Типы стальных буровых инструментов: цельнолитые, съемные и удлинительные.
Эффективность бурения горных пород зависит не только от самой буровой установки или бурового инструмента. Буровая сталь, долото, соединение хвостовика и система муфт определяют, насколько эффективно энергия удара и вращательный момент передаются в породу. Выбор правильного бурового инструмента влияет на скорость бурения, прямолинейность скважины, объем работ по техническому обслуживанию, расход инструмента и эксплуатационные расходы.
Буровые инструменты, используемые с обычными буровыми установками с верхним ударным механизмом, обычно делятся на три группы: цельные буровые балки, съемные буровые балки и удлинительные буровые инструменты. Каждая конструкция имеет свою структуру, диапазон рабочих параметров и экономические преимущества. Понимание этих различий помогает подрядчикам, горнодобывающим и карьерным предприятиям подбирать систему инструментов в соответствии с условиями породы и глубиной бурения.
Как сталь для буровых установок передает энергию
В обычной буровой установке с верхним ударным механизмом энергия удара и вращение передаются через буровой профиль. Поршень ударяет по хвостовику, создавая волну напряжения, которая распространяется вдоль профиля к буровому долоту. Одновременно машина создает вращательное и подающее усилие, благодаря чему долото многократно ударяет по новым участкам породы.
Это отличается от бурения с погружением в скважину. В системе DTH молоток работает вблизи дна скважины, непосредственно за долотом DTH. Бурильная труба в основном передает вращение, усилие подачи и поток воздуха; она не передает ту же энергию многократного удара, что и верхний молоток. По этой причине инструменты, используемые при бурении с верхним молотком, обычно описываются как бурильные стали, в то время как инструменты DTH обычно описываются как бурильные трубы, молотки и долота.
В буровых установках с верхним ударным механизмом основное назначение буровой стали — передача энергии удара и крутящего момента с минимальными потерями при сохранении достаточной прочности, усталостной стойкости и износостойкости.
Цельносварная сталь для бурения неглубоких скважин
Цельная буровая сталь изготавливается как единое целое. Один конец выковывается в хвостовик, который подходит к буровой установке, а противоположный конец выковывается в секцию бурового долота, снабженную твердосплавными вставками или кнопками. Обычно используются полые шестигранные буровые стали, часто с размерами по плоскости, такими как 19 мм, 22 мм и 25 мм.
Поскольку долото и буровой брус неразрывно соединены, цельнолитая буровая штанга не имеет отдельного соединения между штангой и долотом. Это дает ей ряд преимуществ:
Нет риска потерять съемное сверло в отверстии.
Хорошая передача энергии удара благодаря отсутствию соединения долота со штангой.
Высокая устойчивость к ударам и крутящему моменту для своих размеров.
Удобное извлечение взрывных материалов из неглубоких скважин.
Простое в использовании устройство для бурения отверстий малого диаметра и коротких скважин.
Цельнолитая бурильная сталь широко используется в мягких и средних породах, при бурении скважин малого диаметра, в карьерах, строительстве и легкой горнодобывающей промышленности. Она особенно практична в случаях, когда глубина бурения ограничена, а быстрая смена инструмента важнее максимальной возможности повторного использования.
Форму бурового долота следует выбирать в зависимости от породы. Долота с цельной режущей кромкой легко затачиваются и обеспечивают хорошую экономичность в подходящих условиях. Долота крестообразной или многолезвийной конструкции могут повысить устойчивость в мягких, трещиноватых или сильно расколотых породах, поскольку снижают риск заклинивания долота в скважине. Трехлезвийные конструкции также могут иметь широкие промывочные канавки, способствующие удалению шлама и снижению износа твердосплавных элементов.
Цельностальные сплавы для сверл с кольцевым наконечником, как правило, лучше подходят для легко проникающих в породы с низкой абразивностью. Их ценность заключается в снижении потребности в повторной заточке, но для сохранения экономической эффективности инструмент должен иметь достаточно сбалансированный срок службы твердосплавного и стального корпуса.
Главный недостаток цельнометаллических буровых долот заключается в том, что при серьезном повреждении торца инструмента его, возможно, придется вывести из эксплуатации. Операторам также приходится поддерживать запас нескольких буровых долот различной длины, что может увеличить затраты на транспортировку, хранение и заточку.
Съемный стальной стержень для гибкой замены инструмента.
В конструкции со съемным бурильным стержнем используется съемное бурильное долото, соединенное с отдельным бурильным стержнем. В зависимости от конструкции инструмента и области применения, соединение может быть коническим или резьбовым. После снятия долота остается бурильный стержень, который часто называют просто бурильным стержнем или бурильной штангой.
