CC BY
33
УДК 622.23.051.78
ПНЕВМОЭЖЕКЦИОННЫЙ СПОСОБ УДАЛЕНИЯ БУРОВОЙ МЕЛОЧИ ИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН
А.В.Гилёв1, С.В.Збинец2
Сибирский федеральный университет,
660025, Красноярский край, г. Красноярск, пр. им газеты «Красноярский рабочий», 95.
Обосновывается целесообразность применения новой технологии очистки скважин от буровой мелочи, основанной на пневмоэжекционном эффекте выноса частиц горной породы из забоя и призабойной зоны за счет эвакуатора, работающего одновременно инжектором и эжектором. Ил. 2. Табл. 2. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: бурение; скважина; буровой станок; буровой инструмент; буровой шлам; удаление шлама.
PNEUMOEJECTION METHOD TO REMOVE DRILLING CHIPS FROM TECHNOLOGICAL WELLS A.V. Gilev, S.V. Zbinetz
Siberian Federal University
95 Avenue named after the newspaper "Krasnoyarsk worker", Krasnoyarsk, Krasnoyarsk region, 660025. The authors substantiate the appropriateness of the application of a new technology of well cleaning from drilling slime based on the pneumoejection effect of rock part removal from a pit and pit area by the evacuator functioning both as an injector and ejector. 2 figures. 2 tables. 2 sources.
Key words: drilling, well, boring rig, drilling instrument, drilling slime, slime evacuation.
На карьерах РФ преобладает использование буровых станков отечественного производства семейств СБШ-250-270 и СБШ-200 различных модификаций, оборудованных компрессорными станциями производительности преимущественно 32 м3/мин, на работу которых приходятся основные и значительные энергетические затраты. В пневмотранспортных системах станков СБШ за всю историю их применения принципиальных изменений не произошло, за исключением роста производительности компрессоров, сильно влияющих на скорость и стоимость бурения. Наблюдается тенденция дальнейшего увеличения на станках расхода сжатого воздуха О (42 м3/мин и выше).
Этот негативный путь обусловлен недостатком воздуха как промывочного агента. Вследствие малой плотности при встрече с обводненными глинистыми породами расход воздуха необходимо увеличивать в 2-3 раза.
Более технологичным и эффективным по сравнению с пневматическим и шнеко-пневматическим способами является новый пневмоэжекционный способ очистки скважин, разработанный в Сибирском федеральном университете [1].
Концепция пневмоэжекционной очистки (ПЭО) скважин исходит из того, что технологию очистки скважин целесообразно совершенствовать не простым увеличением воздуха, а качественным изменением процессов движения воздушного потока, прежде всего в критических забойной и призабойных зонах скважины.
Одна из предпосылок создания ПЭО состояла в следующем. Рядом исследователей глубокого бурения с промывочной жидкостью высокой плотности было установлено положительное влияние винтообразного движения шлама в затрубном пространстве на процесс выноса шлама из скважины. Это показано в работах профессоров В.П. Рожкова, Ф.И. Борисова (ГУЦМиЗ), В.С. Федорова и других.
Второй предпосылкой явилось использование эффектов эжекции и инжекции воздушно-шламового потока участках затрубного пространства в сочетании с наддолотным коротким шнеком. Эжекторы (инжекторы) успешно применены для интенсификации процесса удаления разрушенной породы землесосными снарядами [2].
Процесс очистки скважин сложен, трудно поддается математическому моделированию. Поэтому параметры ПЭО наиболее быстро определяются экспериментально.
