Усовершенствованные долота для ускорения бурения горных пород и увеличения срока службы.
Долота-долота, также называемые лезвийными или плоскими долотами, по-прежнему широко используются при прокладке туннелей и в горнодобывающей промышленности благодаря своей простой конструкции, легкости изготовления и удобству переточки. Обычное долото-долото использует длинную прямую режущую кромку для разрушения породы под воздействием удара и вращения.
Однако эта простая геометрия режущей кромки также имеет свои ограничения. Внешние углы режущей кромки часто изнашиваются быстрее, чем центр. В твердых или трещиноватых породах эти углы могут скалываться, заклинивать или терять способность поддерживать круглое отверстие. Неравномерный износ снижает скорость проходки, увеличивает объем работ по переточке и может сократить срок службы бурового долота.
Улучшение геометрии долота может помочь более эффективно распределить режущую нагрузку, защитить уязвимые углы, улучшить промывку и снизить общую стоимость за просверленный метр. Один из полезных подходов — замена одной длинной режущей кромки на многогранную конструкцию, сочетающую в себе наклонные внешние режущие кромки и стружколомные канавки.
Почему обычные долота изнашиваются неравномерно?
В процессе бурения каждая точка режущей кромки по-разному контактирует с породой. Центральная часть кромки, как правило, проходит меньшую круговую траекторию, чем внешние части. Чем ближе точка к внешнему диаметру, тем большую площадь породы она должна разрушить за каждый оборот.
В результате внешние углы обычного долота часто испытывают большую режущую и абразивную нагрузку, чем центральная часть. Эти углы также могут соприкасаться со стенкой отверстия, создавая дополнительное трение и боковой износ.
При быстром износе углов могут возникнуть различные проблемы:
Снижена способность поддерживать полный диаметр отверстия.
Повышенный риск застревания битов.
Плохая округлость отверстия
Более частое перемалывание
Повышенная режущая стойкость
Повышенный риск сколов по краям.
Снижение эффективности бурения
Целью модифицированной конструкции долота является снижение концентрированной нагрузки на эти уязвимые внешние участки при одновременном улучшении дробящего действия по всей поверхности долота.
От одной длинной кромки к множеству коротких кромок
В исходной статье описывается экспериментальный подход, при котором два легко изнашивающихся угла долота были заточены в угловые режущие кромки. Затем с каждой стороны режущей поверхности были добавлены небольшие канавки. Это превратило одну длинную режущую кромку в несколько более коротких кромок с различными направлениями резания.
В представленной конструкции длинная основная кромка была преобразована в многолезвийную режущую систему. Общая эффективная длина режущей кромки увеличилась, в то время как нагрузка, воспринимаемая каждым отдельным сегментом кромки, уменьшилась.
Такая геометрия может улучшить производительность несколькими способами.
Во-первых, скошенные внешние кромки помогают защитить исходные углы. Вместо того чтобы позволять самому внешнему углу принимать на себя весь боковой износ, скошенные поверхности направляют контакт и помогают распределить силу по большей площади.
Во-вторых, наличие нескольких коротких кромок может создавать больше точек разрушения породы при каждом ударе. Вместо одного длинного линейного вмятины, долото может создавать несколько пересекающихся или смещенных вмятин. Это может способствовать более легкому разрушению породы под воздействием комбинированной нагрузки сжатия, сдвига и удара.
Во-третьих, канавки могут улучшить отвод стружки. Если геометрия канавок совпадает с отверстиями для промывки, воздух или вода могут более эффективно удалять шлам от рабочей поверхности бурового долота. Более качественная промывка уменьшает необходимость повторного измельчения шлама, снижает температуру и замедляет износ.
Потенциальные преимущества многолезвийного стамесочного сверла
Грамотно спроектированное модифицированное долотообразное сверло может обеспечить ряд практических преимуществ.
Более длительный срок службы
Удаление или изменение формы наиболее нагруженных внешних угловых участков позволяет снизить концентрированный износ за счет модификации геометрии. В исходной статье приводятся результаты исторических испытаний, в которых модификация кромки под углом улучшила срок службы после переточки. Эти результаты следует рассматривать как конкретные примеры. Фактическое увеличение срока службы будет зависеть от типа породы, мощности бурения, промывки, материала долота, качества переточки и условий эксплуатации.
Основной инженерный принцип верен: при более равномерном распределении нагрузки при резке можно уменьшить локальный износ и повреждения.
Более высокая эффективность проникновения
Многолезвийное буровое долото может разрушать породу через несколько зон контакта, а не полагаться только на одну прямую кромку. Различные направления резания могут создавать более неровное и трещиноватое дно скважины, что может улучшить дробление породы при той же энергии удара.
