Оптимальный выбор долот PDC для добычи угля
Строительство скважин — широко используемый технический метод контроля газа, предотвращения ущерба от воды и геологической разведки в угольных шахтах, который играет решающую роль в обеспечении безопасности и эффективности добычи угля. В Китае ежегодно в угольных шахтах создаются десятки миллионов метров скважин для бурения. Процесс строительства требует поддержки бурового оборудования, такого как буры, бурильные трубы и буровые долота. Среди них буры являются важнейшими инструментами для непосредственного формирования отверстий и разрушения горных пород.
Поликристаллический алмазный композитный лист (PDC) широко используется в буровых коронках для горнодобывающей промышленности благодаря своей исключительной износостойкости и похвальной ударной вязкости.PDC-битыдемонстрируют более длительный срок службы бурового инструмента и повышенную эффективность бурения при использовании в породах средней и низкой твердости, тем самым обеспечивая существенные экономические выгоды при бурении угольных шахт. По сравнению с бурением нефтяных скважин бурение угольных шахт обладает техническими характеристиками экономической эффективности, эффективности затрат времени и плотной конструкции. Следовательно, общие требования к долотам PDC не являются чрезмерно высокими.
Текущие проблемы, с которыми приходится сталкиваться в горнодобывающей промышленностиPDC-битывключают: ①Порог входа для долот PDC для горнодобывающей промышленности относительно низок, при этом множество производителей предлагают различные уровни качества. ②Использование и требования к подземному бурению в угольных шахтах демонстрируют очевидные различия, в то время как классификация долот PDC для горнодобывающей промышленности сложна и разнообразна. Кроме того, отсутствует систематический и рациональный выбор спецификаций в последующем процессе использования. ③С ростом распространенности сложных твердых пластов в угольных шахтах обычные долота PDC для горнодобывающей промышленности не отвечают строительным требованиям для эффективного бурения на месте, что приводит к случаям медленного прогресса или даже полного отсутствия проходки. ④Из-за сложных условий строительства в угольной шахте строгое соблюдение процедур бурения строительным персоналом иногда может быть затруднено.
В целях повышения эффективности добычи полезных ископаемыхPDC-биты, в этой статье представлен всесторонний анализ основных видов отказов и исследуются основные причины каждого вида отказов. Кроме того, предлагаются практические рекомендации по разумному выбору и внимательному использованию этих бит.
1.Анализ форм и причин выхода из строя долот PDC в горнодобывающей промышленности
В настоящее время компоненты долот PDC для горнодобывающей промышленности в основном состоят из корпуса долота, резцов PDC, калибровочных сплавов и других деталей, как показано на рисунке 1. Резцы PDC и калибровочные сплавы припаиваются к корпусу долота для обеспечения их надежного крепления. Во время обычных операций бурения буровая штанга передает крутящий момент и давление подачи на дно скважины, где она взаимодействует с буровым долотом. Процесс резки породы осуществляется посредством использования резцов PDC на буровом долоте. Кроме того, калибровочные сплавы защищают от чрезмерного износа, защищая окружную целостность корпуса долота. Однако следует отметить, что различные факторы, такие как сложные силы, действующие на резец на дне скважины во время резки породы долотом PDC, изменения характеристик пласта, выбор методов строительства и оборудования, эксплуатационная квалификация персонала, участвующего в строительных работах, а также меры контроля качества самих долот, могут существенно повлиять на эффективность применения, что приводит к различным формам отказов этих долот. В ходе исследования, проведенного на участках бурения угольных шахт, мы обобщили и проанализировали различные виды отказов и основные причины, связанные сPDC-биты.
1.1 Поломка резца PDC происходит, когда PDC спекается в условиях высокой температуры и высокого давления. Композитный лист состоит из двух основных компонентов: алмазного слоя и карбидной матрицы, как показано на рисунке 2.
Основными видами отказов резцов PDC являются нормальный износ, отслаивание, разрушение лезвия и расслоение.
(1) Регулярный износ
Явление нормального износа — это тип типичного повреждения, которое возникает в резцах PDC в процессе резания горных пород и характеризуется прежде всего значительными макроскопическими потерями при шлифовании как алмазного слоя, так и твердосплавной матрицы резцов, без видимых следов растрескивания на шлифуемой поверхности.
(2) Падение чипа
Феномен падения стружки происходит, когда резцы PDC отделяются от корпуса долота, что приводит к поломке долота. Наиболее заметной характеристикой является полное отделение резцов PDC от корпуса долота, при этом в углублении, где происходит сварка между корпусом долота и резцами PDC, не обнаруживается никаких остатков сплава.
