Лабораторные испытания пневмо-эжекционного способа удаления бурового шлама Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© 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: s_zbinets@mail.ru;

Гилёв A.B. — доктор технических наук, профессор, «Сибирский федеральный университет, e-mail: аnatoliy.Gilev@gmail.com.

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).