Обоснование параметров циркуляционной системы кольцевого погружного пневмоударника Харламов Юрий Павлович

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор существующих методов и технических средств для бурения с обратной циркуляцией очистного агента 11

2. Обоснование конструктивной схемы эффективного кольцевого пневмоударника

2.1 Определение конструктивных параметров, обеспечивающих эффективное разрушение породы .27

2.2 Определение методов повышения эффективности работы циркуляционной системы .33

2.3 Конструктивная схема циркуляционной системы кольцевого погружного пневмоударника 38 Выводы 40

3. Условия и методика экспериментальных исследований 41

3.1 Общие положения и условия исследования 41

3.2 Стенд для исследования бурового снаряда с обратной циркуляцией очистного агента 42

3.3 Контрольно - измерительные приборы, применяемые при экспериментах...47

Выводы 50

4. Результаты экспериментальных исследований 52

4.1 Исследование влияния геометрических параметров циркуляционной системы 52

4.2 Исследование влияния экрана противодавления на эффективность работы циркуляционной системы .66

Выводы 70

5. Моделирование работы циркуляционной системы пневмоударника с центральным шламотранспортом 72

5.1 Вычислительное моделирование работы циркуляционной системы в среде Solid Works Flow Simulation 72

5.2 Методика расчета основных параметров бурового снаряда с обратной циркуляцией очистного агента (погружная пневматическая ударная машина – породоразрушающий инструмент) 82

5. 2.1 Общие положения 82

5.2.2 Порядок расчета 83

5.2.3 Пример расчета. 84

Выводы. .86

Заключение .88

Литература

• Определение конструктивных параметров, обеспечивающих эффективное разрушение породы
• Стенд для исследования бурового снаряда с обратной циркуляцией очистного агента
• Исследование влияния экрана противодавления на эффективность работы циркуляционной системы
• Общие положения

Введение к работе

Актуальность работы. Важнейшей составляющей технологий разведки и разработки месторождений полезных ископаемых и их добычи является бурение скважин в породном массиве. В настоящий момент и в обозримом будущем наиболее эффективным способом проходки скважин в массиве горных пород является ударно-вращательный, обеспечивающий бурение с минимальной энергоемкостью. Для его реализации на горных предприятиях, как в России, так и за рубежом, получили большое распространение погружные, т.е. взаимодействующие непосредственно с забоем скважины, машины ударного действия - погружные пневмоударники. Они применяются в качестве рабочего органа бурового станка, который через систему штанг осуществляет подвод энергоносителя, передачу осевого усилия и вращающего момента.

Наиболее перспективным, особенно в условиях вечной мерзлоты и обильных водопритоков для достижения высокой достоверности опробования геологоразведочного материала, является бурение скважин погружными пневмоударниками с обратной циркуляцией очистного агента. В основе этой технологии лежит непрерывное удаление из призабойной зоны выбуренного породного материала и транспортирование его на поверхность потоком очистного агента по осевому каналу пневмоударника и внутренней трубе двойной буровой колонны. Это достигается путем использования кольцевых забойных снарядов, обеспечивающих подачу энергоносителя через межтрубный зазор двойной бурильной колонны и вынос аэрированного керношламового потока на поверхность через центральный канал бурового става. Перспективность этого способа проходки скважин высоко оценена и признана специалистами. Бурение скважин с обратной циркуляцией очистного агентапроизводится в России и ряде зарубежных стран (Швеция, Германия, Великобритания, США) напротяжении уже более двух десятилетий. В настоящее время ведущими европейскими и мировыми производителями погружных пневмоударных машин, такими, как Sandvik АВ, Atlas Сорсо (Швеция). Numa (США), хорошо известными на рынке буровой техники, выпускается типоразмерный ряд пневмоударников, называемых кольцевыми по форме ударного элемента. Они предназначены для полного сбора всего бурового шлама на забое путем его концентрации в центральном шламопроводе пневмоударника для транспортирования на поверхность по внутренней трубе двойной буровой колонны. Это является существенным достоинством таких машин при современных требованиях к охране окружающей среды. В Российской Федерации разработку таких пневмоударников продолжает ИГД СО РАН.

