The Effects of Plasma Pre-Cracking on Drilling of Hard Rocks: A Single Insert Cutting Experiment

钻探 推力 等离子体 水下 阻力 钻石 开裂 地质学 材料科学 等离子切割 石油工程 复合材料 冶金 机械工程 机械 工程类 量子力学 海洋学 物理
作者
Aamer Kazi,Mirza Akhter,Dion S. Antao,David Staack,Bruce L. Tai
出处
期刊:Journal of Manufacturing Science and Engineering-transactions of The Asme [ASME International]
卷期号:145 (6) 被引量:5
标识
DOI:10.1115/1.4056752
摘要

Abstract This paper studies the effects of plasma-induced cracks on rock cutting to support the concept of a plasma-integrated drag bit for accelerated geothermal drilling through hard rocks. For this, a single polycrystalline diamond compact (PDC) drilling technique is used in cutting granite to compare thrust and cutting forces between plasma-treated and untreated rock samples. The cracks are produced using underwater plasma at 80 J per pulse. This energy level does not produce visible damage to the rock. The cutting tests are conducted at a cutting speed of 12.7 m/min and four feed rates of 0.127, 0.201, 0.267, and 0.414 mm/s to represent actual drilling scenarios. The results show a general trend of reduction in both thrust and cutting forces for these feed rates, but the magnitude of reduction highly depends on the feed rate. The maximum force reduction of around 50% is found at the 0.267 mm/s feed rate with statistical significance. Cases with a higher force reduction are also found to have rougher surface topography, which indicates more excessive fracturing and, thus, a cracks-accelerated material removal process. This study provides initial evidence of using underwater plasma to increase the downhole drilling rate of hard rocks.
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