Оптимальний вибір доліт PDC для видобутку вугілля

Будівництво свердловин є широко використовуваним технічним методом для контролю газу, запобігання пошкодженням від води та геологічної розвідки у вугільних шахтах, який відіграє вирішальну роль у забезпеченні безпеки та ефективності видобутку вугілля. У Китаї у вугільних шахтах щорічно створюють десятки мільйонів метрів свердловин. Процес будівництва вимагає підтримки бурового обладнання, такого як свердла, бурильні труби та бурильні коронки. Серед них свердла є основними інструментами для прямого формування отворів і руйнування каменів.

Полікристалічний алмазний композитний лист (PDC) широко використовується в бурових долотах для гірничої промисловості завдяки своїй винятковій зносостійкості та високої ударної в’язкості.Біти PDCдемонструють подовжений термін служби буріння та підвищену ефективність проникнення при застосуванні в породах середньої твердості та нижчої породи, що забезпечує значні економічні переваги при бурінні вугільних шахт. У порівнянні з бурінням на нафту, буріння з вугільної шахти має такі технічні характеристики, що є економічно ефективним, економним у часі та щільним дизайном. Отже, загальні вимоги до долот PDC не відповідають надмірно вимогливий.

Сучасні виклики, з якими стикається гірнича справаБіти PDCвключають: ①Вхідний поріг для майнінгу PDC бітів є відносно низьким, і багато виробників пропонують різні рівні якості. ②Застосування та вимоги до підземного буріння у вугільних шахтах демонструють очевидні відмінності, тоді як класифікація гірничих долот PDC є складною та різноманітною. Крім того, існує відсутність систематичних і раціональних специфікацій вибору в подальшому процесі використання.③Зі збільшенням поширеності складних твердих пластів у вугільних шахтах звичайні гірничодобувні долота PDC не відповідають вимогам конструкції для ефективного буріння на місці, що призводить до випадків повільного прогресу або навіть повної відсутності кадрів.④Через складні умови будівництва у вугільній шахті суворе дотримання процедури буріння будівельним персоналом іноді можуть бути складними.

З метою підвищення ефективності роботи майнінгуБіти PDC, ця стаття містить комплексний аналіз основних видів відмови та досліджує причини, що лежать в основі кожної форми відмови. Крім того, пропонуються практичні рекомендації щодо обережного вибору та уважного використання цих бітів.

1. Аналіз форми та причин виходу з ладу біта PDC у майнінгу

Наразі компоненти кар’єрних доліт PDC складаються здебільшого з корпусу долота, різців PDC, калібрувальних сплавів та інших частин, як показано на малюнку 1. Фрези PDC та калібрувальних сплавів припаяні до корпусу долота, щоб забезпечити їх надійне кріплення. Під час звичайних операцій буріння бурова штанга передає крутний момент і тиск подачі на дно отвору, де вона зчеплюється зі свердлом. Процес різання породи здійснюється за допомогою використання різців PDC на буровому долоті. Крім того, калібрувальні сплави захищають від надмірного зносу, захищаючи окружну цілісність корпусу долота. Однак слід зазначити, що різні фактори, такі як складні сили, що діють на фрезу на дні свердловини під час різання гірської породи долотом PDC, зміни в характеристиках пласта, вибір методів будівництва та обладнання, експлуатаційні навички персоналу, залученого до будівельних робіт, разом із заходами контролю якості самих долот можуть суттєво впливати на ефективність застосування, що призводить до різноманітних форм відмови цих долот. Завдяки дослідженню, проведеному на місцях буріння вугільних шахт, ми узагальнили та проаналізували різні режими несправностей і основні причини, пов’язані зБіти PDC.

1.1 Відмова різця PDC виникає, коли PDC спікається в умовах високої температури та високого тиску. Композитний лист складається з двох основних компонентів: алмазного шару та карбідної матриці, як показано на малюнку 2.

Основні типи несправностей різців PDC включають нормальний знос, відшарування, згортання леза та розшарування.

(1) Регулярний знос

Явище нормального зносу — це тип типового пошкодження, яке виникає в різцях PDC під час процесу різання гірських порід, яке в першу чергу характеризується значними макроскопічними втратами при шліфуванні як у алмазному шарі, так і в матриці цементованого карбіду різців, без будь-яких видимих ​​слідів розтріскування на поверхні шліфування.

