Знай свой пневмоударник - Часть 11

Волны энергии - Что делает Ваша буровая коронка?

Человек всегда стремился к вещам, которые были бы крепче, больше, быстрее и лучше. На протяжении ряда лет погружной пневмоударник и конструкция коронки прошли развитие, в результате чего стало возможным более быстрое бурение и работа при более высоком давлении с использованием больших объемов воздуха. В процедуры эксплуатации и обслуживания должны быть внесены поправки, чтобы компенсировать более высокие нагрузки, встречающиеся в процессе работы. При увеличении мощности пневмоударника (частота ударов в секунду умноженная на энергию удара) без соответствующего увеличения эффективности, избыток подаваемой энергии увеличит энергию отдачи поршня, которая будет поглощаться пневмоударником. Это повлечет за собой более высокие ударные нагрузки и преждевременный выход из строя пневмоударника и коронки.

Давайте рассмотрим, что же происходит внутри пневмоударника. Сжатый воздух переносит потенциальную энергию, которая придает поршню ускорение. Когда поршень набирает скорость, потенциальная энергия воздуха превращается в кинетическую энергию в виде инерции поршня. При столкновении поршень передает кинетическую энергию в виде энергетической волны, которая проходит через коронку на поверхность породы. Волна проходит через сталь со скоростью движения звука в стали (5 км/сек). Другими словами. в момент столкновения рабочая поверхность коронки еще не получает усилия удара, подаваемого на коронку. В обычном 6-дюймовом погружном пневмоударнике требуется 0,000086 секунды, чтобы волна прошла через коронку на поверхность породы.

Путь, который проходит волна энергии через поршень, коронку и породу можно сравнить с ситуацией при сталкивании мчащегося поезда (поршня) со стоящим поездом (коронкой). Волна энергии от мчащегося поезда проходит через неподвижный поезд (коронку), а затем, одновременно за несколько миллисекунд отбрасывает назад мчащийся поезд. Когда волна энергии достигает конца неподвижного поезда, некоторая часть энергии поглощается буфером поезда (порода разрушается), рисунок 1. Оставшаяся часть волны энергии отражается через неподвижный поезд обратно.

В реальных условиях бурения породы могут применяться различные профили поршня и коронки. Такие комбинации определяют передачу, отражение и поглощение энергетических волн. На рисунке 2 показано количество передаваемой энергии на поверхность породы в условиях различной ее твердости при одинаковой энергии удара. Разработчики пневмоударников использовали эту теорию измерения ударных волн и компьютерные модели в качестве инструмента оптимизации конструкции пневмоударника. Благодаря использованию современных компьютерных технологий возможно выполнять измерения волны при высокой скорости и с помощью результатов этих измерений определять условия и эффективность бурения. На рисунке 3 изображена кривая эффективности для двух 4-х дюймовых пневмоударников. Отличия конструкции поршня и коронки верхнего пневмоударника значительно повышают его эффективность и производительность.

Также можно объяснить два явления, происходящие при бурении:

1. Когда коронка не находится в полном соприкосновении с породой и Вы бурите в очень мягкой или трещиноватой породе, то энергия отражается обратно на пневмоударник, поскольку нет ничего, что бы поглощало ударную энергию. Это может вызвать высокие нагрузки на конец хвостовика коронки, где происходит отражение волн энергии. Также из-за этого энергия может возвращаться на поршень, вызывая сильное отскакивание поршня и чрезмерный его ход, что влечет за собой повреждение жесткого клапана.

2. Бурение с коронкой слишком большого размера или с изношенной тупой коронкой требует большего количества энергии для разрушения породы чем при работе с заточенной коронкой стандартного размера. В таком случае порода кажется тверже, чем на самом деле, эффективность бурения будет падать, как показано на рисунке. Это означает более сильную нагрузку на коронку и более высокую вибрацию пневмоударника.

Следующие три условия бурения являются причиной низкой эффективности бурения. Они не только могут замедлить скорость проходки, но также они усиливают нагрузки на коронку за счет бесполезно растрачиваемой энергии.

1. Бурение с коронкой слишком большого размера.

2. Бурение с тупыми штырями.

3. Бурение в трещиноватой или мягкой породе при недостаточном прижимном усилии.

Продолжение статьи следует...