Соединения буровых штанг: конические, резьбовые и DTH — что где работает и почему
У каждой буровой штанги в мире два конца, и тип соединения на этих концах определяет, насколько прочной будет штанга. Неправильный выбор соединения для конкретной задачи приведет к тому, что вы будете бороться с заклинившими штангами, заедающей резьбой и преждевременными поломками. Правильный выбор соединения сделает его невидимой основой буровой программы — вы не будете о нем думать, потому что оно просто будет работать.
В бурении горных пород используются три основных типа соединений: конические соединения для ручного пневматического бурения, резьбовые соединения с бурильной головкой для гидравлических буровых установок и поверхностных буровых инструментов, а также соединения DTH для систем ударного бурения в скважине. Каждый тип имеет свои физические принципы, свои виды отказов и свои правила правильной установки.
Конические соединения: простая геометрия, требовательная посадка.
Наиболее распространенным типом соединения в ручных сверлах малого диаметра — например, в сверлах диаметром от 22 до 42 мм, работающих на пневматических отбойных молотках, — является коническое соединение. Сверло имеет коническое гнездо, шток — соответствующий конический хвостовик, и они соединяются исключительно за счет трения. Никаких резьб, никаких фиксаторов, только плотная посадка между двумя точно отшлифованными коническими поверхностями.
Угол конусности невелик — обычно 7 градусов или 12 градусов, в зависимости от стандарта, — что означает, что соединение самоблокирующееся. Осевая сила от сверла сильнее прижимает конусность. Сверло держится, потому что сила трения между двумя поверхностями, умноженная на эффект заклинивания, создаваемый малым углом, превышает любую силу, пытающуюся его снять.
Преимущество конического соединения заключается в его простоте. Нет резьбы, которая может заедать, нет фиксаторов, которые могут выйти из строя, и не требуется сложная механическая обработка. Недостаток в том, что все зависит от точности посадки. Даже небольшое отклонение конуса — хвостовик стержня, уменьшенный из-за износа, или гнездо сверла, деформированное молотком — не обеспечит надежной фиксации. Сверло соскочит во время сверления, и извлечение выпавшего сверла со дна отверстия — задача далеко не из легких.
Перед каждым соединением конус необходимо очищать. Каменная пыль, грязь или ржавчина на любой из поверхностей препятствуют полному контакту, а частичный контакт означает, что долото может ослабнуть. Достаточно быстро протереть его тряпкой, но пропуск этой процедуры является наиболее распространенной причиной потери долот при конусном бурении.
Когда конус изнашивается — а он изнашивается, потому что каждый удар молотка представляет собой микроскольжение между двумя поверхностями — сверло начинает глубже входить в гнездо. В конце концов, сверло упирается в гнездо до того, как конус полностью зацепится. Это сигнал к тому, что сверло пора выводить из строя. Продолжение использования изношенного конуса приведет к деформации гнезда сверла в овальную форму, а как только гнездо потеряет свою форму, новый стержень тоже не будет правильно входить в гнездо.
Соединения с R-образной и T-образной резьбой: основную работу выполняет плечо.
Для гидравлических и пневматических бурильных колонн большого диаметра — используемых при прокладке туннелей, создании уступов и бурении скважин — стандартными являются резьбовые соединения с буртиком. Два наиболее распространенных профиля — это R-образная резьба (канатная резьба) и T-образная резьба, в обоих случаях используется важный принцип конструкции: резьба фиксирует и затягивает, а нагрузка приходится на буртик.
В правильно спроектированном буртиковом соединении боковые грани резьбы стягивают штифт и коробку до тех пор, пока плоские кольцевые поверхности — буртик штифта и поверхность коробки — не соприкоснутся полностью. После того, как эти поверхности соприкоснутся, дальнейшее затягивание сжимает поверхности буртика друг к другу, и этот контакт металла с металлом становится основным путем передачи нагрузки для сжимающих и ударных сил. Резьба в основном передает натяжение и крутящий момент.
