از سنگ نرم تا سنگ سخت: انتخاب دندانه‌های گرد یا دندانه‌های نوک‌تیز برای مته‌های دی تی اچ - همه چیز به سنگ بستگی دارد
در حفاری درون چاهی (دی تی اچ)، نوع سنگ عامل تعیین‌کننده در انتخاب پروفیل دندانه مته است. تفاوت در سختی و مقاومت فشاری مستقیماً بر راندمان خردایش، میزان سایش و هزینه عملیاتی دندانه‌های گرد (گرد) در مقابل دندانه‌های نوک‌تیز تأثیر می‌گذارد. حفاری تنها با تطبیق دقیق هندسه دندانه با خواص سنگ می‌تواند کارآمد و اقتصادی باشد. انتخاب اشتباه منجر به نرخ نفوذ ضعیف و سایش سریع مته می‌شود.
سنگ نرم: دندانه‌های گرد ایده‌آل هستند - "خرد کردن ملایم" برای حفاری کارآمد سنگ‌های نرم با سختی و مقاومت فشاری کم (معمولاً کمتر از 30 مگاپاسکال) مشخص می‌شوند، مانند شیل، سنگ رسی، مارن و ماسه‌سنگ شکننده. این سنگ‌ها بدون سوراخ شدن شدید می‌شکنند؛ مکانیسم خردایش دندانه گرد "فشرده‌سازی + سنگ‌زنی" با این رفتار مطابقت دارد و انتخاب ارجح برای حفاری سنگ نرم است.
چرا دندانه‌های گرد برای سنگ نرم مناسب هستند؟ سنگ‌های نرم نسبتاً سست و در برابر فشار ضعیف هستند. طراحی دندانه گرد، تماس سطحی ایجاد می‌کند که در طول ضربه، سطح تماس بیشتری ایجاد می‌کند و نیرو را به طور یکنواخت‌تری در سطح سنگ توزیع می‌کند. این فشرده‌سازی باعث تغییر شکل پلاستیک و خرد شدن می‌شود - فرآیندی مشابه غلتک جاده که مواد را فشرده می‌کند - بنابراین ضربات سنگین و موضعی غیرضروری هستند. این امر هم باعث صرفه‌جویی در انرژی می‌شود و هم تخریب بیش از حد ساختار سنگ را به حداقل می‌رساند. در طول چرخش، دندانه‌های گرد، قلمه‌های شکسته قبلی را نیز به ذرات ریزتری خرد می‌کنند که تخلیه آنها با محیط شستشو آسان‌تر است و احتمال گرفتگی سوراخ کمتر است. خرد شدن یکنواخت همچنین به حفظ پایداری گمانه کمک می‌کند و از پروفیل‌های نامنظم سوراخ و ریزش دیواره جلوگیری می‌کند.
مشکلات استفاده از دندانه‌های نوک‌تیز در سنگ نرم دندانه‌های نوک‌تیز نیرو را در یک ناحیه بسیار کوچک (تماس نقطه‌ای) متمرکز می‌کنند که سنگ نرم را بیش از حد به پودر ریز تبدیل می‌کند. این امر باعث اتلاف انرژی می‌شود (توان به نفوذ مؤثر تبدیل نمی‌شود) و می‌تواند منجر به گرفتگی کانال‌های تراز و برش شود، زیرا پودر ریز به دیواره‌های کانال می‌چسبد و راندمان حفاری را کاهش می‌دهد. نوک‌های نوک‌تیز در یک محیط با مقاومت کم می‌توانند تغییر شکل دهند (خم شوند یا کند شوند)، عمر مته را کوتاه کنند و هزینه‌های تعویض را افزایش دهند.
