CC BY
218
Международный научный журнал «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА»_ISSN 2410-6070_№ 4/2015
Н.Г. Тимофеев, ст. преподаватель Б.В. Аргунов, Студент 3 курса В.Г. Тыкынаев, Студент 3 курса Геологоразведочный факультет Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова
г. Якутск, Российская Федерация
ИННОВАЦИОННЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ
Ежегодное увеличение объемов буровых работ при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых в районах распространения многолетнемерзлых пород требует инновационного подхода к совершенствованию существующей буровой техники и технологии.
Повышение производительности и удешевление разведочных работ по россыпным месторождениям в условиях криолитозоны является одним из актуальных научно-технических задач геологоразведочных организаций Северо-Востока России.
В статье приведены гипотетические рекомендации по поиску и разработке новых высокотехнологических способов разведки россыпных месторождений алмазов, путем совершенствования существующей техники и технологии введения буровых работ в народном хозяйстве страны, которые могли бы быть основой создания и внедрения принципиально новых способов разведочных работ.
Ключевые слова: бурение скважин, криолитозона, проходка шурфов, шурфо-скважины, буровая установка, келли-штанга, кластерные пневмоударники
Концепция разработки высокотехнологических способов рационального природопользования нашей страны является приоритетным направлением. Ведь стратегически важными составляющими экономики Российской Федерации остаются полезные ископаемые. Применяемая технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых на пороге современного века устаревает и требует интенсивного технического прогресса по поиску и разработке новых способов бурения геологоразведочных скважин. Совершенство конструкций буровых инструментов, станков и технологий, которые позволят оптимизировать технико-экономические показатели производства, являются главной задачей всех геологоразведочных и строительных организаций нашей страны.
Одним из основных способов поисков и разведки россыпных месторождений (алмазов, золота, олова и др.) в арктической зоне Северо-Востока страны с мощной толщей многолетней мерзлоты является проходка разведочных шурфов разной глубины и сечения.
Шурф - вертикальная (реже наклонная) горная выработка, проведённая с поверхности земли для поиска и разведки полезных ископаемых с доступом в нее людей [1, с.156].
Россыпные месторождения зоны многолетней мерзлоты имеют существенные отличия от аналогов, расположенных в районах с умеренным климатом и положительной температурой пород, которые предопределяют особые требования к выбору техники и технологии геологоразведочных работ. Специфика их обусловлена комплексным взаимодействием и влиянием горно-геологических, горнотехнических, мерзлотных и климатических факторов. Горно-геологические особенности характеризуются сложным рельефом местности, относительно небольшой глубиной и высокой изменчивостью залегания полезного ископаемого, малой мощностью продуктивного пласта, низким уровнем геологической изученности района и т.д. Весьма жесткими являются климатические условия региона, в котором мощность распространения многолетней мерзлоты составляет порядка 250-400 м., а сезонное колебание температуры воздуха достигает до 90 °С (-60 °С до +30 °С) [2, с.85].
В настоящее время в Республике Саха (Якутия) значительные объемы разведки и разработки россыпных месторождений алмазов выполняет ОАО «Алмазы Анабара». Разведочные работы основаны на устаревшей технологии шурфопроходческих работ и осуществляются в основном дорогостоящим, малопроизводительным и небезопасным буровзрывным способом, которые ведутся только в зимнее время года в выработках глубиной до 15-20 м., с большой долей ручного труда, что обуславливает трудоемкость и определенную опасность всего процесса.
Международный научный журнал «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА»_ISSN 2410-6070_№ 4/2015
Шурфопроходческое звено, как при ручном, так и при механическом подъеме пробы из выработки состоит из трех человек. Цикл начинается с уборки породы в выработке и заканчивается взрыванием шпуровых зарядов определенного интервала. Средняя циклограмма проходки одного шурфа приведена на рис. 1.
Операции Время Время смены
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Бурение 2 ч.
Заряжение и взрывание 30 мин L
Проветривание 30 мин Ш
Уборка 6 ч.
Крепление 2 ч
Вспомогательные работы 30 мин L
Общее время 11 часов 30 мин J
Рисунок 1 - Средняя циклограмма проходки шурфа взрывным способом.
