CC BY
23
УДК 622.233.5
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-6-237-246
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОЛЬЦЕВОГО ПОГРУЖНОГО ПНЕВМОУДАРНИКА
Юрий Павлович Харламов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, инженер лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383)205-30-30, доп. 223, e-mail: 808@nn.ru
Александр Юрьевич Примычкин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383)205-30-30, доп. 223, e-mail: 808@nn.ru
Одним из перспективных способов проходки скважин в крепких горных породах является бурение погружными пневмоударниками с обратной циркуляцией очистного агента. В основе этой технологии лежит непрерывное удаление из призабойной зоны выбуренного породного материала и транспортирование его на поверхность потоком сжатого воздуха по осевому каналу пневмоударника и внутренней трубе двойной буровой колонны.
На основе результатов, полученных при стендовых экспериментах и с использованием теории динамического подобия и моделирования, разработана методика расчета системы очистки-сбора бурового шлама на забое при бурении методом реверсивной циркуляции. Данная методика позволяет определить основные геометрические параметры очистной системы при проектировании погружных буровых снарядов.
Описан пример применения методики расчета для кольцевого погружного пневмоудар-ника, используемого при бурения геологоразведочных скважин диаметром 325 мм в горных породах высокой крепости.
Ключевые слова: бурение, геологоразведочная скважина, погружной пневмоударник, обратная циркуляция очистного агента, циркуляционная система, методика расчета, динамическое подобие.
CALCULATION TECHNIQUE FOR CIRCULATION SYSTEM OF AN ANNUAL DOWNHOLE HAMMER
Yury P. Kharlamov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Engineer, Laboratory for Drilling and Technological Impulse-Forming Machines, phone: (383)205-30-30, extension 223, e-mail: 808@nn.ru
Aleksander Yu. Primychkin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Researcher, Laboratory for Drilling and Technological Impulse-Forming Machines, phone: (383)205-30-30, extension 223, e-mail: 808@nn.ru
A promising method of well drilling in hard rocks is drilling with downhole hammers with reverse circulation of the cleaning agent. This technology is based on the continuous removal of cuttings from the bottomhole zone and their transportation to the surface by a flow of compressed air along the axial channel of the hammer and the inner pipe of the double drill string.
Based on the results obtained during bench experiments and the theory of dynamic similarity and modeling a calculation techniquehas been developed. The technique is used for the calculation of the "cleaning - collection of cuttings" system at the bottom during drilling by the reversible circulation method. This technique provides the opportunity to determine the main geometric parameters of the cleaning system in the design of downhole drill strings.
An example of the calculation technique employment for an annual downhole hammer used for drilling exploration wells with the 325mm diameter in hard rocks is described.
Key words: drilling, explorationwell, downholehammer, reverse circulation of cleaning agent, circulatingsystem, calculation method, dynamic similarity.
Введение
Важнейшей составляющей технологий разведки и разработки месторождений полезных ископаемых и их добычи является бурение скважин в породном массиве. Перспективы развития буровой техники связаны с ориентацией предприятий горного комплекса на улучшение показателей извлечения полезного ископаемого, повышение безопасности горных работ, особенно в условиях увеличения глубин разработки, развитие новых технологий производства буровых работ [1-5].
В настоящий момент наиболее эффективным способом проходки скважин в массиве горных пород является ударно-вращательный, обеспечивающий бурение с минимальной энергоемкостью [6]. Наиболее перспективным способом ударно-вращательного бурения является бурение скважин путем применения погружных пневмоударников с обратной циркуляцией очистного агента. В основе этой технологии лежит непрерывное удаление из призабойной зоны выбуренного породного материала и транспортирование его на поверхность потоком очистного агента по осевому каналу пневмоударника и внутренней трубе двойной буровой колонны [7-9]. Это достигается путем использования кольцевых забойных снарядов, обеспечивающих подачу энергоносителя через межтрубный зазор двойной бурильной колонны и вынос аэрированного керно -шламового потока через центральный канал бурового става на поверхность [10]. Бурение скважин таким способом в России и ряде зарубежных стран (Швеция, Германия, Великобритания, США) производится на протяжении уже более трех десятилетий. Перспективность этого способа проходки скважин высоко оценена и признана специалистами. В настоящее время ведущими европейскими и мировыми производителями погружных пневмоударных машин, такими, как SandvikAB (Швеция), AtlasCopco (Швеция), Numa (США), хорошо известными на рынке буровой техники, выпускается типоразмерный ряд пневмоударников, называемых кольцевыми по форме ударного элемента, а также буровых установок, адаптированных к бурению с реверсивной циркуляцией [11-17].
