Требования к проектированию, изготовлению и техническому обслуживанию бурового инструмента для горных пород.
Буровой инструмент представляет собой комплексную систему передачи энергии. Буровая установка создает удар и вращение, переходник хвостовика и буровой сталь передают эту энергию, а буровое долото передает ее породе. Если какой-либо элемент этой цепи становится слабым звеном, это влияет на эффективность бурения, точность бурения, срок службы инструмента и эксплуатационные расходы.
В горнодобывающей промышленности, при прокладке туннелей, разработке карьеров и строительстве инфраструктуры высокая эффективность бурения не зависит от одного компонента. Она требует совместимого оборудования, правильной конструкции инструмента, стабильного качества изготовления, подходящих материалов, надлежащей термообработки и бережного использования в полевых условиях.
Цель проста: эффективно передавать энергию, эффективно разрушать горные породы, поддерживать надежные соединения, сокращать время простоя и достигать минимально возможной стоимости пробуренного метра.
Основные требования к буровому оборудованию для горных пород
Надежная система бурового инструмента должна отвечать нескольким общим требованиям:
Эффективная передача энергии удара и вращения.
Эффективная способность разрушать горные породы
Совместимость с буровыми установками и горными породами.
Простая, прочная и технологичная конструкция.
Практические процедуры технического обслуживания и перешлифовки.
Стабильный срок службы и экономичная эксплуатация.
Устойчивость к усталости, истиранию, коррозии и износу соединений.
Каждый компонент имеет свои особенности эксплуатации. Буровая штанга должна выдерживать удары, изгиб, кручение и коррозию. Корпус бурового долота должен выдерживать твердосплавные вставки, будучи устойчивым к износу и растрескиванию. Резьбовое соединение должно передавать энергию без ослабления или заедания. Эти различные требования необходимо учитывать при проектировании и изготовлении.
Цельная конструкция бурильной стали
Цельнолитая буровая сталь объединяет хвостовик, корпус штанги и долото в единый компонент. Поскольку ее нельзя разделить на заменяемые части, ее конструкция должна обеспечивать сбалансированный срок службы всех секций.
Если один из участков выходит из строя значительно раньше других, экономическая ценность всего инструмента снижается. Например, прочное сверло малополезно, если хвостовая часть изнашивается преждевременно, а прочный корпус стержня не компенсирует быстрый износ сверла.
Термическая обработка имеет особое значение. Различные участки цельной буровой стали могут требовать разных уровней твердости и ударной вязкости. Размягченная зона, образовавшаяся в процессе производства, может значительно повлиять на усталостную долговечность. Если эта зона расположена в зоне высоких напряжений, где сочетаются ударные волны, риск разрушения может возрасти.
Для обеспечения износостойкости хвостовик должен обладать хорошей твердостью поверхности, а также достаточной внутренней прочностью для поглощения многократных ударных нагрузок. Переход между твердой и прочной зонами должен быть плавным. Резкие изменения твердости или микроструктуры могут привести к концентрации напряжений и снизить надежность.
Прямолинейность, состояние поверхности и усталостная долговечность
Качество поверхности буровой стали напрямую влияет на усталостную прочность. Небольшие дефекты могут стать очагами зарождения трещин при многократных ударах.
К потенциально опасным дефектам относятся:
Царапины и вмятины
Коррозионные ямки
обезуглероженные поверхностные слои
Оксидная накипь
Четкие опознавательные знаки
Следы грубой обработки
Малые радиусы перехода в плечах
Непрямолинейность на конце стержня.
Неперпендикулярные поверхности стержня
Неровный конец хвостовика относительно оси бурильной штанги может создавать эксцентрическую ударную нагрузку. Это может ускорить усталость бурильной штанги, повредить поверхность поршня бурильной установки, увеличить износ шлицов и создать ненужную вибрацию и шум.
Производители должны использовать контролируемые методы механической обработки, термообработки, выпрямления и контроля качества. Подрядчики должны выводить из эксплуатации поврежденные шатуны до того, как поверхностные дефекты перерастут в усталостные разрушения.
Защита от коррозии и дробеструйная обработка
Буровое оборудование часто работает во влажных, коррозионных средах. Шахтная вода, буровые растворы и влажность при хранении могут вызывать образование коррозионных ямок, снижающих сопротивление усталости.
Защита от коррозии должна покрывать как наружную поверхность штока, так и внутреннее промывочное отверстие, где это применимо. В соответствии с технологическим процессом производителя и местными экологическими требованиями могут использоваться фосфатные покрытия, защитные масла, воски или другие одобренные системы защиты от коррозии.
Дробеструйная обработка также может улучшить усталостную прочность. Она создает сжимающее напряжение в поверхностном слое, помогая предотвратить образование трещин. Точный размер дроби, скорость, площадь покрытия и контроль процесса должны быть подтверждены для конкретной буровой стали и геометрии. Исторические значения параметров процесса являются полезными ориентирами, но их не следует принимать без инженерного подтверждения.