Из циклограммы (рис.1,) видно, что проходка разведочных шурфов осуществляется с большим объемом ручного труда, при этом половина рабочего времени уходит на уборку горной массы из выработки. При использовании же крана для подъема бадьи дополнительное время расходуется на монтаж и демонтаж оборудования.
В условиях рассредоточенности объектов на значительной территории, сезонности ведения горных работ, низкого уровня механизации тяжелых и трудоемких процессов, недостаточного уровня обеспечения горной техникой, высокой стоимости шурфопроходческих работ необходим поиск принципиально новых методов и технических средств разведки россыпных месторождений. В этой связи одним из инновационным подходом по совершенствованию существующей техники и технологии шурфопроходческих работ является буровой способ, а именно вращательное бурение скважин больших диаметров, которое позволит полностью механизировать труд и в разы удешевить производственный цикл, а также обеспечить безопасность рабочих.
Буровая скважина - вертикальная, наклонная или горизонтальная горная выработка преимущественно круглого сечения (диаметр 59-1000 мм. и более), образуемая в результате бурения, без доступа человека к забою. В основном скважины используются при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых, а также для решения инженерных задач в различных видах строительных работ [1, с.136].
Шурфо-скважина - это вертикальная (редко наклонная) круглой формы поперечного сечения горная выработка, пройденная бурением и имеющая выход на земную поверхность. Диаметр шурфо-скважин может быть от 500 мм. до 1000 мм. и более, а глубина от нескольких метров до нескольких десятков метров. Основное назначение шурфо-скважины, это отбор достоверных и представительных проб при разведке месторождений полезных ископаемых [1, с.156].
Одной из самых сложных задач, которую приходится решать при проходке разведочных шурфов, это преодоление пластов валунов и крупной гальки. Так как, при сооружении шурфов и скважин большого диаметра в валунно-галечниковых отложениях характерны специфические осложнения. Если проходка по пластам мелкой гальки может быть осуществлена с использованием шнеков с достаточно большим шагом, то появление валунов может существенно замедлить или даже сделать невозможным сооружение выработки. Проблему можно решить при конструировании особого, приспособленного для таких условий породоразрушающего инструмента либо посредством увеличения мощности двигателя и крутящего момента до таких значений, когда станет возможным задавливание валуна в стенки шурфа, или до полного его разрушения.
Современные буровые установки, применяемые в строительной индустрии, характеризуются высокой производительностью, что полностью удовлетворяет необходимым требованиям при бурении скважин большого диаметра и позволило бы заменить устаревшую технологию проходки шурфов.
175
Но как показывает практика геологоразведочных работ в арктической зоне Северо-Востока страны, не все буровые установки и инструменты, могут быть основой инновационного подхода к совершенствованию техники и технологии бурения шурфо-скважин при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых в условиях криолитозоны.
При этом, необходимо учитывать то что получение достоверных данных конкретного месторождения в значительной степени зависит от количества и состояния извлекаемых при бурении проб (валовое или технологическое опробование), а также от точности определения границ пластов пород и залежей полезных ископаемых и их мощности [3, с.5].
Для совершенствования технологических параметров, таких как - нагрузка на долото (Р), частота вращения инструмента (п), проходка за рейс (Ьр) и спуско-подъемные операции, рекомендуется применение в геологоразведке современной строительной буровой установки с использованием нового способа -технологии келли-штанги (рис 2.).
Келли технология это, 2 или 3 многозвенные келли-штанги, состоящие из одной внешней штанги. Процесс работы заключается в следующем: вращающий момент и усилие подачи передаются от внешней штанги на внутренние штанги. Диаметр и глубина бурения скважины зависят от развиваемого вращателем крутящего момента, длины используемой келли трубы и высоты мачты буровой установки [4, с.56].
При использовании келли-технологии, благодаря плавным переходам внутренних штанг ко внешним, исключается возможность потери выбуренной породы с бурового снаряда при подъемных операциях, тогда как в обычных буровых установках разъединения буровых штанг сопровождаются ударами, вызывающими высыпание разрушенной породы из бурового снаряда и снижение качества отбираемой пробы.
Амортизатор
Рисунок 2 - Конструкция келли-штанги.
При бурении разведочных скважин большого диаметра в условиях мерзлых пород на разведке россыпных месторождений полезных ископаемых, где основной целью и задачей является качественный отбор пробы, эффективным способом транспортирования разрушенной породы является механическое удаление шлама с помощью винтового транспортера (шнека) выполняющего одновременно функцию бурильной колонны [5, с.444].