Преимуществами использования кольцевого пневмоударника являются: -надежный запуск при постановке на забой и устойчивая работа в режиме бурения скважин, обеспечивающая вынос керно-шламового материала в расчетном объеме;

удаление воды и шлама из призабойной зоны в виде грязевого потока, а также налипшей породы со стенок шламопровода в режиме блокировки при бурении обводненных скважин;

отведение зоны выброса шлама на значительное расстояние от места бурения, что обеспечивает значительное улучшения условий труда бурильщиков и позволяет установить очистные устройства, сохраняя экологическую безопасность в зоне производства работ. Это же обстоятельство позволяет сохранить в чистом виде

механизмы и агрегаты установки, что положительно влияет на срок их службы и безопасность эксплуатации в целом;

- исключение вероятности растепления стенок скважины при бурении в вечномерзлых и перемежающихся породах.

Вместе с тем, опыт эксплуатации кольцевых пневмоударников показывает, что производительность бурения во многом зависит от эффективности работы системы очистки забоя от бурового шлама, поскольку его необходимо направить в центральный шламотранспортный канал, исключив выход на поверхность через зазор между стенками скважины и буровой колонной. Недостаточная эффективность работы циркуляционной системы приводит к тому, что:

увеличивается энергоемкость бурения, как следствие роста затрат энергии удара на вторичное измельчение частиц отделенной от массива породы, из-за неэффективной очистки забоя;

возникает высокая вероятность остановки пневмоударника либо выхода всего бурового шлама на поверхность по боковому зазору;

существенно снижается достоверность геологических проб при геологоразведочном бурении, а также при бурении на воду из-за рассеивания бурового шлама.

Поэтому повышение эффективности работы циркуляционной системы пневмоударника с обратной циркуляцией очистного агента является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является обоснование рациональных с позиции минимизации выхода шлама в затрубное пространство конструкции и параметров циркуляционной системы для обеспечения максимально полной очистки забоя скважины за счет увеличения подачи энергоносителя в осевой канал шламотранспортной магистрали.

Основная идея работы состоит в обеспечении бурения с максимальной подачей шлама в осевой транспортный канал за счет обоснования и выбора рационального расположения и конфигурации выхлопных и шламосборных каналов пневмоударника.

Объект исследования - погружная пневматическая ударная машина для бурения скважине центральным шламотранспортом и системой циркуляции для очистки забоя.

Предмет исследований -геометрические параметры, конфигурация и расположение выхлопных и шламосборных каналов системы циркуляции для очистки забоя скважины от керношламового материала при бурении кольцевым погружным пневмоударником.

Методы исследований - при решении поставленных задач применялись методы физического и математического моделирования рабочих процессов пневмоударных машин.

Задачи исследования:

1. Обосновать конструкцию шламотранспортной магистрали с системой циркуляции очистного агента, обеспечивающей максимальную подачу разрушенной породы в осевой канал погружного пневмоударника.

2. Обосновать критерий эффективности работы системы очистки забоя скважины и установить закономерности его изменения от расположения, конфигурации и диаметра выхлопных и шламосборных отверстий, конструктивного

оформления и геометрических параметров забойной части пневмоударника и породоразрушающего инструмента.

3. Разработать методику определения геометрических параметров циркуляционной системы в зависимости от типоразмера и расхода воздуха кольцевого пневмоударника для обеспечения полной очистки забоя скважины от керношламового материала и направления всего разрушенного материшіа в осевой канал шламотранспортной магистрали и практические рекомендации по её проектированию

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При бурении скважин погружным пневмоударником со сквозным осевым каналом направление максимального количества разрушенной породы в шламотранспортную магистраль обеспечивается системой циркуляции очистного агента, состоящей из призабойного пакера. выхлопных и шламосборных отверстий и системы создания противодавления в затрубном пространстве.

