EN
Свойства грунтовых слоёв и выбор бурового ведра
Каждый слой грунта обладает собственными механическими свойствами, которые влияют на эффективность бурения и износ ковша. Глина, песок, гравий и выветрелая порода имеют различную прочность на сдвиг и абразивность, а также отличаются по степени связности. Эти факторы определяют, как ковш взаимодействует со слоями грунта в процессе резания, а также как он удерживает и выгружает грунт. У глины высокая прочность на сдвиг и высокая связность; следовательно, для неё требуются ковши с толстыми стенками. Гравий обладает высокой абразивностью, а мягкая порода приводит к износу ковша. Для работы с выветрелой породой необходима конструкция ковша, способная выдерживать ударные нагрузки и резать породу. Из-за высокой изменчивости свойств грунта такие ковши должны быть стандартизированы в регионах их применения. В одном из примеров свойства грунта могут меняться от рыхлого песка до сильно уплотнённой выветрелой породы. Это может вызвать повышенный крутящий момент, замедление процесса резания и ускоренный износ бура. Данные, собранные в 2022–2023 годах на проектах по устройству свай в Северной Америке, показывают, что игнорирование этих свойств увеличивает общие затраты на бурение примерно на 40 % из-за выхода ковша из строя и удлинения продолжительности буровых работ.
Тип грунта, прочность грунта на сдвиг, абразивность, сцепление, рекомендуемая модификация ковша
Глина, высокая, низкая, высокая, усиленные боковые плиты
Песок, низкая, умеренная, низкое, широкое соотношение открытия
Гравий, умеренная, высокая, отсутствует, зубья повышенной прочности
Выветрившийся камень, очень высокая, очень высокая, переменная, специализированная конструкция резцов
Адаптация конструкции бурового ковша для грунтовых и скальных пород
Некоторые слои с высоким сопротивлением и высокой абразивностью требуют особой конструкции и геометрии зубьев, усиления боковых плит и определённого соотношения открытия.
Конструкция и геометрия зубьев ковша, а также коэффициент открытия ковша играют важную роль при определении типа грунта, с которым может работать ковш. Широкие зубья ковша, расположенные близко друг к другу, обеспечивают непрерывное срезание для связного грунта. Для грунта, содержащего твёрдую и трещиноватую породу, зубья ковша должны быть заострёнными и установлены с увеличенным межзубцовым расстоянием. Необходимо учитывать усиление боковых плит и коэффициент открытия ковша. Боковые плиты формируют боковые стенки ковша, а коэффициент открытия ковша влияет на его рабочие возможности. Снижение коэффициента открытия на 15–20 % повышает вместимость ковша при работе с крупнозернистым, трещиноватым и твёрдым грунтом, но замедляет выгрузку материала; увеличение коэффициента открытия на 25–35 % улучшает проходимость более мелкого и менее связного грунта. Использование одного и того же типа ковша при переходе от глинистых грунтов к твёрдой скальной породе приводит в данном эксперименте к снижению требуемой глубины проникновения в грунт примерно на 40 %, что подчёркивает необходимость применения конструкции ковша, специально адаптированной к конкретным задачам.
Технические характеристики материала подчёркивают важность марок легированной стали и достижений в области термообработки для срока службы удлинённых ковшей.
Срок службы стали зависит как от обработки, так и от способа производства. Для условий работы с абразивными породами обычно применяются легированные стали, такие как 30CrMo или 40CrNiMo, подвергнутые термообработке до прочности не менее 1000 МПа. Индукционная или пламенная поверхностная закалка повышает твёрдость зубьев и боковых плит до 48–52 HRC, что обеспечивает улучшение износостойкости при работе с гранитом или кварцитом. Напротив, для ковшей, предназначенных преимущественно для работы с глиной или песком, может использоваться более дешёвая сталь 20Mn с базовой закалкой. Это обеспечивает достаточную вязкость по низкой стоимости и позволяет избежать чрезмерного расхода ресурсов. Следует отметить, что при изготовлении ковшей для разработки скальных пород с двойным резанием после сварки обязательно проводится отжиг для снятия остаточных напряжений, предотвращающий образование трещин, возникающих в процессе производства. Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) A615/A615M и международный стандарт ISO 6892-1 устанавливают минимальные требования к испытаниям механических свойств таких материалов; соблюдение этих стандартов обеспечивает стабильность характеристик партий выпускаемой продукции. При несоответствии режимов термообработки и выбора материала условиям формирования горных пород срок службы ковшей сокращается примерно на 50 % при встрече с неожиданными линзами скальных пород. Это приводит к увеличению затрат на техническое обслуживание и замену оборудования в периоды незапланированных простоев, вызванных особенностями геологического строения.