Основные факторы, способствующие снижению падающей пленки:
① Повышенная температура на дне скважины приводит к проблемам в технологии строительства сухого бурения или образованию водяных пробок в процессе бурения, а также затрудняет своевременное охлаждение резцов PDC на буре при высокоскоростном вращательном резании породы. В результате происходит значительное повышение температуры на дне скважины, которое может превзойти критическую температуру припоя и привести к расплавлению припоя и последующему отсоединению резцов PDC.
② Контроль процесса сварки сверл недостаточно строгий. В процессе сварки наблюдается отсутствие надлежащей очистки перед сваркой, дефектные сварные швы или неадекватное управление выхлопными газами, а также необоснованная температура сохранения тепла или недостаточное время после сварки, все это может привести к отсоединению долота. Помимо требования к производителям строго регулировать производственный процесс (особенно процесс сварки резцов PDC) для обеспечения полных и прочных сварных швов, также необходимо прояснить процедуру строительства сверла, выбрав бурение с водой, когда это возможно, и избегая строительства сухого сверления. Для глубокого сверления следует убедиться, что вода возвращается перед добавлением бурового стержня. Кроме того, каждый раз перед тем, как вставить сверло в дно отверстия, необходимо проверить, нет ли каких-либо препятствий, чтобы предотвратить засорение.
(3) Поломка лезвия
Разрушение алмазного слоя в резцах PDC представляет собой распространенный вид отказаPDC-биты. Характерной особенностью этого вида разрушения является локализованный разрыв алмазного слоя, причем в некоторых случаях происходит одновременное разрушение и карбидной матрицы.
Основные причины поломки долот PDC:
① Резец, выбранный на основе присущих ему характеристик резца PDC, демонстрирует низкую ударопрочность. Совместная прочность карбида вольфрама (WC) и алмазного микропорошка недостаточна, что делает его склонным к разрушению под действием напряжения фрагментации горной породы;
② Факторы, связанные с процессом строительства, указывают на то, что давление на строительной площадке чрезмерно велико. Давление, оказываемое резцом PDC на долото, значительно превышает предел давления резца, что приводит к скалыванию алмазного слоя и последующему разрушению режущей кромки.
③ Факторы, связанные со сложными пластами, указывают на то, что при строительстве твердых трещиноватых пластов ударная нагрузка на резцы PDC превышает их ударную вязкость, что может привести к разрушению режущей кромки.
④ Конструкция угла резания долота неадекватна, так как не соответствует принципу, что более твердая формация требует большего угла резания. При строительстве твердых формаций меньший угол резания может привести к чрезмерному усилию на резце PDC, что в конечном итоге приведет к разрушению режущей кромки.
⑤ Другие факторы указывают на то, что расположение опорных болтов и анкерных тросов в подземных выработках делает их весьма восприимчивыми к разрушению буровой коронки при столкновении с этими элементами. Чтобы предотвратить поломку коронки, важно не только строго придерживаться параметров процесса, указанных в руководстве по бурению, но и проектировать и выбирать буровую коронку на основе условий пласта. В частности, при бурении в твердых породах рекомендуется соответствующим образом увеличить угол резания коронки, уменьшить ее агрессивность и усилить защиту коронки. Кроме того, рекомендуется выбирать резцы PDC с более высокой ударной вязкостью при бурении через твердые трещиноватые породы или изменять внешнюю форму алмазного слоя резца для повышения ударной вязкости; например, изогнутые резцы PDC обычно демонстрируют лучшую ударную вязкость, чем плоские типы. Кроме того, следует реализовать разумную схему расположения отверстий во время строительства, чтобы избежать сверления в болты и анкерные тросы.
(4) Расслоение
Расслоение представляет собой отслоение алмазного слоя от матрицы цементированного карбида в композитных листах PDC, как показано на рисунке 3.
Основной причиной расслоения алмазного слоя резцов PDC является существенное остаточное напряжение, присутствующее между алмазным слоем и матрицей из цементированного карбида, в сочетании со значительной разницей в их коэффициентах теплового расширения. Во время резки горных пород алмазный слой и матрица из цементированного карбида испытывают асинхронное сжатие из-за термических напряжений, создаваемых теплом трения и охлаждением от промывочных жидкостей. Результирующая ударная нагрузка и остаточное напряжение приводят к отслаиванию алмазного слоя от матрицы из карбида, что в конечном итоге приводит к выходу бурового долота из строя. Для смягчения расслоения важно выбрать соответствующие связующие материалы и технологии обработки, которые устраняют остаточное напряжение между этими двумя компонентами во время производства. Кроме того, проектирование новой формы интерфейса для матрицы может улучшить свойства сцепления между алмазным слоем и матрицей из цементированного карбида.
