Все, что вам нужно знать об инструментах для бурения горных пород из карбида вольфрама

Инструменты для бурения по породе из карбида вольфрама являются основой современных буровых работ в горнодобывающей промышленности, строительстве, разработке карьеров и геотехнических работах. Пробиваете ли вы гранит в открытом карьере или закрепляете фундамент в твердом известняке, производительность вашего бура почти полностью зависит от качества и конструкции твердосплавного инструмента на режущей поверхности. В этом руководстве изложено все практическое, что вам нужно знать — от того, как работают эти инструменты, до того, как выбрать правильный и продлить его работу.

Что делает карбид вольфрама подходящим материалом для бурения горных пород

Карбид вольфрама (WC) — это композиционный материал, изготовленный путем спекания частиц карбида вольфрама с металлическим связующим — чаще всего кобальтом. В результате получается исключительно твердый материал с твердостью по Виккерсу от 1400 до 1800 HV, что делает его намного тверже стали, сохраняя при этом достаточную прочность, чтобы выдерживать повторяющиеся ударные нагрузки, необходимые для бурения горных пород.

Что отличает карбид вольфрама от других твердых материалов, так это сочетание его свойств. Чистая керамика тверже, но слишком хрупка для ударного сверления. Инструментальная сталь более прочная, но слишком быстро изнашивается от абразивного камня. Твердый сплав обеспечивает баланс, необходимый для практического бурения: он противостоит абразивному износу, хорошо выдерживает сжимающие нагрузки и может быть точно отшлифован до определенной геометрии, подходящей для различных типов горных пород и методов бурения.

Содержание кобальтовой связки является одной из наиболее важных переменных в рецептуре карбида. Более высокий процент кобальта (12–16%) повышает ударную вязкость и ударопрочность, что делает его пригодным для трещиноватых или неоднородных пород. Более низкое содержание кобальта (6–8%) позволяет получить более твердую и износостойкую марку, подходящую для однородных, высокоабразивных пород, таких как кварцит или песчаник. Выбор неправильного сплава для вашей породы является частой причиной преждевременного выхода инструмента из строя.

Основные типы буровых инструментов из карбида вольфрама

Термин «инструменты для бурения по породе из карбида вольфрама» охватывает широкую линейку продуктов. Понимание конкретного типа инструмента для вашего применения является первым шагом на пути к эффективному бурению.

Биты кнопок

Кнопочные долота являются наиболее широко используемым твердосплавным буровым инструментом в открытых и подземных горных работах. Твердосплавные пластины сферической или баллистической формы запрессовываются в стальной корпус таким образом, чтобы покрыть всю поверхность сверла. Кнопочные долота используются в системах ротационно-ударного бурения и доступны в плоской, выпуклой (куполообразной) и вогнутой конфигурациях, каждая из которых подходит для различных горных пород.

• Сферические кнопки: лучше всего подходят для твердых, абразивных пород; максимальная износостойкость.
• Баллистические (параболические) кнопки: лучшая скорость проникновения в породу средней твердости; рекомендуется там, где ROP является приоритетом.
• Яйцевидные пуговицы: компромисс между баллистической и сферической формой, распространенный в пластах смешанной твердости.

Крестовые биты и X-биты

Крестовые коронки имеют четыре твердосплавных крылышка, расположенных крест-накрест или X, припаянных к стальному корпусу. Они обычно используются при легком ударном бурении, таком как бурение с подъемной опорой и штрековое бурение в породах от мягких до среднетвердых. Поперечные долота проще производить и перешлифовывать, что делает их экономичными для применений, где условия пласта относительно постоянны. Однако в высокоабразивных породах они изнашиваются быстрее, чем пуговичные долота.

Долото Биты

В долотах используется одна твердосплавная пластина или напаянная твердосплавная полоса с линейной режущей конфигурацией. Они в основном используются для ручных ударных дрелей меньшего диаметра, сверления строительных анкеров и вторичного разрушения. Их простая геометрия делает их недорогими и простыми в заточке, хотя их возможности ограничены работой с более мягкими породами и отверстиями меньшего диаметра.

Трехшарошечные шарошки с твердосплавными вставками

При вращательном бурении больших взрывных скважин и в нефтегазовой отрасли в трехшарошечных долотах используются вставки из карбида вольфрама, запрессованные в стальные зубья вращающихся конусов. Когда конусы катятся по скальной поверхности, вставки раздавливают и раскалывают породу. Геометрия пластин варьируется от тупой полусферической формы для твердых пород до удлиненной формы долота для мягких пород. Это дорогостоящие инструменты, но они обеспечивают отличную скорость проникновения при работе с вращающимися инструментами большого диаметра.

Ударные долота DTH (погружные)

Погружные долота представляют собой специализированный тип долота, предназначенного для использования с погружными ударными системами, в которых ударный механизм перемещается вниз по бурильной колонне и ударяет долото непосредственно по забою породы. Это сводит к минимуму потери энергии и делает погружное бурение исключительно эффективным для глубоких скважин и твердых пород. Расположение твердосплавных штифтов и геометрия торца погружных долот специально разработаны для высокочастотных и высокоэнергетических ударов при работе молотка.

