CC BY
56
УДК 621.23.05
КРИТЕРИИ ВЫБОРА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПОГРУЖНОГО ПНЕВМОУДАРНОГО МЕХАНИЗМА ПРИ НАПРАВЛЕННОМ БУРЕНИИ СКВАЖИН
Борис Борисович Данилов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)217-01-33, e-mail: bbdanilov@mail.ru
Данила Александрович Воротников
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)217-09-96, e-mail: vdanila@yandex.ru.
Рассматриваются особенности работы погружного пневмоударного механизма в процессе бурения наклонных и горизонтальных скважин. Основное внимание уделено анализу влияния работы пневмотранспортной системы на динамику рабочего цикла бесклапанных пневмоударных механизмов с одной и двумя управляемыми камерами.
Ключевые слова: скважина, давление, выхлопной тракт, пневмотранспорт, энергия ударного импульса.
SELECTION CRITERIA FOR BASIC DIAGRAM OF DOWNHOLE AIR-PERCUSSION MACHINE IN DIRECTIONAL HOLE DRILLING
Boris B. Danilov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Laboratory for Underground Construction Geotechnics and Geotechnology, tel. (383)217-01-33, e-mail: bbdanilov@mail.ru
Danila A. Vorotnikov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Laboratory for Underground Construction Geotechnics and Geotechnology, tel. (383)217-09-96, e-mail: vdanila@yandex.ru
In focus is the operation of a downhole air-percussion machine in inclined and horizontal drilling. The main attention is given to the analysis of the influence exerted by the air transport channel on the dynamics of the duty cycle of valveless air-percussion machines with one and two controllable chambers.
Key words: hole, pressure, exhaust line, air transport channel, impact impulse energy.
Проходка протяженных скважин - важнейшая составляющая технологий разработки месторождений полезных ископаемых как подземным, так и открытым способами. Она широко используется в технологиях сооружения подземных коммуникационных объектов и сооружений без вскрытия породного массива и т.п. Наиболее универсальным методом проходки скважин является бурение. В последние десятилетия
ускоренное развитие получили технологии направленного бурения, позволяющие прокладывать вертикальные, горизонтальные и наклонные скважины по заданной траектории с выходом в нужную область подземного пространства.
Эффективным способом повышения производительности и расширения диапазона технических возможностей бурового процесса является использование динамического ударного и ударно-вращательного -разрушающего воздействия на породный массив. Наилучшие результаты при этом достигаются при использовании погружных ударных машин. Расположение источника рабочих усилий непосредственно в забойной зоне позволяет максимально повысить эффективность их действия за счет устранения потерь энергии в передаточных звеньях. Не случайно такое направление развития буровой технологии и оборудования наблюдается у ведущих зарубежных кампаний. В микротоннельных комплексах крупнейшего мирового производителя проходческого оборудования "НЕККЕКККЕСНТ" вращательный силовой привод инструмента и механизмы изменения траектории, чаще всего, располагаются в передней части устройства непосредственно возле породоразрушающего инструмента [1,2] (рис. 1).
Рис. 1. Проходческие установки с гидротранспортом грунта (НеггепкпесЫ:):
1 - режущий орган, 2 - доступ к режущему органу, 3 - цилиндр управления, 4 - лазерная мишень, 5 - привод рабочего органа, 6 - питающая магистраль, 7 - транспортная магистраль, 8 - силовой агрегат
Технология бурения включает в себя два основных процесса -разрушение породной массы и удаление ее из скважины. Применение погружных пневмоударных машин позволяет использовать отработанный ими воздух для транспортирования разрушенной породы.
В ИГД СО РАН разработана технология «сухого» горизонтального бурения, в которой используется пневматическое транспортирование разрушенной породы по вращающемуся трубопроводу. За счет этого повышается эффективность и надежность работы пневмотранспортной системы, что является особенно актуальным при бурении горизонтальных и полого наклонных скважин. Необходимость такого решения вытекает из
физической сущности процесса транспортирования посредством воздушного потока.
