CC BY
73
© Н.А. Дзоз, Ю.А. Жулай, 2008
УДК 622.233.7:532.528:534-14 Н.А. Дзоз, Ю.А. Жулай
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ БУРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ
Семинар № 21
На основании экспериментальных исследований обоснована возможность создания гидродинамического бурового снаряда, интенсифицирующего процесс бурения и сокращающего удельные энергозатраты при сооружении скважин.
Бурение геологоразведочных и эксплуатационных скважин в крепких и сверхкрепких породах требует больших материальных и энергетических затрат. Особенно остро эта проблема встала перед руководителями хозяйствующих субъектов в условиях роста цен на энергоносители и приближения их к мировым. В связи с этим реализация энергосберегающих интенсивных технологий в производстве, в том числе и в горнодобывающей отрасли, является актуальной задачей.
Практическое использование гидродинамической кавитации для получения позитивных результатов по интенсификации технологических процессов в машиностроении, металлургии и химической отрасли позволило снизить удельное энергопотребление И на 50 % [1].
Решение этих задач связано с получением дискретно-импульсной энергии большой мощности в потоке жидкости при помощи кавитационного генератора, создающего высокоамплитудные колебания в диапазоне звуковых частот. Это достигается
только за счет соответствующей геометрии специального гидравлического канала [2], без использования каких-либо движущихся частей и дополнительных источников энергии.
Известно, что наложение вибронагрузки на породоразрушающий инструмент при бурении скважин в твердых горных породах приводит к повышению технико-экономических показателей бурения: роста механической скорости, стойкости бурового инструмента и снижению удельных энергозатрат [3].
Одним из эффективных способов бурения скважин является использование гидроударных машин. Однако технические средства для его осуществления обладают рядом недостатков, главным из которых является сложность эксплуатации машин, связанная с наличием движущихся деталей и пружин, резиновых манжет, изнашивающихся в процессе эксплуатации, в связи с чем, межсмотровой период не превышает 25 часов. Негативным моментом в этом случае является не только неудобство и трудоемкость работ, но и большая зависимость эффективности бурения от точности регулировки движущихся деталей.
Одним из перспективных направлений, позволяющих исключить эти недостатки, является создание высокоамплитудных гидродинамических
а)
б)
тм
волн в трубопроводе за кавитационным генератором [4] и преобразование их в механическое вибронагружение породоразрушающего инструмента [5].
На рис. 1 приведены схемы гидродинамических буровых снарядов для кернового (а) и бескернового бурения
Рис. 1. Принципиальная схема гидродинамического бурового снаряда (а - бурение с отбором керна; б -бескерновое бурение): 1 -буровая колонна; 2 - кавитационный генератор колебания давления жидкости; 3 - породоразрушающий инструмент; 4
- скважина
(б). Они представляют собой кавита-ционный генератор 2 специального профиля, вмонтированный в буровую колонну 1 с породоразрушающим инструментом 3. Кавитационный генератор, используя энергию промывочной жидкости, подаваемой в скважину 4, преобразует стационарный поток в дискретноимпульсный и создает высокочастотные продольные виброускорения на породоразрушающем инструменте.
Указанные буровые снаряды с кавитационным генератором (БСКГ) прошли полный комплекс экспериментальных исследований на гидравлических и буровых стендах [6], а также в условиях сооружения гидрогеологических [7] и геологоразведочных скважин [8].
На рис. 2 приведена копия участка осциллограммы с записью в реальном режиме времени параметров экспериментального образца БСКГ при
Рис. 2. Копия осциллограммы записи параметров при испытаниях экспериментального образца гидравлического бурового снаряда на гидравлическом стенде, Р1 и 10 МПа, Р2/Р1 и 0,123
1
2
п
£
0 0,2 0,4 0,6
его испытаниях на гидравлическом стенде. К этим параметрам (см. рис. 2) относятся Рі и Р2 - давления на входе в кавитационный генератор и в трубопроводе за ним, П22 и ш3 -
виброускорения в сечениях до и после кавитационного генератора и на корпусе имитатора породоразрушающего инструмента.
Обработка результатов испытаний позволила получить зависимости (см. рис. 3) размаха кавитационных колебаний давления жидкости в трубопроводе за кавитационным генератором ДР2 = Р2тах - Р2ш1п (кривые 1), их частоты Ї (линии 2) и величин виброускорений (кривые 3) на корпусе снаряда, от соотношения средних значений давлений в трубопроводе за генератором Р2 и питания Р1.
