Поломка бурильной штанги у долота? Две причины, объясняющие почти каждую поломку.
Особенно неприятно, когда, вытаскивая буровую колонну, обнаруживаешь, что штанга сломалась прямо у резьбы на конце бурового долота — не изношена, не постепенно выходит из строя, а просто сломана. Поверхность излома свежая. Корпус штанги выше места излома выглядит нормально. И первая мысль всегда одна и та же: дефектная сталь.
Практически никогда дело не в дефектной стали. Почти во всех случаях стержень ломался из-за изменения грунта, а оператор этого не заметил, или потому что яма получилась слишком глубокой для данных условий, и никто не скорректировал план. Вот что на самом деле происходит в этом резьбовом соединении, когда оно выходит из строя, и как предотвратить это в следующую смену.
Внезапный обрыв: когда земля внезапно настигает вашу удочку
Самый неприятный вид поломки бурового стержня — это тот, который происходит без предупреждения. Сверло работает плавно, проникновение стабильное, и вдруг — треск. Стержень ломается в месте резьбы на конце долота, и долото остается на дне отверстия с обрывком резьбы внутри.
Это происходит почти исключительно в смешанных или непредсказуемых грунтах. Буровая штанга, проходящая через однородную породу, подвергается постоянной, предсказуемой нагрузке. Энергия удара передается по штанге, в буровое долото и в породу по равномерной схеме. Резьба на конце долота выдерживает расчетную нагрузку цикл за циклом в пределах пределов усталости, на которые она рассчитана.
Затем буровое долото натыкается на нечто иное. Твердый слой кварцита в мягком песчанике. Пустота, где долото внезапно перестает испытывать сопротивление и врезается в дальнюю стенку. Зона трещины, где долото цепляется за край, и вращение на мгновение замирает. В этот момент нагрузка на резьбовое соединение резко возрастает, значительно превышая свое установившееся значение. Резьба — которая и без того является местом наибольшего напряжения в любом буровом стержне из-за геометрической концентрации напряжений у основания резьбы — испытывает нагрузку, которая может превышать предел прочности материала на растяжение.
Если в этот момент оператор работает с высокой ударной нагрузкой и быстрой подачей — а именно это вы бы и делали, если бы грунт до этого момента был мягким и податливым, — то у стержня нет запаса прочности. Шпиль ударяет, напряжение у основания резьбы превышает допустимую нагрузку на сталь, и стержень ломается. Не постепенно. Не после ста циклов. От одного-единственного удара.
Решение проблемы заключается в повышении ситуационной осведомленности, а не в увеличении прочности буровой штанги. При бурении в грунте с высокой изменчивостью — а в большинстве случаев при бурении в горнодобывающей и строительной отраслях вы всегда это знаете, или должны знать — необходимо прислушиваться к работе буровой установки. Когда меняется высота звука удара, когда резко колеблется момент вращения, когда скорость проходки падает без видимой причины, это сигнал о том, что грунт изменился. Снизьте мощность удара и замедлите скорость подачи, прежде чем штанга получит удар, который она не сможет выдержать. Вы потеряете несколько секунд скорости проходки. Вы получите штангу, которая завершит бурение скважины.
Медленная смерть: усталость, которая выглядит нормально, пока не перестает быть таковой.
Другой распространенный вид поломки сложнее диагностировать, поскольку нет очевидного триггерного события. Шатун просто ломается в один прекрасный день, и если посмотреть на поверхность излома, то часть ее темная и окисленная — старая трещина, — а часть яркая и свежая — окончательный излом. Эта двухцветная поверхность излома — характерный признак усталости.
Усталостные разрушения бурильных штанг происходят, когда штанга эксплуатируется в условиях, превышающих ее предел выносливости, цикл за циклом, пока накопленные микроповреждения не достигнут критической точки. Наиболее распространенной причиной этого является скважина, слишком глубокая для данных грунтовых условий.
Вот в чем причина: с увеличением глубины скважины эффективность удаления бурового шлама снижается. Кольцевое пространство между штангой и стенкой скважины увеличивается, скорость потока воздуха или воды уменьшается с расстоянием, а более тяжелые частицы начинают оседать вместо того, чтобы вытекать. Теперь штанге приходится вращаться, преодолевая сопротивление уплотненного бурового шлама в дополнение к обычной буровой нагрузке. Это дополнительное сопротивление вращению не является равномерным — оно колеблется по мере накопления и удаления шлама, накопления и удаления — и штанга подвергается циклической крутящей нагрузке в дополнение к ударной нагрузке, для которой она была разработана.
В то же время глубокие ямы в неровной местности редко имеют идеально прямые стенки. Стержень слегка изгибается при вращении, и это изгибание создает изгибающее напряжение при каждом обороте. Изгиб, кручение и удар — это тройная угроза усталости.
Резьбовое соединение на конце бурового долота принимает на себя основной удар. Корень резьбы — и без того являющийся геометрическим концентратором напряжений, из-за которого резьба по своей природе слабее корпуса бурового долота — накапливает усталостные повреждения с каждым циклом. В корне резьбы образуется микротрещина. В течение следующих нескольких сотен метров бурения эта трещина растет, микрон за микроном, пока оставшееся поперечное сечение не сможет выдержать нагрузку, и буровое долото не сломается.
Оператор видит, как внезапно ломается стержень, который выглядел прекрасно. На самом деле произошла усталостная трещина, которая разрасталась на протяжении последних пятидесяти отверстий, оставаясь невидимой снаружи, пока не достигла критического размера.
Как распознать усталость до того, как она вас настигнет
Обнаружить подповерхностные усталостные трещины без специализированного контроля — магнитопорошковой или ультразвуковой диагностики — невозможно, но можно контролировать условия, которые их вызывают.
Во-первых: контролируйте глубину скважины. В рыхлом, трещиноватом или сильно абразивном грунте более мелкая скважина с лучшим удалением шлама создает меньшую усталостную нагрузку на удилище, чем более глубокая скважина с недостаточным промыванием. Если поток воды у основания скважины замедляется или становится грязным, это означает, что скважина слишком глубокая для данных условий. Остановитесь, прежде чем удилище начнет страдать.
Во-вторых: осматривайте резьбу каждый раз, когда снимаете стержень со струны. Вам нужно искать три признака: заедание (рваный, шероховатый металл на боковых поверхностях), деформацию (резьба, которая больше не острая и не чистая на вершине) и точечную коррозию (небольшие полости от коррозии или кавитации). Любой из этих признаков является концентратором напряжений, ускоряющим усталость. Стержень с видимыми повреждениями резьбы следует вывести из эксплуатации — не «еще одна дыра», не «мы будем за ним следить».
Третий пункт: подберите штангу под тип грунта. Штанга, предназначенная для среднетвердых однородных пород, не будет обладать достаточным запасом прочности для трещиноватых, неоднородных грунтов, где нагрузка непредсказуема. В сложных условиях вам нужна штанга с большим поперечным сечением в месте соединения с долотом, более большим радиусом закругления резьбы и материалом, в котором приоритет отдается усталостной прочности, а не прочности на растяжение. Штанга, которая стоит на 20% дороже и служит в три раза дольше в плохом грунте, не дорога — дорога штанга, которая ломается посреди скважины.