(2) Падіння стружки

Явище падіння стружки відбувається, коли фрези PDC від’єднуються від корпусу долота, що призводить до поломки долота. Найпомітнішою характеристикою є повне відділення фрез PDC від корпусу долота, без залишків сплаву, знайдених у ямі, де відбувається зварювання між корпусом долота та фрезами PDC.

Основні фактори, що сприяють падінню плівки:

① Підвищена температура на дні свердловини призводить до проблем із технологією сухого буріння або утворенням водяної пробки під час процесу буріння, а також перешкоджає своєчасному охолодженню різців PDC на бурі під час високошвидкісного роторного різання породи. Внаслідок цього відбувається значне підвищення температури на дні отвору, яка може перевищувати критичну температуру припою та призводити до плавлення припою та подальшого від’єднання різців PDC.

② Контроль процесу зварювання свердла недостатньо суворий. У процедурі зварювання є відсутність належного очищення перед зварюванням, неправильні зварні шви або неадекватне управління вихлопними газами, а також необґрунтована температура збереження тепла або недостатній час після зварювання, все це може призвести до від'єднання біта. Крім того, щоб виробники вимагали суворого регулювання виробничого процесу (особливо процесу зварювання різцем PDC), щоб забезпечити повні та міцні зварні шви, також необхідно уточнити процедуру свердління, вибираючи, коли це можливо, буріння на воду та уникаючи сухого свердління. Для глибокого свердління перед додаванням штангового свердління слід переконатися, що вода повертається. Крім того, щоразу перед тим, як вставляти свердло в дно отвору, важливо перевірити, чи немає перешкод, щоб запобігти засміченню.

(3) Поломка леза

Руйнування алмазного шару в різцях PDC є поширеним видом руйнуванняБіти PDC. Характерною особливістю цього режиму руйнування є локалізований розрив алмазного шару, причому в деяких випадках відбувається одночасне руйнування поряд з карбідною матрицею.

Основні причини поломки біта PDC:

① Фреза, вибрана на основі властивих характеристик фрези PDC, демонструє низьку ударостійкість. Загальна міцність карбіду вольфраму (WC) і алмазного мікропорошку є недостатньою, що робить його схильним до руйнування під впливом фрагментації породи;

② Фактори, пов’язані з процесом будівництва, вказують на те, що будівельний тиск на місці є надмірно високим. Тиск, який чинить фреза PDC на долото, значно перевищує граничний тиск фрези, що призводить до розколювання алмазного шару та подальшого згортання ріжучої кромки.

③ Фактори, пов’язані зі складними пластами, вказують на те, що під час будівництва твердих пластів з тріщинами ударне навантаження на фрези PDC перевищує їхню ударну в’язкість, що може призвести до колапсу ріжучої кромки.

④ Конструкція кута різання долота є неадекватною, оскільки вона не відповідає принципу, згідно з яким твердіша форма потребує більшого кута різання. При будівництві твердих пластів менший кут різання може призвести до надмірної сили на різець PDC, що зрештою призведе до згортання ріжучої кромки.

⑤ Інші фактори вказують на те, що розташування підтримуючих болтів і анкерних тросів у підземних дорогах робить дуже чутливим до руйнування бурового долота при зустрічі з цими елементами. Щоб запобігти виходу з ладу долота, важливо не тільки суворо дотримуватися параметрів процесу, викладених в інструкції з буріння, але також проектувати та вибирати бур на основі умов пласта. Зокрема, при бурінні твердих пластів бажано відповідно збільшити кут різання долота, зменшити його агресивність і посилити захист долота. Крім того, вибір різців PDC з вищою ударною в’язкістю рекомендується під час буріння пластів із твердими тріщинами або модифікації зовнішньої форми алмазного шару різця для покращення ударної в’язкості; наприклад, вигнуті фрези PDC зазвичай виявляють кращу стійкість до ударів, ніж плоскі типи. Крім того, під час будівництва має бути реалізовано розумне розташування отворів, щоб уникнути свердління болтів і анкерних кабелів.

(4) Деламінація

Розшарування означає від’єднання алмазного шару від цементованої карбідної матриці в композитних листах PDC, як показано на малюнку 3.