Анализ зависимостей ДР2 = !(Р2/Р1) и Ї = !(Р2/Р1), а также характер кривой колебаний Р2 (рис.2) не оставляет сомнений в том, что в трубопроводе БСКГ (за сечением входа в генератор) реализуется режим периодически-срывной кавитации с частотами в диапазоне 70 - 5000 Гц с максимальным размахом колебаний давления жидкости ДР2 до 2,7 Р1.
Рис. 3. Зависимости размаха кавитационных колебаний давления жидкости АР2 (1), их частоты / (2) и вибронагрузки на породоразрушающий инструмент пг3 (3) от соотношения средних значений давления Р2/Р1 для давлений питания Р1 = 5 МПа (сплошная линия) и Р1 = 10 МПа (пунктир)
Максимальные значения виброускорений на корпусе имитатора породоразрушающего инструмента составили 1600 д (при Р1 « 5 МПа) и 2700 д (при Р1 « 10 МПа). То есть, повышение давления подачи промывочной жидкости приводит к росту значений виброускорений на породоразрушающем инструменте и их частоты. В то же время установлено и подтверждено в работе [9], что увеличение расхода рабочего агента (при одном и том же давлении питания) приводит к прямопропорциональному росту вибронагрузки на породоразрушающем инструменте, что является важным при бурении глубоких скважин большого диаметра, где ограничения по расходу рабочего агента снижается.
Работы на буровых стендах СВУБ и в промышленных условиях выполнялись совместно с СКТБ ИТМ НАН Украины и СКБ НПО «Геотехника» и проводились в Подольском отделении СКБ и ПГО «Степьгеология» (Ма-кинск, Северный Казахстан) [6].
При этом оценивались: приложение осевой нагрузки к породоразрушающему инструменту и влияние конструктивных параметров бурового снаряда и места отвода жидкости на уровень виброперегрузки, скорость бурения гранита буровым снарядом.
Пз,
е
1200 800 600
0 400 800 1200 1600
Сравнительный анализ рабочих процессов гидроударных машин и БСКГ, использующего высокочастотные кавитационные колебания жидкости в качестве источника динамического воздействия, показал следующее: уровни амплитуд колебаний давления в рабочей камере гидроударной машины и в зоне схлопывания кавитационного пузыря достаточно близки и находятся в зависимости от конструктивных и технологических параметров в пределах 4-10,0 МПа и более. Частота возбуждения колебаний давления в БСКГ значительно выше, чем частота ударов гидроударника и составляет 70-5000 Гц (в гидроударнике - до 60-100 Гц). При этом БСКГ не имеет подвижных деталей и его ресурс составляет 2000 часов (гидроударника - 400 часов), а межремонтный период 1000 часов (гидроударника - 20-25 часов).
Бурение на стендах показало, что применение БСКГ позволило обеспечить рост механической скорости бурения на 30^50 %, износ породоразрушающего инструмента на 15^20 % и снижение энергозатрат на 15^30 % по сравнению с традиционным способом бурения и при использовании гидроударников [6].
Следует отметить удовлетворительное согласование рабочих пара-
Рис. 4. Зависимость виброускорений на породоразрушающем инструменте от частоты при отводе промывочной жидкости через породоразрушающий инструмент
метров БСКГ, полученных при испытаниях на гидрав-£ Гц лическом стенде (рис. 3) и на буровых стендах (рис. 4). Так максимальные значения виброускорений, полученные при испытаниях на стендах СВУБ и на гидравлическом при давлениях питания Р1 = 51 МПа, достигают величин « 16000 м/с2.
Эффективность бурения с наложением вибронагрузки на породоразрушающий инструмент подтверждена при сооружении гидрогеологических скважин большого диаметра
[7] (район Подольска, Московской области).
Геологический разрез скважин, на которых проводились исследования, представлен четвертичными отложениями до глубины 10-10,5 м и далее до глубины 60 м известняками и доломитами (в верхней части выветренными) У-УП категории по буримости с прослоями кремнистых и доломити-зированных известняков мощностью не более 0,5 м каждое 1Х-Х категорий.
Испытания проводились при бурении скважин гидродинамическим способом и для сопоставления данных — в аналогичных геологотехнических условиях роторным способом.
Результаты сравнительного анализа бурения гидрогеологической скважины диаметром 190 мм показали, что при работе БСКГ средний рост механической скорости бурения достигает 71,5 % по сравнению со ско-
ростью бурения роторным способом. При этом произошло снижение износа породоразрушающего инструмента и энергозатрат до 30 %.
