Следующие задачи в области исследований бурового инструмента для горных пород
Инструменты для бурения горных пород не совершенствуются случайно.
Улучшенное долото с кнопочным механизмом, более прочная буровая штанга, более надежная муфта или более долговечный переходник для хвостовика обычно являются результатом многолетних исследований материалов, полевых испытаний, усовершенствования производства и отзывов буровых бригад.
Отрасль добилась огромного прогресса. Современные марки твердосплавных материалов, контролируемая термообработка, прецизионная резьба, гидравлические буровые установки, системы DTH и улучшенные конструкции буровых долот изменили методы бурения горных пород.
Но работа еще далека от завершения.
Добыча полезных ископаемых происходит на больших глубинах. Тоннели прокладываются через более сложные грунты. Подрядчики стремятся к более высокой скорости проходки, сокращению простоев, более точным скважинам, более безопасным операциям и снижению стоимости за метр. В то же время производители должны контролировать стоимость сырья, сокращать отходы, повышать качество продукции и конкурировать на мировом рынке.
Эти факторы определяют новые приоритеты в исследованиях инструментов для бурения горных пород.
1. Разрабатывайте инструменты, специально предназначенные для конкретного применения.
Универсальное сверло может быть удобно иметь в наличии, но оно редко является лучшим решением для каждой задачи.
Прочность породы, ударная вязкость, абразивность, характер разрушения, условия залегания воды, тип бурового инструмента, диаметр отверстия и желаемое качество отверстия — все это влияет на производительность инструмента. Сверло, предназначенное для твердого абразивного гранита, может не подойти для трещиноватого известняка. Шток, используемый в легких пневматических буровых установках, может не выдержать ударной энергии современных гидравлических буровых установок.
Разработка сверлильного инструмента следующего поколения требует создания более специализированных конструкций.
Это означает использование полевых данных для сопоставления:
Профиль поверхности бурового долота и поведение породы при разрушении
Геометрия твердосплавных элементов рассчитана на износ и ударные нагрузки.
Сталь бурильной штанги подвергается воздействию волновых напряжений.
Системы резьбовых соединений для циклов затяжки и соединения.
Схема промывки в зависимости от поведения скошенной травы
Размеры инструмента соответствуют ограничениям буровой установки и туннеля.
Цель состоит не в создании бесконечного количества бессмысленных вариаций. Задача – разработать понятные, хорошо протестированные семейства продуктов, решающие реальные проблемы бурения.
2. Улучшение свойств материалов без потери прочности.
Твердосплавные материалы, легированная сталь, припои и термообработка остаются ключевыми факторами, определяющими рабочие характеристики инструмента.
При работе с твердосплавными пластинами всегда важна сбалансированность. Более высокая твердость может улучшить износостойкость, но чрезмерная хрупкость может привести к сколам. Большая ударная вязкость может повысить сопротивление ударам, но может снизить сопротивление абразивному износу. Геометрия пластины и способ крепления влияют на результат так же сильно, как и сам сорт твердосплава.
Для бурильной стали критически важна усталостная прочность. Бурильные штанги передают высокочастотные волновые напряжения, испытывая при этом крутящий момент и изгибающие нагрузки. Небольшие металлургические дефекты, плохая прямолинейность, неравномерная термообработка или поврежденная резьба могут стать очагами усталости.
Исследования должны быть сосредоточены на:
Более чистые и однородные легированные стали.
Улучшенная микроструктура карбидов
Улучшенные системы удержания карбидов
Стабильные процессы термообработки
Защита от коррозии и износа
Усиление поверхности вокруг критически важных элементов
Более надежные материалы для соединения и пайки.
Самый прочный материал не обязательно является лучшим. Лучший материал — это тот, который демонстрирует предсказуемые характеристики в предполагаемых условиях бурения.
3. Создание более совершенных производственных систем.
Даже хорошая конструкция может потерпеть неудачу, если производство будет непоследовательным.
Для изготовления бурового инструмента необходимы контроль на всех этапах: ковка, механическая обработка, нарезание резьбы, сверление отверстий, термообработка, установка твердосплавных элементов, выпрямление, проверка качества и упаковка. Небольшое отклонение на любом из этапов может существенно повлиять на эффективность работы в полевых условиях.
Традиционные методы механической обработки по-прежнему позволяют производить качественные инструменты, но конкурентоспособность в будущем зависит от гибкости и повторяемости. Производителям все чаще требуются производственные системы, способные обрабатывать множество вариантов продукции без потери точности размеров или скорости доставки.