Преимуществами использования кольцевого пневмоударника являются:
- надежный запуск при постановке на забой и устойчивая работа в режиме бурения скважин, обеспечивающая вынос керно-шламового материала в расчетном объеме;
- удаление воды и шлама из призабойной зоны в виде грязевого потока, а также налипшей породы со стенок шламопровода в режиме блокировки при бурении обводненных скважин;
- наличие шламопровода позволяет отвести зону выброса шлама на значительное расстояние от места бурения, что обеспечивает значительное улучшения условий труда бурильщиков и позволяет установить очистные устройства, сохраняя экологическую безопасность в зоне производства работ. Это же обстоятельство позволяет сохранить в чистом виде механизмы и агрегаты установки, что положительно влияет на срок их службы и безопасность эксплуатации в целом;
- исключение вероятности растепления стенок скважины при бурении в вечномерзлых и перемежающихся породах.
Вместе с тем, опыт эксплуатации кольцевых пневмоударников показывает, что производительность бурения во многом зависит от эффективности работы системы очистки забоя от бурового шлама, поскольку его необходимо направить в центральный шламотранспортный канал, исключив выход на поверхность через зазор между стенками скважины и буровой колонной. Недостаточная эффективность работы циркуляционной системы приводит к следующему:
- увеличивается энергоемкость бурения, как следствие роста затрат энергии удара на вторичное измельчение частиц отделенной от массива породы, из-за неэффективной очистки забоя;
- возникает высокая вероятность остановки пневмоударника либо выхода всего бурового шлама на поверхность по боковому зазору;
- существенно снижается достоверность геологических проб при геологоразведочном бурении, а также при бурении на воду из-за рассеивания бурового шлама.
Методы, материалы и результаты
Повышение эффективности работы циркуляционной системы пневмоударника с обратной циркуляцией очистного агента является актуальной задачей. Для решения этой задачи в лаборатории бурения и технологических импульсных машин Институтагорного дела СО РАН проводились работы по обоснованию рациональных с позиции минимизации выхода шлама в затрубное пространство конструкции ипараметров циркуляционной системы кольцевого погружного пневмоударника. Основной задачей являлось обеспечение максимально полной очистки забоя скважины за счет увеличения подачи энергоносителя в осевой канал шламотранспортной магистрали.
На процесс сбора на забое и направления в центральную шламотранспорт-ную магистраль разрушенного породного материала оказывают влияние параметры кольцевой пневмоударной машины и породоразрушающего инструмента к ней: размер и расположение призабойного пакера, расстояние от выхлопных отверстий до дна забоя, наличие эжектора в шламотранспортной магистрали, конфигурация и расположение шламосборных отверстий, наличие в призабой-
ной зоне экрана противодавления. Для наиболее полного сбора на забое разрушенного породного материала необходимо задавать геометрические параметры этих элементов циркуляционной системы в определенных диапазонах.
На практике часто возникает задача: создать пневмоударник с заданным значением энергии удара на базе имеющейся отработанной машины. В лаборатории бурения и технологических импульсных машин ИГД СО РАН разработана инженерная методика расчета основных параметров кольцевого пневмо-ударника с применением теории динамического подобия, а также результатов экспериментального исследования циркуляционной системы кольцевой пнев-моударной машины.
