Подбор молотка и долота для глубокого бурения: почему проблемы при бурении твердых пород обычно связаны с несоответствием оборудования.
Если вы когда-нибудь стояли рядом с буровой установкой DTH в твердом граните и наблюдали, как скорость проходки медленно снижается, в то время как компрессор работает на полную мощность, вы, вероятно, слышали, как кто-то говорил: «Эта порода слишком твердая». И иногда это правда. Но гораздо чаще порода именно такая твердая, какой и должна быть — проблема в том, что молоток и долото были выбраны для другой задачи.
Бурение скважины — это система. Молоток, долото, давление воздуха и порода должны работать согласованно. Когда это не так, возникают симптомы, которые все списывают на грунт: медленное проникновение, застревание долота, чрезмерный износ, скважины, отклоняющиеся от курса. Если же найти баланс, порода внезапно станет гораздо более податливой.
Стандарт 115 миллиметров: когда 4-дюймовый молоток — это разумные вложения.
Для бурения взрывных скважин, водяных колодцев и разведочного бурения в диапазоне диаметров 115 мм в породах средней и твердой крошки — известняке, угольных пластах и большинстве месторождений золота и молибдена — 4-дюймовый погружной буровой молоток в сочетании со 115-миллиметровым долотом является комбинацией, которая обеспечивает наилучшее соотношение скорости, стоимости и надежности по сравнению с любым другим инструментом в своем классе.
Почему 4 дюйма для 115 мм? Диаметр поршня в 4-дюймовом молотке обеспечивает достаточную площадь ударной поверхности для передачи ударной энергии, сопоставимой с той, которую может эффективно поглотить буровой долото диаметром 115 мм. Если использовать меньший диаметр — например, 3,5-дюймовый молоток, забивающий 115-миллиметровое долото через адаптер, — энергия удара за один удар окажется слишком низкой для диаметра долота. Буровой долото не получает достаточной плотности энергии для создания полноценных кратеров в твердой породе, и скорость проходки снижается, даже несмотря на то, что компрессор работает с той же интенсивностью.
Если использовать более мощный молоток — например, 5-дюймовый молоток на 115-миллиметровом сверле — вы вкладываете в сверло больше энергии, чем рассчитано выдержать тело сверла и твердосплавные вставки. Избыточная энергия не приводит к ускорению сверления; она превращается в ударную нагрузку, которая скалывает твердосплавные вставки, деформирует хвостовик сверла и передает вибрацию вверх по буровой колонне, сокращая срок службы всего оборудования, расположенного выше молотка.
Сочетание 4-дюймовых/115-миллиметровых молотков — оптимальное решение. Молоток работает достаточно быстро, чтобы поддерживать высокую частоту ударов, что важно при работе с твердыми породами, где требуется большое количество ударов в минуту, но каждый отдельный удар несет достаточно энергии, чтобы разрушить породу, а не просто отскочить от нее. А поскольку система не находится под избыточным давлением, расход воздуха остается приемлемым. Вам не придется работать на предельных оборотах компрессора всю смену только для того, чтобы молоток продолжал работать.
На практике эта комбинация комфортно справляется с известняком и угольными породами при умеренном давлении воздуха. В более твердых породах — граните, базальте, кварците — вам потребуется повысить давление, но молоток и долото рассчитаны на это. Профиль твердосплавной кнопки на правильно подобранном 115-миллиметровом долоте для бурения твердых пород будет сферическим или баллистическим, а не коническим, что обеспечивает ударопрочность за счет некоторой скорости проходки. Этот компромисс оправдан, когда альтернативой являются сколы кнопок и извлечение долота из скважины в середине бурения.
«Вызов 140 миллиметров»: когда вам нужно всё побольше
Если же речь идёт о сверлении отверстий диаметром 140 мм в высокотвёрдых породах — железной руде, плотном медно-порфировом руднике, невыветренном базальте — то ситуация кардинально меняется. Площадь рабочей поверхности сверла увеличивается почти на 50% по сравнению со 115 мм, а это значит, что молотку необходимо передавать пропорционально больше энергии удара за один проход, чтобы поддерживать ту же плотность энергии на поверхности породы. 4-дюймовый молоток с этим не справится. Нужен 5-дюймовый.
