CC BY
12
© C.B. Збинец, A.B. Гилёв, 2012
УДК 622.23.051.78
C.B. Збинец, A.B. Гилёв
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПНЕВМО-ЭЖЕКЦИОННОГО СПОСОБА УДАЛЕНИЯ БУРОВОГО ШЛАМА
Описаны лабораторные установки для исследования пневмо-эжекционного способа удаления бурового шлама. Также приведены сравнения различных способов очистки и выводы по результатам испытаний.
Ключевые слова: пневмо-эжекционный, буровой шлам, лабораторная установка, эжекция, инжекция, очистка, скважина, буровой став.
На кафедре «Горные машины и комплексы» ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» для визуализации и лабораторных испытаний пневмо-эжекционного способа удаления бурового шлама из скважины [1, 2, 3] созданы два исследовательских лабораторных стенда, Целью лабораторных испытаний было установление эффекта эжекции частиц бурового шлама с помощью разделенных струй сжатого воздуха и установление значений скорости его подъема в различных зонах скважины.
Стенды изготовлены с соблюдением геометрического и физического подобий системы «скважина — сжатый воздух — буровой шлам». В качестве параметров геометрического подобия взяты размеры скважины, буровой штанги и долота. В качестве параметров физического подобия приняты критерий Фруда (Рг я 20), число Рейнольдса (Иея1300) [4]. Постоянство критерия Фруда, определяющего зависимость между силой тяжести и инерционными силами, и числа Рейнольдса, как критерия подобия потоков, дает возможность применения лабораторных результа-
тов на натурных объектах [5]. Для вычисления критериев подобия были приняты значения, представленные в табл. 1.
В качестве бурового шлама применен измельченный пенопласт со средним размером частиц 12 мм, помещенный в имитатор скважины, выполненный из прозрачного материала для визуального наблюдения за движением частиц. Имитатор бурового става состоит из двух гладкоствольных труб, имеющих разные диаметры (большой диаметр соответствует гладкоствольной штанге, малый — шнековой штанге), соединенных между собой конфу-зорным (внизу) и диффузорным (вверху) участками. Внутри конфузорного участка имеется центральный продувочный канал для подъема шлама из забоя скважины, а на диффузорном участке выполнены четыре эжекцион-ных отверстия, расположенных под углом к вертикали 35°. В верхней части гладкоствольной штанги находится бункер для сбора шлама, закрытый сеткой, служащей для предотвращения выноса этого шлама за пределы имитатора скважины.
Первый стенд состоит (рис. 1) из имитатора скважины, в котором находится
Таблица 1
Параметры для определения критериев подобия
Параметр Натурный Лабораторный
объект стенд
(СБШ
250 МНА)
Средний диа- 3—4 10-12
метр частиц, мм
Плотность 1500 35
частиц, кг/м3
Расход возду- 32 2,5
ха, м3/мин
Давление, 600 115
кПа
имитатор бурового става, соединенный нагнетательным воздухопроводом с компрессором. В конструкции стенда не предусмотрены витки шнека и вращение бурового става.
Пневмо-эжекционный стенд работает следующим образом. Сжатый воздух компрессора поступает через нагнетательный трубопровод в верхнюю часть имитатора бурового става. Проходя по его внутреннему каналу, поток сжатого воздуха распределяется на два потока, первый из которых подается через эжекционные отверстия в затрубную зону, второй через проходной канал конфузорного участка — в призабойную зону.
В призабойной зоне второй поток сжатого воздуха смешивается со шламом и, образуя воздушно-шламовый поток, поднимается в шнековую зону и далее — в затрубную, где соединяется с первым воздушным потоком. Первый поток сжатого воздуха, выходя из эжекционных отверстий, создает эжекционный эффект. В результате этого в зоне эжекционных отверстий частицы шлама приобретают ускорение движения и поднимаются вверх со значительно большей скоростью, чем в шнековой зоне. В верхней части имитатора бурового става час-
тицы шлама оседают в цилиндрическом бункере.
Стенд используется для наглядной демонстрации принципа пневмо-эжекционной очистки буровых скважин и установления эффекта эжек-ции в затрубном пространстве конфу-зорного участка скважины.
