Чому зубці свердловинних долот з карбіду вольфраму довше тримаються в умовах важкого ґрунту

Жорстока реальність: чому звичайні зубці доліт виходять з ладу в Абразивних та преривчастих породах

Стандартні свердла часто повністю виходять з ладу під час роботи в надзвичайно складних породах, що містять багато кременю або цементованих шарів гірських порід. Проблема виникає через ті дрібні частинки кременю, твердість яких за шкалою мінералів Мооса — найбільш відомою шкалою твердості мінералів — становить приблизно 7–9. Ці маленькі частинки діють на мікрорівні як наждачний папір, спричиняючи набагато швидше, ніж очікувалося, знос зубців із швидкорізальної сталі (HSS) та звичайної інструментальної сталі. Згідно з польовими звітами, у таких умовах знос відбувається приблизно втричі швидше, і багато зубців вже після 40 годин роботи починають виглядати дуже пошкодженими. Що ж саме спричиняє такий швидкий руйнування? Виявляється, частинки кварцу застрягають у м’яких ділянках металу й вирізають постійні борозни, які зрештою ослаблюють всю конструкцію. Бурильні оператори неодноразово спостерігали це явище, що призводить до неочікуваних простоїв і дорогих замін.

Прискорені патерни зносу в кременистих конгломератах та цементованих шарах

Мікроскопічний аналіз виявляє три домінуючі механізми руйнування в цих утвореннях:

• Поверхневе мікрорізання : Уламки кременю прорізають борозни глибиною 0,2–0,5 мм за один робочий цикл
• Крихке руйнування : Зцементовані шари викликають відшарування на межах карбідних включень
• Термальна втома : Температури тертя понад 600 °C викликають фазові перетворення в сталі

Ці механізми в сукупності скорочують термін служби зубців на 68 % порівняно з бурінням однорідних порід, що підтверджено випробуваннями на стискувальне руйнування за стандартом ISO 13314.

Обмеження зубців із швидкорізальної сталі (HSS) та інструментальної сталі при циклічній дії ударно-абразивного навантаження

Коли сили удару (≥15 кН) поєднуються з абразивним зносом, традиційні зубці проявляють критичні слабкі місця:

Цей синергетичний ефект призводить до передчасного відламування зубців у точках концентрації напружень, зокрема там, де втрата кобальтового зв’язуючого компонента в композитах на основі карбіду вольфраму перевищує 40 %.

Вольфрам Карбідні свердловинні зубці Тривалість роботи: як мікроструктура визначає продуктивність

Розмір зерна вольфрамового карбіду та вміст кобальтового зв’язуючого компонента: баланс між твердістю (HRA 92–94) та тріщиностійкістю (12 МПа·м½)

Що робить зубці свердла з карбіду вольфраму (WC) настільки міцними, починається вже на мікроскопічному рівні. Коли виробники контролюють розмір зерен WC, щоб він залишався меншим за приблизно 1 мікрон, і змішують його з приблизно 6–12 % кобальтового зв’язуючого компонента, вони створюють матеріал із твердістю за шкалою Роквелла A у діапазоні від 92 до 94. Ця дрібнозерниста структура перешкоджає поширенню тріщин, не втрачаючи при цьому опору руйнуванню понад 12 МПа·√м. Під час роботи свердел у складних грунтових умовах такі малі зерна допомагають запобігти виникненню мікротріщин під час багаторазових циклів навантаження. У той самий час еластичний кобальтовий компонент поглинає ударні навантаження, що запобігає раптовому руйнуванню всього інструменту. Випробувальні лабораторії оцінюють ефективність цих властивостей за допомогою зсувних випробувань за стандартом ASTM B771. Найкращі склади демонструють рівномірне зношування по поверхні, а не відколювання окремих частин після тисяч і тисяч циклів навантаження у реальних умовах експлуатації.

Оптимізований співвідношення WC/Co 94/6 за масою для екстремальних умов роботи на ґрунті: стискаюча міцність 6 ГПа та стійкість до мікро-зачеплення

У справжніх складних умовах буріння суміш карбіду вольфраму та кобальту у співвідношенні 94/6 за ваговими відсотками забезпечує суттєві механічні переваги. Межа міцності на стиск перевищує 6 ГПа, що має велике значення під час проходження твердих силіцизованих конгломератних порід. Зниження вмісту кобальту в матриці зменшує ризик пластичної деформації при зіткненні зубів бура з гірськими породами, проте при цьому матеріал зберігає високу цілісність. Дослідження, проведені фахівцями з матеріалознавства, показали, що саме ця суміш істотно зменшує мікроплужну абразивну зносостійкість. Це було підтверджено за допомогою скануючого електронного мікроскопа: глибина деформації становила менше 0,3 мм після 120 годин безперервної роботи у кварц-багатому ґрунті. Крім того, структура матеріалу характеризується вражаючим модулем пружності понад 500 ГПа, завдяки чому різальні кромки зберігають стабільну форму. Це означає, що інструмент здатний забезпечувати постійну швидкість різання навіть тоді, коли стандартні матеріали починають швидко руйнуватися в аналогічних умовах.

