EN
Класификация на скалните пластове и подбор на бронирани зъби въз основа на твърдостта
Измерване на твърдостта на скалите в MPa и геоложки профили на пластовете — от мека глина до твърда скала с твърдост 60 MPa
Профилирането на подповърхността започва с измерване на твърдостта на скалите в мегапаскали (MPa). MPa служи като предиктивен индикатор за производителността на куршумните зъби. Бързото проникване е постижимо при меки пластове от глина и ситен пясък (0–5 MPa) чрез стандартни конични зъби с волфрамкарбидни върхове. За изветрели скални пластове (10–30 MPa), като например разложена гранитна скала и фрактуриран пясъчник, са необходими карбидни слоеве, усилване и конусност, за да се минимизира чупенето и износването. При плътни пластове от варовик (40–60 MPa) карбидните върхове трябва да са изключително плътни и със сплескан профил, за да се постигне максимално продължително задържане на острия ръб. При допълнително утежнени (60 MPa) скални пластове с висока твърдост, които са предимно съставени от твърд гранит, базалт и кварцит, се използва комбинация от конструкции със стъпаловиден диаметър и дръжки. Картографирането на подповърхностните пластове на терена използва метода за конична пенетрационна проба (CPT), който е стандартен полеви метод за измерване на реалновремеви градиенти на твърдостта на пластовете и директно корелира с избора на куршумните зъби.
Зони на преход между почва и скала: критични причини за износване и режими на повреда на куршумовидните зъби
Зоните на преход между почва и скала представляват среда с най-висок риск за повреда на куршумовидните зъби — те са причина за 60 % от всички преждевременни замени, наблюдавани при текущата експлоатация (Полеви инженерни доклади, 2023 г.). Тези граници предизвикват асиметрични натоварвания, които водят до три режима на повреда:
Отломяване на върха, което възниква, когато ръбовете на скалата, скрити под почвата и чакъла, предизвикват отломяване по карбидните ръбове на куршумовидните зъби по време на проникване в почвата;
Огъване на стеблото, което възниква, когато границите между чакъла и основната скала прилагат странични сили върху стеблото, превишаващи границата на текучест на стоманеното стебло;
Ускорено образуване на остри врязвания, което възниква, когато кристалите на кремния удрят ръбовете на карбидните върхове
Единствената възможна оптимизация, приета за компромиса между ударна здравина и твърдост, е дизайн, който използва пластични сплави за дръжката и функционално градирани карбиди за карбида. Освен това ранното откриване се е оказало критично: върховете в колебанията на въртящия момент и повишените вибрации показват предстоящо повреждане.
Изследване на материала за куршумни зъби: постигане на компромис между ударна здравина и устойчивост към износване
Влиянието на геометричния състав на върха от волфрамов карбид върху производителността на износване на върха през различните слоеве
Връзката между архитектурата, умните материали и карбида на волфрама, който е ултрафин, има голямо значение за използването на зъбите „Bullet“ в райони с различна геология, в сравнение със значението само на твърдостта. Ултрафиният карбид на волфрам от класове с размер на зърното под 0,8 µm циментиран карбид осигурява 20 % по-голяма съпротива на чупене и повишена ударна якост в сравнение с конкуриращите класове. Сложни флути (канали) с архитектура, включваща хеликоидни и многоплощадкови профили, допълнително подобряват разпределението на напрежението по слоевете от редуващи се меки и твърди материали, намалявайки скоростта на износване и увеличавайки продължителността на експлоатация на инструмента. Примери за това са вече в употреба на терен:
Конструкциите с карбидни върхове могат да издържат 3–5 пъти повече цикли на рязане в сравнение с конструкции без карбидни върхове, преди да настъпи функционално намаляване на рязането;
Дизайните с фасети показаха 40% намаляване на честотата на подмяна в междинните слоеве, където границите между слоевете не са ясно дефинирани.
Негативният ефект от високата твърдост върху сроковете на експлоатация на бойните зъби само в смесени слоеве и фрактурирана геология
Постигането на високо ниво на твърдост, особено при използване на кобалт и нано-въглерод, може да има пагубно въздействие при сложни комбинации от формации. Макар увеличената устойчивост на износване да е предимство при пясъчниците, негативните ефекти върху експлоатацията могат да се наблюдават при кварцит и други комбинации от геология, включващи чакъл и варовик, които са фрактурирани и слоести. Сплавите с висока устойчивост на ударно износване с твърдост над 1400 HV притежават крехкост, която допринася за бързото разпространение на микропукнатини и в крайна сметка води до следните два вида повреди:
Бързо изтласкване на микродефекти от удари, които поради удара са се превърнали в макродефекти;
Навикнала загуба на острия ръб на границата между карбид и стомана поради циклично напрежение.
