Методика расчета и построения расчетной схемы очистки породоразрушающего инструмента

В общем виде эжектор представляет собой устройство, в кото­ром происходит смешение равнофазных потоков газа, жидкости, твердых частиц с различными параметрами и образование смешанного потока со своей аэро (гидро) динамической характеристикой (см. схему рис. 2.14).

Рис. 2.14 Расчетная схема очистки забоя скважины

1 – питающий канал; 2 – сопло вихревого эжектора; 3 – трансцидентный канал; 4 - диафрагма вихревого устройства; 5 – обводной канал; 6 – корпус породоразрушающего инструмента.

Расчеты основаны на определении оптимальных геометрических параметров вихревого эжекторного устройства и обводного канала, с изменяющимся гидравлическим подпором последнего, в зависимости от пластичности и влажности горних пород.

В работах [36, 37] дан анализ и проведен расчет различных вихревых устройств. Для расчета вихревых трубок с трансцендент­ной боковой поверхностью канала справедливо выражение:

(2.1)

где F_с – площадь сечения сопла на входе;

G – полный весовой расход воздуха;

T – температура cжатого воздуха;

Р_с – абсолютное давление перед входом в сопло;

А_с – коэффициент расхода сопла, = 0,94...0,97.

Из выражения (2.1) определяем Р_с:

(2.2)

Давление перед входом в сопло и давление перед входом в обводной канал равны между собой, т.к. объединены одним питающим каналом. Однако состав очистного агента, поступающего в вихревое сопло, отличается от состава очистного агента, поступающего в обводной канал. Это обусловлено тем, что очистной агент состоит из сжатого воздуха 75-60 весовых процентов и раствора поверхностно-активного вещества 20-25 весовых процентов. В пи­тающем канале вследствие воздействия центробежных сил на жидкую фазу, последняя отбрасывается к периферии, откуда поступает на сопло обводного канала, тогда как на сопло вихревой трубки посту­пает, в основном, сжатый воздух.

Как видим, состав очистного агента, подающийся на обводной канал может меняться в зависимости от гидравлических сопротивле­ний на участке: обводной канал, рабочие элементы породоразрушающего инструмента, диафрагма вихревого эжектора и состоять из газожидкостной смеси с различным водовоздушным отношением.

Давление на входе в обводной канал слагается:

Р_к = ∆Р₁ + ∆Р₂ + ∆Р₃ (2.3)

где ∆Р₁ – потери давления в обводном канале проходящем в кор­пусе породоразрушающего инструмента;

∆Р₂ – потери давления на гидропневмотранспорт разрушенной горной породы от рабочих элементов породоразрушающего ин­струмента при выходе из сопла;

∆Р₃ – потери давления на гидропневмотранспорт разрушенной породы от рабочих элементов породоразрушающего инстру­мента до входа в диафрагму вихревого эжектора.

Потери давления в обводном канале, проходящем в корпусе породоразрушающего инструмента определяется путем решения урав­нения Бернулли и не представляют сложного как в вычислениях так и в определении коэффициентов.

∆Р₁ = ∆Р₁^/ + ∆Р₁^// (2.4)

где ∆Р₁^/ – сумма потерь энергии на местных сопротивлениях;

∆Р₁^// – сумма потерь энергии на линейных участках.

Так как длина линейных участков незначительна, поэтому величиной ∆Р₁^// можно пренебречь, тогда

(2.5)

где Σ f – суммарный коэффициент местных потерь;

V_ГЖС – скорость газожидкостной смеси в обводном канале.

Большие сложности приставляет определение потерь давления потока при омывании рабочих элементов породоразрушающего инстру­мента, т.к. на этом участке гидравлические потери в значительной степени зависят от физико-механических свойств горных пород, в первую очередь от пластичности и влажности.

Методика расчета параметров очистного агента с частицами выбуренной породы под торцом и в корпусе породоразрушающего ин­струмента базируется на работах А.М. Михитарена, В.П.Бермана, В.М. Лихтера и др. [37-44] с учетом изменяющихся условий течения очистного агента в процессе бурения.

Опытами установлено, что падение давления в горизонтальных трубопроводах, по которым движется аэросмесь, при прочих равных условиях, находится в линейной зависимости от падения давления при движении чистого воздуха и весовой концентрации частиц поро­ды [44]. При этом статические потери составляют:

(2.6)

где V_в – объем перемещаемого воздуха, м³;

R – газовая постоянная, R = 2,92;

Т – абсолютная температура окружающей среды;

λ = λ₀∙(1 + f∙M) – коэффициент сопротивления движению аэросмеси;

L_пр = L + L_экв – приведенная длина трубопровода, м;

F – поперечное сечение трубопровода, м²;

d – диаметр трубопровода, м;

Р_вх – давление в начале рабочего трубопровода, МПа;

Р_вых – давление на конце рабочего трубопровода, МПа.

Динамическое падение давления составит:

(2.7)

β₀ – коэффициент, учитывающий скорость ма­териала, которая меньше скорости воздуха, β₀ = 0,25-0,7;

V_в – скорость воздуха;

ρ_в – плотность воздуха;

μ – коэффициент, показывающий соотношение количества материала и воздуха, проходящего через данное сечение в единицу времени,

;

μ = 5-20.

Если рассматривать движение смеси от внешнего диаметра коронки к диафрагме, как движение по очень малому (элементарному участку) трубопровода, то преобразуя уравнение (2.6), получим L_пр → 0

тогда ;

∆Р = Р_вх – Р_вых,

Р_вых = Р_всас

Р_всас – давление на входе в диафрагму эжектора.