Основною причиною розшарування алмазного шару різців PDC є значне залишкове напруження, яке існує між алмазним шаром і матрицею цементованого карбіду в поєднанні зі значною різницею в їхніх коефіцієнтах теплового розширення. Під час різання гірських порід алмазний шар і матриця з цементованого карбіду зазнають асинхронного стиснення через термічні напруги, створювані теплом тертя та охолодженням промивних рідин. Результуюче ударне навантаження та залишкова напруга призводять до відшаровування алмазного шару від твердосплавної матриці, що в кінцевому підсумку призводить до поломки свердла. Щоб пом’якшити розшарування, важливо вибрати відповідні склеювальні матеріали та технології обробки, які усувають залишкову напругу між цими двома компонентами під час виробництва. Крім того, розробка нової форми розділу для матриці може покращити властивості зв’язку між алмазним шаром і матрицею з цементованого карбіду.

1.2 Відмова корпусу свердла головним чином характеризується переломами лопаті в корпусі свердла, як показано на малюнку 4.

 

Злам леза корпусу долота здебільшого відбувається в корпусі долота, а у сталевому корпусі — рідко. Причини руйнування леза корпуса долота такі: ① Удари по лезу корпусу долота під час відкручування корпусу долота, оскільки головна частина корпусу долота одночасно спечена методом порошкової металургії. порівняно зі звичайним сталевим корпусом. корпус біта має більш високу зносостійкість. але міцність матеріалу корпусу відповідно зменшується, і лезо корпуса біта легко зламати при відкручуванні корпусу біта; ② Контроль процесу спікання долота не є суворим. а спечене тіло біта захоплюється, і металевий порошок не може утворити сплав. Щоб уникнути ламання леза. користувачеві краще використовувати такі інструменти, як стоматологічні плоскогубці, щоб допомогти дужці під час відкручування свердла. щоб уникнути збивання леза; По друге. виробники повинні суворо контролювати якість спеченого тіла. не тільки суворо контролювати процес спікання. але також час від часу контролювати металевий порошок, щоб переконатися, що порошок відповідає вимогам процесу.

2. Оптимізований дизайн і розумний вибір біта PDC для майнінгу

2.1 Оптимізаційна конструкція бурового долота

(1) Для форми руйнування долота необхідно оптимізувати його конструкцію з конструкції свердла. Основні конструктивні параметри долота PDC включають кут різання α. сторона Кут β. азимут Кут γ. і т. д. γ відноситься до кута між опорною лінією орієнтації зубців PDC і центральною лінією долота. α відноситься до кута між опорною лінією орієнтації зуба PDC і робочою площиною різця. як показано на малюнку 5. β означає кут між площиною, що проходить через центральну точку та центральну лінію долота, і робочою площиною різця. як показано на малюнку 6. Попередні дослідження та комплексний аналіз застосування показують, що кут різання та бічний кут фрез PDC можуть безпосередньо впливати на термін служби та ефективність свердління долота. і необхідно оптимізувати конструкцію долота відповідно до різних бурових пластів. Конструкція кута різання значно вплине на ефективність свердління. або взагалі немає кадрів; Якщо кут різання занадто малий. ріжуча кромка PDC схильна до поломок та інших явищ. тому. конструкцію свердла слід всебічно розглядати при виборі схеми параметрів, вибираючи помірний кут різання та бічний кут, а не випадкову конструкцію.

(2) Окрім оптимізації кута різання долота, важливо також оптимізувати фрези PDC. Якість фрез PDC суттєво впливає на видобуток доліт PDC, оскільки безпосередньо визначає їх продуктивність і термін служби. Критичним фактором у підвищенні якості PDC є усунення залишкової напруги на межі з’єднання між алмазним шаром і матрицею з цементованого карбіду. Дослідження показують, що максимальне напруження в різцях PDC із планарною структурою розділу зосереджено біля обох сторін цього розділу, а пік напруги розтягування та зсуву виникає на краю алмазного шару. Наявність напруги розтягування може призвести до аномальних переломів у PDC, тоді як напруга зсуву є основною причиною відшарування в різцях PDC.

(3) На додаток до усунення залишкової напруги в різцях PDC, вторинна обробка може додатково підвищити їх якість. В даний час основні методи обробки поверхні включають алмазне поверхневе шліфування, зняття фасок і фасонну обробку. Вибір фрез PDC можна оптимізувати на основі фактичних умов роботи.

2.2 Розумний вибір бурових коронок

В даний час долота PDC, які використовуються при бурінні свердловин у більшості гірничодобувних районів, переважно мають тристулкову увігнуту конструкцію. Однак вибір цих бітів часто обмежений і не має класифікації, що призводить до універсального підходу, який не відповідає належним чином конкретним вимогам різних верств. Це особливо проблематично в складних умовах пласта, коли звичайним увігнутим долотам важко забезпечити задовільну продуктивність, що призводить до скорочення терміну служби долота та зниження ефективності буріння. Така неефективність не тільки збільшує витрати на виробництво, але також може порушити графіки будівництва та спричинити значні економічні втрати. Тому важливо вибрати відповідні бурові долота, адаптовані до різних умов пласта.

