Согласование скорости бурения с породой: почему принцип «Твердая порода – медленно, мягкая порода – быстро» имеет большее значение, чем вы думаете.
У каждого пневматического отбойного молотка есть дроссель. И у каждого бурильщика есть инстинкт, подсказывающий, где его установить. Но вот в чем дело с инстинктом: он обычно основан на том, что кажется правильным в точке упора, а не на том, что происходит на самом деле на дне скважины, где буровое долото соприкасается с породой.
Правило звучит достаточно просто: твердая порода — низкая скорость, мягкая порода — высокая скорость. Но большинство бурильщиков, понимающих это правило, все равно применяют его неправильно, потому что не понимают, почему оно работает. А когда вы не понимаете, почему, вы не можете корректировать свои действия при изменении условий. Вот физика, лежащая в основе управления дроссельной заслонкой, и почему неправильная настройка приводит к более быстрому износу буровых долот и штанг, чем что-либо еще на буровой установке.
Что происходит на забое долота при неправильной скорости?
Пневматическая буровая установка передает на буровое долото через буровую штангу две составляющие: энергию удара — удар поршня по хвостовику — и вращение. Удар разрушает породу. Вращение перемещает твердосплавные вставки в свежую породу между каждым ударом, поэтому не приходится дважды бить в одно и то же место.
Зависимость частоты ударов от скорости вращения определяет, насколько эффективно работает сверло или же просто изнашивается.
Слишком быстрое вращение в твердой породе приводит к тому, что буровое долото слишком сильно проворачивается между ударами. Твердосплавные вставки попадают на неповрежденные гребни, оставшиеся после предыдущего удара, а не в только что образовавшиеся кратеры. Вместо того чтобы врезаться в уже расколотую породу и расширять трещины, долото ударяется о неповрежденную породу под небольшим углом при каждом ударе. Вставки отскакивают. Скорость проходки падает. И поскольку долото не входит в породу должным образом, энергия удара отражается обратно вверх по буровой штанге, вместо того чтобы поглощаться породой. Эта отраженная энергия проявляется в виде вибрации — той, которую вы чувствуете в руках, и той, которая создает циклические усталостные нагрузки в каждом резьбовом соединении буровой колонны.
Слишком медленное вращение в мягкой породе приводит к противоположной проблеме. Вставки слишком сильно перекрываются между ударами, повторно измельчая уже разбитый материал вместо того, чтобы резать свежую породу. Долото перемалывает шлам в порошок, выделяет избыточное тепло, и скорость проходки падает, потому что долото тратит энергию на материал, который уже превратился в пыль. Между тем, медленное вращение означает, что шлам не отводится достаточно быстро, поэтому рабочая поверхность долота начинает забиваться. Забитая рабочая поверхность долота в мягкой породе — это предвестник засорения водоотводного отверстия и сгорания твердосплавных вставок.
Буровые долота большого диаметра в твердых породах: почему медленный темп — единственный выход.
Сверление гранита коническим долотом диаметром 45 миллиметров представляет собой совершенно иную механическую задачу, чем сверление известняка долотом диаметром 32 миллиметра. Чем больше диаметр долота, тем больше площадь контакта между его рабочей поверхностью и породой. Большая площадь контакта означает большее сопротивление вращению — долоту приходится преодолевать трение по более широкому окружности рабочей поверхности — и большее сопротивление проникновению, поскольку энергия удара распределяется между большим количеством твердосплавных вставок.
В твердых, плотных, абразивных породах большая площадь контакта работает против вас. Если вы вращаете 45-миллиметровое долото с той же частотой вращения, что и 32-миллиметровое, в той же породе, периферийная скорость в контрольном ряду пропорционально выше — внешние вставки движутся быстрее, ударяются сильнее и изнашиваются быстрее, чем центральные. Контрольный ряд изнашивается первым, диаметр долота уменьшается, и внезапно вы не можете поддерживать нужный размер отверстия до конца буровой программы.
