PDC single cutter : the effects of depth of cut and RPM under simulated borehole conditions

Abstract

While the weight on bit (WOB) and rotary speed (RPM) are perhaps the most important drilling parameters affecting the rate of penetration, limited information are available about the fundamental mechanisms of rock destruction and the effect of cutting speed and the depth of cut during the cutting process. Experiments were carried out in a high-pressure facility with a 13 mm single PDC cutter to cut Carthage Marble and Indiana Limestone samples with depths of cut in the range of 0.02-0.12 inch and rotary speeds from 30 to 180 RPM at atmospheric and pressurized conditions. Our previous experimentations showed that an increase in the confining pressure as small as 150 PSI could significantly increase the Mechanical Specific Energy (MSE) of the cutting process and reduce the efficiency by half. Recently performed atmospheric and pressurized single cutter tests, showed that a minimum depth of cut was required to efficiently drill the rock samples. MSE required to cut the rock, reached a minimum at depths of cut greater than 0.08 inches for both Indiana Limestone and Carthage Marble samples. Most promising were the results that showed a decrease in MSE at high rotational speeds (RPM 100) and atmospheric pressure, possibly indicating a change in rock failure mechanism. A mathematical model was derived from the balance of forces acting at the PDC cutter that constitutes a single linear relation between the cutting force and the normal force. The characteristic line acts as an indication of bit-rock interaction and can be used to detect the formation and cutter dullness. The model was verified using the experimental data from the single cutter tests. Such observations and analysis provide useful insights into the physics of cutter-rock interaction and are valuable to the improvements of drilling practices selection (WOB, rotary speed, etc) and the rates of penetration.

O ile nacisk na świder (WOB) i prędkość obrotowa (RPM) są prawdopodobnie najistotniejszymi parametrami wiertniczymi mającymi wpływ na prędkość wiercenia, to niewiele jest informacji na temat podstawowych mechanizmów niszczenia skał i wpływu prędkości i głębokości zwiercania w procesie wiercenia. Przeprowadzono wysokociśnieniowe badania na 13 mm pojedynczym ostrzu PDC do cięcia próbek marmuru kartagińskiego i wapnia z Indiany na głębokość 0,02-0,12 cala przy prędkości obrotowej od 30 do 180 RPM w warunkach atmosferycznego i podwyższonego ciśnienia. Poprzednie eksperymenty wykazały, że nawet tak niewielki wzrost ciśnienia otaczającego jak 150 psi mógł istotnie zwiększyć energię mechaniczną procesu cięcia kosztem jego wydajności. Przeprowadzone niedawno testy na narzędziach z pojedynczym ostrzem w warunkach atmosferycznego i podwyższonego ciśnienia wykazały, że do skutecznego cięcia próbek skał konieczna była minimalna głębokość cięcia. Mechaniczna energia konieczna do przecięcia skały osiągnęła minimum dla głębokości cięcia większej niż 0,08 cala zarówno w przypadku próbek marmuru kartagińskiego jaki i wapnia z Indiany. Najbardziej obiecujące były wyniki, które charakteryzowały się spadkiem mechanicznej energii właściwej przy wysokich wartościach prędkości obrotowych (RPM 100) oraz ciśnienia atmosferycznego, prawdopodobnie wskazując na zmianę mechanizmu niszczenia skał. Z równowagi sił działających na ostrze PDC wyprowadzono model matematyczny będący zależnością liniową między siłami tnącymi a siłą normalną. Linia ta jest obrazem współdziałania koronki i świdra i można ją wykorzystać do określenia formacji i stępienia narzędzia. Model został zweryfikowany na podstawie wyników doświadczeń na pojedynczych ostrzach. Wyniki obserwacji i analiz dają wgląd w fizykę współoddziaływania ostra i skały stanowią cenną podstawę do lepszego doboru metod wiercenia (WOB, prędkość obrotowa, itd.) oraz zwiększenia postępu wiercenia.