2. Эффективность работы циркуляционной системы погружного пневмоударника с осевым шламотранспортным каналом целесообразно оценивать коэффициентом, представляющим отношение расхода воздуха, направляемого ей в транспортный канал, к величине его расхода на входе в напорную магистраль. Максимальное значение этого коэффициента достигается при диаметре призабойного пакера, равном (0,96.. .0,985) диаметра скважины (d_CKB.), расстоянии от пакера до забоя скважины - (0,1.. .0,28)ё_СКв, расстояния от шламосборных отверстий до забоя скважины (0.2...0,ЗМ-_Кв.. ^а создание противодавления в затрубном пространстве за счет воздушного экрана дополнительно повышает коэффициент эффективности на 16%.

3. Методика определения геометрических параметров циркуляционной системы кольцевого пневмоударника. в основе которой лежат зависимости изменения коэффициента эффективности её работы от конструктивных и геометрических параметров, обеспечиваетсоздание пневмоударников сполной очисткой забоя скважины от керношламового материала и направлением всего разрушенного материала в осевой канал шламотранспортной магистрали.

Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных данных, полученных с помощью современных методов исследований.

Научная новизна заключается в том. что:

обоснована и разработана система циркуляции очистного агента, состоящая из призабойного пакера. выхлопных и шламосборных отверстий и системы создания противодавления в затрубном пространстве, а эффективность её работы предложено оценивать соотношением величины расхода проходящего через центральный шламотранспортный канал энергоносителя, к величине его расхода на входе в напорную магистраль:

установлено рациональное сочетание основных геометрических параметров циркуляционной системы, при котором достигается максимальная эффективность ее работы, оцениваемая коэффициентом, представляющим отношение расхода воздуха, направляемого ей в транспортный канал, к величине его расхода на входе в напорную магистраль;

доказано, что создание воздушного экрана в затрубном пространстве за счет отвода части выхлапываемого на забой энергоносителя повышает эффективность работы циркуляционной системы на 16 %.

Личный вклад автора состоит в:

- создании физической модели (стенда-имитатора) для исследования
циркуляционной системы пневмоударника с центральным шламотранспортом;

проведении исследований по выявлению наиболее значимых геометрических параметров циркуляционной системы кольцевого пневмоударника и определении их рациональных значений;

- нахождении технического решения (воздушного экрана противодавления)
для повышения эффективности работы циркуляционной системы и опробовании его
на опытном образце кольцевого пневмоударника;

- разработке компьютерной модели работы циркуляционной системы
пневмоударника с центральным шламотранспортом и разработке методики расчета
её параметров в зависимости от типоразмера и расхода воздуха кольцевого
пневмоударни ка.

Практическая ценность результатов работы заключается:

- в разработке конструкции кольцевого пневмоударника с циркуляционной
системой, обеспечивающей достижение максимальной эффективности очистки
забоя от бурового шлама через осевой транспортный канал за счет обоснования
соотношения основных параметров и создания дополнительно воздушного экрана
противодавления в затрубном пространстве;

в создании методики определения геометрических параметров циркуляционной системы в зависимости от типоразмера и расходного показателя кольцевого пневмоударника, с целью направления всего объема разрушенного материала в шламотранспортную магистраль, и получении практических рекомендаций по её проектированию.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований циркуляционной системы пневмоударника с центральным шламотранспортом реализованы в ИГД СО РАН при разработке и изготовлении кольцевого пневмоударника ПК-132, а также используемого в комплекте с ним бурового инструмента.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены: на Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды», Новосибирск, 2008 г., 2012 г.; на IX Международной научно-технической конференции «Политранспортные системы» по направлению «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке», 17-18 ноября 2016 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 89 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 90 наименований, содержит 41 рисунок, 17 таблиц.

Определение конструктивных параметров, обеспечивающих эффективное разрушение породы

Но при использовании такой схемы существенно усложняется путь потока очистного агента: с поверхности забоя выхлапываемый энергоноситель вместе со шламом поступает наверх между наружной поверхностью корпуса пневмоударни-ка и кожухом, затем попадает в отверстия верхнего переходника и уже оттуда во внутреннюю трубу двойной бурильной колонны. Это значительно повышает вероятность зашламовывания бурового снаряда [18].