На основе разработанной математической модели процесса гидродинамического воздействия жидкости на систему «БСКГ - горная порода» [10] и физического моделирования процесса бурения были созданы гидродинамические буровые снаряды нового типа для бурения геологоразведочных скважин со следующими техническими характеристиками:
- наружный диаметр, мм - 57;
- длина, мм - 400;
- диаметр критического сечения
генератора, мм - 4;
- давление питания генератора,
МПа - 2,0 - 5,0;
- расход рабочей жидкости, л/мин
- 19,0-170.
Испытания буровых снарядов типа БС КГ-76 выполнялись в условиях ПГО "Степьгеология" (Кокчетавская область и район Астаны). Бурение геологоразведочных скважин осуществлялась с помощью буровой установки, включающей буровой станок СКБ-5, насос АНБ-22 с трехступенчатым понижающим редуктором, вышку ВРМ - 24/30 и механизм разворота РТ-1200. Также применялись бурильные трубы диаметром 50мм ниппельного соединения и алмазные коронки типов 02И3, А4ДП.
В качестве рабочего агента использовались вода, эмульсионные растворы: трехпроцентный сульфанол и трехпроцентный эмульсол-ленол -32. Испытания проводились в интервале глубин 70-530 м по гранитам IX-XI категорий по буримости. При этом осуществлялся контроль режимных параметров бурового снаряда: усилие подачи, расход и давление жидкости, затраты мощности на вращение, скорость бурения.
Параметры режимов бурения скважин по осевой нагрузки и частоте вращения бурового инструмента сохранялись идентичными при ударновращательном и гидродинамическом способах. Сравнительный анализ способов бурения производился по следующим показателям: механической скорости бурения, ресурсу работы породоразрушающего инструмента и потребляемой мощности.
Данные испытаний показали, что по сравнению с гидроударником Г76ВО гидродинамический буровой снаряд, оснащенный коронкой 02ИЗ, обеспечивал рост механической скорости бурения на 15,8 % и ресурса работы коронки на 13,2 %.
При использовании алмазных коронок типа А4ДП гидродинамический буровой снаряд БСКГ-76 рост механической скорости в среднем составил 26,7 %, а ресурс коронки по средним значениям 11,8 %.
Анализ затрат мощности на вращение бурового инструмента на всех режимах бурения показал, что при работе гидродинамического бурового снаряда БСКГ-76 происходит их снижение до 20 % (по сравнению с затратами мощности при работе гидроударника Г76ВО). Обеспечивается улучшение стабилизации и устойчивости функционирования буровой колонны и породоразрушающего инструмента.
Сравнительный анализ надежности работы гидродинамического бурового снаряда БСКГ и гидроударника Г76ВО показал следующее. За период испытаний было отмечено 4 отказа гидроударника и произведено 10 его сборок-разборок для регулировки и замены манжет в цилиндре, уплотнительных колец в шлицевом разъеме, насадок и поршней в бойке.
В то же время, за весь период испытаний не произошло ни одного от-
каза в работе гидродинамического бурового снаряда БСКГ-76. Осмотром и замером основных размеров деталей БСКГ установлено отсутствие их износа. Это свидетельствует о том, что ресурс работы гидродинамического бурового снаряда значительно превышает ресурс работы гидроударника.
БСКГ отличается повышенной надежностью и простотой обслуживания вследствие отсутствия подвижных деталей, необходимости регулировок и сборок-разборок с заменой деталей. Он не требует дополнительных источников энергии, кроме энергии промывочного раствора.
С применением гидродинамических буровых снарядов типа БСКГ и гидроударников пробурена скважина глубиной 522,5 м и до этой глубины подтверждена работоспособность буровых снарядов БСКГ.
