Причины отказов погружного бурового молотка при бурении твердых пород — объяснение четырех основных категорий неисправностей.
При бурении твердых пород с использованием буровых молотков с погружением в скважину (ДТХ) высокая твердость пласта, большие буровые нагрузки и суровые условия эксплуатации повышают вероятность возникновения целого ряда неисправностей. Эти неисправности напрямую влияют на скорость проходки, качество скважины и срок службы оборудования. В зависимости от ключевых условий бурения твердых пород, распространенные отказы делятся на четыре группы: снижение производительности из-за ударных нагрузок, механический износ/залипание, неисправности системы удаления шлама и неисправности системы передачи энергии. Далее анализируются симптомы и первопричины каждой группы.
Снижение эффективности ударного воздействия. Симптом и последствия: резкое падение эффективности разрушения породы. Типичные признаки: уменьшение силы удара и снижение частоты ударов; долото больше не может эффективно разрушать твердые породы, а скорость проникновения резко замедляется или прекращается. Основные причины:
1.1 Проблемы электроснабжения
В случае пневматических (сжатых сжатым воздухом) молотков недостаточное давление в компрессоре (ниже диапазона 0,6–1,2 МПа, обычно необходимого для бурения твердых пород), нестабильный поток воздуха или утечки/засоры в подающей магистрали снижают давление, доступное для привода поршня.
В случае гидравлических молотков недостаточное давление насоса, загрязнение гидравлического масла и засорение каналов снижают усилие, необходимое для работы молотка.
Загрязнения в рабочей среде (влага или пыль в сжатом воздухе; металлические частицы в гидравлическом масле) ускоряют износ уплотнений и дополнительно снижают эффективность среды.
1.2 Внутренние неисправности системы распределения воздуха/потока
В молотках клапанного типа часто наблюдается износ, деформация или заедание клапанной пластины, что нарушает своевременное переключение клапанов и препятствует высокочастотному возвратно-поступательному движению поршня.
На конструкции без клапанов могут влиять износ или засорение канавок поршня/цилиндра; накопление бурового шлама замедляет изменение направления потока, нарушает цикл удара и значительно снижает мощность удара.
1.3 Проблемы интерфейса поршень-бит
Высокочастотные удары о долото вызывают сильный износ поверхности поршня и хвостовой части долота; увеличение зазора в зоне контакта приводит к потере энергии во время передачи.
Эксцентричная установка сверла или ослабленные установочные штифты могут привести к ударам не по центру ("misstrikes"), снижая эффективность удара и ускоряя локальный износ.
Механический износ, заедание и разрушение конструкции. Симптом и последствия: причины простоев. При высокочастотных ударах и вращающем моменте механические детали чрезмерно изнашиваются, заедают или ломаются. К распространенным проявлениям относятся заклинивание поршня, повреждение бурильной колонны и износ передних/задних подводящих элементов, с указанными ниже основными причинами:
2.1 Заклинивание и износ поршня
Высокие нагрузки усиливают трение между поршнем и стенкой цилиндра. Недостаточная смазка (например, отсутствие регулярной смазки в пневматических молотках или ухудшение смазывающих свойств старого гидравлического масла) и попадание обломков горных пород могут уменьшить зазоры и привести к заклиниванию поршня. Длительная работа на высоких частотах также приводит к износу поверхности поршня и может вызвать образование трещин; в тяжелых случаях поршень может сломаться.
2.2 Повреждение бурильной колонны
Буровая колонна должна передавать крутящий момент и выдерживать вес молотка. Если прочность материала буровой колонны недостаточна, резьба ослаблена или происходит отклонение скважины, колонна может испытывать дополнительные изгибающие моменты, приводящие к изгибу, деформации или разрушению резьбы. Истирание от обломков породы на внешней стенке также ускоряет износ и сокращает срок службы.
2.3 Повреждение соединений и уплотнений
Передний и задний вспомогательные элементы являются критически важными соединительными компонентами; при сильной вибрации и крутящем моменте их резьба может сорваться или деформироваться. Уплотнения (уплотнительные кольца) подвергаются воздействию абразивных сред и повышенных температур (тепло, выделяемое на долоте, может передаваться на молоток); уплотнения стареют и трескаются, вызывая утечки среды и позволяя буровому шламу попадать во внутренние узлы, что ускоряет износ.
