Меры предосторожности при использовании буровых инструментов для горных пород
Буровые стали, используемые в буровых и взрывных работах, ограничены диаметром скважины, поэтому их площадь поперечного сечения относительно невелика. Эти тонкие компоненты должны выдерживать сильный износ, воздействие коррозионных сред и высокочастотные циклические нагрузки — растяжение, сжатие, изгиб и кручение — передаваемые высокоэффективными буровыми установками. В зависимости от условий нагрузки и свойств породы срок службы может варьироваться от нескольких десятков часов до чуть более ста часов. Буровые инструменты относятся к числу наиболее подверженных нагрузкам расходных инженерных инструментов в промышленности: они недолговечны, технически сложны и незаменимы в больших количествах.
Каждый пользователь инструмента стремится к максимальной отдаче при минимальных затратах, а это значит – к сокращению износа инструмента. Поэтому производители инструментов и пользователи должны тесно сотрудничать для увеличения срока службы за счет совместной технической оптимизации.
1. С точки зрения пользователя: на что обращать внимание при выборе инструментов для работы с горными породами.
(1) Высокое качество продукции
Ожидается, что высококачественные переходники для хвостовиков прослужат дольше, сократив время простоя на разборку и замену. Буровые штанги и долота также имеют решающее значение: если штанга сломается, то и штанга, и долото могут быть потеряны, а отверстие может быть испорчено.
На современных гидравлических буровых установках обычное бурение в значительной степени автоматизировано и требует меньших физических усилий, однако замена переходников хвостовика, извлечение сломанных штанг или переточка долот приводят к потере рабочего времени, увеличению трудозатрат и эксплуатационных расходов. Поэтому для пользователей важна не только цена, но и, что еще важнее, качество продукции.
(2) Максимально возможный уровень проникновения
В крупногабаритных буровых работах, помимо затрат на рабочую силу и приобретение инструмента, многие другие временные затраты фактически являются фиксированными. Поскольку стоимость инструмента составляет значительную долю затрат на бурение, более быстрое проходческое сечение напрямую снижает общую стоимость строительства. Именно поэтому пользователи уделяют большое внимание скорости бурения.
(3) Минимальное отклонение взрывной скважины
При взрывных работах в скважинах средней и большой глубины отклонение скважины снижает эффективность использования взрывчатого вещества и расстояние между скважинами, что уменьшает производительность. Поэтому пользователи требуют высокой прямолинейности скважин, как правило, с очень жесткими допусками.
К основным причинам отклонений относятся:
Ошибка при удержании скважины в начале отверстия,
ошибка маркировки/выравнивания отверстий,
Ошибка прямолинейности, возникающая в процессе сверления из-за особенностей работы инструмента.
При использовании полностью гидравлических или управляемых компьютером буровых установок первые две ошибки могут быть значительно уменьшены, и основным оставшимся фактором остается отклонение, вызванное конструкцией инструмента. Отклонение обычно увеличивается с глубиной и в конечном итоге может привести к забраковке скважин. Высокоэффективным способом уменьшения или устранения отклонения является использование направляющих буровых инструментов для горных пород.
2. Анализ износа и причин поломок горных инструментов.
(1) Несоосность бурильной колонны
Если переходник хвостовика, муфта и буровой штанга не соосны, возникает изгибная деформация, генерирующая напряжение и плохое прилегание в соединениях, что приводит к ослаблению креплений.
(2) Давление подачи
Слишком низкая прочность: эффективность проникновения снижается; соединение ослабевает; увеличиваются потери энергии при передаче; многократные микроразрывы/удары на контактных поверхностях создают высокое напряжение. Типичные признаки: перегрев и щелчки/дребезжание в соединениях. Перегрев ускоряет износ резьбы и может вызвать эрозионные ямки.
Слишком высокое значение: скорость вращения бурового долота снижается, риск заклинивания возрастает, а напряжение, изгибающее стержень, увеличивается.
(3) Ударное давление
Неправильная настройка ударного давления напрямую влияет на характер вращения, эффективность проникновения и срок службы инструмента.
(4) Скорость вращения
Скорость вращения должна соответствовать диаметру сверла и частоте ударов сверла. Для сверл большего диаметра требуется меньшая частота вращения. Чрезмерная частота вращения повреждает периферийные режущие элементы.
