Решения для бурения в твердых породах: эффективные навыки эксплуатации гидравлических горных перфораторов

Породы с пределом прочности выше 150 МПа оказывают сопротивление бурению иным образом, чем мягкие и средние по твёрдости породы. Карбидные зубья долота контактируют с поверхностью, которая не поддаётся лёгкому вдавливанию — поэтому каждое ударное воздействие должно передавать достаточную энергию для инициирования трещины, а не просто упругой деформации породы. Если энергия удара недостаточна для образования трещины в конкретной породе, удар приводит лишь к нагреву и износу долота без продвижения вглубь скважины. Именно поэтому бурение в твёрдых породах неудачно завершается не только при неправильном выборе оборудования, но и при использовании правильного оборудования с некорректными параметрами работы.

Навыки, которые отличают продуктивное бурение в твёрдых породах от дорогостоящего, в основном сводятся к умению распознавать, когда система взаимодействует с породой корректно — и когда она просто расходует топливо впустую.

Проблема пороговой энергии при бурении твёрдых пород

Для каждой породы существует пороговая энергия удара, ниже которой каждый удар вызывает лишь упругую деформацию — порода восстанавливает свою форму без образования постоянных трещин. При превышении этого порога возникают и распространяются трещины, и долото продвигается вперёд. Пороговая энергия возрастает с ростом предела прочности при одноосном сжатии (UCS): для гранита с UCS 200 МПа пороговая энергия значительно выше, чем для известняка с UCS 80 МПа. Отбойный молоток, наносящий удар энергией 150 Дж, может эффективно бурить известняк, но едва ли будет вызывать хоть какие-либо трещины в граните — не потому, что 150 Дж является «низким» значением, а потому, что 150 Дж находится ниже порогового значения для данной горной породы.

Практическое следствие: при бурении твёрдой породы не следует снижать давление удара. Работа с давлением удара на уровне 80 % от номинального значения для «сохранения оборудования» при бурении твёрдого гранита контрпродуктивна — продольный бурильный станок работает дольше на каждый пробуренный метр, а долото и штанги подвергаются большему суммарному числу ударных циклов на каждый метр проходки (поскольку каждый удар оказывает меньшее воздействие), в результате чего общий расход бурового инструмента возрастает. При бурении твёрдых пород требуется максимальная энергия каждого удара при правильной силе подачи, обеспечивающей устойчивый контакт инструмента с породой в течение всего удара.

Выбор долота: геометрия боёков важнее их размера

Для твёрдых пород с прочностью выше 150 МПа геометрия боёков долота определяет эффективность преобразования ударной энергии в энергию распространения трещин. Боёчки баллистической (конической) формы обеспечивают большую глубину проникновения на один удар и подходят для однородных твёрдых пород. Сферические боёчки распределяют площадь контакта более равномерно и обладают повышенной стойкостью при бурении трещиноватых или неоднородных твёрдых пород, поскольку асимметричная нагрузка от трещин может привести к выкрашиванию боёчков остроконечной геометрии.

Диаметр карбидных вставок («кнопок») должен соответствовать твердости породы. Кнопки большего диаметра распределяют нагрузку по большей площади поверхности, снижая напряжение на каждую отдельную кнопку при бурении чрезвычайно твердых пород. Кнопки меньшего диаметра концентрируют энергию в точке контакта, обеспечивая лучшее проникновение в породы средней твердости. Применение геометрии долота, предназначенного для мягких пород, при бурении твердого гранита приводит к быстрому износу карбида, поскольку каждая кнопка слишком мала, чтобы выдержать ударную нагрузку от контакта с породой высокой прочности на одноосное сжатие (UCS).

Параметры и индикаторы настройки для бурения твердых пород

Раннее выявление износа долота до наступления катастрофического состояния

При бурении твёрдой породы износ долота происходит быстрее и менее терпим к отклонениям, чем при бурении мягких пород. Три индикатора, позволяющих оценить состояние долота до полной его проверки: снижение скорости проникновения без изменения технологических параметров (изношенный карбид обеспечивает меньшую энергию разрушения на один удар), рост давления вращения без изменений в геологии (требуется больший крутящий момент по мере износа карбидных выступов по периферии и уменьшения наружного диаметра долота, что увеличивает периметр контакта), а также усиление резкости звука удара (изношенные карбидные кнопки позволяют лицевой поверхности долота напрямую контактировать с породой, изменяя форму волн напряжения в штанге).

Интервалы замены долот в твёрдом граните следует определять на основе данных о скорости проходки, а не по фиксированному временному интервалу: скорость снижается предсказуемо по мере износа карбида, и своевременная замена при падении скорости на 15–20 % (а не ожидание падения на 35–40 %) означает, что изношенное долото бурило с пониженной скоростью на значительно меньшее расстояние до замены. Отслеживание пройденных метров на одно долото вместо количества отработанных часов на одно долото даёт нормализованный по породе показатель, обеспечивающий сопоставимость результатов между различными буровыми кампаниями.

Управление резьбой штанг в твёрдых породах

Срок службы резьбы штанги в твердой породе короче, чем в мягких породах, поскольку сочетание максимальной ударной энергии, высокого крутящего момента вращения и склонности твердой породы к заклиниванию долота вызывает многократные циклы высоких напряжений в каждой резьбовой муфте. Основание резьбы является местом зарождения усталостных разрушений. Цементированные муфты служат в 3–4 раза дольше, чем стандартные термообработанные муфты при работе в твердых породах. Смазка резьбы специальным противозадирным составом — а не просто любой смазкой — предотвращает адгезионный перенос металла на контактных поверхностях резьбы при ударных нагрузках.

Проверка резьбы после каждого цикла при бурении твердых пород в производственных условиях является стандартной практикой на объектах с высокой интенсивностью эксплуатации. Трещины у основания резьбы видны при ярком освещении на наружном диаметре; наличие трещины у основания указывает на скорое разрушение под воздействием ударных нагрузок. Замена штанги с трещиной до её разрушения позволяет избежать операции по восстановлению бурильной колонны, которая требуется при разрушении штанги в процессе бурения. HOVOO поставляет комплекты уплотнений для основных моделей отбойных молотов, применяемых при бурении твердых пород — Epiroc COP 1838+, Sandvik HL/RD серии, Furukawa HD700 — в эластомерных материалах PU и HNBR, подходящих для рабочих температур. Справочная информация на сайте hovooseal.com.