На первом этапе необходимо задаться требуемым диаметром буримой скважины, исходя из технических и технологических условий, а также необходимой энергией единичного удара, исходя из геологических условий региона работ.
На втором этапе по практическим рекомендациям [18] вычисляютсякоэффи-циенты а и в для определения осевых и диаметральных размеров новой машины, а также масс ее инерционных элементов. При переходе от прототипа к новой машине необходимо: все осевые размеры прототипа изменить в а раз, диаметральные размеры - в ^р/а раз, а массу ударника и других инерционных элементов -в р раз. При этом расчетные коэффициенты вычисляются по формулам:
р = Аи / Ап, а = р/ (^ / ¿п)2, (1)
где Ап - энергия единичного удара прототипа; Ан - энергия единичного удара
новой машины; й - диаметр бурового долота прототипа; й - диаметр бурового
долота новой машины.
На третьем этапе определяются геометрические параметры циркуляционной системы нового кольцевого пневмоударника [19]. Диапазоны значений основных конструктивных параметров, обеспечивающих максимальные или близкие к ним значения К(рисунок):
- расстояние от выхлопных отверстий до дна забоя (0,092-0,013)й
- расстояние от шламосборных отверстий до дна забоя (0,22-0,25)йг
- диаметр призабойного пакера(0,968-0,982)й
- расстояние призабойного пакера до дна забоя (0,1-0,25)й
скв7 ^скв' скв7
0,1-0.25к .
скв
Обсуждение
Ниже приведены результаты расчета основных параметров системы «пневматическая ударная машина - породоразрушающий инструмент» для бурения скважин в условиях Южной Якутии диаметром 325 мм погружной пневматической ударной машиной с обратной циркуляцией очистного агента. В качестве прототипа принят пневмоударник ПК-132, созданный в ИГД СО РАН с использованием новых запатентованных решений [20]. Исходные данные для расчета представлены в табл. 1.
1,2 1
0 х <0
I*
01
"т ¿2 н I
01 ^
<П О
ас
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0,2
Удаленность
а)
0,4
0,7
э
т К и 0,6
н е и ц т с о н 0,5
и ф в и 0,4
ф э т к е 0,3
о К ф
ф 0,2
э
0,1
0
т 5С
(0 О.
о
н
е ^
(П
о
ас
1
0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93
0,05 Удаленность Ц
б)
0,1
0,15
Т-1-г
0 0,2 0,4 0,6
Коэффициент эффективности Кэ
0,8
2)
Зависимости эффективности работы циркуляционной системы от расстояния от шламосборных отверстий до дна забоя (а), расстояния от выхлопных отверстий до дна забоя (б), расстояния от призабойного пакера до дна забоя (в), диаметра призабойного пакера (г)
Таблица 1
Исходные данные для расчета
Параметр Обозначение Величина
Кольцевой пневмоударник - прототип ПК-132
Диаметр буримой скважины, мм 132
Энергия единичного удара, Дж Ап 185
Длина ударника, м 1уд.п 0,316
Длина буровой коронки, м 11п 0,25
Длина пневмоударника, м 12п 0,855
Диаметр ударника в камере рабочего хода, м ^уд.п 0,102
Диаметр призабойного пакера, м 0,128
Диаметр корпуса пневмоударника, м d2п 0,122
0
0
Параметр Обозначение Величина
Масса ударника, кг туд.п 7,85
Масса буровой коронки, кг ШЫ 8,15
Масса пневмоударника, кг т2п 58,75
Основные зависимости для расчета параметров погружной пневматической ударной машины и результаты расчета представлены в табл. 2.