Такое разделение функций — резьба для натяжения, плечо для сжатия — объясняет, почему эти соединения выдерживают ударное сверление. Если бы ударная нагрузка непосредственно передавалась на резьбу, концентрация напряжений у основания резьбы привела бы к усталостному растрескиванию в течение первых нескольких сотен ударов. Передача ударной нагрузки через поверхности плеча, напротив, в значительной степени защищает резьбу от наиболее сильных ударных нагрузок.
Критически важный момент технического обслуживания: поверхности плечиков должны быть чистыми, плоскими и неповрежденными. Зазубрина или вмятина на плечике препятствуют полному контакту, а это значит, что часть ударной нагрузки, которая должна передаваться через плечо, вместо этого проходит через резьбу. Это кратчайший путь к усталостному разрушению резьбы. Осматривайте плечики каждый раз, когда соединяете стержень.
Шаг резьбы тоже имеет значение. Более крупная резьба — меньшее количество витков на дюйм — закручивается быстрее и менее подвержена перекосу при быстрой замене бурового стержня, но обеспечивает меньшее механическое преимущество при затяжке. Более мелкая резьба обеспечивает более точное закручивание и большую силу зажима при том же крутящем моменте, но ее легче повредить и медленнее соединять. Выбор между крупным и мелким шагом — это компромисс между скоростью и точностью, который зависит от конкретной задачи бурения.
DTH-подключения: Где живет молоток
Системы буровых молотков, используемые в скважинах, применяют совершенно иную философию соединения. Буровая штанга не только передает вращение и подачу, но и направляет через свой центр воздух высокого давления для привода поршня молотка. И соединение между штангой и молотком должно выдерживать все это, а также ударную силу от соприкосновения молотка с поверхностью.
В соединениях бурового шлама с молотком обычно используется конструкция с утолщением и плоской поверхностью, а также короткий резьбовой участок. Резьба крупная и прочная, предназначена для быстрого завинчивания и отвинчивания в полевых условиях, а не для обеспечения высокого крутящего момента, необходимого для герметичности бурильных труб. Утолщение воспринимает сжимающую нагрузку от давления подачи, а резьба выдерживает натяжение при отвинчивании и крутящий момент при вращении.
Штифт — наружная резьба — обычно находится на стержне, а коробка — в задней части молотка. Такое расположение означает, что более уязвимая наружная резьба находится на более дешевом и легко заменяемом компоненте. Если резьба повреждается, заменяют секцию стержня, а не молоток.
Одна из специфических опасностей, связанных с использованием погружных буровых установок: воздух под высоким давлением, протекающий через соединение, может переносить мелкие частицы породы, которые со временем разрушают уплотнительные поверхности. Соединение, идеально герметизирующееся в новом состоянии, после длительной эксплуатации может приобрести пути утечки, а утечка воздуха через соединение означает меньшее количество воздуха, достигающего молотка, что, в свою очередь, означает меньшую энергию удара и более медленное проникновение. Периодически проверяйте наличие утечки воздуха в месте соединения штока с молотком, ощупывая выходящий воздух, когда компрессор работает, но молоток не включается.
Что сочетать и почему
Тип соединения должен соответствовать типу бура, диаметру отверстия и типу грунта. Коническое соединение идеально подходит для ручного бурения скважин малого диаметра, поскольку оно быстрое, простое и не зависит от полевых условий. Резьбовое соединение с буртиком необходимо для бурения скважин большего диаметра, где нагрузки выше, а последствия ослабления бурового долота обходятся дороже. Соединение типа DTH (Direct-to-Through) требуется всякий раз, когда в нижней части скважины находится молоток, поскольку через соединение проходит как воздух, так и механическая энергия.
Смешивание типов соединений на одной буровой площадке не является проблемой, если все знают, что к чему подходит. Проблема начинается, когда кто-то берет коническое долото и пытается надеть его на резьбовой стержень, потому что «он вроде подходит». Но это не так. Соединение — это интерфейс между источником питания и породой, и если этот интерфейс неправильный, ничто после него не будет работать должным образом.
