крупные зоны повреждения и больший объём разрушенной породы под поверхностью. Детальное сканирование впадин и канавок показало, что трёхреберные резцы вырезали более глубокие каналы и распространяли трещины дальше в массив породы.

Осколки, потребление энергии и параметры бурения

После каждого прогона команда собирала разрушенную породу, просеивала её по фракциям и применяла фрактальный анализ для описания степени фрагментации. Когда резец продвигался быстрее при более низкой скорости вращения, он делал более глубокие уколы, создавая крупные стружки и снижая степень тонкого измельчения. В таких условиях объём породы, удаляемый на единицу длины, увеличивался, а механическая специфическая энергия — показатель затраченной энергии на единицу разрушенной породы — уменьшалась. Более высокие скорости вращения давали обратный эффект: более частые контакты резца с породой измельчали поверхность в более тонкий порошок, увеличивали энергетические затраты и уменьшали размер отдельных стружек. В сопоставимых испытаниях трёхреберные резцы постоянно удаляли больший объём породы, расходуя при этом меньше энергии по сравнению с плоскими резцами, и их силы резания колебались меньше, что указывает на более стабильный процесс бурения.

Что это значит для бурения твёрдого песчаника

Для инженеров, проектирующих долота и подбирающих режимы их работы, эти эксперименты дают практические рекомендации. Трёхреберные алмазные резцы способны эффективнее разрушать плотные, богатые кварцем песчаники, чем плоские резцы, особенно в сочетании с увеличенной нагрузкой на долото и умеренно низкими скоростями вращения. Такая комбинация способствует более глубоким отдельным резам, крупным стружкам и снижению энергозатрат, а также улучшает стабильность процесса бурения. На практике улучшенные формы резцов и более рациональные режимы работы могут помочь бурить скважины в пластах вроде Сюйцзяхэ быстрее и с меньшим количеством замен долот, сокращая расходы и облегчая добычу труднодоступных запасов природного газа.

Цитирование: He, W., Li, X., Zhang, Z. et al. Rotary cutting tests and rock-breaking characteristics of triple-ridged PDC cutters in tight hard sandstones from Xujiahe Formation in Sichuan Basin in China. Sci Rep 16, 15247 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44154-8

Ключевые слова: PDC-сверла, твёрдый песчаник, резание породы, эффективность бурения, трёхреберный резец