Таблица 2
Расчет параметров погружной пневматической ударной машины с обратной циркуляцией очистного агента
Определяемая величина Формула Результат
Диаметр буримой скважины новым пневмоударником (н, мм - 325
Энергия единичного удара новогопневмоударника Ан, Дж - 1 000
Коэффициент в в = Ан /Ап 5,4
Коэффициент а а = в/((н /(п)2 0,94
Длина ударника новой машины /уд.н, мм / = а/ 'уд-н "''уд. п 297
Длина буровой коронки новой машины, /1н,мм 11н = а/1п 235
Длина нового пневмоударника /2н, мм 12н = а/2п 807
Диаметр нового ударника в камере рабочего хода (уд.н, мм (н = -\1 а 288
Диаметр призабойного пакера нового пневмоударника (пак.н, мм 307
Диаметр корпуса нового пневмоударника (корп.н, мм 292
Масса ударника новой машины туд.н, кг т уд.н втуд.п 42,39
Масса новой буровой коронки т1н, кг т1н = вт1п 44,01
Масса новогопневмоударника т2н, кг т2н = вт2п 317,25
В табл. 3 приведен уточненный расчет параметров циркуляционной системы пневмоударника для бурения скважин диаметром 325 мм с использованием экспериментально полученных зависимостей.
В результате конструктивной проработки приняты:
- расстояние от призабойного пакера до дна забоя /1н = 80 мм;
- расстояние от выхлопных отверстий до дна забоя /2н = 60 мм;
- расстояние от шламосборных отверстий до дна забоя /3н = 75 мм;
- диаметр призабойного пакера <^пак.н= 316 мм.
Полученные результаты легли в основу конструкторской документации для изготовления нового погружного пневмоударника с обратной циркуляцией очистного агента. В ближайшее время планируется изготовление опытного образца и его испытание.
Таблица 3
Расчет параметров циркуляционной системы пневмоударника с обратной циркуляцией очистного агента в типоразмере 325 мм
Определяемая величина Формула Результат
Расстояние от призабойного пакера до дна забоя /1н , мм /хн= 4жв (0,1-0,25) 33-81
Расстояние от выхлопных отверстий до дна забоя /2н, мм /2н = 4жв (0,13-0,25) 42-81
Расстояние от шламосборных отверстий до дна забоя /3н, мм /зн = 4жв (0,22-0,25) 72-81
Диаметр призабойногопакера <^пак.н, мм Апак.н = 4жв (0,97-0,98) 314-319
Заключение
Разработанная методика расчета позволяет определить основные параметры погружной ударноймашины с обратной циркуляцией очистного агента и по-родоразрушающего инструмента обеспечивающие максимальную эффективность выноса выбуренной породы через центральный шламотранспортный канал и повысить производительность бурения в целом. Данная методика может использоваться инженерами-конструкторами при создании новых образцов буровой техники.
Благодарности
Авторы выражают признательность коллегам из лаборатории бурения и технологических импульсных машин за помощь при выполнении исследований и обсуждении результатов.
Работа выполнена в рамках проекта ФНИ № гос. регистрации АААА-А17-117122090003-2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Repin A.A., Smolyanitsky B.N., Alekseev S.E.,Popelyukh A.I., Timonin V.V., Karpov V. N. Downhole high-pressure air hammers for open pit mining. Journal of Mining Science. 2014. Vol 50. № 5. -p. 929-937. DOI: 10.1134/S1062739114050123.
2. Primychkin A.Yu., Kondratenko A.S., Timonin V.V. Determination of variables for air distribution system with elastic valve for down-the-hole pneumatic hammer. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science Сер: "All-Russian Conference on Challenges for Development in Mining Science and Mining Industry Devoted to the 85th Anniversary of Academician Mikhail Kurlenya" 2017. c. 012025. DOI: 10.1088/1755-1315/53/1/012025.
3. Тимонин В. В., Алексеев С. Е., Кокоулин Д. И., Кубанычбек Б. Исследование процесса воздухораспределения для бурения дегазационных скважин // ФПВГН. - 2017. - Т. 1. -№ 3. - С. 154-159.
4. Тимонин В. В., Алексеев С. Е., Карпов В. Н., Черниенков Е. М. Влияние энергетических параметров погружного пневмоударника на технико-экономические показатели бурения скважин с одновременной обсадкой // ФТПРПИ. - 2018. - № 1. - С. 61-70.
