EN
Классификация слоев породы и выбор буровых зубьев на основе твердости
Измерение твердости породы в МПа и геологические профили слоев — от мягкой глины до твердой породы с твердостью 60 МПа
Определение характеристик подповерхностных слоев начинается с измерения твердости пород в мегапаскалях (МПа). Значение МПа служит прогностическим показателем эффективности буровых зубьев типа «пуля». Быстрое проникновение достигается в мягких глинистых и иловых слоях (0–5 МПа) при использовании стандартных конических зубьев с напайками из твердого сплава на основе карбида вольфрама. Для выветрившихся породных слоев (10–30 МПа), таких как разложившийся гранит и трещиноватый песчаник, требуются напайки из твердого сплава, а также усиление и конусность профиля зубьев для минимизации сколов и износа. В плотных известняковых слоях (40–60 МПа) напайки из твердого сплава должны обладать исключительно высокой плотностью и иметь сплющенный профиль, чтобы обеспечить максимальное сохранение режущей кромки в течение длительного времени. При бурении сверхтвердых породных слоев (более 60 МПа), состоящих преимущественно из прочного гранита, базальта и кварцитов, применяются зубья комбинированной конструкции с поэтапным изменением диаметра и шанками. Картографирование подповерхностных слоев на местности осуществляется методом конусного зондирования (CPT) — стандартным полевым методом измерения градиентов твердости слоев в реальном времени, что напрямую коррелирует с выбором буровых зубьев типа «пуля».
Зоны перехода от почвы к скальным породам: критические факторы износа и режимы разрушения зубьев-«пуль»
Зоны перехода от почвы к скальным породам представляют собой среду с наибольшим риском разрушения зубьев-«пуль» — на них приходится 60 % всех преждевременных замен, зафиксированных в ходе текущих операций (Отчёты отдела полевой инженерии, 2023 г.). Эти границы вызывают асимметричные нагрузки, приводящие к трём режимам разрушения:
Выкрашивание вершины, возникающее, когда края скальных пород, скрытые почвой и гравием, вызывают выкрашивание карбидных кромок зубьев-«пуль» при проникновении в почву;
Изгиб стержня, возникающий, когда границы соединения гравия и базальтового основания оказывают боковые силы на стержень, превышающие предел текучести стального стержня;
Ускоренное образование острых забоин, возникающее при ударе кристаллов кремнезёма о кромки карбидных наконечников
Единственной осуществимой оптимизацией, применённой для компромисса между ударной вязкостью и твёрдостью, стало конструирование с использованием пластичных сплавов для хвостовика и функционально-градиентных карбидов для твёрдосплавной части. Кроме того, раннее обнаружение дефектов оказалось критически важным: резкие всплески колебаний крутящего момента и повышенные вибрации указывают на скорое разрушение.
Исследование материалов для буровых зубьев: достижение компромисса между ударной вязкостью и износостойкостью
Влияние геометрического состава наконечника из карбида вольфрама на износостойкость наконечника в различных слоях
Взаимосвязь между архитектурой, умными материалами и карбидом вольфрама сверхмелкого помола имеет важное значение для применения зубьев типа «пуля» в условиях различных геологических условий по сравнению с важностью лишь твёрдости. Сверхмелкозернистый карбид вольфрама марок с размером зерна менее 0,8 мкм в составе спечённого карбида обеспечивает на 20 % более высокое сопротивление разрушению и повышенную ударную прочность по сравнению с конкурирующими марками. Современные конструкции канавок, включая спиральные профили и профили с несколькими ландшафтами (multi-land), дополнительно способствуют равномерному распределению напряжений по слоям чередующихся мягких и твёрдых материалов, снижая интенсивность износа и повышая срок службы инструмента. Примеры таких решений уже применяются на практике:
Конструкции с твёрдосплавными напайками могут выдерживать в 3–5 раз большее количество циклов резания по сравнению с конструкциями без твёрдосплавных напаек до начала потери функциональной режущей способности;
Конструкции с канавками показали снижение частоты замены на 40 % в промежуточных слоях, где границы между слоями не выражены чётко.