(5) Настройка давления/крутящего момента вращения
Правильное давление при вращении имеет важное значение. Оно помогает предотвратить заедание и необходимо для стабильного вращения. Постепенное увеличение давления при вращении также является ключом к поддержанию натяжения струны. Недостаточное натяжение часто приводит к перегреву соединений, отслаиванию нити, преждевременному износу нити и даже к ее разрушению.
(6) Неправильная практика эксплуатации
Смешивание сильно изношенных компонентов инструмента с новыми может сократить общий срок его службы. К другим вредным практикам относятся неправильная центровка при сборке стержней, попадание грязи/песка в резьбу и сборка резьбы без смазки.
«Безрезультатный удар» (удар молотком без эффективного контакта с породой) особенно разрушителен и его следует избегать.
3. Взаимосвязь между параметрами бурения и результатами бурения.
Ударное давление
Более высокое ударное давление увеличивает скорость поршня и энергию удара. Когда долото находится в хорошем контакте с неповрежденной твердой породой, энергия ударной волны используется наиболее эффективно. Если контакт долота с породой плохой, энергия отражается обратно в бурильную колонну в виде растягивающих волн, а не проникает в породу.
Максимальная энергия удара может быть полностью использована только в достаточно твердых породах. В более мягких породах давление/энергию удара следует уменьшить, чтобы ограничить вредное отражение.
При любом заданном уровне удара более высокое давление означает более высокое напряжение в поперечном сечении бурильной колонны. Для максимального увеличения срока службы штанг и переходников хвостовика рабочее давление всегда должно соответствовать грузоподъемности бурильной колонны.
Давление подачи
Усилие подачи обеспечивает плотный контакт долота с породой, одновременно позволяя ему вращаться. Усилие подачи должно быть правильно подобрано к давлению удара.
Правильное усилие подачи обеспечивает наиболее экономичное бурение.
Слишком низкая подача снижает скорость проходки и ослабляет резьбовые соединения. Перегрев муфт и дребезжание указывают на слишком низкую настройку подачи. Если бурение продолжается с ослабленными соединениями, увеличиваются потери энергии и повышение температуры, что приводит к обгоранию резьбы и ее разрушению.
Слишком высокое усилие подачи снижает частоту вращения и глубину проникновения, увеличивает риск заклинивания и может увеличить отклонение отверстия из-за склонности нити к изгибанию.
Скорость вращения
Вращение перемещает сверло в новое положение для следующего удара. У сверл с кнопочным механизмом периферийное перемещение между ударами обычно составляет около 10 мм. Поэтому частоту вращения необходимо регулировать в зависимости от частоты ударов и диаметра сверла. Для больших диаметров требуется меньшая частота вращения. Чрезмерная частота вращения приводит к ускоренному износу направляющих/кромки сверла.
4. Практические меры предосторожности при эксплуатации
Перед установкой буровых штанг необходимо установить соответствующее ударное давление, давление подачи, скорость вращения и демпфирующее/буферное давление в соответствии с фактическими геологическими условиями. Убедитесь, что параметры соответствуют твердости породы и типу пласта.
Во время бурения необходимо поддерживать концентричность инструментального узла, чтобы избежать деформации хвостовика, переходника, штанги и долота.
Предотвращайте холостые выстрелы. В случае их возникновения немедленно прекратите сверление, чтобы избежать серьезного повреждения инструмента.
После извлечения каждого штока нанесите охлаждающую смазку на резьбу штока и место соединения быстроразъемного соединения.
После бурения взрывных скважин резьбовые соединения нагреваются и могут содержать обломки породы и шахтную воду. Охлаждающая смазка обеспечивает смазку, снижение температуры, защиту от коррозии и повышение износостойкости резьбы.При извлечении буровой штанги следует избегать многократной вибрации/тряски, поскольку это одно из наиболее опасных действий для буровых штанг.
Если резьбовое соединение трудно ослабить, сначала введите смазку в область резьбы, а затем приступайте к откручиванию или контролируемой вибрации. Это сводит к минимуму прямое повреждение резьбы.
В процессе вибрации буровой штанги она может передавать ударное давление, близкое к 200 бар. Длительные высокочастотные удары вызывают концентрацию напряжений; повторяющаяся вибрация в сочетании с нагревом может привести к адгезионному износу/пригоранию холодной сварки и эрозионным ямкам на концах резьбы, а в тяжелых случаях — к локальным ямкам плавления. Эти дефекты становятся очагами усталости и могут привести к преждевременному выходу штанги из строя.