5. Petreev A.M., Primychkin A.Y. Influence of air distribution system on energy efficiency of pneumatic percussion unit of circular impact machine. Journal of Mining Science. 2015. Vol 51. № 3. -p. 562-567.DOI: 10.1134/S1062739115030187
6. Трубецкой, К. Н. Горные науки, освоение и сохранение недр Земли / К. Н. Трубецкой. - М. : Изд. Академии горных наук, 1997.
7. Lipin A.A., Kharlamov Y.P.,Timonin V.V. Circulation system of a pneumatic drill with central drilling mud removal // Journal of Mining Science. 2013. Vol. 49. № 2. - p. 248-253. DOI: 10.1134/S1062739149020068
8. Timonin V.V., Kondratenko A.S. Process and measuring equipment transport in uncased boreholes // Journal of Mining Science. 2015. Vol 51. № 5. - p. 1056-1061. DOI: 10.1134/S1062739115040284
9. Сыкчин М. Е. Создание кольцевого геологоразведочного пневмоударника со встроенным эжекторным устройством : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Новосибирск, 1993.
10. Смоляницкий Б. Н. Погружные пневмоударники для бурения скважин с центральным шламотранспортом / Б.Н.Смоляницкий, А.А. Липин // Сб. докл. Международного горного конгресса (2008 г., Польша).
11. Официальный сайт компании NUMA [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.numahammers.com.
12. Официальный сайт компании Atlas Copco [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.atlascopco.ru.
13. Погружные пневмоударникиSecoroc QLX5 инструкция по эксплуатации / Перевод на русский язык. Atlas Copco Secoroc ABFagersta, Sweden. - 2015. - 34 с.
14. Technical specification DHD hammers / Atlas Copco Secoroc AB. Update, February, -2005. 4 р.
15. Atlas Sopco Rock Drilling Tools. Secoroc Down-the-hole equipment: Operators instruction and spare parts list down-the-hole hammers/Atlas Copco Secoroc AB, Fagestra, Sweden, 2002. - 23 p.
16. Официальный сайт компании Sandvik [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.sandvik.coromant.com.
17. Hungerford F., Ren T., and Aziz N. Evolution and application of in-seam drilling for gas drainage, International Journal of Mining Science and Technology, 2013, Vol. 23.
18. Суднишников, Б.В.Исследование и конструирование пневматических машин ударного действия / Б.В. Суднишников, Н.Н. Есин, К.К. Тупицин // Новосибирск: «Наука» Сибирское отделение, 1985.
19. Патент РФ на ПМ № 111182. Стенд для исследования бурового снаряда с обратной циркуляцией очистного агента / Ю. П. Харламов, Н. Н. Заболоцкая // Опубл. в БИ - 2011. -№ 34.
20. Патент РФ № 2463432. Снаряд буровой с обратной циркуляцией шлама / А. А. Ли-пин, Н. Н. Заболоцкая, Ю. Харламов // Опубл. в БИ - 2012. - № 28.
REFERENCES
1. Repin A.A., Smolyanitsky B.N., Alekseev S.E. Popelyukh A.I., Timonin V.V., Karpov V.N. (2014) Downhole high-pressure air hammers for open pit mining. Journal of Mining Science. Vol 50. № 5. -p. 929-937. DOI: 10.1134/S1062739114050123.
2. Primychkin A.Yu., Kondratenko A.S., Timonin V.V.(2017) Determination of variables for air distribution system with elastic valve for down-the-hole pneumatic hammer. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science Сер: "All-Russian Conference on Challenges for Development in Mining Science and Mining Industry Devoted to the 85th Anniversary of Academician Mikhail Kurlenya" c. 012025. DOI: 10.1088/1755-1315/53/1/012025.