Как правильно выбрать твердосплавный буровой инструмент

Выбор подходящего сверла из карбида вольфрама предполагает сопоставление свойств инструмента с четырьмя ключевыми переменными: типом породы, методом бурения, диаметром отверстия и условиями эксплуатации. Правильное соответствие напрямую влияет на скорость проникновения, срок службы инструмента и стоимость просверленного метра.

Помимо типа породы, обратите внимание на используемую систему бурения. Роторно-ударное бурение (перфоратор) лучше всего работает стандартными коронками на глубинах до 30–40 метров. Системы DTH используются для более глубоких скважин, где передача энергии через длинные колонны штанг в противном случае снизила бы эффективность. Для чисто роторных систем требуются вставные или скользящие долота в зависимости от прочности пласта на сжатие.

Ключевые показатели качества при оценке твердосплавных сверл

Не все инструменты для бурения горных пород из карбида вольфрама созданы равными. При сравнении продукции разных производителей или поиске нового инструмента наиболее важными являются показатели качества:

• Размер зерна карбида: Мелкозернистый твердый сплав (субмикронный) обеспечивает более высокую твердость и износостойкость. Более крупнозернистая структура повышает прочность, но снижает устойчивость к истиранию.
• Вставьте допуск на запрессовку: Для пуговиц решающее значение имеет посадка с натягом между вставкой и стальным корпусом. Неплотная посадка приводит к потере пластины; слишком плотная посадка приводит к растрескиванию твердого сплава при прессовании.
• Качество стального корпуса: Корпус из буровой стали должен быть достаточно прочным, чтобы противостоять усталостному растрескиванию при повторяющихся ударах. Низколегированные стали, цементированные после механической обработки, превосходят по сроку службы изделия из мягкой стали.
• Вставка согласованности геометрии: Пластины должны иметь однородную геометрию и качество поверхности. Несоответствие высоты или положения пуговиц создает неравномерную нагрузку на лицевую сторону и ускоряет износ открытых вставок.
• Конструкция промывочного отверстия: Соответствующие и хорошо расположенные промывочные каналы на торце долота необходимы для очистки шлама и охлаждения твердого сплава. Заблокированные или слишком маленькие промывочные отверстия снижают скорость проплавления и увеличивают деградацию карбида, связанную с нагревом.

Как продлить срок службы твердосплавных сверлильных инструментов

Инструменты для бурения по породе из карбида вольфрама составляют значительную часть затрат на буровые расходные материалы. Дисциплинированное управление инструментом и практика эксплуатации могут значительно продлить срок службы и снизить стоимость метра.

Перешлифовка битов кнопок по расписанию

Переточка пуговиц является одним из наиболее экономически эффективных методов управления твердосплавным инструментом. По мере износа кнопок на их вершинах образуются плоские изнашиваемые поверхности, которые снижают скорость проходки и увеличивают энергозатраты на пробуренный метр. Повторная заточка восстанавливает первоначальный профиль пуговицы до того, как лыски износа станут слишком большими. Эмпирическое правило заключается в переточке, когда диаметр лыски износа достигает 30–40% от диаметра пуговицы. Слишком долгое ожидание означает, что за один цикл переточки необходимо удалить больше твердого сплава, что сокращает общее количество циклов переточки, прежде чем сверло будет снято с эксплуатации.

Согласование силы подачи и энергии удара с пластом

Использование чрезмерного усилия подачи или ударного давления в мягких породах является распространенной причиной растрескивания твердого сплава и потери пластины. Твердый сплав предназначен для разрушения породы посредством удара — если проникновение происходит слишком быстро, чтобы вымыть шлам, буровое долото может заклинить и сконцентрировать нагрузку на отдельных пластинах. Согласуйте подачу, скорость вращения и энергию удара с прочностью пласта на сжатие. Большинство производителей буровых установок предоставляют рекомендуемые рабочие параметры для конкретных классов горных пород.

Поддержание адекватной промывки

Недостаточная промывка является причиной значительной доли преждевременных отказов твердосплавных инструментов. Неудаленный шлам скапливается в забое скважины и вызывает повторное измельчение горной стружки о поверхность бура, ускоряя износ. Для продувки воздухом поддерживайте минимальную скорость воздуха в скважине 15–20 м/с. При промывке водой или пеной обеспечьте достаточную скорость потока для диаметра просверливаемого отверстия. Регулярно проверяйте и очищайте промывочные отверстия на долотах — даже частичная закупорка существенно снижает эффективность промывки.

Правильное хранение и обращение

Карбид вольфрама тверд, но не застрахован от ударов. Падение насадок на твердые поверхности или хранение их в контейнерах, где они ударяются друг о друга, приводит к сколам твердосплавных пластин еще до их ввода в эксплуатацию. Храните насадки вертикально на специальных стеллажах или в защищенных контейнерах с перегородками. Транспортируйте к забою и обратно в сумках для инструментов, а не в ящике для инструментов.