Нарушения работы системы удаления шлама. Симптом и последствия: перебои в непрерывном бурении. Шлам из твердых пород обычно твердый и крупнозернистый; при недостаточной эффективности системы удаления шлама возникают такие проблемы, как засорение скважины и плохое удаление шлама. Симптомы включают накопление шлама в скважине, заглубление долота, внезапное повышение сопротивления бурению, а в тяжелых случаях — застревание бурильной колонны. Основные причины:
3.1 Недостаточное количество черенков – транспортная среда
Пневматическим молоткам может не хватать объема промывочного воздуха; гидравлическим молоткам может не хватать потока промывочной жидкости; любое из этих условий препятствует своевременному удалению бурового шлама со дна скважины. Износ или деформация транспортных каналов (например, центрального отверстия долота, центрального отверстия поршня) в результате длительной транспортировки абразивного шлама могут сужать каналы и еще больше снижать эффективность откачки.
3.2 Несоответствие между параметрами бурения и удалением бурового шлама
Если скорость проходки слишком высока, образующийся шлам превышает пропускную способность системы удаления. Неправильная скорость вращения или настройки усилия бурового долота могут привести к образованию слишком крупного шлама, который не сможет пройти через каналы подачи, вызывая его накопление и засорение.
3.3 Отклонение скважины и отложение бурового шлама
Отклонение ствола скважины во время бурения приводит к образованию углублений на стенках скважины, где скапливается шлам, который неэффективно выводится промывочной средой. Со временем эти отложения образуют плотный слой шлама, препятствующий продвижению бурового молотка и работе долота.
Неисправности в передаче мощности. Симптом и последствия: прерывание бурения из-за нарушения передачи крутящего момента или невозможности передачи энергии удара на долото. Эти неисправности обычно возникают в местах соединения бурильной колонны с молотком и молотка с долотом. Основные причины:
4.1 Ослабленные или поврежденные соединения
Ослабление или повреждение резьбы между буровой колонной и задним креплением молотка, а также износ установочных штифтов/шлицов препятствуют надежной передаче крутящего момента и не позволяют молотку вращаться вместе с колонной.
Износ или деформация компонентов соединения передней части молотка с долотом (контргайки, стопорные кольца и т. д.) могут привести к ослаблению крепления долота, вызывая «сухие удары», когда энергия удара не передается в породу и теряется синхронное вращение, что приводит к неравномерному износу зубьев долота.
4.2 Повреждение битов, вызывающее сбой передачи.
Режущие элементы бурового долота (кнопки из карбида вольфрама, поликристаллические алмазные резцы) при бурении твердых пород подвержены износу, сколам или отрыву. Поврежденное долото не может эффективно взаимодействовать с породой, поэтому энергия удара не передается через резцы к породе, а вместо этого передается обратно во внутреннюю структуру молотка, увеличивая внутренние ударные нагрузки и вызывая вторичные отказы.
Краткое описание и основные факторы влияния. В целом, наиболее распространенные отказы буровых молотков ДТХ при бурении твердых пород обусловлены определяющими характеристиками условий работы: высокими нагрузками и суровыми условиями окружающей среды. Основные факторы влияния можно разделить на три категории:
Недостаточная совместимость оборудования: модель молотка, тип бурового долота или материалы компонентов не соответствуют условиям работы в твердых породах.
Неправильная эксплуатация и техническое обслуживание: нереалистичные настройки параметров бурения, несоблюдение требований к регулярной очистке и смазке, а также задержка с заменой изношенных деталей.
Плохая координация вспомогательных систем: нестабильное электроснабжение и несоответствие между возможностями удаления бурового шлама и циклом бурения.
Выявление первопричин этих типов отказов обеспечивает основу для поиска и устранения неисправностей, а также принятия профилактических мер для обеспечения непрерывного и эффективного бурения в твердых породах.