Цифровое управление технологическими процессами, обработка на станках с ЧПУ, автоматизированный контроль качества, отслеживаемость и стандартизированные рабочие инструкции могут помочь снизить вариативность. Они также упрощают выявление источника дефекта в процессе производства.
Цель состоит не в автоматизации ради самой автоматизации. Задача — сделать каждую партию продукции более стабильной.
4. Относитесь к качеству не только как к твердости.
Твердость важна, но это не является полным стандартом качества.
Сверло может соответствовать заданной твердости, но при этом иметь плохую фиксацию. Стержень может выглядеть прямым, но при этом содержать внутренние дефекты. Муфта может иметь правильный размер резьбы, но плохое качество контакта. Корпус сверла может выглядеть чистым, но иметь неравномерную термообработку.
Комплексная система качества должна включать в себя:
Контроль размеров
Проверка резьбы
Проверка прямолинейности
Испытание твердости в критически важных местах
Металлографический анализ при необходимости.
Тестирование на удержание твердосплавной кнопки
Проверка состояния поверхности
Обратная связь по усталости и результатам в полевых условиях
Прослеживаемость партий
Окончательным критерием оценки является эффективность в полевых условиях, но заводу необходимы данные о технологическом процессе, чтобы понять, почему инструмент работает хорошо или выходит из строя на ранней стадии.
5. Свяжите теорию с практикой бурения.
Научные исследования имеют ценность только тогда, когда они улучшают реальные процессы бурения.
Теоретические модели могут объяснить волновые напряжения, разрушение горных пород, образование карбидов, поведение при промывке, усталость и износ. Эти модели полезны, когда они помогают в разработке более эффективных конструкций и принятии более надежных решений.
Однако порода изменчива. Условия бурения меняются от одного забоя к другому. На результат влияют опыт оператора, состояние буровой установки, поток воды, давление подачи и угол наклона скважины.
Именно поэтому лабораторные исследования и полевые испытания должны оставаться взаимосвязанными.
Успешная исследовательская программа должна проходить через практический цикл:
Проведите наблюдение за реальным отказом оборудования в полевых условиях или пределом производительности.
Составьте техническое пояснение.
Разработайте изменения в дизайне или процессе.
Протестируйте это в контролируемых условиях.
Проверьте это в реальных условиях бурения.
Полученные результаты будут учтены в следующем цикле проектирования.
Такой подход предотвращает отрыв исследований от потребностей клиентов.
6. Улучшайте не только конструкцию, но и удобство использования инструментов.
Даже самый лучший сверлильный инструмент может быть поврежден из-за неправильного использования.
Неправильная установка сверла, износ конусности сверлильной стали, недостаток смазки, неправильное обращение с резьбой, задержка переточки, некачественная промывка, чрезмерное усилие подачи и небрежные методы снятия — все это может сократить срок службы инструмента.
Поэтому в исследованиях следует использовать технологии.
Производители инструментов могут повысить ценность своей продукции, предоставляя рекомендации по проверке, техническому обслуживанию, ограничениям по переточке, советам по подбору инструмента и простым диагностическим инструментам. Клиент, понимающий причину поломки сверла, с меньшей вероятностью повторит ту же проблему при следующем заказе.
Продукт — это не просто сталь и твердосплав. Это результат, который получает клиент после сверления.
7. Обменивайтесь информацией быстрее.
Отрасль бурения горных пород выигрывает от обмена полезной технической информацией между производителями, университетами, научно-исследовательскими институтами, горнодобывающими компаниями, подрядчиками по прокладке тоннелей и поставщиками бурового оборудования.
Ни одна организация не видит всей картины целиком. Производители разбираются в процессе производства. Буровые бригады видят отказы оборудования в полевых условиях. Исследовательские группы могут изучать материалы и механику. Поставщики буровых установок понимают особенности работы оборудования.
Когда эти группы работают по отдельности, прогресс идет медленно. Когда они обмениваются данными и результатами испытаний, разработка продукта становится быстрее и эффективнее.
Следующее крупное усовершенствование бурового инструмента может произойти не благодаря одному новому материалу. Оно может стать результатом более тесного сотрудничества между специалистами, которые проектируют, производят, используют и изучают эти инструменты.
Цель исследования проста.
Конечная цель — не создание более сложного сверла или более впечатляющего каталога.
Это буровая система, которая эффективно разрушает горные породы, правильно удаляет буровой шлам, сохраняет заданную толщину, остается выровненной, устойчива к усталости, надежно соединяется и обеспечивает предсказуемую стоимость за метр.
Именно такому стандарту должны служить исследования.
