Modos de falla comunes de las brocas PDC y análisis de sus causas
Descripción general Una broca de minería PDC (compacto de diamante policristalino) consta del cuerpo de la broca, cortadores de corte de PDC y carburo protector de calibre. Tanto los cortadores de PDC como el carburo protector de calibre están soldados al cuerpo de la broca. Durante la perforación, el torque y la fuerza descendente se transmiten desde el equipo a través de la sarta de perforación hasta la broca; la fragmentación de la roca es realizada por los cortadores de PDC mientras que el carburo protector de calibre protege el cuerpo de la broca alrededor de su circunferencia para ralentizar el desgaste. Debido a que el estado de tensión en la cara de la broca es altamente complejo, múltiples factores (condiciones de la formación, procedimiento de perforación y selección del equipo, habilidad del operador y control de calidad de la propia broca) pueden afectar el rendimiento y producir varios modos de falla. Con base en estudios de campo y análisis sistemáticos de brocas fallidas, a continuación se resumen los principales tipos de falla y sus causas.
I. Fallas de los cortadores de PDC Los cortadores de PDC son los elementos centrales de fragmentación de roca de la broca y pueden fallar de varias maneras:
Desgaste normal. El desgaste normal es la pérdida de material esperada por el corte prolongado de roca. Se manifiesta como un desgaste abrasivo gradual de la mesa de diamante y del sustrato de carburo cementado. La superficie desgastada es lisa, sin fracturas ni desconchados evidentes, y se considera un desgaste aceptable al final de la vida útil.
Pérdida de cortador (desprendimiento total) La pérdida de cortador se refiere a un cortador que se separa completamente del cuerpo de la broca, dejando el bolsillo de soldadura vacío y provocando una falla en la broca.
Causas principales
Daño térmico en la cara de la broca (quemaduras): La perforación en seco o el bloqueo de los conductos de agua impiden una refrigeración adecuada durante el corte a alta velocidad, lo que eleva rápidamente la temperatura en la cara de la broca. Si la temperatura supera el umbral de fusión o degradación del relleno de soldadura, la unión de soldadura falla y el cortador se desprende.
Control inadecuado del proceso de soldadura fuerte: una limpieza previa deficiente, uniones de soldadura frías o porosas, una desgasificación inadecuada o un tratamiento térmico o tiempo de remojo posterior a la soldadura insuficiente pueden reducir la resistencia de la unión y provocar el desprendimiento del cortador.
Contramedidas
Lado de producción: aplicar un estricto control de proceso para la soldadura fuerte: garantizar superficies limpias, filetes de soldadura adecuados y un tratamiento térmico posterior a la soldadura fuerte consistente para producir uniones robustas.
Lado del campo: adoptar perforación húmeda con agua limpia y evitar la perforación en seco; antes de realizar perforaciones largas o agregar tuberías de perforación, confirmar el flujo de retorno en el collar y verificar que los pasajes de agua de la broca no estén obstruidos para evitar pérdida de enfriamiento.
Astillado / fractura de la mesa de diamante El astillado es una falla de alta frecuencia en la cual la mesa de diamante se descascara o se fractura; en casos severos, la mesa de diamante y el sustrato de carburo se rompen juntos, causando una pérdida inmediata de la capacidad de corte.
Causas principales
Tenacidad o unión de la fresa insuficiente: las fresas con baja resistencia al impacto o unión débil entre la mesa de diamante y el sustrato de carburo son propensas a astillarse bajo cargas de impacto.
Parámetros de perforación inadecuados: el avance o la fuerza descendente excesivos hacen que los cortadores experimenten cargas que superan sus límites de resistencia.
Condiciones de formación duras: las formaciones muy duras y altamente fragmentadas imponen cargas de alto impacto que exceden la tenacidad al impacto del cortador.
Diseño de broca inadecuado: no seguir el principio “formación más dura → ángulo de corte/inclinación mayor” puede dejar cortadores con una geometría demasiado agresiva para formaciones duras, lo que aumenta la tensión y promueve el astillado.