Второй стенд, также как и первый, состоит из имитатора скважины (рис. 2), в котором находится имитатор бурового става. Он приводится во вращение от двигателя через ременную передачу. В нижней части имитатор соединен нагнетательным воздухопроводом с компрессором, а в верхней части — с цилиндрическим бункером для сбора частиц шлама.
Данный стенд позволяет провести комплекс лабораторных исследований. Исследования проведены в трех режимах работы:
1) Пневмо-эжекционная очистка от бурового шлама. Опыт проводится при включённом компрессоре и неподвижном шнеке.
2) Шнековая очистка. Опыт проводится при выключенном компрессоре и включённом шнеке.
3) Пневмо-эжекционная очистка от бурового шлама. Опыт проводится при включённых компрессоре и вращающемся шнеке.
Для проведения лабораторных исследований со стендом использовали видеокамеру высокого разрешения. На камеру записывали проведение эксперимента, после чего видеозапись преобразовывали в цифровое видеоизображение и производили раскадровку через каждые 35 мс. На кадре измеряли путь, проходимый определенной частицей бурового шлама за известный промежуток времени и по формуле:
1000Д5 . и =-, м/с.
Д:
Параметр
Значение
Высота стенда 1400 мм
Ширина стенда 600 мм
Диаметр скважины 200 мм
Диаметр долота 165 мм
Угол наклона эжекционных отвер- 35 градусов
стий к вертикали
Диаметр шнековой части 96 мм
Диаметр гладкоствольной части 136 мм
Тип компрессора АВ-1000
Мощность компрессора 1150 Вт
Производительность компрессора 150 м3/ч
Статическое давление 15 кПа
Рис. 1. Внешний вид и параметры стенда № 1 для исследования пневмо-эжекци-онного удаления бурового шлама из скважины
Параметр
Значение
Высота стенда 1520 мм
Ширина стенда 600 мм
Диаметр скважины 130 мм
Угол наклона эжекционных отвер- 35 градусов
стий к вертикали
Диаметр шнековой части 55 мм
Диаметр гладкоствольной части 78 мм
Тип привода МЭ-14А
Мощность привода шнека 15 Вт
Тип компрессора АВ-1000
Мощность компрессора 1150 Вт
Производительность компрессора 150 м3/ч
Статическое давление 15 кПа
Рис. 2. Внешний вид и параметры стенда № 2 для исследования пневмо-эжекци-онного удаления бурового шлама из скважины
V, м/с
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0А 0А5 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1.10
1 2 3 4
Рис. 3. График изменения скорости частицы бурового шлама при её перемещении в скважине: неподвижный шнек, компрессор включен: 1 — призабойная зона; 2 — шнековая зона; 3 — зона диффузора; 4 — зона гладкоствольного става
Рис. 4. График зависимости скорости частицы бурового шлама при ее перемещении в скважине: отключенный компрессор, подвижный шнек
Рис. 5. График зависимости скорости частицы бурового шлама при ее перемещении в скважине: подвижный шнек, компрессор включен
V, м/с
1
/ 1—- ^- г
ч
0. 05 а. 0. 5 0, 0. г5 о. о. ¡5 0, 0. 1,5 0. 2 0, 15 0 6 0 65 0 ? 0, 1Ъ О 8 0 3 85 0 9 П. 35 4 1, 05 1. 0 5
Рис. 6. График зависимости скорости частиц бурового шлама от расстояния до забоя при различных режимах работы: 1 — пневмо-эжекционный способ при вращающемся шнеке; 2 — пневмо-эжекционный способ при неподвижном шнеке; 3 — шнеко-вый способ
где Б — расстояние от «забоя» скважины лабораторного стенда, м; & — время между замерами, с At =35 мс.
Измерения производили по нескольким опытам в каждом из трех режимов работы.
По результатам измерений построены графики, представленные на рис. 3 — 5.