С помощью воздуха по трубам транспортируют в основном сыпучие мелкозернистые (зерно, гранулированные удобрения, шлак) и пылевидные грузы (цемент, мука, сажа, сода, порошки металлов и др.). Продукт бурения транспортировать значительно сложнее, так как размеры, форма и масса породных частиц могут изменяться в широких пределах. Кроме того, прокладка скважин часто осуществляется в грунтах с повышенной влажностью. Влажный грунт не обладает свойством сыпучести, а его частицы при механическом контакте слипаются в единую массу. По мере повышения влажности эти свойства, как правило, усиливаются. Транспортирование влажной грунтовой массы по вращающемуся трубопроводу осуществляется порциями определенной величины. Поступающий грунт накапливается в начале трубопровода, пока не заполняет все его сечение, образуя пластичный грунтовый поршень. Вращение трубопровода при этом является важным фактором, способствующим формированию поршня. Далее грунтовый поршень движется внутри трубопровода под действием давления воздуха.
Такое транспортирование имеет иную физическую природу, по сравнению с традиционным принципом транспортирования сыпучих материалов. При порционном транспортировании сыпучесть материала и его влажность в слабой мере влияют на эффективность процесса, что делает такую технологию универсальной и позволяет использовать ее в технологическом процессе горизонтального бурения (рис. 2).
Рис. 2. Начальная, средняя и конечная стадии выхода грунтового поршня из полости вращающегося трубопровода
Особенностью работы порционной пневмотранспортной системы являются значительные колебания давления в трубопроводе. Максимальное давление возникает в момент окончания формирования поршня и начала его движения. Величина давления определяется, в первую очередь, размерами и массой грунтового поршня [3]. Поскольку пневмотранспортная магистраль служит выхлопным трактом для пневмоударной машины, то неизбежно затрудняется выхлоп отработанного воздуха из рабочих камер
пневмоударной машины, что влечет за собой ухудшение ее важных энергетических показателей, в том числе энергии и частоты ударных импульсов и расхода воздуха [4].
Величина потерь энергии и частоты ударов, а также уменьшения расхода воздуха зависит от конструктивных особенностей машины и в частности от типа воздухораспределительного механизма. Наиболее критичным для бурового процесса в целом является уменьшение расхода воздуха. Следствием уменьшения энергии удара при действии противодавления, безусловно, будет снижение скорости проходки. Но это одновременно является неким стабилизирующим фактором, так как приводит к уменьшению объема разрушенной породы, поступающей в транспортную систему. В результате произойдет уменьшение противодавления и улучшение динамических параметров рабочего цикла машины.
Уменьшение расхода воздуха приводит к падению скорости транспортирования разрушенной породной массы. Следовательно, повышается концентрация твердой фазы в потоке и увеличивается сопротивление транспортной системы, а, значит, и противодавление в выхлопном тракте машины. Таким образом, уменьшение расхода воздуха является более существенным дестабилизирующим фактором, по сравнению с уменьшением энергии и частоты ударных импульсов.
Характеристика, отражающая зависимость динамических параметров машины от величины противодавления в выхлопном тракте, служит одним из критериев выбора схемы воздухораспределения, поскольку характеризует надежность ее работы совместно с пневмотранспортной системой. Другим важным критерием выбора является надежность запуска машины. В процессе бурения происходят периодические остановки для наращивания буровой колонны, после чего бурение возобновляется. По мере увеличения длины буровой колонны проблема надежного запуска обычно обостряется.
В работах [4, 5] были проведены вычислительные эксперименты на математической модели, задача которых заключалась в определении динамических параметров бесклапанных пневмоударных механизмов в условиях, когда выхлоп воздуха из рабочих камер производится в среду с давлением выше атмосферного. На модели были проведены опыты при значениях р равных 0,214; 0,286; 0,357. Конструктивные и динамические
параметры механизма заданы в безразмерном виде [4]. За единицу давления принята абсолютная величина магистрального давления 0,7 МПа. Атмосферное давление в таком случае соответствует безразмерной величине 0,143. Результаты опытов отражены графически на рис. 3.