В первом приближении увеличенную скорость движения частиц шлама при винтообразном движении и инжектировании в затрубном пространстве можно выразить формулой (м/с)
ш ■ d Д
ЯК
F2
(1)
где КШ - коэффициент влияния вращающегося струйного инжектора на шаг винтовой траектории и силы взаимодействия буровых частиц со стенками
2
V = Кш
2
1Гилёв Анатолий Владимирович, доктор технических наук, заведующий кафедрой горных машин и комплексов, тел.: (391)2342182, факс: (391)2347174, e-mail: [email protected]
Gilev Anatoly Vladimirovich, a doctor of technical sciences, the head of the Chair of Mining Machinery and Complexes, tel.: (391)2342182, fax: (391)2347174, e-mail: [email protected]
Збинец Сергей Вадимович, ассистент кафедры горных машин и комплексов, факс: (391)2347174, e-mail: [email protected] Zbinetz Sergey Vadimovich, an assistant of the Chair of Mining Machinery and Complexes, fax: (391)2347174, e-mail: [email protected]
скважин; а> - угловая скорость долота; ёд - диаметр долота; QК - производительность бурового станка; Г - площадь затрубного пространства.
Для конкретного станка величины QК и Г постоянны, поэтому инжектирование и создание винтообразного движения воздушно-шламового потока увеличивает его скорость и выносную способность. Рост скорости движения частиц теоретически показал профессор А. В. Гилев. При этом согласно экспериментальным данным А.С. Денисова за счет винтового движения частиц шлама (мелких фракций) скорость восходящего потока, потребная для удержания их во взвешенном состоянии, уменьшается на 95,7%. Следовательно, при винтовом движении обеспечивается вынос большего числа крупных частиц, что подтверждается данными наших экспериментов.
Принципиальная схема одного из вариантов ПЭО представлена на рис.1. Новый способ очистки реализуется с помощью шнекового пневмоэжекционного эвакуатора (ШПЭ), располагаемого (рис. 2) вместо забурника (длиной 2-2,35) на конце бурового става, состоящего (в отличие от ШПО) из трубчатых штанг, что позволяет применять ПЭО на станках с любой конструкцией ВПМ.
Рис. 1. Схема бурового снаряда со шнекопневматиче-ским эвакуатором: 1 - долото с эжекционными соплами; 2 - эжекционные струи; 3 - ШПЭ; 4 -скважина; 5 -сжатый воздух; 6 -штанга; 7 - вертлюг; 8 -шлам
ПЭО осуществляется следующим образом. Из внутреннего канала короткого шнека 3 часть сжатого
воздуха в верхнем участке шнека подается в несколько сопел, ориентированных вверх под острым углом (30-35°) к оси скважины, через которые в затрубное кольцевое пространство истекают с большой скоростью (150 м/с и более) воздушные струи 2. В ШД также могут быть выполнены эжекционные каналы, ориентированные вверх под углом к оси долота.
Эти изменения, в том числе увеличение порозно-сти воздушно-шламового потока и уменьшение объемной концентрации при движении частиц от приза-бойной зоны к устью скважины, подтверждены наблюдениями на специально созданном стенде в лабораторных условиях.
Пневмоэжекционный способ очистки скважин испытан на Мазульском карьере ОАО «Ачинский глиноземный комбинат» на станке СБШ-250МНА, оборудованном компрессором ВК-8/32. Применялся опытно-промышленный образец ШПЭ-244,5 упрощенной конструкции (рис. 2, табл.1).
Испытания были проведены в два этапа. На первом этапе ШПЭ-244,5 испытывали при бурении закар-стованных массивов, представленных обводненными глинисто-гравийными, марганцовистыми породами повышенной абразивности крепостью f=4-8, на втором этапе - при бурении известняков крепостью f=8-10.
Наиболее важными результатами испытаний являются увеличение скорости бурения, выход более крупных фракций буровой мелочи и снижение давления сжатого воздуха в циркуляционной системе. В обоих случаях вынос бурового шлама из устья скважины происходил под углом наклонно к её вертикальной оси, в сторону от буровой штанги, что свидетельствует о винтовом движении воздушно-шламового потока, достигающем поверхности. Поэтому по сравнению с пневмоочисткой буровой шлам оседал на значительно большем расстоянии от устья скважины.