Адаптивное развертывание буровых долот для повышения эффективности бурения
Доказательства применения: признаки снижения частоты вращения (RPM) и крутящего момента: момент переключения долот в ходе бурения
Снижение производительности может сигнализировать о несоответствии между типом грунта и используемым ковшом множеством способов. Падение устойчивых оборотов на 15 % и более по сравнению с нормой, колебания крутящего момента в пределах ±25 % от номинального значения при переключении, а также наличие необычных гармонических вибраций — всё это признаки неэффективной работы оборудования, вызванной изменением характеристик грунта. Эти измерения и наблюдения могут быть получены с помощью оригинальных систем телеметрии производителей оборудования (OEM), таких как телеметрические системы Bauer серии BG и Casagrande SmartDrill. Благодаря таким системам операторы могут своевременно заменить ковш, чтобы избежать повреждений. Согласно Отчётному исследованию по эксплуатационным показателям Международной ассоциации подрядчиков по фундаментным работам (IFCA) за 2023 год, данные о реальном времени потери производительности позволяют вносить корректировки менее чем за 30 минут. Использование этих данных и соответствующих технологий позволило сократить среднее время простоя на 36 %. Правильный подбор инструментов обеспечивает скорость проходки в пределах ±5 % от заданной цели, а оптимизация скорости проходки повышает коэффициент использования оборудования в целом на 18–34 %.
Интеграция геотехнических журналов и данных в реальном времени для эффективной организации заказов буровых ковшей
Ведущие подрядчики используют комбинацию интерпретируемых геотехнических журналов (профили CPTu, значения N по стандартному зондированию SPT и лабораторно определённые значения сопротивления сдвигу), а также данных в реальном времени от буровых установок для разработки прогнозных заказов на буровые ведра. Прогнозные заказы на буровые ведра работают путём последовательного подбора буровых вёдер в соответствии с границами геотехнических характеристик проходимых слоёв (например, лопаты для глины, за ними — резцы для гравия, затем — шнеки для скальных пород). Подрядчики, применяющие прогнозные заказы на буровые ведра, сообщают о снижении потребности в переделке работ на 27 % и снижении частоты замены бурового инструмента в ходе бурения на 32 %. Прогнозные заказы на буровые ведра также повысили точность соблюдения допустимого отклонения диаметра скважин в пределах 2 мм на 30 м и соответствуют различным требованиям к строительству инфраструктуры, например, ASTM D1586 и EN 1997-2. Прогнозные заказы на буровые ведра трансформируют процесс планирования бурового инструмента и вёдер в ходе бурения — от реактивного к заранее спланированному, основанному на данных.
Часто задаваемые вопросы
В. Почему свойства грунта имеют значение при выборе бурового ковша?
О. Производительность и износ бурового ковша зависят от сопротивления грунта сдвигу, его абразивности и связности. Правильный выбор конструкции ковша и типа грунта снижает износ ковша и повышает его эффективность.
В. Какое влияние оказывают резкие изменения типа грунта?
О. Резкие изменения типа грунта могут привести к увеличению сопротивления проникновению бурового ковша и ускоренному износу ковша вследствие необходимости приложения большего крутящего момента. Это повышает потребность в переделке работ и увеличивает стоимость проекта.
В. Какие факторы учитываются при проектировании бурового ковша для повышения его долговечности?
О. Для повышения долговечности конструкции бурового ковша необходимо учитывать усиление боковых плит, соотношение площади отверстий, марки легированной стали, геометрию зубьев и термообработку. Эти параметры должны соответствовать условиям залегания грунта и горных пород.
Вопрос: Что делают операторы для выявления несоосности ковшей при бурении?
Ответ: Несоответствие ковшей может проявляться в постоянной потере оборотов в минуту (RPM), возникновении скачков крутящего момента и аномальных вибрациях при бурении. Эти признаки требуют немедленных действий для устранения нарушений и сокращения простоев системы.
Вопрос: Как объединение геотехнических журналов с системой мониторинга в реальном времени помогает?
Ответ: Интеграция геотехнических журналов с данными в реальном времени позволяет определить оптимальное положение ковшей и минимизировать последующие корректировки при бурении. Такая интеграция в конечном итоге повышает эффективность проходки через различные слои грунта.