Підтвердження в реальних умовах: Польові дані, що свідчать про збільшення терміну служби

Коли йдеться про демонстрацію експлуатаційних характеристик матеріалів, ніщо не може перевершити справжні польові випробування. Наприклад, у недавньому інфраструктурному проекті у Великобританії потрібно було пробурити надзвичайно міцні цементовані конгломератні гірські породи. Свердла з карбіду вольфраму високої міцності працювали приблизно втричі довше (близько 3,2 разу), ніж звичайні свердла зі швидкорізальної сталі під час цих операцій. Ми також перевірили це відповідно до міжнародних стандартів ISO 513, що дало нам повну впевненість у достовірності отриманих результатів. Більш тривалий термін служби свердел означає меншу кількість замін протягом часу, що скорочує простої обладнання в умовах складних геологічних умов. Це особливо цінно, оскільки забезпечує зв’язок між тим, що спостерігається в лабораторних умовах, і тим, що дійсно відбувається на місці. Тепер оператори бурового обладнання, які працюють у абразивних умовах із високим рівнем ударних навантажень, мають надійне підтвердження того, що карбід вольфраму краще витримує знос і пошкодження порівняно з традиційними варіантами.

Проект інфраструктури у Великобританії: термін служби на 3,2× довший порівняно з високошвидкісною сталлю (HSS) у цементованому конгломераті (випробування відповідно до стандарту ISO 513)

Протягом дванадцяти місяців дослідники спостерігали за розвитком зносу обладнання під час роботи у скелястих породах, багатих кременем. Зубці з карбіду вольфраму зберігали свою форму значно довше — понад 420 годин роботи, тоді як зубці з високошвидкісної сталі (HSS) потрібно було замінити вже після приблизно 130 годин у схожих умовах. Дослідження поверхонь за допомогою скануючого електронного мікроскопа показало дивовижно незначні пошкодження внаслідок мікроплужного зносу, навіть попри те, що ці матеріали піддавалися впливу середовища з вмістом кварцу понад 60 %. Для адекватної оцінки експлуатаційних характеристик команда аналізувала як втрату маси з часом, так і ефективність різання згідно з промисловими стандартами ISO 513. Ці результати свідчать про суттєві відмінності в тривалості служби матеріалів у умовах абразивних геологічних викликів.

Аналіз режимів відмови: визначення домінуючих механізмів зносу в умовах змішаних геологій

Втома від ударних навантажень порівняно з абразивним зношуванням: дані СЕМ-аналізу зношених поверхонь зубців у гальково-піщано-глинистих ґрунтах

Дослідження зубців свердел із карбіду вольфраму за допомогою скануючої електронної мікроскопії показує чіткі ознаки руйнування під час їхньої роботи в умовах змішаної геології, наприклад у районах, де присутні як галька, так і піщано-глинисті шари. Під час буріння піщаних шарів, що містять частинки кварцу, спостерігається абразивне зношування у вигляді паралельних мікроподряпин, які поступово зношують карбідні кромки з часом. З іншого боку, багаторазові ударні навантаження від гальки призводять до утворення підповерхневих мікротріщин, що врешті-решт викликають відшарування. Ці тріщини на поперечних перерізах, отриманих за допомогою СЕМ, мають гілкоподібну структуру й поширюються від точок концентрації напружень. Результати наших польових випробувань свідчать про те, що глинисті матриці фактично посилюють ударне пошкодження приблизно на 40 %, оскільки передача енергії через вологі шари відрізняється від її передачі через сухі. У той же час кременисті піски є головним чинником абразивного зношування. Розуміння цих різних механізмів руйнування допомагає інженерам вибирати відповідні матеріали для конкретних застосувань. Використання спеціально розроблених марок карбіду дозволяє запобігти утворенню тріщин у зонах високих ударних навантажень, тоді як матеріали з дрібнозернистою структурою краще витримують абразивні впливи. Такі детальні знання про механізми руйнування матеріалів під різними видами навантажень сприяли значним покращенням конструкції інструментів, що продовжує їхній термін експлуатації в складних умовах буріння.

ЧаП

Чому традиційні зубці бурилки виходять з ладу в абразивних породах? Традиційні зубці бурилки виходять з ладу через швидке зношування під впливом частинок кременю, мікрорізання поверхні, крихкого руйнування та термічної втоми під час роботи в абразивних гірських породах.

Як карбід вольфраму покращує експлуатаційні характеристики зубців бурилки? Зубці бурилки з карбіду вольфраму, оптимізовані за розміром зерен WC та вмістом зв’язуючого кобальту, забезпечують вищу твердість, міцність на ударне навантаження та стійкість до зношування, що дозволяє їм довше працювати в складних умовах.

Які переваги використання зубців бурилки з карбіду вольфраму в польових умовах? Зубці бурилки з карбіду вольфраму забезпечують тривалий термін служби, скорочуючи кількість замін і простоїв у складних геологічних умовах, що підтверджено польовими випробуваннями та відповідністю стандартам ISO.

Які типи відмов є найпоширенішими для зубців бурилки з карбіду вольфраму? Режими відмови включають ударну втомлюваність та абразивне зношення, які можна аналізувати за допомогою СЕМ, що допомагає зрозуміти й обрати відповідні матеріали для різних геологій.