В настоящее время наиболее перспективным способом бурения скважин является бурение кольцевыми пневмоударниками с непрерывным транспортом бурового шлама по внутренней трубе двойной бурильной колонны [22, 24, 25]. Рациональность такого способа заключается в том, что прямой и гладкий шламопровод постоянного сечения создает наиболее благоприятные условия для выноса разрушенной породы без задержки и перемешивания при транспортировании. Принципиальная технологическая схема бурения изображена на рисунке 1.6 [25]. Наличие центрального канала способствует повышению эффективности бурения по сравнению с обычным пневмоударником, возрастает механическая скорость бурения, исключается рассеивание разрушенной породы [20].Этот способ бурения скважин, по мнению зарубежных (Германии, Великобритании, США) и отечественных специалистов является перспективным направлением в бурении, высоко оценен и признан наиболее прогрессивным.

Данная технология обладает достоинствами как пневмоударного способа, так и вращательного бурения с непрерывным транспортированием выбуренной породы по внутренней трубе двойной бурильной колонны. Кроме этого она наделена дополнительными положительными качествами: при одном и том же давлении энергоносителя (сжатого воздуха) на входе в ударную машину сплошного или кольцевого исполнения, во втором варианте исполнения ударной машины предельная глубина бурения скважины увеличивается в 1,5…2 раза без снижения производительности. Это достигается за счет снижения энергоемкости процесса, так как энергия удара затрачивается на разрушение периферии забоя, а его центральная часть разрушается самопроизвольно под действием боковых динамических нагрузок. Формирование крупных кусков керна в центральной части забоя способствует снижению энергоемкости процесса разрушения по сравнению с равномерным измельчением породы в случае бурения сплошным забоем. При этом не требуется жесткой увязки диаметра буримой скважины и диаметра бурильной колонны [3]. Изложенное выше свидетельствует о важности развития этого направления в технике и технологии бурения, которое специалисты практически единодушно характеризуют, как революционный прорыв [9, 26]. 1 – породоразрушающий инструмент; 2 – корпус пневмоударника; 3 – центральная шла-мотранспортная труба Рисунок 1.6 – Схема бурения кольцевым пневмоударником с обратной циркуляцией очистного агента

Кольцевые пневмоударники особенно эффективны в разрезах с неоднородным составом пород – с большим содержанием валунно-галечных отложений, прослоек глинистых пород, при интенсивных водопритоках, а также при геологоразведочном бурении в зонах со сложными геологическими и климатическими условиями. Сохраняется реверс энергоносителя, крайне необходимый при обвалах стенок скважины, прихвате снаряда, сильном водопритоке и прочих возможных осложнениях. Этот способ не имеет альтернатив при бурении в зонах вечной мерзлоты, в связи с исключением растепления стенок скважины, а также при проходке морен в сплошных водоносах [21, 27, 28]. Приоритет на кольцевые пневмоударники принадлежит СССР (России). Лидирующие позиции в общей мировой тенденции развития буровых снарядов с центральным транспортом шлама занимает Институт горного дела СО РАН [9]. В начале 80-х годов ХХ века его сотрудниками во взаимодействии с СКБ «Геотехника» (Москва), созданы пневмоударники ПКР-190/60 и ПК-132 с центральным шла-мотранспортом превосходящие по своим характеристикам и технологичности изготовления разработанные значительно позже зарубежные аналоги. Испытания пневмоударников типа ПКР-190/60 проводились в Ягоднинской геологоразведочной экспедиции ПГО «Севвостгеология» при разведке россыпного золота и продемонстрировали их несомненные преимущества перед буровыми снарядами с периферийным выносом шлама по скорости бурения, по производительности и достоверности геологических проб.

Достоверность опробования устанавливалась в натурных условиях при бурении скважин на правой террасе ручья «Порфировый» в Ягоднинской ГРЭ ПГО «Севвостгеология». Геологическое строение террасы представлено делювиальными отложениями мощностью от 0,5 до 2,0 м и подстилающими их песчано-глинистыми сланцами средней трещиноватости с прожилками кварца. Породы находились в мерзлом состоянии, а скважины характеризовались незначительными водопритоками со статическим уровнем 2–4 м от поверхности.