Кроме того, применение кавитационных генераторов для интенсификации процесса бурения позволяет решить задачи, связанные с расколь-матацией и инициированием водяных и нефтяных скважин, созданием высокодисперсных буровых растворов, а также повысить эффективность гидрорыхления угольного массива. Работы, выполненные по раскольма-тации водяных скважин в районах Макинска, Подмосковья и Рязани, показали их высокую эффективность. Дебит скважин увеличился до 200 %.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования позволяют создать вибрационный буровой снаряд с кавитационным генератором колебаний давления жидкости, обеспечивающим виброускорения на породоразрушающем инструменте до 16000 м/с2 при давлении промывочной жидкости 50 МПа. Рост давления питания и расхода рабочего агента приводят к
увеличению виброускорений на породоразрушающем инструменте. Это повышает эффективность гидродинамического бурового снаряда при сооружении скважин большого диаметра. Он обладает рядом преимуществ перед другими известными вибрационными средствами такими как:
- простота изготовления, отсутствие подвижных частей, длительность ресурса, исключение передачи колебаний жидкости на насос, что увеличивает ресурс его работы;
- конструкция бурового снаряда органично вписывается в технологию вращательного бурения, не требует доработки оборудования и позволяет интенсифицировать процессы бурения при более низких удельных энергозатратах по сравнению с традиционными технологиями бурения;
- в технологических процессах бурения скважин в средней крепости и крепких породах использование гидродинамических буровых снарядов, работающих в режиме периодически-срывной кавитации с частотой колебаний давления жидкости свыше 70 Гц, обеспечивает рост механической скорости бурения гидрогеологических скважин диаметром 190 мм на 70 % при снижении энергозатрат на 25-30 % и износа породоразрушающего инструмента на 15-20 % по сравнению с традиционным вращательным способом бурения;
- при бурении геологоразведочных скважин диаметром 57 мм гидродинамический буровой снаряд по сравнению с гидроударником обеспечил рост механической скорости на 15-27 %, ресурс коронки на 11-13 %, снижение удельных энергозатрат до 20%;
- при всех испытаниях БСКГ обеспечивал улучшение стабилизации и устойчивости функционирования буровой колонны и породоразрушающего инструмента.
Накопленный авторами работы опыт по разработке и применению гидроимпульсной техники позволяет создать новые технические средства для энергосбережения и интенсифи-
1. Жулай Ю.А., Ворошилов А.С. Гидродинамическая кавитация в энергосберегающих технологиях. ЬХУ1 Междунар. науч-но-практ. конфер.: Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта. Тез. докладов, ДНУЖТ. - Днепропетровск, 2006. - С. 117-118.
2. А.с. 1232296 СССР, МКИ4 В 06 В 1/18. Генератор колебаний давления жидкости. В.В.Пилипенко, В.А. Задонцев, А.К. Манько, Н.А. Дзоз, Ю.А. Жулай. - Опубл. 22.01.86.
3. Меламед Ю.А. Гидроимпульсная технология: большие возможности и широкий спектр применения. Журнал: Разведка и охрана недр. № 6. - М: Недра, 1993. -С.17-19.
4. Пилипенко В. В. Кавитационные автоколебания. - К.: Наукова думка, 1989.
- 316 с.
5. А.с. 1496351 СССР, МКИ4 Е 21 В 10/18. Способ бурения скважин и устройство для его осуществления. В.В.Пилипенко, Н.М.Гавриленко, В. А. Задонцев, А.К. Манько, А.Н. Давиденко, Н.А. Дзоз, А.И. Шепель, С.Я. Сокогуб, А.Т. Киселев, Ю.А. Меламед. - Опубл. 22.03.89.
6. Дзоз НА., Жулай Ю.А., Заполь-ский Л.Г. Экспериментальная оценка влияния конструктивных параметров бурового снаряда с кавитационным генератором колебаний жидкости на уровень вибронагруз-
кации технологических процессов горнодобывающей отрасли, оказать помощь по обучению методов их использования в технологических процессах бурения и т.д.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ки на породоразрушающем инструменте / Матер. межд. конф. «Форум горняков-2005», т.2. - Дн-вск, НГУ, 2005. - С.93-102.
7. Дзоз Н.А., Жулай Ю.А. Оценка эффективности бурения гидрогеологических скважин с наложением вибронагрузки на породоразрушающий инструмент. / Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Матер. XVI Межд. науч. школы. - Симф-ль, Таврич. нац. ин-тут, 2006. - С.86-93.
8. Дзоз Н.А., Жулай Ю.А. Оценка эффективности гидродинамического бурового снаряда в промышленных условиях при сооружении скважин / Труды междунар. научн.-практ. конф. «Маркшейдерия Казахстана: состояние и перспективы». - Алматы, 2006. - С.313-319.
9. Пилипенко В. В., Манько И. К., Долгополов С.И., Николаев А.Д. Влияние расхода жидкости на параметры продольных виброускорений высокочастотного кавитационного гидровибратора / Научный вестник НГУ. - 2006, № 2. - С.36-39.
10. Дзоз Н.А., Котелина Ё.П., Науменко НЕ., Филиппюк С.И. Продольное движение неоднородного стержня при кратковременных возмущениях. - Сб. науч. трудов «Динамика и управление движением механических систем». - Киев, Наукова думка, 1992. - С.8-17. ЕШ
— Коротко об авторах------------------------------------------------------------------
Дзоз Н.А. - доктор технических наук, ЕНПК «НіАКолор»,
Жулай Ю.А. - кандидат технических наук, ИТСТ НАН Украины,
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 21 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Л.И. Кантович.