1.2 Разрушение корпуса сверла в первую очередь характеризуется трещинами лопастей в корпусе сверла, как показано на рисунке 4.
Перелом лезвия корпуса сверла чаще всего происходит в корпусе сверла, а стальной корпус сверла случается редко. Причины перелома лезвия корпуса сверла следующие: ① Удар лезвием корпуса сверла при откручивании корпуса сверла, так как коронка корпуса сверла спекается методом порошковой металлургии за один раз. по сравнению с обычным стальным корпусом сверло имеет более высокую износостойкость. но прочность материала корпуса соответственно снижается, и лезвие корпуса сверла легко сломать при откручивании корпуса сверла; ② Контроль процесса спекания сверла не строгий. и спеченный корпус сверла является увлекаемым, и металлический порошок не образует сплав. Чтобы избежать поломки лезвия. пользователю лучше использовать инструменты, такие как стоматологические щипцы, чтобы помочь скобе при откручивании сверла. чтобы избежать удара лезвия; во-вторых. производители должны строго контролировать качество спеченного корпуса. не только строго контролировать процесс спекания. но и время от времени контролировать металлический порошок, чтобы убедиться, что он соответствует требованиям технологического процесса.
2. Оптимизированная конструкция и обоснованный выбор долота PDC для горнодобывающей промышленности
2.1 Оптимизация конструкции сверла
(1) Для формы отказа долота необходимо оптимизировать его структуру из конструкции сверла. Основные параметры конструкции долота PDC включают угол резания α. боковой угол β. азимутальный угол γ. и т. д. γ относится к углу между линией отсчета ориентации зубьев PDC и центральной линией долота. α относится к углу между линией отсчета ориентации зуба PDC и рабочей плоскостью резца. как показано на рисунке 5. β относится к углу между плоскостью, проходящей через центральную точку и центральную линию долота, и рабочей плоскостью резца. как показано на рисунке 6. Предварительные исследования и всесторонний анализ применения показывают, что угол резания и боковой угол резцов PDC могут напрямую влиять на срок службы и эффективность бурения долота. и необходимо оптимизировать конструкцию долота в соответствии с различными буровыми формациями. Конструкция угла резания будет значительно влиять на эффективность бурения. или даже на отсутствие проходки вообще; Если угол резания слишком мал. режущая кромка PDC склонна к поломке и другим явлениям. Поэтому при выборе схемы параметров следует всесторонне рассмотреть конструкцию сверла, выбрав умеренный угол резания и боковой угол, а не случайную конструкцию.
(2) Помимо оптимизации угла резания долота, важно также оптимизировать резцы PDC. Качество резцов PDC существенно влияет на горнодобывающие долота PDC, поскольку оно напрямую определяет их режущую способность и срок службы. Решающим фактором повышения качества PDC является устранение остаточного напряжения на границе контакта между алмазным слоем и матрицей из цементированного карбида. Исследования показывают, что максимальное напряжение в резцах PDC с плоской структурой интерфейса сосредоточено вблизи обеих сторон этого интерфейса, причем пиковые напряжения растяжения и сдвига возникают на краю алмазного слоя. Наличие напряжения растяжения может привести к аномальным трещинам в PDC, в то время как напряжение сдвига является основной причиной расслоения в резцах PDC.
(3) Помимо устранения остаточного напряжения в резцах PDC, вторичная обработка может еще больше повысить их качество. В настоящее время первичные методы обработки поверхности включают шлифование алмазной поверхностью, снятие фаски с кромок и фасонную обработку. Выбор резцов PDC может быть оптимизирован на основе фактических условий работы.
2.2 Разумный выбор сверл
В настоящее время долота PDC, используемые при бурении скважин в большинстве горнодобывающих районов, в основном имеют трехкрылую вогнутую конструкцию. Однако выбор этих долот часто ограничен и не имеет классификации, что приводит к универсальному подходу, который не отвечает в полной мере конкретным требованиям различных слоев. Это особенно проблематично в сложных пластовых условиях, где обычные вогнутые долота с трудом обеспечивают удовлетворительную производительность, что приводит к сокращению срока службы долота и снижению эффективности бурения. Такая неэффективность не только увеличивает производственные затраты, но и может нарушить графики строительства и повлечь за собой значительные экономические потери. Поэтому важно выбирать подходящие буровые долота, адаптированные к различным пластовым условиям.