На первом этапе в пробуренные на глубину 20–25 м скважины опускались свинцовые навески массой до 1 г, после чего производилась их забутовка и последующее разбуривание с отбором проб и их обработкой на промприборе «Проба – 2м» с доводкой по установленной технологии. Средний процент извлекаемости навесок из пяти опытов стабильно составлял не менее 90% [5].

Опытный образец пневмоударника ПК-132 (рисунок 1.7) прошел опытно-промышленную проверку в южной Якутии. В ходе испытаний установлено, что кольцевые пневмоударники в сочетании с двойной бурильной колонной особенно эффективны в разрезах с высоким содержанием валунно-галечных отложений, прослоек глинистых пород и наличием интенсивных водопритоков. Последнее Рисунок 1. 7. Опытный образец российского кольцевого пневмоударника ПК-132 конструкции ИГД СО РАН достигается за счет реализованного в пневмоударниках реверсирования потока энергоносителя [9].

Проведенные испытания выявили надежность и работоспособность опытных образцов отечественных кольцевых пневмоударников. По результатам приемочных испытаний они были рекомендованы в серийное производство, освоению которого помешал распад СССР и дальнейшие события 90-х годов ХХ века.

Стенд для исследования бурового снаряда с обратной циркуляцией очистного агента

Одной из основных задач повышения эффективности пневмоударного бурения с обратной циркуляцией очистного агента является обеспечение непопадания бурового шлама в затрубное пространство. Это объясняется следующими причинами: 1. Недопустимостью засорения породы с опробуемого интервала частицами из вышележащих толщ пород в целях обеспечения достоверности геологической информации. 2. Недопустимостью растепления стенок скважины во избежание их обрушения при бурении вечномерзлых пород. 3. Предупреждением вторичного переизмельчения пород или обогащения рудного материала на забое [54, 55].

Практика пневмоударного бурения с обратной циркуляцией очистного агента показывает, что для предотвращения попадания керно-шламового материала в зазор между буровым ставом и стенками скважины, необходима герметизация за-трубного пространства и призабойной зоны. Можно выделить две основные груп 34 пы устройств для такой герметизации: устьевые герметизаторы и забойные пакеры [18, 22]. Конструкция устьевых герметизаторов включает в себя элемент для закрепления герметизатора на устье скважины, обеспечивающий перекрытие потока очистного агента вдоль стенки скважины, а также уплотнительный элемент, герметизирующий щелевой зазор между неподвижным корпусом герметизатора и вращающейся колонной бурильных труб.

Шнековые герметизаторы (рисунок 2.6) состоят из сборного корпуса 4, вдоль которого наваривается металлическая спираль 3 с постоянным шагом и плавным сбегом вниз, внутри которого устанавливается пакет 2 резиновых манжет с металлическими прокладками. Для соединения и разъединения герметизатора с буровой колонной в верхней части корпуса закрепляются эксцентриковые подпружиненные защелки 6. Недостатком такой конструкции является невозможность установки без предварительного забуривания скважины [18 с. 22 - 24].

– резьбовая втулка, 2 – пакет резиновых манжет, 3 – металлическая спираль, 4 – корпус,

Этого недостатка лишены комбинированные герметизаторы, имеющие прижимной узел с вдавливаемым в устье скважины башмаком. Однако в целом, ис 35 пользование таких устройств для герметизации затрубного пространства значительно усложняет технологический процесс бурения.

Другим типом герметизирующих устройств являются призабойные пакеры. В мировой практике бурения известно много типов и конструктивных схем пакеров, герметизирующих зазор между стенкой скважины и вращающимся буровым снарядом. Существующие конструкции пакеров обеспечивают герметизацию затруб-ного пространства двумя способами: компенсацией зазора с помощью упругих элементов, либо максимально возможным приближением диаметра пневмоударни-ка к диаметру буримой скважины. К устройствам первого типа относятся, например, игольчатые пакеры, в общем виде представляющие из себя обойму, в которой закреплена металлическая щетка. Однако установка пакера такого типа усложняет конструкцию машины и требует постоянной очистки от забивающего упругие элементы бурового шлама [18, с. 24].