Obstrucciones externas: el encuentro con anclajes, pernos de roca o refuerzos en el pozo puede producir sacudidas repentinas que dañan los cortadores.
Contramedidas
Siga las recomendaciones del fabricante para los parámetros operativos y configure la alimentación y la rotación para que coincidan con la dureza de la formación.
Seleccione cortadores y geometría de broca adecuados a la formación: aumente el ángulo de corte/inclinación en formaciones más duras para reducir la agresividad del ataque y disminuir las cargas de impacto.
Utilice cortadores con mayor tenacidad al impacto o modifique la forma externa de la mesa de diamante (por ejemplo, los perfiles convexos/curvos a menudo ofrecen una mejor resistencia al impacto que las mesas planas en condiciones de fabricación comparables).
Planifique las trayectorias de los agujeros para evitar obstáculos conocidos como pernos de roca o anclajes.
Delaminación entre la mesa de diamante y el sustrato La delaminación es la separación de la mesa de diamante del sustrato de carburo cementado, lo que provoca la pérdida de la integridad de la fresa.
Causas principales
Altas tensiones interfaciales residuales y desajuste en los coeficientes de expansión térmica entre la mesa de diamante y el sustrato de carburo. El calor generado por el corte y el enfriamiento rápido del fluido de lavado producen tensiones térmicas que, combinadas con las tensiones residuales de fabricación y las cargas de impacto aplicadas, pueden provocar el desprendimiento de la mesa de diamante.
Contramedidas
En la fabricación, elija materiales de unión/soldadura compatibles y parámetros de proceso para minimizar las tensiones residuales. Optimice los procedimientos de sinterización/soldadura para aliviar o compensar la tensión interfacial.
Mejore el enclavamiento mecánico rediseñando la geometría de la interfaz del sustrato (por ejemplo, interfaces escalonadas o con chaveta) para mejorar la resistencia de unión y la estabilidad estructural.
II. Fallas del Cuerpo de la Broca. Las fallas del cuerpo de la broca se manifiestan típicamente como fracturas de la cuchilla (ala de calibración). Estas fallas ocurren principalmente en cuerpos de broca matriciales (sinterizados); las brocas con cuerpo de acero, gracias a la mayor tenacidad del material, son menos propensas a la rotura de la cuchilla.
Causas principales
Prácticas inadecuadas de armado/desarmado: las coronas de matriz suelen formarse mediante pulvimetalurgia en un solo paso de sinterización. Aunque son resistentes al desgaste, los materiales de matriz son menos dúctiles. Golpear las cuchillas durante el armado o desarmado de la broca (por ejemplo, martillando las cuchillas) puede fracturar fácilmente las alas.
Control deficiente de sinterización: la sinterización incompleta o los puntos “fríos” donde el polvo metálico no se consolidó completamente producen zonas débiles o inclusiones en la matriz, lo que reduce la resistencia estructural y aumenta la probabilidad de fractura de la hoja durante el uso.
Contramedidas
Operacional: Estandarizar los procedimientos de armado y desarmado. Utilizar herramientas adecuadas (llaves inglesas, tenazas de elevación o dispositivos de extracción) para manipular las brocas y evitar golpear directamente las cuchillas.
Calidad de producción: aplicar un estricto control del proceso de sinterización y realizar pruebas periódicas de la materia prima de polvo metálico para garantizar la calidad del polvo y la consolidación completa, evitando inclusiones no sinterizadas y zonas débiles.
Observación final: La prevención y mitigación efectivas de fallas en las brocas PDC requieren un control coordinado entre el diseño, la fabricación, los parámetros de perforación y las operaciones in situ. Adaptar el diseño de la broca y la selección de cortadores a las condiciones de la formación, mantener un riguroso control de calidad de la soldadura fuerte y la sinterización, garantizar un enfriamiento y un lavado adecuados durante la perforación, y seguir procedimientos de manejo estandarizados reducirán significativamente las tasas de fallas y prolongarán la vida útil de la broca.