В процессе бурения шнековый рабочий орган совершает вращательно-поступательное движение и разрушенная порода, отделенная долотом, попадает на спираль шнека и начинает вращаться вместе с ним (рис.3). За счет вращательного движения на разрушенную породу действует центробежная сила, отбрасывающая ее от центра вращения шнека к стенкам скважины.
Рисунок 3 - Шнековое бурение скважин Наиболее перспективными являются следующие современные техники строительной индустрии: Предлагаемые компанией ООО «ДрилТулс» фгШТооф специализирующей на поставке бурового инструмента для строительных и горнодобывающих компаний нашей страны пневмоударники большого диаметра и кластеры предназначенные для бурения скважин под сваи, скважин под опоры электропередач, скважин технического назначения диаметром 250 -1500 мм по породам высокой крепости, которые трудно бурить традиционным вращательным способом. По крепким породам скорость бурения пневмоударника значительно превышает скорость бурения вращательным способом, что позволяет увеличивать норму выработки бурового станка и уменьшать общие затраты на бурение.
Кластерные пневмоударники рис.4, представляют собой стальной цилиндрический корпус с несколькими, установленными внутри погружными пневмоударниками с долотом 251 мм. Пневмоударники установлены в барабане таким образом, чтобы каждый из них описывал свою траекторию, обеспечивающую бурение полным забоем. Кластерные пневмоударники (или низкопрофильные буры) используются для бурения скважин диаметром от 380 до 2500 мм по крепким породам и применяются в строительстве и в горном деле для бурения кессонов, разведочных скважин, стен в грунте, колодцев под сваи и т.д.
Рисунок 4 - Кластерные пневмоударные системы.
Кластерные пневмоударники с корзиной для сбора шлама рис.5. предназначены специально для высокотехнологичных строительных буровых установок с Келли технологией.
Рисунок 5 - Кластерные пневмоударники с корзиной для сбора шлама
Такая технология является экономически выгодным с точки зрения капитальных затрат и обслуживания по следующим причинам:
- ускоряются спуско-подъемные операции;
- Нет необходимости замены штанги Келли на полую буровую штангу. Кластерный пневмоударник устанавливается на штангу Келли, а воздух подаётся через РВД пущенный параллельно;
- Не требуется вертлюг т.к. нет непрерывного вращения бурового става.
- Не требуется демпферный переходник благодаря низкой вибрации кластера.
Наиболее эффективным способом внедрения вращательное бурового способа при разведке россыпных месторождений является комбинированный способ бурения с шнековым транспортированием разрушенной породы.
В этой связи, предлагается шнековый пневмоударник рис.6, который позволяет значительно повысить производительность на бурение пород средней крепости и одновременно обеспечивает аккумулирование разрушенной породы.
Рисунок 6- Шнековые пневмоударники большого диаметра
Основными недостатками перечисленных способов является - высокая цена установок и бурильных инструментов, а также недостаточная мобильность в труднодоступных районах Севера, нет имеют возможности бурения без промывки и обсадных труб и самое важное осложняется и становится практически невозможным бурение в условиях многолетней мерзлоты.
178
Замена шурфопроходческих работ бурением шурфоскважин разработанным нами шнеко-колонковым буровым снарядом позволит значительно повысить производительность, получить большой экономический эффект, обеспечить безопасность и более комфортные условия рабочих. При этом, средний экономический эффект от замены проходки шурфов и ударно-канатного бурения бурением шурфоскважин при разведке россыпных месторождений в ОАО «Алмазы Анабара» составит около 5 млн. руб. на 1000 п.м.
Дальнейшие цели и задачи по усовершенствованию техники и технологии бурения шурфоскважин при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых в условиях криолитозоны, связанны с исследованиями температурного режима процесса бурения, транспортирования и отбора пробы из снаряда. Список использованной литературы:
1. Терминология недропользования. Под ред. А.П. Карпикова. - М.: изд. «Щит-М», - 2008. 160с.
2. Скрябин Р. М., Тимофеев Н.Г. Разработка бурового снаряда для бурения скважин большого диаметра (0500 мм. и более) на разведке россыпных месторождений Севера// Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова. - 2012. - Т. 9, №1. - С. 85-90.