3. Timonin V.V., Alekseev S.E., Kokoullin D.I., Kubanychbek B. (2017)Issledovanie processa vozdukhoraspredeleniya degazacionnykh skvazhin [Investigation of the air distribution process for drilling degassing wells] Fundamental'nye i prikladnye voprosy gornykh nauk -Fundamental problems of formation of a technogenicgeosreda. Engineering science. Novosibirsk, N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Vol 3, 324 [in Russian]. Vol.1. -№3. - p. 154-159.
4. Timonin V.V., Alekseev S.E., Karpov V.N., Chernienkov E.M. (2018). Vliyanie energeticheskih parametrov pogruzhnogo pnevmoudarnika na tekhniko-ehkonomicheskie pokazateli bureniya skvazhin s odnovremennoj obsadkoj [Influence of power parameters of the submersible pneumatic impact tool on technical and economic indicators of well-drilling with a casing]. Fiziko-tekhnicheskie problem razrabotki poleznyh iskopaemyh - Journal of Mining Science, [in Russian]. № 1,р. 61-70.
5. Petreev A.M., Primychkin A.Y. (2015) Influence of air distribution system on energy efficiency of pneumatic percussion unit of circular impact machine. Journal of Mining Science. Vol 51. № 3. -p. 562-567.DOI: 10.1134/S1062739115030187.
6. Trubetskoy K.N. (1997) Gornyenauki, osvoenie I sohranenie nedr Zemli. [Mining science, development and conservation of the earth], Moscow, Ed. Academy of mining Sciences[in Russian].
7. Lipin A.A., Kharlamov Y.P., Timonin V.V.(2013) Circulation system of a pneumatic drill with central drilling mud removal. Journal of Mining Science. Vol 49. № 2. - p. 248-253. DOI: 10.1134/S1062739149020068.
8. Timonin V.V, Kondratenko A.S. (2015) Process and measuring equipment transport in uncased boreholes. Journal of Mining Science. Vol 51. № 5. - p. 1056-1061. DOI: 10.1134/S1062739115040284.
9. Sykchin M.E (1993). Sozdanie kolcevogo geologorazvedochnogo pnevmoudarnika so vstroennym ezhektornym ustroicsvom [Creation of an annular geological prospecting airstrike with built-in ejector device] PhD dissertation, Novosibirsk[in Russian].
10. Smolyanitskij B.N., Lipin A.A. (2008) Pogruzhnye pnevmoudarniki dla burenia s centralnym shlamotransportom [Submersible air hammers for drilling of wells with Central transport sludge] A collection of reports of the International mining Congress. Poland.
11. NUMA official website:http://www.numahammers.com.
12. AtlasCopcoofficial website: http://www.atlascopco.ru
13. AirhammersSecoroc QLX5. Atlas Copco Secoroc ABFagersta, Sweden. - 2015. - 34 p.
14. Technical specification DHD hammers / Atlas Copco Secoroc AB. Update, February, -2005. 4 р.
15. Atlas Sopco Rock Drilling Tools. Secoroc Down-the-hole equipment: Operators instruction and spare parts list down-the-hole hammers/Atlas Copco Secoroc AB, Fagestra, Sweden, 2002. - 23 p.
16. Sandvik official website: https://www.sandvik.coromant.com.
17. Hungerford F., Ren T., and Aziz N. (2013) Evolution and application of in-seam drilling for gas drainage, International Journal of Mining Science and Technology, Vol. 23.
18. Sudnishnikov B.V., Esin N.N., Tupitsyn K.K. (1985) Issledovanie I konstruironanie pnevmaticheskikh mashin udarnogo deistviya [Research and design of pneumatic impact machines]. Novosibirsk «Science» [in Russian].
19. KharlamovY.P., Zabolotskaya N.N (2011). PatentRFNo111182. Novosibirsk: IP Russian Federation.
20. Lipin A.A., Kharlamov Y.P., Zabolotskaya N.N. (2012). Patent RF No 111182. Novosibirsk: IP Russian Federation.
© Ю. П. Харламов, А. Ю. Примычкин, 2018
