Разрушения буровых молотков в условиях твердых горных пород — причины возникновения четырех основных типов разломов.
Скважины, используемые при бурении в твердых породах, подвержены различным неисправностям из-за высокой твердости пласта, больших буровых нагрузок и суровых условий эксплуатации. Эти неисправности напрямую влияют на скорость проходки, качество скважины и срок службы оборудования. В зависимости от типичных условий бурения в твердых породах, распространенные отказы можно разделить на четыре категории: ухудшение ударной стойкости, механический износ/залипание, проблемы с системой удаления бурового шлама и неисправности в системе передачи энергии. Ниже описаны симптомы и первопричины каждой категории.
Снижение эффективности ударного воздействия. Это одна из наиболее распространенных неисправностей, проявляющаяся в виде резкого падения эффективности разрушения горных пород: уменьшение силы удара, снижение частоты ударов и неспособность бурового долота эффективно разрушать твердые породы, что приводит к резкому замедлению или остановке проходки. Основные причины включают:
1.1 Проблемы электроснабжения
В случае пневматических молотков недостаточное давление компрессора (ниже диапазона 0,6–1,2 МПа, обычно необходимого для твердых пород), нестабильный поток воздуха или утечки/засоры в подающих трубопроводах снижают давление, доступное для привода поршня.
В случае гидравлических молотов низкое давление насоса или засорение гидравлических контуров загрязненным маслом снижают усилие привода молота.
Загрязнения в рабочей среде (влага или пыль в сжатом воздухе; металлические частицы в гидравлическом масле) ускоряют износ уплотнений и дополнительно снижают эффективность среды.
1.2 Внутренние неисправности потока или клапанов
В молотках клапанного типа часто происходит износ, деформация или заедание клапанной пластины, что нарушает своевременное переключение клапанов и препятствует высокочастотному возвратно-поступательному движению поршня.
На работу безклапанных конструкций могут влиять износ или закупорка канавок поршня/цилиндра; накопление бурового шлама замедляет изменение направления потока, нарушает цикл удара и резко снижает энергию удара.
1.3 Проблемы интерфейса поршень-бит
Высокочастотные удары приводят к износу поверхности поршня и хвостовой части бурового долота, увеличивая зазоры в контакте и вызывая потери энергии при передаче.
Эксцентричная установка сверла или ослабленные установочные штифты приводят к ударам не по центру, снижая эффективность удара и ускоряя локальный износ.
Механический износ, заедание и разрушение конструкции. Эти проблемы являются основными причинами простоев. При многократных ударах и вращающем моменте механические детали могут чрезмерно изнашиваться, заклинивать или ломаться. Типичные проявления и причины включают:
2.1 Заклинивание и износ поршня
Высокие нагрузки увеличивают трение между поршнем и цилиндром. Недостаточная смазка (например, пропуск интервалов смазки для пневматических молотков или ухудшение качества гидравлического масла) и попадание обломков породы уменьшают зазоры и приводят к заклиниванию поршня. Длительная работа на высоких частотах также приводит к износу поверхностей поршня и может вызвать образование трещин; в тяжелых случаях поршень может разрушиться.
2.2 Повреждение бурильной колонны
Буровая колонна передает крутящий момент и поддерживает молоток. Если прочность материала колонны недостаточна, резьба ослаблена или происходит отклонение скважины, колонна может испытывать дополнительные изгибающие моменты, вызывающие изгиб, деформацию или обрыв резьбы. Истирание от обломков породы на внешней стенке еще больше ускоряет износ и сокращает срок службы.
2.3 Повреждение соединений и уплотнений
Передний и задний сабвуферы являются критически важными соединительными элементами; сильная вибрация и крутящий момент могут повредить или деформировать резьбу. Уплотнения (уплотнительные кольца), подвергающиеся воздействию абразивных сред и высоких температур, стареют и трескаются, вызывая утечки рабочей среды и допуская попадание стружки во внутренние узлы, что ускоряет износ.
Нарушения работы системы удаления шлама. Твердый, крупнозернистый шлам, образующийся при бурении твердых пород, требует надежного удаления. Если система удаления шлама работает неэффективно, это приводит к засорению скважины, плохому отводу шлама и увеличению сопротивления бурению, что иногда приводит к застреванию бурильной колонны. Основные причины включают:
3.1 Недостаточное количество промывочной среды или потока
Пневматические молотки с недостаточным количеством продувочного воздуха или гидравлические молотки с недостаточным потоком промывочной жидкости не могут быстро удалить буровой шлам со дна скважины. Длительный абразивный поток также изнашивает и деформирует транспортные каналы (например, центральное отверстие долота или центральное отверстие поршня), сужая каналы и снижая эффективность откачки.
3.2 Несоответствие параметров бурения и удаления бурового шлама
Чрезмерная скорость проходки может привести к образованию большего количества шлама, чем может переработать система удаления. Неправильная скорость вращения или настройки осевого усилия долота могут привести к образованию слишком крупного шлама, который не сможет пройти через каналы подачи, вызывая его накопление и засорение.
3.3 Отклонение скважины и отложение бурового шлама
Отклонение скважины от заданного направления приводит к образованию углублений, где скапливается шлам, который неэффективно выводится промывочной средой. Со временем эти отложения образуют плотный слой шлама, препятствующий продвижению молотка и работе долота.
Неисправности в передаче мощности. Эти неисправности прерывают бурение, когда теряется передача крутящего момента или энергия удара не достигает долота. Чаще всего они возникают в местах соединения бурильной колонны с молотком и молотка с долотом. Причины включают:
4.1 Ослабленные или поврежденные соединения
Ослабление или повреждение резьбы между буровой колонной и задним креплением молотка, а также износ установочных штифтов или шлицов препятствуют надежной передаче крутящего момента и не позволяют молотку вращаться вместе с колонной.
Изношенные или деформированные компоненты соединения передней части бурового долота с буровым долотом (контргайки, стопорные кольца и т. д.) могут привести к ослаблению крепления долота, вызывая «сухие» удары, при которых энергия не достигает породы, а синхронное вращение теряется, что приводит к неравномерному износу резца.
4.2 Повреждение битов, вызывающее сбой передачи.
Износ, сколы или потеря резцов (твердосплавные режущие элементы, алмазные резцы/методом ПДК) препятствуют эффективному взаимодействию с породой. В результате энергия удара не передается через резцы к породе, а отражается обратно во внутренние механизмы молотка, увеличивая внутренние ударные нагрузки и вызывая вторичные разрушения.
Краткое изложение и основные факторы влияния. В целом, распространенные отказы буровых молотков ДТХ при бурении твердых пород обусловлены определяющими характеристиками работы: высокими нагрузками и суровыми условиями окружающей среды. Основные факторы влияния можно разделить на три группы:
Несоответствие оборудования требованиям: модель молотка, тип бурового долота или материалы компонентов не соответствуют условиям работы в твердых породах.
Неправильная эксплуатация и техническое обслуживание: неподходящие параметры бурения, несоблюдение правил регулярной очистки или смазки, а также задержка с заменой изношенных деталей.
Плохая координация вспомогательных систем: нестабильное электроснабжение и несоответствие между производительностью по удалению бурового шлама и циклом бурения.
Понимание этих первопричин обеспечивает основу для целенаправленного устранения неполадок и профилактических мер, позволяющих обеспечить непрерывность и эффективность бурения в твердых породах.
