При изготовлении буровых долот используют максимально износостойкое сырье, что обусловлено воздействием на инструмент в процессе бурения скважин осевых и ударных нагрузок, крутящего момента и давления со стороны химически активной промывочной жидкости. При бурении твердых пород важно грамотно подобрать тип и конструкцию инструмента. Статья рассказывает об особенностях выбора элементов для бурового оборудования в зависимости от разновидности разбуриваемой породы.
Ключевые слова: горная порода, бурение, буровое долото, степень изностойкости, выход из строя, нагрузки.
Горнодобывающая промышленность обеспечивает нашу страну полезными ископаемыми и другими сырьевыми ресурсами. Бурение — ключевая рабочая процедура не только в промышленных сегментах, но и в геологоразведке. Основной инструмент для разрушения всех видов пород — буровые инструменты, в частности, все разновидности долота. Срок эксплуатации бурового долота напрямую связан с породами, на которых он используется. «Все породоразрушающие приспособления классифицируются по назначению, характеру воздействия на породу и конструктивным особенностям. Инструменты могут быть предназначены для выполнения специальных целей, либо для осуществления колонкового или сплошного бурения» [1]. Воздействие на породу может носить истирающе-режущий, режуще-скалывающий, дробяще-скалывающий или просто дробящий характер.
Конструктивные элементы бурового долота — корпус и непосредственно сама разрушающая породу деталь с алмазным, шарошечным или лопастным строением. Сфера применения лопастного долота ограничена мягкими горными породами с высокой пластичностью. Точные алмазные долота способны работать на высокой скорости, при этом бурение практически не искажает геометрию скважины. Область использования шарошечных долот достаточна широкая — этим инструментом бурят все виды пород, а возможность применения от 1 до 6 шарошек позволяет регулировать глубину и ширину бурения.
Конструктивные особенности корпуса шарошечных буровых долот обуславливают появление 2-х групп изделий: секционных и корпусных. Если говорить о способе воздействия шарошечных долот на породу, то инструменты включаются в класс дробящих и дробяще-скалывающих приспособлений. Отличительная черта буровых долот этого вида — минимальное скольжение зубьев во время шарошечного перекатывания по забою. Кроме того, скважина не подвергается фрезерующему воздействию периферийных зубьев. Типология оборудования обуславливает «введение следующей буквенной маркировки для дробящих инструментов:
— «Т»: долота этого типа используются при бурении твердых горных пород;
— «ТЗ»: хорошо бурят твердые абразивные породы;
— «ТК»: породы твердые, имеющие пропластки крепких;
— «ТКЗ»: область применения охватывает все твердые крепкие абразивные породы;
— «К»: крепкие породы;
— «ОК»: для бурения очень крепких пород.
Особенностью шарошечных буровых долот, работающих по дробяще-скалывающему принципу, является повышенное скольжение зубьев во время перекатывания по забою и стенкам скважины. Данные виды инструментов маркируют следующим образом:
— «М»: мягкие породы;
— «МЗ»: породы мягкие абразивные;
— «МС»: мягкие породы, имеющие пропластки средней твердости;
— «МСЗ»: мягкие абразивные со средне твердыми пропластками;
— «С»: средне твердые породы;
— «СЗ»: абразивные породы, твердость — средняя;
— «СТ»: породы средне твердые, пропластки — твердые» [2].
Характеристики горной породы обуславливают выбор долота с нужным типом фрезерованных зубьев шарошек. Для увеличения износостойкости деталей производят наплав, при этом состав подбирается довольно тщательно. Чаще всего речь идет о твердом сплаве, в котором присутствуют зерна вольфрамовых карбидов. В частности, такое наплавление есть на долотах типа «С», «М», «Т» и «МС» — всех вариациях инструмента, разрушающего малоабразивные породы. Нанесение наплавочного материала затрагивает все поверхности зубьев — бока, торцы и притупления. Помимо защиты долота, данная мера способна повысить скорость бурения за счет более длительного сохранения поверхности зубьев.
Специфика работы долота в забое обуславливает высокую нагрузку на инструмент: «диаметр шарошечного долота составляет от 46 до 508 мм, осевая нагрузка при этом достигает 40 кН и частота вращения колеблется в диапазоне 0,7–20 с -1 . Учитывая значительную энергоемкость разрушения породы, к долоту требуется подведение мощности, превышающей 50 кВт. После прохождения через разные поверхности на рабочие элементы долота доходит высокое контактное напряжение, которое в опорах скольжения составляет от 30 до 40 Мпа, в опорах качения — от 4000 до 5000 Мпа» [3].