Главное преимущество съемной системы — гибкость в обслуживании. Когда сверло изнашивается, его можно заменить, не выбрасывая стержень. Если стержень ломается вблизи соединения, иногда его можно отремонтировать, обработав конус или резьбу, вместо замены всей сборки.
Съемная система также позволяет осуществлять более глубокое сверление. Одно сверло может просверлить глубокое отверстие, при этом стержни разной длины заменяются по мере продвижения отверстия. Это позволяет поддерживать качество отверстия, ограничивая количество комплектов инструментов, которые необходимо носить с собой к рабочей поверхности.
К другим преимуществам относятся:
Снижение объема транспортировки для заточки и обслуживания сверл.
Раздельный выбор материала стержня и материала долота.
Потенциально более длительный срок службы корпуса удилища.
Упрощенное хранение сверл и стержней.
Снижение отходов, если вышел из строя только сверло.
Однако любое соединение влечет за собой возможную потерю энергии удара и дополнительное слабое место. Конические соединения, резьбовые соединения одинакового диаметра и резьбовые соединения с утолщением могут иметь различные характеристики потери энергии. Износ, низкое качество изготовления, недостаточная затяжка или повреждение резьбы могут привести к ослаблению долота. Ослабленное соединение долота может ускорить износ, повредить долото и снизить эффективность бурения.
По этой причине съемные буровые арматурные стержни наиболее эффективны, когда техническое обслуживание соединений рассматривается как рутинная рабочая задача. Операторы должны осматривать резьбу или конусность, содержать соединения в чистоте, использовать подходящую смазку там, где это необходимо, и заменять изношенные детали до того, как они вызовут вторичные повреждения.
Удлинительные буровые штанги для сверления более глубоких отверстий
Удлинительные буровые инструменты предназначены для сверления отверстий большей длины. Они состоят из переходника или секции хвостовика, одного или нескольких удлинительных стержней, муфт и сверла. Такая конфигурация обычно используется для бурения на верстаках, проходки штолен и других работ по сверлению глубоких отверстий, где использование цельной стальной конструкции было бы нецелесообразным.
Современные удлинительные штанги часто используют резьбовые соединения. Распространенные профили резьбы включают волнообразный и обратный контрфорсный, предназначенные для восприятия ударных нагрузок, вращения и усилия подачи. Удлинительные штанги выпускаются в различных шестигранных и круглых размерах, при этом правильный размер определяется типом буровой установки, требуемым диаметром отверстия, глубиной бурения и ожидаемыми условиями эксплуатации.
Важным местом износа является резьба. В благоприятных условиях бурения срок службы удлинительной штанги может в значительной степени определяться износом резьбы, а не поломкой корпуса штанги. Один из способов увеличить срок службы — использовать удлиненную резьбовую секцию. Когда первая резьбовая секция изнашивается, ее можно снять, а вторую секцию ввести в эксплуатацию.
Этот подход может быть особенно полезен для бурильных штанг большего диаметра с цементацией. Он позволяет избежать трудностей, связанных с повторной механической обработкой изношенной резьбы после удаления первоначального закаленного поверхностного слоя. Муфты, используемые с более длинными участками резьбы, должны включать соответствующий внутренний упор для правильного позиционирования штанг.
Выбор правильной системы бурового инструмента
Лучший инструмент для бурения горных пород — это не просто самый прочный или самый дешевый компонент. Это система, которая наилучшим образом соответствует глубине бурения, твердости породы, абразивности, трещиноватости, диаметру скважины, модели бурового инструмента и возможностям технического обслуживания.
Цельные бурильные штанги обычно являются практичным выбором для неглубоких отверстий малого диаметра и простых условий бурения. Съемные бурильные штанги обеспечивают более экономичную замену долота и большую гибкость при изменении условий бурения. Системы выдвижного бурения являются предпочтительным решением для более глубоких отверстий, требующих нескольких штанг и контролируемых соединений.
Операторам также следует использовать запланированный диапазон длин бурильных инструментов и диаметров долот. В комплекте бурильных инструментов каждый последующий инструмент может отличаться по длине и диаметру долота. Соответствующая разница в длине зависит от твердости породы и длины подачи, в то время как диаметр долота обычно уменьшается по мере углубления скважины. Это помогает поддерживать эффективность бурения и позволяет сохранить конечный размер скважины совместимым с предполагаемым зарядом взрывчатого вещества или другими требованиями к использованию скважины.