Как видно из графика, при увеличении противодавления в выхлопном тракте в два с половиной раза по сравнению с атмосферным давлением, ударная мощность механизма уменьшается в 1,7 раз, а расход воздуха уменьшается в 1,3 раза.
Аналогичным методом в работе [5] проведены исследования динамики пневмоударного механизма с одной управляемой камерой. Результаты
вычислительных опытов при различном значении противодавления в выхлопном тракте приведены в графическом виде на рис. 4.
N Р 0,300 -- 0,68
N
0,25 0,20 0,15
0,62 0,56 0,5
7,46 7337 7,28 7,19 7,1
0,145
0,214
Ра
0,285 0,357
Рис. 3. Зависимость динамических параметров пневмоударного механизма с двумя управляемыми камерами от противодавления в выхлопном тракте:
N - ударная мощность, С! - расход воздуха, Ь - время рабочего цикла
0,143 0,214 0,286 0,357 Ра
Рис. 4. Зависимость динамических параметров от величин противодавления для механизма с одной управляемой камерой:
N - ударная мощность, А - энергия удара, ^ - время рабочего цикла
Как видно из рис. 4 ударная мощность механизма с одной управляемой камерой, при увеличении противодавления в 2,5 раза, уменьшается более чем
в 2,6 раза. Полученные результаты математического моделирования подтверждаются данными экспериментальных исследований
пневмопробойника Ип 4603, приведенными в работе [6].
Таким образом, потеря мощности при увеличении противодавления в пневмоударном механизме с одной управляемой камерой происходит существенно интенсивнее, чем в механизме с двумя управляемыми камерами. Следует отметить, что частота ударов при этом уменьшается незначительно. Потеря ударной мощности происходит преимущественно за счет уменьшения энергии ударов.
Как было отмечено выше, при выборе принципиальной схемы машины необходимо учитывать факторы, определяющие надежность работы в специфических условиях горизонтального бурения. В бесклапанных пневмоударных механизмах, работающих в горизонтальном положении, ударник перед запуском может находиться в таком промежуточном положении, когда он перекрывает воздухораспределительные отверстия. Запуск механизма при этом существенно затрудняется. В таких случаях механизмы с одной управляемой камерой запускаются более надежно, поскольку имеют рабочую камеру, постоянно сообщенную с воздушной магистралью. За счет этого при подаче сжатого воздуха ударник перемещается в крайнее положение, независимо от исходного. По критерию надежности запуска механизмы с одной управляемой камерой являются предпочтительными.
Важным фактором, который необходимо учитывать при создании пнемоударного механизма, является расход воздуха. Следовательно, для полноты анализа необходимо проведение дополнительных исследований динамики рабочего цикла механизма с одной управляемой камерой. Кроме того, аналогичные исследования необходимо провести и для пневмоударных механизмов с одной управляемой камерой и эластичным клапаном, поскольку практический опыт показывает, что они надежно запускаются при большой длине питающей магистрали, при пониженном давлении, и прочих неблагоприятных условиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. B. Maidl, L. Schmid, W. Ritz, M. Herrenknecht. Hardrock Tunnel Boring Machines.
2. Сметные нормы и расценки на новые технологии в строительстве. Часть ГУ.Под общей редакцией Горячкина П.В.
3. Данилов Б.Б. Пути совершенствования технологий и технических средств для бестраншейной прокладки коммуникаций // ФТПРПИ. - 2007 - № 2. С. 69 - 75.
4. Данилов Б.Б. Теория и практика создания оборудования для бурения в грунте горизонтальных скважин с пневмотранспортом разрушенного материала по вращающемуся трубопроводу. Дис. докт. техн. наук / Новосибирск, 1997. - 249с.
5. Данилов Б.Б., Смоляницкий Б.Н., Мюнцер Е.Г. Некоторые результаты исследования противодавления в выхлопном тракте погружного геолого-разведочного пневмоударника на его энергетические параметры //ФТПРПИ - 1985. -№ 6.
6. Ткач Х. Б. О работе пневматического поршневого привода с выхлопом в среду с давлением большим атмосферного // ФТПРПИ. - 1996 - № 6. С. 63-71.
© Б. Б. Данилов, Д. А. Воротников, 2014