Негативное влияние высокой твёрдости только на срок службы зубьев-пуль для бурения в условиях смешанного и трещиноватого геологического разреза
Достижение высокого уровня твёрдости, особенно при использовании кобальта и наноуглерода, может быть вредным при бурении в сложных геологических формациях. Хотя повышенная износостойкость полезна при проходке песчаников, негативные эффекты на работу инструмента наблюдаются при проходке кварцитов и других геологических разрезов, включающих гравий и известняк, которые являются трещиноватыми и слоистыми. Высокопрочные износостойкие сплавы с твёрдостью свыше 1400 HV обладают хрупкостью, способствующей быстрому развитию микротрещин и, в конечном счёте, приводящей к следующим двум видам отказа:
Быстрое выдавливание ударных микродефектов, переросших в макродефекты под действием ударных нагрузок;
Хроническая потеря остроты режущей кромки на границе карбида и стали под действием циклических нагрузок.
Поэтому шероховатость, вызванная высокотвердыми сплавами, снижается всего до 35 % в условиях смешанного слоя по сравнению с традиционным балансом ударной вязкости и твёрдости в конструкциях с твёрдостью 1100–1300 HV.
Подбор буровых зубьев типа «пуля» с ориентацией на эксплуатационные характеристики: серия BKH/BTK против конической серии в зависимости от слоёв породы
B47K17.5, B47K19, B47K22H и C31HD: скорость проникновения, устойчивость и срок службы в породах с прочностью 30–80 МПа
Выбор между сериями BKH/BTK и конической серией требует оценки твёрдости и структурной однородности породы:
B47K17.5 (1,1 кг) обеспечивает отличные результаты в породах прочностью 30–50 МПа (сланцы, песчаники средней плотности) при низкой скорости проникновения и без существенной потери устойчивости;
B47K19 (1,2 кг) обеспечивает значительную долговечность в породах (выветрившиеся массивные и массивные) прочностью до 60 МПа за счёт увеличенной массы, поглощающей ударные нагрузки на этих границах;
B47K22H (1,25 кг) предназначен для работы в плотных метаморфических породах низкого качества (60–80 МПа) без существенной потери скорости проходки и с заметной, но значительной потерей стойкости к ударным нагрузкам и количеству замен;
C31HD (0,5 кг) обеспечивает высокую скорость проходки в породах с прочностью менее 30 МПа — гравийных, мерзлых или сильно трещиноватых вскрышных породах, однако при работе в породах с прочностью выше 30 МПа наблюдается существенное сокращение срока службы из-за упрощённой геометрии.
В условиях сложного геологического строения наибольшая отдача от инвестиций достигается при использовании C31HD в грунтах и B47K — в твёрдых породах, что обеспечивает непрерывность бурения за счёт минимального простоев и сохранения структурной целостности, особенно при горизонтальном бурении.
Параметры бурения и адаптация штыревых зубьев к реальным условиям
Технология глубокого бурения требует вращающихся буровых головок. Из-за высокого сопротивления и сложных условий бурения (упрочнённые скальные пласты) буровые головки необходимо адаптировать к конкретным условиям. Это предполагает использование вращающихся головок (20–50 об/мин), осевых нагрузок (5–15 тонн) и проникающего давления (0,01–0,05 м/мин), сосредоточенного на буровой головке. В результате этих исследований преждевременный износ головок снизился на 34 % по сравнению со стандартными головками («Журнал геотехнической инженерии», 2023 г.). Непредвиденные изменения сопротивления головки требуют оперативной корректировки параметров для предотвращения разрушений забоя и других структурных повреждений. Постоянное применение фиксированных параметров приводит к тому, что головки приходится заменять в 2 раза чаще по сравнению с методом, использующим датчики. Управление и адаптация параметров буровой головки под конкретные условия требуют меньшего внимания к теоретически рассчитанному сопротивлению изменению параметров головки и большего внимания к их интеграции. Например, встраивание тензометрических датчиков, систем мониторинга акустической эмиссии и управляющих параметров непосредственно в буровую головку.
Часто задаваемые вопросы
Что такое МПа в контексте измерения сопротивления деформации горных пород?
МПа (мегапаскали) — это единица измерения сопротивления явлению деформации при испытаниях (твердость горных пород). Она используется для оценки характеристик буровых головок.
Почему в зонах перехода от грунта к скальным породам возрастает риск повреждения буровых головок?
В этих зонах возникает резкая и неравномерная нагрузка, что может привести к отказу головок, их растрескиванию, изгибу хвостовика и необходимости замены буровых головок.
Какова дополнительная функция применения карбида вольфрама при испытании буровых головок?
В сочетании с конструктивными особенностями головки, включая структурный графит, карбид вольфрама (износостойкий и прочный материал) повышает эффективность, надёжность и проникающее давление головки при работе с тканями.
Адаптивные параметры бурения способствуют сохранению долговечности зубьев долота, ограничивая перегрев и чрезмерный износ.