3. Сулакшин С.С. Способы, средства и технология получения представительных образцов пород и полезных ископаемых при бурении геологоразведочных скважин/ Учебное пособие. -Томск, Изд-во НТЛ, 2006. - 230 с.
4. Грабчак В. Л. Обоснование оптимальных параметров процесса бурения геологоразведочных шурфов в моренных отложениях: дис... канд. техн. наук. - М., 2009. - 137 с.
5. Соловьев Н.В., Кривошеев В.В., Башкатов Д.Н. Бурение разведочных скважин. Под общей редакцией Н.В. Соловьева. -М.: Высш. Шк., 2007. -904с.
© Н.Г. Тимофеев, Б.В. Аргунов, В.Г. Тыкынаев, 2015
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 627.8.09(075)
Х.К. Ташматов
к.т.н., доцент Энергетический факультет Ташкентский государственный технический университет, г. Ташкент, Республика Узбекистан Д.А. Маматкулов ст. преп. Энергетический факультет Ташкентский государственный технический университет, г. Ташкент, Республика Узбекистан С.К. Шогучкаров Студент Энергетический факультет Ташкентский государственный технический университет, г. Ташкент, Республика Узбекистан
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В
НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Аннотация
В данной статье анализируются перспективности тепловых расходомеров и предлагается конструкция и основные достоинства разработанного бесконтактного теплового преобразователя расхода жидкости.
Ключевые слова
Нефтехимическая промышленность, тепловой преобразователь, расход, жидкость, бесконтактный, съемный, нагревательный элемент.
Анализ показывает, что по сравнению с системами управления другими отраслями народного хозяйства (машиностроение, горная, легкая и пищевая промышленности, энергетика и др.) наименее обеспечены первичными преобразователями расхода нефтеперерабатывающие и нефтехимические промышленности.
В последние годы широкое развития получили тепловые преобразователи расхода газов и жидкостей, отличающиеся простой и надежной конструкцией, возможностью получения электрического выходного сигнала и экономичностью в эксплуатации [1, с. 214]. Однако, серийно выпускаемые тепловые расходомеры предназначены в основном для газов. Так в России производятся расходомеры типов ТТМ-2, ДРГ и ИРГ; за рубежом фирмы Вгоокз (США), Setаram (Франция) и другие выпускают тепловые расходомеры (табл. 1).
Ниже приводится описание наиболее распространенных в практике схем, а также тех методов и средств измерения, развитие которых, по нашему мнению, наиболее перспективно в ближайшие годы [3, с. 81].
Принцип действия тепловых расходомеров основан на нагреве потока вещества и измерении разности температур до и после нагревателя (калориметрические расходомеры) или на измерении температуры нагретого тела, помещенного в поток (термоанемометрические расходомеры).
При измерении расхода сред (вязких, агрессивных, дающих отложения и т.п.), когда нежелательно вводить в поток какие-либо элементы преобразователя, целесообразно использовать тепловые преобразователи с вспомогательным теплоносителем (хладагентом) [4, с. 35]. Конструкции тепловых преобразователей с вспомогательным теплоносителем, например водой, применялись для измерения расхода пульпы, шламы горячего гидрогенизата и других сред. В этих расходомерах вспомогательный поток воды протекает в межтрубном пространстве теплообменника (труба в трубе), а в основном трубопроводе движется поток измеряемой среды, о расходе которой судят по разности температур воды и среды, до и после теплообменника.
При измерении расхода высокотемпературных газов и жидкостей эффективными являются тепловые преобразователи со стабилизацией теплопотерь в окружающую среду [7, с. 78]. В этих преобразователях имеется вспомогательный нагревательный элемент (НЭ), который охватывает основной НЭ с наружной поверхности и автоматически с помощью специальной регулирующей схемы стабилизирует теплопотери в окружающую среду. Благодаря схемы стабилизации теплопотерь существенно увеличивается точность измерения.
Среди новых типов тепловых преобразователей расхода существенный интерес вызывают преобразователи, у которых ввод тепловой энергии в поток осуществляется практически безинерционно с помощью источников ИК или СВЧ излучения [2, с. 321]. В этих преобразователях успешно реализуется меточный метод измерения расхода. При этом информативными параметрами могут быть скорость переноса тепловой метки потоком, температура тепловой метки, зависящая от расхода, или темп охлаждения тепловой
180