سنگ سخت: دندانه‌های نوک‌تیز ترجیح داده می‌شوند - "نفوذ قوی" برای غلبه بر مقاومت بالا سنگ‌های سخت دارای سختی و مقاومت فشاری بالا (معمولاً 60 مگاپاسکال) هستند، مانند گرانیت، کوارتزیت، بازالت و دیاباز. این سنگ‌های متراکم و محکم را نمی‌توان تنها با فشار به طور مؤثر شکست؛ آنها برای نفوذ کارآمد به عمل سوراخ کردن و شکافتن دندانه‌های نوک‌تیز نیاز دارند. بنابراین دندانه‌های نوک‌تیز انتخاب واضحی برای حفاری سنگ سخت هستند.
چرا دندانه‌های نوک‌تیز برای سنگ سخت مناسب هستند؟ سنگ سخت متراکم پیوند داخلی قوی دارد؛ فشار تماس سطحی به تنهایی نمی‌تواند آن را بشکند. دندانه‌های نوک‌تیز نیروی ضربه را در یک ناحیه کوچک نوک (ناحیه تماس فقط حدود ۱/۵ تا ۱/۱۰ دندانه‌های گرد) متمرکز می‌کنند و فشار موضعی بسیار بالاتری (چندین برابر دندانه‌های گرد) ایجاد می‌کنند. این فشار متمرکز سطح سنگ را سوراخ کرده و ترک‌ها را آغاز می‌کند. با چرخش و ضربه مداوم، این ترک‌های اولیه رشد می‌کنند، به هم متصل می‌شوند و در امتداد صفحات شکستگی پخش می‌شوند و به طور موثر سنگ را می‌شکنند - مانند گوه‌ای که چوب را می‌شکند. این امر مستقیماً به ساختار داخلی سنگ حمله می‌کند و سرعت نفوذ را به سرعت افزایش می‌دهد. به عنوان مثال، در حفاری گرانیت، نفوذ با دندانه‌های نوک‌تیز می‌تواند ۲ تا ۳ برابر سریع‌تر از دندانه‌های گرد باشد و از مشکل "سنگ‌زنی بدون نفوذ" که دندانه‌های گرد روی سطوح سخت نشان می‌دهند، جلوگیری می‌کند.
مشکلات استفاده از دندانه‌های گرد در سنگ سخت دندانه‌های گرد نیرو را در سطح وسیع‌تری توزیع می‌کنند و از فشار موضعی بالای مورد نیاز برای شکستن سنگ سخت جلوگیری می‌کنند. ضربات فقط باعث خراشیدگی یا سایش سطحی می‌شوند نه شکستگی واقعی، بنابراین میزان نفوذ ممکن است تنها ۱/۵ تا ۱/۱۰ میزان نفوذ دندانه‌های نوک‌تیز باشد که باعث اتلاف انرژی در چرخش آزاد می‌شود. اصطکاک شدید در برابر سنگ با سختی بالا، دندانه‌های گرد را به سرعت ساییده می‌کند (اغلب پس از ۱ تا ۲ ساعت نیاز به تعویض دارد)، در حالی که دندانه‌های نوک‌تیز در شرایط مشابه ممکن است ۴ تا ۶ ساعت دوام بیاورند. تعویض مکرر مته باعث افزایش زمان از کارافتادگی و هزینه کل می‌شود.
سنگ نیمه‌سخت: بر اساس سنگ‌شناسی دقیق تصمیم بگیرید - انعطاف‌پذیر باشید یا از طرح‌های ترکیبی استفاده کنید. بین سنگ نرم خالص و سنگ سخت خالص، سنگ نیمه‌سخت (مقاومت فشاری 30 تا 60 مگاپاسکال) مانند ماسه‌سنگ‌های متراکم، سنگ آهک‌های بلورین و برخی از گنیس‌ها قرار دارد. انتخاب دندانه برای این سنگ‌ها باید سنگ‌شناسی دقیق (مثلاً وجود دانه‌های کوارتز، ناهمگنی) را در نظر بگیرد. در بسیاری از موارد، الگوی دندانه ترکیبی یا ترکیبی (گرد + نوک‌تیز) مناسب است.