Экстремальные условия эксплуатации дополнены воздействием высоких температур, которые в стали долота способны провоцировать вследствие термонапряжения зарождение первичных трещин и усталостных выкрашиваний. Использовать смазку малоэффективно. Это объясняется тяжелыми энергетическими и гидродинамическими условиями забоя. Все перечисленные факторы в совокупности предопределяют невысокую устойчивость буровых долот и их повышенную степень износа. Стандартный срок службы инструмента составляет 20–300 часов, если бурение происходит на низких оборотах, 5–10 часов — при высокооборотной работе оборудования.
Эффективная работа бурового долота — это соответствие конструкции, типа и режима обработки инструмента породе, которую планируется разбуривать. Каждая горная порода обладает своим набором механических и физических характеристик, этот аспект необходимо принимать во внимание при выборе оборудования и рабочей технологии.
При работе на мягких и среднетвердых малоабразивных породах хорошо себя зарекомендовали шарошки, рабочая поверхность зубьев которых покрыта наплывом из литого твердого сплава зернистой структуры. Для твердых пород эффективнее использовать шарошки, имеющие штыревое вооружение. К сожалению, универсального бурового долота до сих пор никто не разработал, поэтому под каждый вид буровых установок требуется своя разновидность инструмента, определенного типоразмера и конструкции.
К буровым долотам, особенно используемым на твердых горных породах, предъявляют ряд достаточно высоких требований:
— высокая степень надежности;
— хорошая производительность;
— способность реализации всей доступной мощности, которая подведена к забою;
— возможность подстраивания под физико-механические параметры породы.
Выход из строя шарошечного бурового долота — это практически всегда износ опор или вооружения. Твердый сплав может начать выкрашиваться или опоры заклинить. Первый вариант обусловлен недостаточно качественной пайкой твердого сплава, второй может быть вызван засорением деталей, заводскими дефектами подшипников или излишней осевой нагрузкой. Всегда при выходе из строя вооружения долота специалисты констатируют неграмотный подбор инструмента, когда долото не соответствует породе бурения.
При анализе стойкости буровых долот используют 2 показателя:
1) устойчивость по вооружению;
2) устойчивость по опорам.
Штыревые долота оцениваются по критериям стойкости исключительно по качеству запрессовки штырей. Если данная операция выполнена плохо, наблюдается выпадение элементов на забой, что приводит к разрушению инструмента без возможности восстановления его работоспособности. Когда штыри слишком туго запрессовываются, это тоже негативно сказывается на рабочем процессе — комбинирование остаточных напряжений и динамических нагрузок становится причиной поломки и общего снижения производительности бурового оборудования.
При использовании комбинированных шарошечных долот штыри и зубья разрушаются с разной скоростью, поэтому динамические перегрузки — основная причина выхода из строя данного вида инструмента. Но в силу того, что в комбинированных моделях собраны все плюсы зубчатых и штыревых долот, то общая их устойчивость выше, нежели у некомбинированных аналогов.
Внезапная поломка бурового инструментария связана с одной из следующих причин:
— ненадлежащая проверка долота до начала работы и спуск в забой дефектного долота;
— чрезмерные нагрузки;
— передержка бурового долота в забое.
Шарошки может заклинить прямо в забое, при этом регистрируется прихват деталей на осях. Выход из строя долота можно определить по ряду признаков:
1) скважина перестала углубляться;
2) бурильная колонна сильно вибрирует.
На практике чаще всего ломаются подшипники шарошек 3-шарошечных и колонковых буровых долот. Остановка в восприятии нагрузки со стороны забойного двигателя приводит к заклиниванию бурильной колонны (в случае роторного бурения). Стоит заметить, что до момента поднятия наверх бурильной колонны выход из строя долота обнаружить проблематично. Поэтому к грамотному выбору и контролю инструментов до начала работы стоит подходить особенно внимательно.
Подбор бурового оборудования обуславливает эффективность производимых манипуляций. Чем грамотнее организован процесс, тем выше производительность труда специалистов, опускающихся в забой. Специфика данного рода деятельности требует использования качественного инструментария, подбор которого основывается на анализе основных характеристик разрабатываемой породы.
Литература:
- Катанов, Б. А. Основные причины износа шарошечных долот и пути его снижения. Горные машины и автоматика, № 2–2003, С. 13–14.
- Буровое оборудование: Справочник. Том 2: Буровой инструмент В. Ф. Абубакиров, Ю. Г. Буримов, А. Н. Гноевых и др. М.: Недра, 2018. — С.144–145.
- Катанов, Б. А. Новые направления совершенствования режущих буровых долот // Известия вузов. Горный журнал. № 4–2007, С.43–44.