Следователно шерохавостта от високотвърдите сплави се намалява само до 35 % при условия на смесен слой в сравнение с традиционното равновесие между ударна здравина и твърдост при проекти с твърдост 1100–1300 HV.
Съответствие на куршумовидни зъби, насочено от производителността: BKH/BTK срещу конична серия по типове скални пластове
B47K17.5, B47K19, B47K22H и C31HD: скорост на проникване, стабилност и срок на експлоатация в пластове с якост 30–80 MPa
Изборът между серия BKH/BTK и коничната серия изисква оценка на твърдостта и структурната еднородност на пластовете:
B47K17.5 (1,1 кг) дава отлични резултати в пластове с якост 30–50 MPa (шале, пясъчник с умерена плътност), като скоростта на проникване е ниска и няма значителна загуба на стабилност;
B47K19 (1,2 кг) осигурява значителна издръжливост в пластове (изветрели твърди и твърди) с якост до 60 MPa, като допълнителната маса поглъща удара на тези граници;
B47K22H (1,25 кг) е проектиран за работа в плътни формации с ниска степен на метаморфизъм (60–80 МРа), като не се наблюдава значително намаляване на скоростта на проникване, но се отбелязва забележимо и значително намаляване на устойчивостта към ударни натоварвания и цикли на замяна;
C31HD (0,5 кг) се отличава с бързо проникване във формации с якост под 30 МРа — чакъл, пермафрост или силно фрактуриран надложен пласт, но има значително намаляване на експлоатационния живот при формации с якост над 30 МРа поради опростена геометрия.
При смесени геоложки формации най-високата рентабилност се постига чрез използване на C31HD в почвени формации и B47K в скални формации с висока твърдост, като непрекъснатостта на формациите се запазва благодарение на минимално просто стояне и липса на загуба на структурна цялост, особено при хоризонтално бурене.
Параметри на бурене и адаптиране на куршумовидните зъби към действителните условия
Технологията за дълбоко бурене изисква въртящи се бурови глави. Поради високото съпротивление и тежките бурови условия (затвърдени скални пластове) буровите глави трябва да се адаптират към конкретните условия. Това изисква въртящи се глави (20–50 об/мин), осеви натоварвания (5–15 тона) и проникващо налягане (0,01–0,05 м/мин), насочено към буровите глави. В резултат от тези проучвания преждевременното износване на главите е намалено с 34 % спрямо стандартните глави („Списание по геотехническо инженерство“, 2023 г.). Непредвидените промени в съпротивлението на главата изискват незабавна корекция на параметрите, за да се предотвратят пукнатини по фронта и други структурни повреди. Непрекъснатото прилагане на фиксирани параметри води до замяна на главите с 200 % по-често в сравнение с метода, използващ сензори. Контролът и настройката на параметрите на буровата глава според конкретните условия изискват по-малко теоретично разработена устойчивост към промените в главата и повече интеграция. Например, вграждане на тензометрични датчици, системи за мониторинг на акустичната емисия и контролни параметри в самата бурова глава.
Често задавани въпроси
Какво означава MPa в контекста на измерване на съпротивлението на деформация в скали?
MPa (мегапаскали) е единицата за измерване на съпротивлението при изпитването на деформация (твърдост на скалите). Използва се за измерване на производителността на бойните части на куршуми.
Защо има по-голям риск при заетостта на преходните зони между почва и скала от бойни части на куршуми?
В тези зони има внезапно и неравномерно натоварване, което вероятно води до повреди на бойните части – пукнатини, огъване на стволовете и необходимост от замяна на буровите глави.
Каква е допълнителната функция на карбида на волфрам при изпитването на бойните части на куршуми?
В комбинация с конкретните конструктивни решения на главата – структурен графит, карбидът на волфрам (който е износостоек и твърд) подобрява производителността, равностойността и проникващото налягане на главата върху платовете.
Адаптивните параметри на бурене помагат за запазване на издръжливостта на зъбите на бура, като ограничават прегряването и излишното износване.