Гірничі долота PDC можна класифікувати на два основні типи на основі матеріалу корпусу долота: сталевий тип і тип шини. Корпуси сталевих долот в основному обробляються механічними методами, що забезпечує високу міцність, що робить їх придатними для звичайних операцій буріння пластів. Навпаки, корпуси долот типу шини спікаються за допомогою процесів порошкової металургії, що забезпечує високу зносостійкість, ідеальну для буріння твердих порід або розширених завдань буріння. Крім того, бурові долота можна класифікувати за різними структурами, включаючи внутрішнє увігнуте, кут дуги, плоске дно, скребок та інші, як показано на малюнку 7. ①Конструкція увігнутої структури увігнутого долота покращує ефект випрямлення під час звичайного будівництва пласта; ②Дисперсне розташування зубів дугового долота забезпечує більшу щільність зубів і покращену ефективність свердління при роботі з шарами середньої твердості та вище; ③Форма кромки долота з плоским дном майже плоска, що загострює його бічні краї, щоб полегшити перекіс — ця конструкція переважно використовується для спрямованого буріння; ④Скребкове долото зазвичай має конічну структуру, що забезпечує більшу агресивність і в основному використовується в м’яких шарах або конструкціях вугільних пластів.

Поточні долота PDC для видобутку були узагальнені та впорядковані, а також критерії вибору для доліт PDC за різних умов роботи та формування, як представлено в таблиці 1 для довідки.

3. Запобіжні заходи щодо використання майнінгу PDC Bit

Окрім ретельного вибору свердел, не менш важливо правильно використовувати ці інструменти. Враховуючи складні умови будівництва у вугільних шахтах, робітникам часто важко суворо дотримуватися інструкцій щодо експлуатації долот PDC, що призводить до частих випадків поломки долот через неправильне поводження. Щоб підвищити ефективність буріння, деякі райони видобутку можуть невибірково збільшувати вагу долота під час роботи, що призводить до передчасного виходу з ладу долота. Правильне використання біт PDC може оптимізувати їх продуктивність і знизити виробничі витрати. Під час використання біт PDC слід звернути увагу на наступне:

(1) Зверніть увагу на співвідношення між долотом PDC та бурильним інструментом, переконавшись, що бурильна труба великого діаметру не поєднується з бурильною трубою занадто малого діаметру, а бурильна труба малого діаметру не поєднується з бурильним долотом великого діаметру.

(2) Оптимальним підходом є використання спеціального свердла для отворів або старого свердла для будівництва гнізда, забезпечуючи при цьому, щоб процес буріння уникав поблизу болтів збоку смуги, анкерних тросів та подібних перешкод.

(3) Під час проведення бурових операцій важливо регулювати тиск подачі, щоб запобігти нещасним випадкам, спричиненим надмірним тиском у свердловині.

(4) Будь ласка, використовуйте техніку буріння з чистою водою, утримуючись від сухого буріння або буріння під тиском повітря. Перед початком буріння під тиском переконайтеся в належній циркуляції води в отворі, щоб запобігти можливим випадкам горіння в його основі.

(5) Виймаючи свердло, уникайте затискань або ударів по фрезі PDC. Крім того, будьте обережні, щоб не вдарити лезо насадки.

4. Висновок

Безпечний та ефективний «зелений» видобуток вугілля незмінно був центральною темою, яку відстоювало вугільна промисловість. Ефективне використання доліт PDC для підземних бурових операцій у вугільних шахтах має велике значення. У цьому документі аналізуються типи відмов у видобутку бітів PDC, з’ясовуються основні причини різних форм відмов. Він пропонує оптимальну конструкцію та стратегії вибору для доліт у різних робочих умовах і геологічних утвореннях, узагальнюючи запобіжні заходи щодо їх використання, тим самим забезпечуючи довідковий матеріал для покращеного вибору та застосування доліт PDC для видобутку корисних копалин. Розумний вибір і правильне використання кар’єрних долот PDC може максимізувати їх ефективність, мінімізувати втрату ресурсів і підвищити безпеку, ефективність і екологічно чисті методи видобутку вугілля.