Решение заключается в снижении как частоты ударов, так и скорости вращения. Более низкая частота ударов означает, что каждый удар имеет больше времени для передачи энергии в породу и создания полноценного кратера до следующего удара. Более низкая скорость вращения означает, что долото перемещается на меньшее расстояние между ударами, обеспечивая попадание вставок на уже разрушенный материал, а не на неповрежденные гребни. Такое сочетание обеспечивает более чистую передачу энергии, более равномерный износ вставок по всей поверхности долота и отверстие, сохраняющее заданные параметры.
На практике, для типичного конусного бурового долота диаметром от 36 до 45 мм, используемого в твердом граните или кварците, скорость вращения составляет от 150 до 250 об/мин — ближе к нижнему пределу для больших диаметров. Частоту ударов следует уменьшить, чтобы сохранить высокую энергию удара и соответствующее расстояние индексации. Компромисс заключается в более медленном проникновении, но долото, которое завершает отверстие нужного диаметра, стоит больше, чем долото, которое быстро сверлит десять метров, а затем не может удерживать заданный диаметр.
Бурение скважин малого диаметра в мягких породах: скорость — ваш лучший друг.
При использовании бурового долота диаметром 32 или 34 мм в выветренном песчанике, глинистом сланце или мягком известняке наблюдается противоположная проблема. Площадь контакта мала, порода слабая, и долото может быстро проникать в породу с относительно низкой энергией удара. Если использовать такую установку на скоростях, характерных для твердых пород, долото слишком долго находится в контакте с одним и тем же участком породы, перетачивая его вместо того, чтобы резать, и нагреваясь вместо того, чтобы продвигаться вперед.
Увеличьте скорость вращения — до 300–400 об/мин, иногда выше в зависимости от породы — и долото будет перемещаться дальше между ударами. Каждая вставка ударяет по свежей, неповрежденной породе при каждом ударе, срезая чистые стружки, а не измельчая пыль. Более высокая скорость вращения также способствует удалению шлама: вращение долота механически выметает обломки из зазоров и перемещает их в кольцевой поток, где промывочная вода выносит их наружу.
В мягких породах основной опасностью является не поломка вставки, а перегрев из-за недостаточного охлаждения и забивание долота из-за плохого отвода шлама. Более высокие обороты решают обе проблемы, сокращая время задержки и улучшая механический зазор. Главное — не разгоняйтесь до такой степени, чтобы долото начало подпрыгивать — в очень мягком, рыхлом грунте чрезмерная скорость может привести к тому, что долото будет скользить по поверхности, а не входить в зацепление, особенно если давление подачи слишком низкое.
Предсменная проверка, предотвращающая большинство проблем
Прежде чем забивать сверло в отверстие, уделите две минуты проверке правильности установки:
Убедитесь, что частота ударов и скорость вращения дрели установлены в соответствии с диаметром сверла и типом породы, которую вы собираетесь бурить, а не с тем, что делал предыдущий бурильщик. Настройки, которые хорошо работали вчера на песчанике, сегодня могут оказаться неэффективными на граните.
Убедитесь, что буровая штанга расположена прямо, а долото правильно установлено на конусе или резьбе. Небольшое смещение долота приведет к его вибрации на высокой скорости, причем вибрация усиливается с увеличением оборотов. То, что начинается как едва заметная вибрация в месте соединения с буровой штангой, может перерасти в овальное отверстие на глубине, неравномерный износ вставки и ускоренную усталость резьбы в месте соединения штанги.
Перед тем как долото коснется породы, убедитесь, что промывочная вода течет чисто и равномерно. Начало бурения скважины при частично заблокированном водопроводе — самый быстрый способ перегреть новое долото.
Всё это несложно. Но разница между бесперебойно работающей программой бурения и программой, в которой буровые долота и буровые штанги изнашиваются вдвое быстрее, чем ожидалось, обычно сводится к тому, выделил ли кто-нибудь эти две минуты в начале смены.