5-дюймовый шнековый буровой молоток DTH имеет больший поршень с более длинным ходом, что позволяет наносить более глубокие и сильные удары, необходимые для эффективного разрушения твердой породы с помощью бурового долота диаметром 140 мм. Частота ударов ниже, чем у 4-дюймового молотка — это компромисс ради большей энергии удара, — но в твердых породах большого диаметра энергия удара важнее частоты. Сто сильных ударов, которые действительно разрушают породу, продвинут скважину быстрее, чем двести легких ударов, которые лишь слегка задевают поверхность.
Изменилась и конструкция бурового долота. 140-миллиметровое долото DTH для работы в твердых породах требует более прочного корпуса с более глубокими пазами для отвода шлама, чтобы справиться с большим объемом шлама, образующегося на метр скважины. Промывочные отверстия стали больше и расположены таким образом, чтобы направлять воздух точно туда, где требуется охлаждение контрольного ряда — внешние кнопки совершают больше работы за оборот, чем центральные, потому что они перемещаются дальше, поэтому им требуется более активное охлаждение. Если промывка осуществляется не непосредственно в контрольном ряду, внешние кнопки перегреваются и преждевременно изнашиваются, а диаметр скважины начинает уменьшаться в течение первых двадцати метров.
Бурение глубоких скважин диаметром 140 мм добавляет еще одну сложность: удаление шлама на большие расстояния. На глубине 50 метров и более скорость воздуха в затрубном пространстве может снизиться настолько, что более тяжелая стружка начнет оседать вместо того, чтобы вытекать наружу. Более высокий расход воздуха 5-дюймовым молотком — что является фактором стоимости при бурении неглубоких скважин — становится преимуществом при бурении глубоких скважин, поскольку больший объем воздуха поддерживает лучшую скорость воздуха в затрубном пространстве и делает скважину чище.
Как распознать несоответствие до того, как оно лишит вас смены
Признаки неудачного сочетания молотка и сверла проявляются быстро, если знать, на что обращать внимание:
Скорость проникновения резко падает в твердые породы, но компрессор работает исправно.Молоток слишком мал для диаметра сверла. Энергии удара недостаточно для разрушения породы, поэтому сверло, по сути, просто забивает её на месте.
Твердосплавные кнопки начинают скалываться или раскалываться уже после первых нескольких отверстий.Молоток слишком велик для сверла. Энергия удара слишком высока, а твердосплавные вставки, рассчитанные на определенный диапазон энергии, выдерживают ударные нагрузки, выходящие за пределы их расчетной мощности. Решение заключается либо в использовании молотка меньшего размера, либо в использовании сверла с более прочными твердосплавными вставками, рассчитанными на более высокие ударные нагрузки.
Скважина дрейфует, особенно на глубине.Это может быть проблема с молотком (поршень бьет неточно) или с долотом (неравномерный износ калибровочного ряда), но чаще всего это проблема несоответствия, когда энергия удара молотка не сосредоточена в центре распределения массы долота. Убедитесь, что длина хвостовика долота и патрона молотка совместимы — долото, слишком короткое или слишком длинное для молотка, будет получать удары со смещением от оси.
Чрезмерный расход воздуха без соответствующего улучшения воздухопроницаемости.Вы используете более высокое давление, чем требуется системе, обычно потому, что кто-то пытается компенсировать несоответствие, увеличивая мощность компрессора вместо того, чтобы исправить несоответствие между молотком и сверлом. Увеличение давления воздуха не исправит принципиально неправильный размер молотка.
Итог
При бурении с использованием погружного бурового инструмента (DTH) молоток и долото составляют согласованную пару. Они проектируются как единая система, тестируются как единая система и работают как единая система. Смешивание марок или размеров только потому, что «подходит» или «у нас было в машине», превращает обычную программу бурения в упражнение по устранению неполадок. Выбирайте молоток в соответствии с размером отверстия, долото — в зависимости от породы, и убедитесь, что они спроектированы для совместной работы. Сделайте это, и твердая порода перестанет быть проблемой — она просто станет частью работы.