Более простым и надежным является металлический пакер 4, устанавливающийся на корпус пневмоударника (рисунок 2.7). – корпус; 2 – центральная шламотранспортная труба; 3 – буровая коронка; 4 – призабой-ный пакер; 5 – эжекционный канал; 6 – твердосплавные вставки Рисунок 2.7 – Опытный кольцевой пневмоударник российского производства ПК-132

Такая конструкция обеспечивает надежную работу пневмоударника и не требует обслуживания. Недостатком ее является невозможность применения пакера с диаметром, равным диаметру буримой скважины, поскольку в этом случае неизбежно заклинивание пневмоударника в скважине. Чтобы избежать прихвата пнев-моударника в скважине, при установке такого пакера также необходимо учитывать значительный износ породоразрушающего инструмента в процессе бурения, приводящий к постепенному уменьшению ее диаметра [56, 57].

Одним из эффективных средств герметизации затрубного пространства при бурении с обратной циркуляцией очистного агента являются эжекторные устройства. Эжектор прост по конструкции и обеспечивает устойчивый режим циркуляции очистного агента вместе с керно-шламовым материалом по шламопроводу [22, 58]. На рисунке 2.8 приведена схема пневмоударника ПК-170Э с эжекторным устройством. Поток сжатого воздуха через сопло 4 поступает в диффузор 5 и увлекает отработанный энергоноситель из выхлопной трубы 3 в призабойную зону. Преимуществами эжекторных устройств являются: 1. Подвод активной струи энергоносителя через периферийную область шламопровода, позволяющее организовать непрерывность процесса поступления в нее отбуренной породы. 2. Ориентация энергоносителя в направлении транспортирования спо собствует максимальному использованию его энергии для выноса бурового шлама на поверхность. 3. Образование устойчивого эжектируемого потока позволяет устранить необходимость полной герметизации затрубного пространства [18]. Эжекционные каналы, соединяющие выхлопной тракт со шламотранспорт-ной магистралью присутствуют в конструкции буровой коронки опытного российского кольцевого пневмоударника ПК-132 (поз. 5 на рисунке 2.7).

Исследование влияния экрана противодавления на эффективность работы циркуляционной системы

Эксперименты показали, что из всех геометрических параметров наибоее значительное влияние на работу циркуляционной системы пневмоударника с центральным шламотранспортом оказывает конструкция призабойного пакера, а именно его диаметр и расположение относительно дна забоя. Чем ближе к забою расположена нижняя кромка пакера и выше его диаметр, тем эффективнее работает циркуляционная система. Определяющим значением для размеров призабойного пакера в в этом случае является диаметр буровой коронки. Идеальным с точки зрения эффективности работы циркуляционной системы был бы пакер с диаметром, равным диаметру бурового долота, а значит, и скважины. Одако в реальных условиях бурения мы не можем оснастить пневмоударник таким пакером в связи с неизбежным механическим износом бурового инструмента, который приводит к постепенному уменьшению его диаметра. Следовательно, использование призабойного пакера с диаметром, равным диаметру буровой коронки рано или поздно приведт к заклиниванию пневмоударника в скважине. Отсюда следует вывод - необходимо оставлять зазор между пакером и стенками скважины для обеспечения работоспособности певмоударника в течение всего срока службы бурового долота. Однако этот зазор позволит части бурового щлама попадать в затрубное пространство вместе с выхлапываемым на забой энергоносителем, что снижает эффективность работы циркуляционной системы. Возникает противоречие, требующее своего разрешения. По результатам патентного поиска было установлено, что известен ряд забойных ударных устойств с обратной циркуляцией очистного агета, снабженных проточками и каналами для отвода части выхлапываемого на забой энергоносителя для создания эффекта противодавления [73, 74]. В частности, известно устройство, у которого головка бурового долота содержит кольцо с диаметром, равным эффективному диаметру бурового долота [75]. Под кольцом долото имеет окружную канавку, в которую ведут каналы для выпускаемого воздуха, что позволяет обводить воздух вокруг переднего участка долота и выводить его через шламосборные отверстия. В результате в забойной части создатся воздушная завеса, препятствующая попаданию бурового шлама в затрубное пространство. Для опробывания этого технического решения на имитаторе пневмоударника в нижней части его бурового инсрумента просверлены 12 наклонных от центра к переферии продувочных каналов 7 (рисунок 3.4) диаметром 6 мм, создающих экран противодавления.

