Типичные причины отказов буровых долот ПДК и их анализ.
Обзор. Буровое долото из поликристаллического алмаза (ПДК) состоит из корпуса долота, резцов ПДК и защитного карбида для калибра. Как резцы ПДК, так и защитный карбид припаяны к корпусу долота. Во время бурения крутящий момент и усилие прижима передаются от буровой установки через буровую колонну к долоту; измельчение породы осуществляется резцами ПДК, а защитный карбид защищает корпус долота по всей его окружности, замедляя износ. Поскольку напряженное состояние на поверхности долота очень сложное, на его производительность могут влиять многочисленные факторы — условия пласта, процедура бурения и выбор оборудования, квалификация оператора и контроль качества самого долота — и приводить к различным видам отказов. На основе полевых исследований и систематического анализа вышедших из строя долот ниже приводится краткое описание основных типов отказов и их причин.
I. Выходы из строя резцов ПДК. Резцы ПДК являются основными элементами бурового долота, разрушающими горные породы, и могут выходить из строя по нескольким причинам:
Нормальный износ. Нормальный износ — это ожидаемая потеря материала в результате длительной резки горных пород. Он проявляется в виде постепенного абразивного износа алмазного стола и твердосплавной подложки. Изношенная поверхность гладкая, без явных трещин или сколов, и считается приемлемым износом на исходе срока службы.
Потеря режущего инструмента (полное отсоединение) означает полное отделение режущего инструмента от корпуса сверла, в результате чего припойное отверстие остается пустым, что приводит к поломке сверла.
Основные причины
Термическое повреждение рабочей поверхности долота (прогорание): Сухое сверление или засорение каналов подачи воды к долоту препятствуют адекватному охлаждению во время высокоскоростной резки, что приводит к быстрому повышению температуры рабочей поверхности долота. Если температура превышает порог плавления или деградации припоя, паяное соединение разрушается, и режущий инструмент выпадает.
Недостаточный контроль процесса пайки: плохая предварительная очистка, холодные или пористые припои, неправильное удаление газов или недостаточное время термообработки/выдержки после пайки могут снизить прочность соединения и привести к отрыву режущего инструмента.
Контрмеры
Производственная сторона: обеспечить строгий контроль процесса пайки — гарантировать чистоту поверхностей, правильность припоя и последовательную термообработку после пайки для получения прочных соединений.
На месторождении: используйте бурение с чистой водой и избегайте бурения всухую; перед спуском длинных скважин или установкой бурильной трубы убедитесь в наличии обратного потока в устье и проверьте, что каналы для воды в долоте не забиты, чтобы предотвратить потери на охлаждение.
Сколы/излом алмазного стола. Сколы — это часто встречающаяся поломка, при которой алмазный стол отслаивается или изломывается; в тяжелых случаях алмазный стол и твердосплавная подложка отламываются вместе, что приводит к немедленной потере режущей способности.
Основные причины
Недостаточная ударопрочность или сцепление режущей кромки: режущие кромки с низкой ударопрочностью или слабым сцеплением между алмазным столом и твердосплавной подложкой склонны к сколам под ударными нагрузками.
Неправильные параметры сверления: чрезмерная подача/прижимное усилие приводит к тому, что резцы испытывают нагрузки, превышающие их предел прочности.
Суровые условия пласта: очень твердые, сильно фрагментированные породы создают высокие ударные нагрузки, превышающие ударную вязкость режущего инструмента.
Неправильная конструкция бурового долота: несоблюдение принципа «более твердая порода → больший угол резания/заточки» может привести к тому, что резцы будут иметь слишком агрессивную геометрию для твердых пород, что увеличит напряжение и будет способствовать скалыванию.
Внешние препятствия: столкновение с анкерами, анкерными болтами или арматурой в скважине может вызвать внезапные удары, которые могут повредить долбящие инструменты.
Контрмеры
Следуйте рекомендациям производителя по рабочим параметрам и установите подачу и вращение в соответствии с твердостью пласта.
Выберите геометрию резцов и долот, соответствующую типу породы: увеличьте угол резания/захвата в более твердых породах, чтобы снизить агрессивность воздействия и уменьшить ударные нагрузки.
Используйте резцы с более высокой ударной вязкостью или измените внешнюю форму алмазного стола (например, выпуклые/изогнутые профили часто обеспечивают лучшую ударопрочность, чем плоские столы при сопоставимых условиях производства).
Планируйте траектории бурения скважин таким образом, чтобы избегать известных препятствий, таких как анкерные болты или болты.
Расслоение между алмазным столом и подложкой. Расслоение — это отделение алмазного стола от твердосплавной подложки, приводящее к потере целостности режущего инструмента.
Основные причины
Большие остаточные межфазные напряжения и несоответствие коэффициентов теплового расширения между алмазным столом и твердосплавной подложкой. Тепло, выделяемое при резке, и быстрое охлаждение промывочной жидкостью создают термические напряжения; в сочетании с остаточными напряжениями от процесса производства и приложенными ударными нагрузками это может привести к отслаиванию алмазного стола.
Контрмеры
В процессе производства следует выбирать совместимые материалы для склеивания/пайки и параметры процесса, чтобы минимизировать остаточные напряжения. Оптимизируйте процедуры спекания/пайки для снятия или компенсации межфазных напряжений.
Улучшение механического сцепления достигается путем изменения геометрии интерфейса подложки (например, ступенчатые или рифленые интерфейсы) для повышения прочности сцепления и структурной стабильности.
II. Отказы корпуса долота. Отказы корпуса долота обычно проявляются в виде изломов лопастей (крыльев). Эти отказы происходят главным образом в матричных (спеченных) корпусах долот; стальные долота, благодаря более высокой прочности материала, менее подвержены поломке лопастей.
Основные причины
Неправильные методы сборки/сборки: матричные корончатые долота часто изготавливаются методом порошковой металлургии за один этап спекания. Хотя матричные материалы износостойки, они менее пластичны. Удары по лезвиям во время сборки или снятия долота (например, удары молотком по лезвиям) могут легко привести к поломке крыльев.
Недостаточный контроль спекания: неполное спекание или «холодные» участки, где металлический порошок не полностью уплотнился, приводят к образованию слабых зон или включений в матрице, снижая прочность конструкции и повышая вероятность поломки лезвия во время использования.
Контрмеры
Эксплуатационные требования: стандартизировать процедуры сборки и снятия. Использовать соответствующие инструменты (гаечные ключи, подъемные клещи или устройства для извлечения) для работы с буровыми долотами и избегать прямого удара о лезвия.
Качество продукции: необходимо обеспечить строгий контроль процесса спекания и проводить регулярные испытания исходного металлического порошка для гарантирования его качества и полного уплотнения, предотвращая образование неспеченных включений и слабых зон.
В заключение отметим, что для эффективного предотвращения и смягчения последствий отказов буровых долот ПДК необходим скоординированный контроль на всех этапах: от проектирования и производства до параметров бурения и операций на месте. Согласование конструкции долота и выбора резцов с условиями пласта, поддержание строгого контроля качества пайки и спекания, обеспечение надлежащего охлаждения и промывки во время бурения, а также соблюдение стандартизированных процедур обращения с долотом значительно снизят частоту отказов и продлят срок его службы.