∆Р_з = ∆Р_дин + Р_вх – Р_всас (2.8)

∆Р_вх = Р_к – ∆Р₁ – ∆Р₂ (2.9)

Для глинистых пород с включением валунов и гальки, имеющих число пластичности ф от 10 до 70, справедливо следующее выражение:

(2.10)

где f – коэффициент местного сопротивления (табличный);

Q_к – объем смеси выходящей с обводного канала в единицу времени;

h_n – расстояние от выхода обводного канала до забоя;

l_n – ширина канала (расстояние между пластинами с твердым сплавом);

ρ_ГЖС – плотность газожидкостной смеси на выходе с обводного канала;

n – количество обводных каналов;

0.1ф – коэффициент местного сопротивления для породоразрушающего инструмента с цилиндрическим корпусом и керноломными пластинами, расположенными по хордам;

м/с

При V_ГЖС < 50 м/с происходит закупорка обводного какала.

Для согласования работы вихревого эжектора и потока очистного агента по обводному каналу до диафрагмы эжекторного устройства необходимо выполнение условия Р_с = Р_к.

Подставив значения в уравнения (2.2), (2.3), получим

(2.11)

Выражение (2.11) определяет потери давления при закрытой обратной циркуляции.

Для открытой обратной циркуляции без обводного канала в корпусе породоразрушающего инструмента Р_к = Р транспорта, первый и второй член правой части уравнения (2.3) равны нулю. Выражение, описывающие потери давления при открытой обратной циркуляции примет вид:

где ∆Р_ТР – потери давления на транспортировку разрушенного материала от рабочих элементов породоразрушающего инструмента к диафрагме эжектора.

Очевидно, что транспортировка породы будет осуществляться при , что и наблюдается при транс­портировке сыпучего материала.

С целью определения достоверности выражения (2.11) и подтверждения коэффициента 0,1ф проведены опытно-экспериментальные работы (табл. 2.3), которые подтверждают правильность расчетной формулы.

Таблица 2.3

Результаты исследований влияния физических свойств горных пород (пластичность, влажность) на потери давления при очистке породоразрушающего инструмента

Список использованной литературы

1. Куликов И.В. Воронов В.Н. Николаев И.И. Пневмоударное бурение разведочных скважин. – М.: Недра. 1977.

2. Методы повышения эффективности бурения геологоразведочных скважин. / Н.П. Пинчук, В.А. Кудря, И.П. Мельничук. – М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2000. – 536 с.

3. Справочник по бурению геологоразведочных скважин. – СПб.: ООО «Недра», 2000. – 712 с.

4. Коваленко В.И. Яковлев А.А. Бурение скважин с промывкой пеной. – М.: МГРИ. 1986.

5. Перетяка П.В. Семенюта В.П. Анализ применения газожидкостных систем при бурении в обводненных условиях. Прогрессивные способы сооружения гидрогеологических скважин и пути улучшения качества промывочных жидкостей. Сборник научных трудов. – М. 1984. – С. 101-104.

6. Слюсарев Н.И. Исследование процесса и разработка технических средств бурения скважин с промывкой пеной. ЛГИ. – 1987.

7. Яковлев А.М. Технология промывки и тампонирования скважин при разведочном бурении в осложненных геологических условиях. МГРИ. – 1988.

8. Яковлев А.А. Исследование и разработка технологии алмазного бурения с применением пены. ЛГИ. – 1987.

9. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. – М.: Химия. 1975.

10. Бурение скважин с промывкой пеной в интервалах катастрофических поглощений с АНПД / Тагиров K.M., Нифантов В.И., Акопов С.А. и др. //Технология строительства газовых и газокон-денсатных скважин: Сб. научн. трудов ВНИИгаза. М.,1991.- С. 121-128.

11. Яковлев А.А. Научно-практические основы технологии бурения и крепления скважин с применением газожидкостных промывочных и тампонажных смесей. Автореф. дисс. на соискание ученой степени доктора тех. наук. СПб, СПГГИ (ТУ), 2001, 41 с.

12. Кирсанов А.И., Крылов Г.А., Нефедов В.П. Пены и их использование в бурении. М,: ВИЭМС, 1980, 60 с.

13. Селиванов Е.М. Повышение эффективности геологоразведочных работ на основе внедрения КГК. Разведка и охрана недр. 1987. №2.

14. Техника и технология бурения с гидротранспортом керна и шлама. Сборник научных трудов. Л.: – ВИТР. 1985.

15. Техническое задание на разработку специализированной буровой установки пневмоударного бурения с обратной и прямой продувкой (промывкой) УРБ-4ПБ. 1986.

16. Хворостовский С.С. Способы и технические средства для бурения скважин при разведке россыпных месторождений на шельфе. – М.: Недра. 1988.

17. Новиков Г.П. Перспективы применения технологии бурения скважин с непрерывным выносом кернового материала. – М., 1988. Техника и технология геологоразведочных работ. Обзор ВИЭМС.

18. Американская техника и промышленность. Сборник рекламных материалов. – М.: Внешторгреклама, 1987.

19. Новиков Г.П., Пешков А.Н., Шведко В.П. Новые технические средства, применяемые в Канаде. – М., 1987. Техника и технология геологоразведочных работ. Обзор ВИЭМС.

20. Перетяка П.В., Сологуб С.Я., Годяев С.Г., Силатов А.А. Методика определения схемы очистки породоразрушающего инструмента для пневмоударного бурения с обратной продувкой/ Деп. ВИЭМС №845-МГ-90, 1990.