Буровые долота ПДК для горнодобывающей промышленности: распространенные виды отказов и анализ первопричин
В настоящее время долота ПДК для горнодобывающей промышленности в основном состоят из корпуса долота, режущих вставок ПДК и сплава для защиты калибрующей поверхности. Режущие вставки ПДК и сплав для защиты калибрующей поверхности припаяны к корпусу долота. Во время обычного бурения буровая установка передает крутящий момент и давление подачи на долото через бурильную колонну; режущие вставки ПДК режут породу на забое скважины, в то время как сплав для защиты калибрующей поверхности защищает корпус долота по окружности, предотвращая быстрый износ. Во время резки породы нагрузка на резцы ПДК на торце долота весьма сложна. Изменения в пласте, методе конструкции и выборе оборудования, практике оператора и контроле качества долота могут влиять на производительность и приводить к различным видам отказов. На основе полевых исследований на буровых площадках угольных шахт были обобщены и проанализированы вышедшие из строя долота ПДК для горнодобывающей промышленности; были выявлены следующие типичные виды отказов и основные причины.
1.1. Разрушения режущих пластин ПДК. ПДК спекается под воздействием высокой температуры и давления. Композитный материал ПДК обычно состоит из алмазного слоя и подложки из карбида вольфрама (Туалет).
Основными видами отказов режущих пластин ПДК являются нормальный износ, потеря (вытягивание) пластины, выкрашивание и расслоение.
(1) Нормальный износ. Нормальный износ – это ожидаемое разрушение резцов ПДК при резке горных пород. Он проявляется в виде макроскопической абразивной потери алмазного слоя и карбида вольфрама (Туалет); на изношенной поверхности не наблюдается явных трещин или сколов.
(2) Потеря (выпадение) вставки. Потеря вставки происходит, когда вставка ПДК полностью отделяется от корпуса долота, что приводит к его поломке. Характерным признаком является полное отделение вставки от долота, при этом в пайке в корпусе долота не обнаруживается остаточного сплава.
Основные причины потери вставки:
Повышенная температура на забое: при сухом бурении или закупорке каналов подачи воды в долоте, высокая скорость вращения и резания генерируют тепло, которое невозможно отвести, что приводит к резкому повышению температуры на забое. Если температура превышает критическую температуру припоя, припой плавится, и вставка выпадает.
Недостаточный контроль процесса пайки: недостаточная очистка перед сваркой, неполная или пористая пайка, плохая дегазация или неправильная температура/время выдержки после пайки могут привести к выдергиванию вставки.
Контрмеры:
Производители должны строго контролировать производственные процессы, особенно пайку, чтобы гарантировать полноценные и надежные сварные швы.
На месте по возможности применяйте мокрое бурение (достаточная промывка) вместо сухого бурения; при глубоком бурении дождитесь установления обратного потока, прежде чем добавлять бурильную трубу; перед спуском бура в скважину проверьте водные каналы долота на предмет засорения, чтобы избежать локального перегрева.
(3) Выкрашивание (разрушение кромки) Выкрашивание означает разрушение и потерю алмазного слоя ПДК, часто локально; в тяжелых случаях алмазный слой может отколоться вместе с частями подложки Туалет.
Основные причины появления сколов:
Свойства материала резца: выбранные резцы могут иметь низкую ударопрочность или недостаточную прочность связи между подложкой из Туалет и алмазным зерном, что делает их склонными к сколам при ударе.
Эксплуатационные параметры: чрезмерное давление подачи/нагрузка на долото (WOB) на забое может перегрузить резцы сверх предела их прочности, что приведет к отслаиванию и выкрашиванию алмазного слоя.
Сложная формация: в твердых породах ударные нагрузки могут превысить ударную вязкость резцов и привести к их выкрашиванию.
Конструкция долота: неподходящий передний угол резания (например, слишком малый угол резания для твёрдых пород) увеличивает нагрузку на резец и способствует выкрашиванию. Как правило, для твёрдых пород требуются большие углы резания.
Внешние препятствия: столкновение с элементами укрепления горных пород, такими как анкерные болты или кабельные анкеры в подземных выработках, может легко привести к сколам резца.
Контрмеры:
Соблюдайте рекомендуемые производителем долот рабочие параметры.
Выбирайте и проектируйте долота в соответствии с условиями пласта: для твердых пород увеличьте передний угол резца/угол резания, чтобы снизить агрессивность и защитить резцы; для твердых фрагментированных пород выбирайте резцы ПДК с более высокой ударной вязкостью или измените внешнюю геометрию резца для повышения ударопрочности (например, выпукло-изогнутые грани имеют лучшие ударные характеристики, чем плоские грани при сопоставимых производственных процессах).
Планируйте траектории отверстий так, чтобы по возможности избегать известных анкеров или болтов.
(4) Расслоение Расслоение означает разделение между алмазным слоем и подложкой Туалет композита ПДК.
Основная причина расслоения: значительные остаточные напряжения между алмазным слоем и подложкой из карбида вольфрама (Туалет) в сочетании с разницей в коэффициентах термического расширения приводят к неравномерному сжатию при чередовании нагрева от трения и охлаждения буровым раствором. Совместное воздействие ударной нагрузки и остаточных напряжений может привести к отслоению алмазного слоя от подложки.
Контрмеры:
В процессе изготовления следует выбирать соответствующие связующие материалы и параметры обработки, чтобы минимизировать остаточные напряжения между алмазным слоем и подложкой Туалет.
Оптимизировать геометрию интерфейса подложка-подложка (например, новые формы интерфейса) для улучшения механического сцепления и прочности связи между алмазным слоем и подложкой.
1.2 Поломки корпуса долота Поломки корпуса долота в основном проявляются в виде поломки крыльев долота (лопастей долота).
Переломы крыльев чаще всего случаются у долот со спеченным/матричным корпусом и редко у долот со стальным корпусом.
Причины разрушения крыльев матричных долот:
Удар по крыльям долота при свинчивании или развинчивании: коронки матричных долот часто изготавливаются методом порошковой металлургии и спекаются в виде цельной заготовки. По сравнению со стандартными долотами со стальным корпусом, долота с матричным корпусом обладают более высокой износостойкостью, но меньшей прочностью; удар по крыльям долота при их снятии может легко привести к их поломке.
Плохой контроль процесса спекания: неполное спекание или включения (островки неспеченного порошка) означают, что порошок не полностью консолидировался в однородную матрицу.
Контрмеры:
Во время свинчивания и развинчивания операторы должны использовать соответствующие инструменты (например, трубные ключи или гаечные ключи) для облегчения работы и избегания ударов по крыльям долота.
Производители должны строго контролировать качество спекания: тщательно контролировать процесс спекания и проводить периодические проверки исходного металлического порошка, чтобы убедиться, что он соответствует технологическим спецификациям.