معیارهای انتخاب دندانه در سنگ‌های با سختی متوسط
اگر سنگ با سختی متوسط یکنواخت و فاقد لایه‌های سخت میانی باشد (مثلاً ماسه‌سنگ متراکم همگن)، «دندانه‌های گرد تقویت‌شده» (سختی بالاتر و قوس تماس بهینه‌شده) را برای افزایش شکست مبتنی بر فشار ترجیح دهید؛ دندانه‌های گرد می‌توانند راندمان متعادلی ارائه دهند و در مقایسه با دندانه‌های نوک‌تیز، سایش کمتری داشته باشند.
اگر سنگ نیمه‌سخت حاوی ذرات کوارتز یا نقاط سخت موضعی باشد (مثلاً سنگ آهک بلورین یا ماسه‌سنگ با لایه‌های سنگ چخماق)، «دندانه‌های کوتاه و نوک‌تیز» (نوک‌های ضخیم‌تر و سخت‌تر) را برای سوراخ کردن نقاط سخت موضعی و جلوگیری از سایش سریع موضعی دندانه‌های گرد انتخاب کنید.
اگر سنگ‌شناسی لایه لایه است (مثلاً لایه‌های نرم روی لایه‌های سخت)، از طراحی مته با دندانه‌های مختلط - دندانه‌های گرد روی حلقه بیرونی و دندانه‌های نوک تیز روی حلقه داخلی - استفاده کنید تا لایه‌های مختلف را بدون تعویض مکرر مته، بررسی کنید.
اصل اساسی برای سنگ‌های نیمه‌سخت: از یک طرز فکر مطلق «نرم در مقابل سخت» اجتناب کنید؛ قاعده این است که به ویژگی غالب سنگ توجه کنید. اگر سنگ‌شناسی کلی روند نرم‌تری دارد و فقط نقاط سخت موضعی دارد، دندانه‌های گرد با دندانه‌های نوک‌تیز را به عنوان پشتیبان در اولویت قرار دهید. اگر سنگ‌شناسی کلی روند سخت‌تری دارد و درزهای نرم موضعی دارد، دندانه‌های نوک‌تیز با دندانه‌های گرد را به عنوان پشتیبان در اولویت قرار دهید. انتخاب را با حفاری آزمایشی (مثلاً حفاری 10 تا 20 دقیقه، سپس بررسی سایش و نفوذ دندانه) تأیید کنید و برای بهینه‌سازی عملکرد تنظیم کنید.
خلاصه: سه عامل اصلی که انتخاب دندانه را تعیین می‌کنند تأثیر نوع سنگ در انتخاب دندانه‌های گرد در مقابل دندانه‌های نوک‌تیز به سه عامل اصلی خلاصه می‌شود: سختی، مقاومت فشاری و یکنواختی ساختاری. منطق انتخاب را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:
سختی + مقاومت فشاری: سختی کم/مقاومت فشاری کم → دندانه‌های گرد را انتخاب کنید؛ سختی بالا/مقاومت فشاری بالا → دندانه‌های نوک‌تیز را انتخاب کنید.
یکنواختی ساختاری: سنگ‌شناسی همگن (بدون میان‌لایه‌ها یا نقاط سخت) ← یک پروفیل دندانه واحد مطابق با سنگ غالب قابل قبول است؛ سنگ‌شناسی ناهمگن (با میان‌لایه‌ها یا نقاط سخت) ← نیاز به جفت‌سازی انعطاف‌پذیر یا الگوی دندانه ترکیبی دارد.
تطبیق اهداف عملیاتی: اگر به دنبال «راندمان بالا + عمر طولانی» هستید، هندسه دندانه را دقیقاً برای سنگ انتخاب کنید؛ اگر به «سازگاری گسترده با سنگ‌شناسی‌های متعدد» نیاز دارید، طرح‌های دندانه ترکیبی یا سرهای برش قابل تعویض را در نظر بگیرید.
نوع سنگ، عامل تعیین کننده در انتخاب دندانه برای مته‌های دی تی اچ است. تنها با درک ویژگی‌های سنگ می‌توان از نقاط قوت دندانه‌های گرد و نوک‌تیز بهره برد و با حداقل هزینه به حداکثر راندمان حفاری دست یافت.