Конструкция сверла и выбор твердосплавных материалов
Буровое долото должно соответствовать типу породы, методу бурения, диаметру скважины и мощности буровой установки. Лезвийные, крестообразные, кнопочные и другие конструкции имеют разные преимущества и ограничения.
Буровые долота лезвийного типа просты в использовании и могут быть полезны при бурении неглубоких или небольших отверстий. Однако их режущие кромки могут изнашиваться неравномерно, и их возможности могут быть ограничены при больших диаметрах или сложных условиях бурения горных пород.
Буровые долота с кнопочным механизмом обеспечивают гибкую компоновку кнопок и многоточечное разрушение горных пород. В подходящих областях применения они могут обеспечить более высокую эффективность, лучшее сохранение толщины и более длительные интервалы между переточками. Количество кнопок, диаметр, выступ, расстояние между ними, угол наклона и конструкция системы промывки должны быть выбраны в комплексе.
Выбор твердосплавных материалов требует баланса между износостойкостью и прочностью. Более твердый твердосплав может лучше противостоять абразивному износу, но может быть более чувствителен к перегрузкам, термическим ударам и некачественной переточке. Более прочный твердосплав может лучше выдерживать удары и воздействие неравномерно абразивных пород, но может быстрее изнашиваться в сильно абразивных формациях.
Поэтому правильный выбор марки карбида следует подтвердить полевыми испытаниями, учитывая абразивность породы, твердость, состояние разрушения, энергию бурения, промывку и желаемый срок службы.
Удержание кнопки и прочность корпуса бита
Для крепления твердосплавных кнопок в сверлах может использоваться горячая или холодная посадка. При горячей посадке нагретый корпус сверла расширяется, что позволяет установить кнопки до того, как сталь сожмется при охлаждении. При холодной посадке кнопки вдавливаются в отверстия с контролируемой посадкой с натягом.
Оба метода требуют точных размеров отверстия и надлежащего натяга. Чрезмерный натяг может привести к растрескиванию твердосплава или пластической деформации корпуса сверла. Недостаточный натяг может привести к смещению или потере кнопки.
Корпус бурового долота должен оставаться достаточно прочным, чтобы выдерживать нагрузку от кнопок во время бурения, особенно в области измерительного инструмента. Кнопки измерительного инструмента подвергаются значительному контакту с боковыми стенками и истиранию. Если отверстия для кнопок деформируются, кнопки могут ослабнуть, и диаметр долота может быстро уменьшиться.
Хорошая конструкция бурового долота также требует достаточного пространства для промывки. Плохое удаление стружки увеличивает необходимость повторного заточки, нагрев, абразивный износ и энергопотребление. Хорошо продуманные канавки на рабочей поверхности и промывочные отверстия помогают отводить шлам от дна скважины.
Правильное использование и техническое обслуживание в полевых условиях.
Даже высококачественное буровое оборудование может преждевременно выйти из строя при неправильном использовании. Необходим дисциплинированный режим работы.
В процессе формирования бурового коронки применяйте контролируемый удар и уменьшайте усилие подачи до тех пор, пока не будет сформировано отверстие. После того, как долото будет правильно направлено, бурение можно продолжить при рекомендуемых рабочих настройках. Чрезмерная подача может увеличить изгибающее напряжение и ускорить износ долота. Недостаточная подача может создать вредное растягивающее напряжение и привести к неэффективному бурению.
Избегайте ударов молотком по сверлильным инструментам во время установки или демонтажа. Используйте специальные инструменты для демонтажа. Внешние повреждения от молотков, камней или неправильного обращения могут резко сократить срок службы.
Поддерживайте резьбовые соединения в чистоте и смазывайте их подходящей смазкой для резьбы. Горячая муфта или резьбовая область могут указывать на чрезмерное трение, плохую посадку, загрязнение или износ. Поврежденные муфты и штоки следует отремонтировать или заменить, прежде чем они повредят другие компоненты.
Никогда не допускайте длительной работы вхолостую, когда поршень бура ударяется о бурильную сталь без опоры долота на породу. Это может создать сильное отраженное растягивающее напряжение и повредить твердосплавные вставки, фиксаторы, концы хвостовика и бурильные штанги.
Переточите сверла до того, как износ станет чрезмерным. Изношенные режущие кромки трудно восстановить без потери твердосплава, и они уже могут нанести повреждения, снижающие производительность инструмента. При заточке следует использовать соответствующие круги, умеренное давление и надлежащие методы охлаждения, чтобы предотвратить перегрев и растрескивание.
Заключение
Эффективность бурового инструмента зависит от целостной системы проектирования, материалов, изготовления, эксплуатации и технического обслуживания. Одной лишь прочной бурильной стали недостаточно. Одной лишь хорошей геометрии долота недостаточно. Вся бурильная колонна должна быть совместима с буровой установкой, горной породой и целью бурения.
Контролируя качество поверхности, термообработку, защиту от коррозии, выбор твердосплавных материалов, фиксацию крепежных элементов, конструкцию промывки и методы работы оператора, буровые подрядчики могут повысить стабильность проходки, сократить незапланированные простои и продлить срок службы бурового инструмента.