Долота PDC для горнодобывающей промышленности можно разделить на два основных типа в зависимости от материала корпуса долота: стальные и шинные. Корпуса долот стального типа в основном обрабатываются механическими методами, что обеспечивает хорошую прочность, что делает их пригодными для обычных операций по бурению пластов. Напротив, корпуса долот шинного типа спекаются с использованием процессов порошковой металлургии, что обеспечивает высокую износостойкость, идеально подходящую для бурения твердых пород или расширенных задач по бурению. Кроме того, буровые долота можно классифицировать по различным структурам, включая внутреннюю вогнутость, дугообразный угол, плоское дно, скребок и другие, как показано на рисунке 7. ①Конструкция вогнутой структуры вогнутого долота усиливает эффект выпрямления во время обычного строительства пласта; ②Распределенное расположение зубьев дугового долота приводит к более высокой плотности зубьев и повышению эффективности бурения при работе с пластами средней твердости и выше; ③Форма кромки плоскодонного долота почти плоская, что заостряет его боковые края для облегчения перекоса — эта конструкция в основном используется для направленного бурения; ④Скреперное долото обычно имеет коническую конструкцию, которая обеспечивает большую агрессивность и в основном применяется в мягких породах или угольных пластах.
Были обобщены и систематизированы текущие долота PDC, применяемые в горнодобывающей промышленности, а также критерии выбора долот PDC для различных условий эксплуатации и пласта, как представлено в таблице 1 для справки.
3. Меры предосторожности при использовании долот PDC для горнодобывающей промышленности
Помимо тщательного выбора буровых долот, не менее важно правильно использовать эти инструменты. Учитывая сложные условия строительства на угольных шахтах, рабочие часто испытывают трудности с строгим соблюдением инструкций по эксплуатации долот PDC, что приводит к частым случаям выхода из строя долот из-за неправильного обращения. В целях повышения эффективности бурения некоторые горнодобывающие районы могут неизбирательно увеличивать вес долот во время операций, что приводит к преждевременному выходу долот из строя. Правильное использование долот PDC может оптимизировать их производительность и снизить производственные затраты. При использовании долот PDC следует уделять внимание следующим факторам:
(1) Обратите внимание на соотношение градации между долотом PDC и буровым инструментом, следя за тем, чтобы бурильная труба большого диаметра не сочеталась с бурильной трубой слишком малого диаметра, а бурильная труба малого диаметра не сочеталась с буровым долотом большого диаметра.
(2) Оптимальным подходом является использование специализированного сверла или старого сверла для строительства гнезда, при этом необходимо следить за тем, чтобы процесс сверления проходил в непосредственной близости от боковых болтов, анкерных тросов и подобных препятствий.
(3) При проведении буровых работ необходимо регулировать давление подачи, чтобы предотвратить аварии, вызванные избыточным давлением в скважине.
(4) Пожалуйста, используйте технику бурения с чистой водой, воздержитесь от сухого бурения или бурения с использованием воздуха под давлением. Перед началом операций по бурению под давлением обеспечьте надлежащую циркуляцию воды в отверстии, чтобы предотвратить потенциальные инциденты возгорания у его основания.
(5) При извлечении долота убедитесь, что не защемили и не ударили по резцу PDC. Кроме того, будьте осторожны, чтобы не ударить по лезвию корпуса долота.
4. Заключение
Безопасная и эффективная зеленая добыча угля всегда была центральной темой, пропагандируемой угольной промышленностью. Эффективное использование долот PDC для подземных буровых работ в угольных шахтах имеет большое значение. В этой статье анализируются виды отказов долот PDC для горнодобывающей промышленности, выявляются основные причины различных форм отказов. В ней предлагаются оптимальные стратегии проектирования и выбора долот для различных условий работы и геологических формаций, а также обобщаются меры предосторожности при их использовании, тем самым предоставляя справочную информацию для улучшенного выбора и применения долот PDC для горнодобывающей промышленности. Разумный выбор и правильное использование долот PDC для горнодобывающей промышленности может максимизировать их эффективность, минимизировать отходы ресурсов и повысить безопасность, эффективность и экологичность методов добычи угля.