Распространенные виды отказов и о чем они говорят

Исследование изношенных или вышедших из строя инструментов для бурения по породе из карбида вольфрама многое расскажет вам о том, нужно ли менять выбор инструмента, настройку сверла или методы работы. Вот наиболее распространенные модели отказов и их причины:

• Равномерный износ всех кнопок: Нормальный абразивный износ — инструмент использовался по назначению. Приступайте к перешлифовке.
• Треснувшие или сломанные кнопки: Обычно указывает на чрезмерную энергию удара по пласту, неправильную марку твердого сплава (слишком хрупкий) или бурение в зоне пустот или разломов. Рассмотрите возможность перехода на более прочный сплав твердого сплава.
• Потеря кнопки (пустые гнезда): Вызывается неадекватной запрессовкой, усталостным растрескиванием стального гнезда или защемлением, из-за которого вставки вытягиваются под действием боковой силы. Осмотрите стальной корпус на наличие трещин в гнездах.
• Неравномерный износ (кнопки приборов изнашиваются быстрее): Обычное явление, когда отверстие слишком большого размера, что приводит к смещению долота и непропорциональной нагрузке на кнопки манометра. Проверьте выравнивание и состояние стабилизатора.
• Проверка температуры или растрескивание поверхности кнопок: Указывает на термическую усталость из-за недостаточной промывки. Карбид перегревается, трескается от быстрого изменения температуры. Улучшите поток промывки и проверьте наличие заблокированных портов.
• Эрозия или вымывание стального корпуса: Промывочная среда врезается непосредственно в сталь вокруг твердосплавных вставок. Вызвано рециркуляцией абразивных частиц. Проверьте положение промывочного порта и эвакуацию шлама.

Применение в промышленности, где решающее значение имеют твердосплавные буровые инструменты

Наконечники и пластины сверл из карбида вольфрама используются в самых разных отраслях промышленности, каждая из которых предъявляет особые требования, влияющие на конструкцию инструмента и выбор материала.

• Открытая добыча полезных ископаемых и карьеров: Кнопочные долота большого диаметра и погружные долота используются для бурения взрывных скважин на открытых карьерах. Диаметр буров обычно варьируется от 89 мм до 311 мм, а срок службы инструмента измеряется в метрах на сверло и напрямую связан со стоимостью взрывных работ на тонну.
• Подземная добыча твердых пород: Кнопочные и поперечные долота меньшего диаметра используются при проходочном, остановочном и эксплуатационном бурении. Подземные условия усложняют работу: ограниченный доступ, ограниченная вентиляция и необходимость быстрой смены долот повышают ценность долговечных твердосплавных инструментов.
• Гражданское строительство и туннелирование: Твердосплавные буровые долота используются для установки анкерных болтов, бурения с предварительным разделением и разведочного отбора керна перед забоями туннелей. Надежность инструмента особенно важна в тех случаях, когда неожиданный простой оборудования влияет на графики реализации проекта и безопасность работников.
• Бурение водяных скважин и геотермальное бурение: Ударные долота DTH с твердосплавными вставками широко используются для бурения водяных скважин в твердых породах. Эти приложения требуют высокой производительности на долото и надежной работы в различных пластах без частой замены долот.
• Разведка нефти и газа: Трехшарошечные долота с твердосплавными вставками бурят твердые и абразивные породы в нефтяных и газовых скважинах. В этих случаях стоимость долота является второстепенным фактором по сравнению с ежедневными затратами на буровую установку, поэтому качество твердосплавных вставок и долговечность долота имеют первостепенное значение.

На что следует обратить внимание при покупке буровых инструментов из карбида вольфрама

Мировой рынок твердосплавных сверлильных инструментов варьируется от премиальных европейских и североамериканских производителей до широкого круга азиатских поставщиков. Разница в ценах значительна, но стоимость пробуренного метра, а не закупочная цена, является правильным показателем для оценки стоимости инструмента.

При оценке поставщиков запросите технические характеристики сертифицированных марок твердого сплава, включая размер зерна, содержание кобальта, твердость (HRA или HV) и прочность на поперечный разрыв (TRS). Авторитетные производители предоставляют эти значения и могут порекомендовать конкретные марки для вашего образования. Запросите данные полевых испытаний или рекомендации по операциям в аналогичных геологических условиях. Долото, которое стоит на 20 % дороже, но позволяет пробурить на 50 % больше метров за долото, имеет очевидную ценность, но вам нужны данные, чтобы проверить это утверждение, прежде чем заключать договор с поставщиком.

Также рассмотрите послепродажную поддержку: доступность услуг или оборудования по переточке, сроки поставки сменного инструмента и техническую поддержку для устранения неисправностей. Операции в удаленных местах особенно выгодны от поставщиков с региональными запасами и быстрой логистикой, поскольку простой бурового станка в ожидании инструмента может стоить гораздо дороже, чем любая экономия на цене долота.