В статье сообщается о значительном улучшении средней эффективности бурения в сравнительных полевых испытаниях. Подрядчикам следует подтвердить эти достижения с помощью контролируемых испытаний, используя ту же буровую установку, бурильную арматуру, давление воздуха, диаметр скважины и тип горной породы.
Более точное наведение и форма отверстия.
Обычное плоское сверло может с трудом обеспечивать центрированное и круглое отверстие, если режущая кромка изнашивается неравномерно. Модифицированное сверло, обеспечивающее более стабильный, конусообразный профиль дна отверстия, может улучшить самонаводящиеся свойства.
Более точное центрирование скважины может быть ценным при прокладке туннелей и взрывных работах, поскольку отклонение скважины влияет на точность бурения, насыпь, расстояние между зарядами, размещение зарядов, фрагментацию и перебор породы.
Меньше заклиниваний и сколов по углам.
В твердых, трещиноватых породах обычное долото может касаться дна скважины по узкой линии. Это может сделать внешние углы уязвимыми для заклинивания или сколов.
Многогранная конфигурация позволяет увеличить площадь контакта и более равномерно распределить нагрузку. В сочетании с эффективной промывкой это может снизить количество случаев застревания сверла и повреждений кромок.
Улучшенная промывка
Небольшие канавки, описанные в исходной статье, могут стать частью пути промывки. При соответствующем соединении с воздушными или водяными отверстиями бурового долота они помогают направлять буровой шлам наружу от режущей поверхности.
Качественная промывка имеет важное значение при бурении горных пород. Если буровой шлам остается на дне скважины, долото повторно измельчает обломочный материал вместо того, чтобы разрушать свежую породу. Это увеличивает потребление энергии, нагрев, абразивный износ и износ инструмента.
Преимущества перемолония
Переточка необходима для долот с твердосплавными наконечниками. Проблема с обычными долотами заключается в том, что сильно изношенные внешние углы могут потребовать значительного удаления материала для восстановления первоначального профиля. Это может привести к износу твердосплава, увеличению времени заточки и затруднению поддержания постоянной геометрии без соответствующих измерительных инструментов.
Модифицированное сверло может упростить переточку, поскольку износ может оставаться более локализованным на внешних угловых кромках. В некоторых случаях центральная часть может потребовать меньшего удаления материала. Это может снизить объем работы по шлифованию и сохранить пригодный для использования твердосплав.
Однако переточку следует проводить осторожно. Чрезмерный нагрев может повредить твердосплав или ослабить связь между твердосплавом и корпусом долота. Грубые шлифовальные круги могут оставлять глубокие царапины, которые становятся очагами образования трещин. Быстрое охлаждение в воде после перегрева также может вызвать термический шок, и этого следует избегать, если производитель долота не указывает контролируемый процесс.
Переточка должна выполняться квалифицированным персоналом с использованием соответствующего оборудования, методов охлаждения, стандартов контроля и рекомендованной поставщиком бурового долота геометрии.
Практические соображения перед усыновлением
Перед крупномасштабным применением модифицированную конструкцию долотообразного сверла следует протестировать. Необходимо оценить следующие факторы:
Твердость, абразивность и состояние излома горных пород
Энергия удара и скорость вращения буровой установки
Диаметр отверстия и требуемая прямолинейность отверстия.
Емкость для промывки воздухом или водой
Сталь и твердосплавные сверла
Существующие возможности по повторному измельчению
Стоимость одного пробуренного метра, включая время простоя и трудозатраты.
Сравнительная скорость проникновения и срок службы битов.
Исторические данные испытаний, описанные в исходной статье, дают полезные представления, однако современные буровые установки, марки карбида и условия эксплуатации различаются. Полевые испытания должны планироваться, измеряться и анализироваться квалифицированным буровым персоналом.
Заключение
Долота с заостренным лезвием — простые инструменты, но небольшие изменения геометрии режущей кромки могут существенно повлиять на производительность бурения. Внедрение наклонных внешних кромок, нескольких коротких режущих кромок и правильно расположенных промывочных канавок позволяет производителям и подрядчикам уменьшить износ углов, улучшить дробление породы, обеспечить лучшее качество скважины и снизить потребность в повторной заточке.
Наилучшая конструкция бурового долота всегда определяется конкретными условиями применения. Успешная модификация должна соответствовать типу породы, буровой установке, системе промывки, материалу долота и методам технического обслуживания. После подтверждения в ходе контролируемых полевых испытаний улучшенная геометрия долота может стать практическим способом увеличения срока службы и снижения затрат на бурение.