В ходе экспериментов имитатор пневмоударника продувался с открытыми экранными каналами, а также с каналами, закрытыми деревянными пробками, при этом все остальные параметры оставались неизменными. Результаты статистической обработки экспериментальных данных приведены в таблице 4.8. Все эксперименты показали рост эффективности работы циркуляционной системы имитатора кольцевого пневмоударника при наличии такого экрана.

Таким образом, по результатам экспериментов с использованием имитатора бурового снаряда с обратной циркуляцией очистного агента определены параметры и конструктивные размеры системы очистки забоя, обеспечивающей сбор и транспортирование на поверхность максимального объема разрушенного породного материала. Таблица 4.8 - Исследование влияния воздушного экрана противодавления на коэффициент эффективности работы циркуляционной системы имитатора кольцевого пневмоударника. Задаваемый параметр Расход энергоносителя на входе Qex, м3/мин Экранные отверстия 6,7 8,3 9,2 10 Постоянные параметры: р = 0,6 МПа, Sex= 3,81 см2 Расход энергоносителя на выходе QebiX,м3/м 2,2 3,2 4,2 Результативность нового технического решения опробована на опытном образце пневмоударника ПК-132. Этот буровой снаряд устанавливался на универсальный стенд лаборатории бурения ИГД СО РАН [29], при этом имитатором скважины служила труба диаметром 135 мм. Проведены эксперименты с пневмо-ударником без воздушного экрана, и тем же пневмоударником после оснащения его экранными каналами. Результаты статистической обработки экспериментальных данных представлены в таблице 4.9.

Проведены сравнительные испытания имитатора бурового снаряда и кольцевого пневмоударника ПК-132, разработки ИГД СО РАН, которые показали соответствие выходных показателей эффективности их работы. На рисунке 4.5 представлен результат сравнительных испытаний пневмоударника и имитатора при равных основных геометрических параметрах е, Ъь Ъ2 и Ъ3 Таблица 4.9 - Исследование влияния воздушного экрана противодавления на коэффициент эффективности работы циркуляционной системы кольцевого пневмоударника ПК-1 Задаваемый параметр Расход энергоносителя на входе Qex, м3/мин Экранные отверстия

Сравнительные испытания имитатора бурового снаряда и пневмоударника ПК-132 на соответствие коэффициента эффективности Еще более наглядно выглядят результаты экспериментов с пневмоударником ПК-132 при построении графиков зависимости величины коэффициента эффективности от расхода подводимого энергоносителя (рисунок 4.6) [9]. Как и в случае с имитатором все эксперименты показали отчетливый рост эффективности работы циркуляционной системы реального кольцевого пневмоударника при наличии такого экрана. Рисунок 4.6 – Влияние экрана противодавления на коэффициент эффективности пневмоударника ПК-132 Выводы: 1. Проведено экспериментальное исследование циркуляционной системы пневмоударника с обратной циркуляцией очистного агента, выявившее рациональные диапазоны ее геометрических параметров. 2. Предложено техническое решение, позволяющее повысить эффективность выноса шлама через центральную трубу посредством отвода части выхлапываемого на забой энергоносителя через затрубное простанство для создания экрана противодавления. 3. Предложенное решение оробовано на стенде-имитаторе пневмоуданика с обратной циркуляцией очистного агента, где показало свою эффективость. 4. Опробование экрана противодавления в лабораторных условиях на экспериментальном образце пневмоударника ПК-132 подтвердило эффек тивность его применения.

