Когда твердая порода ломает ваш твердосплав: переосмысление конструкции небольших сверл
В чрезвычайно твердых, прочных породах буровое долото может выйти из строя еще до того, как бригада приступит к работе.
Происходят первые удары. На одну из твердосплавных вставок приходится концентрированная нагрузка. Образуется небольшая трещина. Затем отламывается уголок, или вставка скалывается, или сверло теряет режущую кромку задолго до того, как оно должно было бы выйти из строя из-за нормального износа.
Это не всегда проблема качества материалов.
Это может быть проблема с геометрией.
При работе с небольшими и средними буровыми долотами в исключительно твердых и абразивных породах обычно возникает желание добавить больше вставок или уменьшить силу удара каждой из них. В некоторых условиях это может сработать. Но в очень твердых породах небольшая твердосплавная вставка может просто не обладать достаточным поперечным сечением и объемом, чтобы выдержать многократные концентрированные удары.
В таких случаях вопрос не в том, «Как распределить нагрузку между большим количеством вставок?», а в том, «Как каждая вставка может выдерживать большую нагрузку, не ломаясь?».
В этом и заключается идея, лежащая в основе определения несущей способности при использовании одной вставки.
Почему чрезвычайно твердая порода ломается на куски на ранней стадии?
Твёрдая порода не всегда то же самое, что и прочная порода.
Высокоабразивные породы быстро изнашивают карбид. Прочные породы сопротивляются разрушению и могут передавать высокие ударные напряжения обратно в долото. Когда оба условия совпадают, буровое долото сталкивается со сложной комбинацией: карбид должен сопротивляться сколам при ударе, сохраняя при этом твердость и износостойкость.
В начале каждого удара долото не касается дна отверстия идеально равномерно. Первый контакт может произойти только в одной части режущей поверхности. Затем волна напряжения распространяется по инструменту, разрушая локальную породу под вставкой или кромкой. В очень твердых породах контактное напряжение может быстро возрастать, прежде чем нагрузка распределится равномерно.
Именно поэтому преждевременный выход из строя вставок часто встречается в неподходящих конструкциях буровых долот. Порода не деформируется достаточно легко, чтобы снизить пиковое напряжение на первой вставке, соприкоснувшейся с поверхностью.
Даже при соблюдении норм буровой установки, давления воздуха и техники работы, следы сколов карбида могут появиться уже на небольшом расстоянии.
Принцип нагрузки с одним вставным элементом
Твердосплав — твердый и износостойкий материал, но при этом хрупкий. Его устойчивость к ударным разрушениям частично зависит от свойств материала, а частично от геометрии отдельной пластины.
Более крупная твердосплавная вставка, как правило, имеет большее несущее поперечное сечение и больший объем, чтобы противостоять локальному удару. Проще говоря, более толстая или большая вставка часто может поглотить более высокую ударную нагрузку, прежде чем разрушится.
Это не означает, что «чем больше, тем лучше». Вставка большего размера может привести к другим компромиссам в конструкции. Но когда основным видом отказа является преждевременное сколотое образование трещин, увеличение эффективного размера каждого несущего твердосплавного элемента может быть более полезным, чем просто увеличение количества мелких элементов.
Тот же принцип применим к долотам и крестообразным сверлам. В чрезвычайно твердых породах более толстое твердосплавное лезвие или более прочная режущая кромка могут прослужить дольше, чем тонкое лезвие, предназначенное для более легких пород.
Цель проектирования состоит в том, чтобы обеспечить каждой критически важной вставке достаточную несущую способность для нагрузки, которую она фактически будет испытывать.
Почему добавление кнопок иногда может только ухудшить ситуацию
В современных сверлах с твердосплавными пуансонами часто используется несколько таких пуансонов для распределения нагрузки и улучшения режущей способности. Во многих условиях бурения это дает превосходные результаты.
Но у каждого элемента ограниченная площадь поверхности.
Если добавить дополнительные кнопки, не меняя общую конструкцию поверхности, доступная энергия удара распределяется между большим количеством точек контакта. Отдельные кнопки могут стать меньше или располагаться ближе друг к другу. Пространство для промывки может уменьшиться. Схема разрушения породы может измениться.
В исключительно твердом и рыхлом грунте даже небольшой выступ может получить сильную локальную нагрузку при первоначальном контакте. Если его поперечное сечение слишком мало, он может отколоться, прежде чем нагрузка успеет распределиться по поверхности.
Именно поэтому не существует универсального типа бурового долота, подходящего для всех типов горных пород.
В одном случае может быть эффективным буровое долото с множеством вставок. В другом же случае более надежным может оказаться долото с крестообразным лезвием, трехлопастное буровое долото или буровое долото смешанной конструкции для тяжелых условий эксплуатации. Правильный выбор зависит от прочности породы, ее ударной вязкости, абразивности, энергии бурения, диаметра скважины, условий промывки и характера разрушения, наблюдаемого в полевых условиях.