По графику (рис. 3) пневмо — эжекционной очистки с остановленным шнеком видно, что в призабой-ной зоне 1 скорость резко увеличивается и падает, что объясняется большой плотностью частиц бурового шлама. В средней части шнековой зоны 2 происходят колебания скорости частиц, после чего наблюдается устойчивый рост скорости движения частиц бурового шлама за счет эжек-ционного эффекта (до зоны диффузора 3) и уменьшения сечения затруб-ного пространства 4.
По графику (рис. 4) шнековой очистки видно, что данной скорости вращения шнека (около 1 рад/с) недостаточно для осуществления очистки скважины данным способом.
Для удобства анализа пневмо-эжекционной очистки при включенном шнеке, данные по каждому
из режимов усреднены и совмещены на графике (рис.6). Из графика видно, что при комбинации двух способов увеличивается начальная скорость частиц бурового шлама в призабойной зоне, что положительно сказывается на очистке бурового инструмента, причем скорость сохраняется на большем участке скважины, чем при неподвижном шнеке; на сопряжения двух зон — шнековой и диффузорной возникает провал скорости, что объясняется подпором воздуха из эжекцион-ных отверстий, однако при этом частицы получают большее ускорение чем при неподвижном шнеке и имеют большую конечную скорость. Средняя скорость движения частиц бурового шлама по скважине выше при пневмо-эжекционном удалении бурового шлама с включенным шнеком.
Соблюдение критериев подобия позволяет применить данные лабораторных исследований на натурных объектах.
Проведенные лабораторные исследования показали, что для дальнейших исследований необходима модернизация стенда:
• увеличение скорости вращения шнека и её регулировка;
• установка воздухораспределительного механизма;
• установка манометров;
• установка расходомеров.
Модернизированный стенд позволяет вывести математические за-
1. Пат. 2281378 Российская Федерация, МПК Е21В 10/44, 49/00. Способ эвакуации бурового шлама из скважины и устройство для его осуществления [Текст]/ Буткин В.Д., Гилев A.B., Чесноков В.Т., Нехорошев Д.Б [и др.]. — № 200413410/03; заявл. 27.10.04; опубл. 10.08.06, Бюл. №22.
2. Гилёв A.B., Буткин В.Д. Збинец C.B. Совершенствование пневмотранспортных систем буровык станков // Горный журнал. 2009. № 12.
висимости скорости движения частиц шлама от параметров сжатого воздуха и конструкции эвакуатора бурового шлама, которые могут быть применимы для оптимизации режима шламоудаления в процессе бурения взрывных скважин.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Гилев A.B., Шейн Ф.Э., Гилев P.A., Збинец C.B. Пневмоэжекционный способ шламоудаления из технологических скважин // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 10. С. 20-24
4. Карабин А.И. Сжатый воздух. - М.: Машиностроение, 1964. 343с.
5. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике / 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1977. 440 с. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Збинец C.B. — аспирант, Сибирский федеральный университет, ведущий инженер, «Лен-НииГипроХим», e-mail: [email protected];
Гилёв A.B. — доктор технических наук, профессор, «Сибирский федеральный университет, e-mail: а[email protected].
А
ГОРНЯЦКОЕ АРГО
• МОНТАЖКА — специально разработанная цепь.
• МОРДОБОЙКА — в старину: специальное приспособление, подвешиваемое на штреке на высоте конской головы. Лошади в шахте были слепыми, натыкаясь на мордобойку, они знали, что нужно остановиться. Сейчас: нарезанная полосами конвейерная лента, подвешиваемая перед площадками схода, чтобы будить уснувших на ленте шахтеров.
• МОСЕЛ — накидной ключ.
• МУЛЯКА — пульпа.
• МУХОМОР — горный мастер ВТБ.
• НА БРОНЕ (ехать) — ехать или везти что-либо на корпусе
электровоза.
• НА-ГОРА — выехать на поверхность из шахты.
• НА РЕШТАК КОРОЧЕ (смена) — ранний выезд.
• НАМОРДНИК — респиратор.
• НАПРУГА — напряжение в сети, подаваемое в шахту для работы механизмов.
• НАСЫПКА — место перегрузки угля с конвейера в вагонетки.
• НУЛЕВЫЕ — шахтеры, погибшие в аварии (типа двухсотых в армии).