Общие положения

Результаты экспериментов на математической модели не только подтверждают результаты физического моделирования, но и позволяют уточнить их. Расчеты в среде Solid Works позволяют сделать вывод о том, что при увеличении расстояния от выхлопных отверстий до дна забоя эффективность работы циркуляционной системы несколько снижается. На рисунке 4.9 по оси ординат откладываются значения коэффициента эффективности Кэ, по оси абсцисс – параметр, названный нами удаленностью L3 = b2/dскв. 1

Сравнение результатов экспериментов №3, №4 на физической модели и расчета влияния расстояния от выхлопных отверстий до дна забоя на работу циркуляционной системы имитатора в среде Solid Works

Сочетание методов математического и физического моделирования позволило наиболее эффективно решать задачу определения рациональных геометрических параметров забойной части бурового снаряда с центральным шла-мотранспортом [68, 69]. Наиболее наглядно в этом отношении исследование влияния встроенного эжектора на работу циркуляционной системы имитатора кольцевого пневмоударника. В главе 4 было установлено повышение значения Кэ при устройстве в центральном шламопроводе трех эжекционных отверстий (таблица 4.5). Программное обеспечение Solid Works позволяет изучить влияние эжектора более детально. По условиям экспериментов №13, №14 и №15 на математической модели исследуется процесс продувки забойной части имитатора соответственно: без встроенных эжекционных отверстий, с тремя и с шестью эжекторами. Увеличение числа эжекционных отверстий на физической модели требует дополнительных технологических операций, тогда как математическая модель позволяет это сделать намного быстрее. Результаты экспериментов представлены на рисунке 5.10. По оси ординат откладываются значения коэффициента эффективности Кэ, а на оси абсцисс точкам 1, 2 и 3 соответствуют условия экспериментов: без встроенных эжекционных отверстий, с тремя и с шестью эжекторами соответственно. Как видно из представленного графика, при устройстве в выхлопном тракте трех эжек-ционных отверстий значение Кэ повышается, и при увеличении их числа до шести следует его дальнейшее повышение.

Сравнение результатов экспериментов и расчета влияния встроенного эжектора на работу циркуляционной системы имитатора в среде Solid Works

Методика расчета основных параметров бурового снаряда с обратной циркуляцией очистного агента 5.2.1 Общие положения На практике часто возникает задача: создать машину с заданным значением энергии на базе имеющейся хорошо отработанной машины [84, 85, 86, 87, 88, 89, 90]. Машину, выбранную в качестве прототипа, можно рассматривать как модель создаваемой машины, выполненную в некотором масштабе[88, 89, 90]. Так как новая машина отличается от прототипа только по масштабу то все осевые размеры прототипа необходимо изменить в а раз, диаметральные размеры - в раз, а массу ударника и других инерционных элементов - в /? раз. При этом удельный расход сжатого воздуха и скорость соударения ударника с инструментом не изменятся [54].

Расчетные коэффициенты вычисляются по формулам: P = Y. (5.1) В a = 2. (5 2) где En - энергия единичного удара прототипа, Дж; Ен - энергия единичного удара новой машины, Дж; dn- диаметр бурового долота прототипа, м; dH- диаметр бурового долота новой машины, м. 5.2.2 Порядок расчета 1. Основными исходными данными для расчета являются: диаметр буримой скважины dCKe, задаваемый исходя из технических и технологических условий проведения работ, и энергия удара Е, необходимая для разрушения породного массива с минимальной энергоемкостью [20,25]. 2. Далее по формулам (5.1) и (5.2) вычисляются коэффициенты а и р для определения осевых и диаметральных размеров новой машины, а также масс ее инерционных элементов. 3. На третьем этапе, зная диаметр буримой скважины, с учетом результатов физического моделирования процесса очистки забоя скважины, определяются геометрические параметры циркуляционной системы нового кольцевого пневмоудар-ника. Диапазоны значений основных конструктивных параметров, обеспечивающих максимальные или близкие к ним значения коэффициента эффективности работы циркуляционной системы пневмоударника - Кэ принимаются из графиков, изображенных на рисунках 4.1, 4.2, 4.3 и 4.4. - расстояние от шламосборных отверстий до дна забоя (0,22 - 0,25) d ; - расстояние от выхлопных отверстий до дна забоя (0,092 - 0,13) dCKe; - расстояние от нижней кромки призабойного пакера до забоя (0,1 - 0,28) d; - диаметр призабойного пакера (0,968 - 0,982)dcm.