Укрепляет как тело, так и карбид.
Твердосплавные вставки не работают сами по себе. Стальной корпус должен их поддерживать.
При бурении твердых пород стальные крылья или секции корпуса вокруг вставок должны иметь достаточную толщину и прочность, чтобы надежно удерживать твердосплав. Если корпус чрезмерно деформируется, трескается вблизи посадочного места вставки или теряет опору из-за износа, даже высококачественный твердосплав может преждевременно выйти из строя.
Таким образом, конструкция сверла для тяжелых условий эксплуатации может включать в себя:
Более крупные или толстые твердосплавные вставки
Усиленные стальные крылья вокруг режущей кромки
Более прочная геометрия вставки сиденья
Контролируемая обработка кромок для уменьшения сколов по углам.
Профиль лица, уменьшающий эксцентрическое воздействие.
Термическая обработка, обеспечивающая необходимый баланс прочности и ударной вязкости.
Стальной корпус должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать вес вставки, но не настолько хрупким, чтобы трескаться при многократных ударах. Этот баланс является одним из важнейших аспектов производства сверл.
Смыв по-прежнему важен, но приоритеты могут меняться.
Эффективное удаление бурового шлама, как правило, имеет решающее значение для продуктивного бурения. Некачественная промывка приводит к повторному дроблению, нагреву и ненужному износу.
Однако чрезвычайно твердые породы могут изменить приоритеты проектирования.
Если порода образует относительно мелкий шлам, а скорость бурения от природы низкая, то промывка может быть менее ограничивающим фактором, чем долговечность долота. В такой ситуации может быть целесообразнее выделить большую площадь рабочей поверхности и толщину корпуса для поддержки забивного устройства, а не максимально использовать каждый возможный проход для промывки.
Это компромисс, а не универсальное правило.
Долото по-прежнему нуждается в надлежащей промывке. Но когда раннее скалывание вставки разрушает долота еще до того, как износ станет ограничивающим фактором, более прочная геометрия может обеспечить лучшую отдачу, чем рабочая поверхность, разработанная в основном для максимального отвода стружки.
Правильный подход к проектированию достигается путем выявления истинной причины сбоя текущего компонента.
При выборе материалов необходимо соблюдать баланс, а не крайности.
В случае твердосплавных вставок для работы с твердыми абразивными породами желаемые свойства могут конкурировать друг с другом.
Повышенная прочность помогает противостоять разрушению и сколам. Повышенная твердость улучшает износостойкость. Увеличение содержания связующего вещества в твердосплавном материале может повысить прочность, но может снизить твердость и ускорить износ пластины в сильно абразивных грунтах.
Вот почему выбор твердосплавных материалов не должен основываться только на одном показателе.
Для получения эффективного материала для чрезвычайно твердых пород необходим соответствующий баланс твердости, прочности на поперечный разрыв, ударной вязкости, плотности и микроструктуры. Геометрия вставки, метод фиксации кнопки и рабочие параметры также влияют на результат.
Передовые производственные процессы могут еще больше повысить стабильность, но эффективность работы в полевых условиях по-прежнему зависит от соответствия конструкции бурового долота геологическим условиям.
Обращайте внимание на характер неисправности, а не только на показания счетчика.
При оценке бурового долота не следует ограничиваться только указанием общего количества пробуренных метров.
Выясните причину выхода долота из строя.
Списали ли сверло из-за естественного износа диаметра? Скололись ли твердосплавные кнопки? Произошла ли поломка режущей кромки? Треснул ли стальной корпус? Разрушилась ли резьба? Перегревалось ли сверло из-за того, что шлам плохо удалялся?
Эти детали подскажут, что нужно изменить дальше.
Если проблема заключается в естественном износе, может помочь более твердая или износостойкая конструкция. Если же проблема в преждевременном разрушении твердосплавных элементов, решением могут стать более прочные отдельные вставки, улучшенная геометрия опоры, лучшее выравнивание или другой тип рабочей поверхности.
Сверло, достигшее пределов нормального износа, обычно выполняет свою работу. Сверло, которое скалывается или ломается преждевременно, говорит о том, что необходимо обратить внимание на цепь передачи нагрузки.
Правильный элемент — это тот, который обычно выходит из строя.
В условиях чрезвычайно твердых пород идеального бурового долота может и не существовать. Каждая конструкция предполагает компромисс между скоростью проходки, сроком службы бурового инструмента, промывкой, прочностью вставки и стоимостью.
Но цель ясна: сверло не должно внезапно выйти из строя из-за того, что его твердосплавные вставки не выдерживают нагрузки.
Качественное буровое долото для твердых пород — это такое, которое изнашивается предсказуемо, обеспечивает стабильность скважины и достигает запланированного интервала эксплуатации без преждевременного выхода из строя буровой пластины. Именно в этом и заключается его настоящая ценность.