Возврата в скважину вынесенных на поверхность отдельных кусков буровой мелочи, в отличие от пнев-моочистки, не наблюдается. Зашламления устройства ШПЭ-244,5 и шарошечного долота не происходило.
При постоянной производительности компрессоров БС, что характерно в условиях карьера, зависимость необходимой мощности компрессора N от давления воздуха в пневмосистеме Рк определяется формулой (кВт)
Мк = Кр • 25 • Q(JPК - 0,714), (2) где КР - коэффициент резерва мощности, КР = 1,1 -1,2; РК - давление на выходе компрессора, МПа; Q - производительность компрессора, м3/мин.
По результатам опытно-промышленных испытаний и расчетов (табл. 2) проведено сравнение параметров и технико-экономических показателей бурения станками СБШ-250МНА и 3СБШ-200-60 в условиях Мазульского карьера. Применение ПЭО только на этом карьере (5 станков) позволяет получить годовой экономический эффект более 3,6 млн. руб.
Рис. 2. Опытный образец шнекового пневмоэжекторного эвакуатора ШПЭ-244,5
Таблица 1
Техническая характеристика ШПЭ-244,5 и ШПЭ-215,9 для станков СБШ-250МНА и 3СБШ-200-60
Параметры Значения
ШПЭ-244,5 ШПЭ-215,9
Диаметр долота, мм 244,5 215,9
Наружный диаметр шнека, мм 237 209
Диаметр вала шнека, наружный/внутренний, мм 160/125 140/110
Шаг шнековой спирали, мм 330 300
Угол наклона витка спирали шнека, град. 24 24
Количество эжекционных каналов 4 4
Угол наклона эжекционных каналов к вертикали, град. 35 30
Диаметр эжекционных каналов, мм 25 20
Длина ШПЭ, мм 2350 2350
Масса, кг 320 250
Таблица 2
Технико-экономические показатели эффективности перехода от пневматической к пневмо-эжекционной очистке скважин при бурении станками СБЩ-250МНА-32 и 3СБШ-200-60 с расходом _сжатого воздуха 32 м3/мин_
Показатели Станок
СБШ-250МНА 3СБШ-200-60
Диаметр долота
244,5 мм 244,5 мм 214,9 мм
Увеличение сменной производительности станка,% 23,8 24,4 21,1
Уменьшение необходимой мощности приводов компрессора и вращателя, кВт 31 34 29
Снижение расхода электроэнергии, кВтч/г 155148,8 170163,2 145139,2
Снижение затрат на электроэнергию, руб./г. 232723,2 255244,0 217708,8
Снижение удельных затрат на бурение с учетом роста производительности, руб./м 13,0 14,,3 11,0
Суммарное снижение затрат на один станок, руб./г 650000 715000 550000
Таким образом, при использовании на станках СБШ нового пневмоэжекционного способа очистки скважин достигается существенное снижение энергоемкости и увеличение скорости бурения как сухих, так и закарстованных массивов за счет более интенсивного и безвозвратного удаления выбуренной породы из призабойной зоны и искусственного создания винтообразного движения шлама в за-трубном пространстве скважины. По сравнению с пневмоочисткой обеспечивается возможность повышения скорости бурения и снижения необходимой энергии в 1,2-1,3 раза.
Модернизация пневмотранспортных систем достаточно легко осуществляется силами карьеров, в том числе на станках зарубежных конструкций для компенсации их высокой стоимости.
Библиографический список
1. Пат. 2281378 Российская Федерация, МПК Е21В 10/44, 49/00. Способ эвакуации бурового шлама из скважины и устройство для его осуществления / Буткин В.Д., Гилев А.В., Чесноков В.Т., Нехорошев Д.Б [и др.]. - № 200413410/03; заявл. 27.10.04; опубл. 10.08.06, Бюл. №22.
2. Огородников С.П. Инжектирование на землесосных снарядах. М.: Госстройиздат, 1962. 100 с.
