CC BY
14
УДК 622.233.53
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-3-8
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПОГРУЖНЫХ ПНЕВМОУДАРНИКОВ
Сергей Евгеньевич Алексеев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, старший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383)205-30-30, доп. 205, e-mail: Alex@misd.ru
Даньяр Иванович Кокоулин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383)205-30-30, доп. 208, e-mail: konstruktor430@yandex.ru
Рассмотрена очистка забоя скважины от буровой мелочи и вынос ее из скважины как один из важнейших элементов технологии бурения. Описаны особенности очистки забоя скважины при использовании погружных пневмоударников в сравнении с другими способами бурения. Показана зависимость качества очистки от конструкции пневмоударников. Представлена конструкция пневмоударника с оригинальной системой очистки. Приведены некоторые данные исследований.
Ключевые слова: скважина, забой, очистка, буровая мелочь, погружной пневмоудар-ник, энергоноситель, очистной агент, рабочий цикл.
IMROVEMENT OF BOTTOMHOLE CLEANING USING DOWNHOLE HAMMERS
Sergey E. Alekseev
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Senior Researcher, Laboratory for Drilling and Technological Impulse-Forming Machines, phone: (383)205-30-30, extension 205, e-mail: Alex@misd.ru
Daniar I. Kokoulin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Senior Researcher of Laboratory for Drilling and Technological Impulse-Forming Machines, phone: (383)205-30-30, extension 208, e-mail: konstruktor430@yandex.ru
The paper studies cleaning of a borehole bottomhole from drill cuttings and its removal which is considered to be an important part of drilling. Features of bottomhole cleaning are described if a downhole hammer is used. The cleaning with the downhole hammer is compared to other ways of drilling. Dependence of the cleaning quality on the design of the downhole hammer is illustrated. The authors present a hammer's design with innovative cleaning system as well as research data.
Key words: borehole, bottomhole, cleaning, downhole hammer, energy-carrier, cleaning agent, working cycle, drill cuttings.
Одним из важнейших элементов технологии бурения является очистка забоя скважины от буровой мелочи и вынос ее из скважины. Без очистки забоя процесс бурения невозможен, а от качества очистки непосредственно зависит
скорость бурения. При неполной очистки забоя скважины происходит переизмельчение частиц породы, на что непроизводительно расходуется значительное количество энергии. В качестве очистного агента используется сжатый воздух или промывочная жидкость, подаваемые к забою скважины [1, 2].
При вращательном способе бурения разрушение породы на забое происходит непрерывно и подача очистного агента также непрерывна, расход очистного агента при этом достаточно большой. Так, например, при работе станка ша-
-5
рошечного бурения СБШ 200 на забой подается до 40 м /мин воздуха только для очистки забоя и выноса буровой мелочи из скважины.
При ударно-вращательном способе бурения использование погружных пневмоударников имеет ряд преимуществ. Расположение ударного узла непосредственно у забоя скважины обеспечивает наилучшую передачу энергии удара на забой для эффективного разрушения породы, что обеспечивает бурение глубоких скважин практически без снижения скорости бурения. Другим важным фактором является то, что сжатый воздух, подаваемый в скважину, является энергоносителем для работы пневмоударника и очистным агентом для очистки забоя скважины от буровой мелочи и выноса ее из скважины, что делает технологию бурения более рациональной.
Следует отметить, что при использовании погружных пневмоударников способ очистки забоя во многом зависит от конструкции этих машин. При работе пневмоударников открытого типа (когда выхлоп из рабочих камер осуществляется через окна в стенке корпуса) основная масса воздуха выходит через выхлопные окна, а на забой подается только его часть в виде отбора из камеры холостого хода или через специальные каналы. Это является одним из существенных недостатков данных конструкций.
Наибольшее распространение в мировой практике получили пневмоудар-ники закрытого типа, когда выхлоп осуществляется на забой, что позволяет наилучшим образом осуществлять его очистку [3-5]. Особенностью этих машин еще является то, что выхлоп из рабочих камер происходит в конце одного и начале следующего рабочих циклов, то есть во время нанесения удара ударником по буровому инструменту, в момент внедрения инденторов в породу, в момент образования буровой мелочи. Подача воздуха на забой в этот период наиболее эффективна для очистки забоя.
В отличие от вращательного бурения, при бурении с использованием погружных пневмоударников закрытого типа очистка забоя происходит циклично, но более интенсивно.
Анализ развития пневмоударного бурения за период более полувека, начиная с момента его возникновения, выявил тенденцию повышения давления используемого сжатого воздуха. Ведущие зарубежные фирмы достаточно давно перешли на применение энергоносителя повышенного давления, составляющее тогда 0,9-1,8 МПа. В настоящее время конструкции пневмоударников повышенного давления и коронок продолжают совершенствоваться, продолжается дальнейшее наращивание рабочего давления. Так пневмоударники шведской фирмы Atlas Copco серии COP работают на давлении 1,2-2,5 МПа.
Технико-экономическими преимуществами повышения давления являются: увеличение на порядок скорости бурения и ресурса погружных пневмоудар-ников - скорость бурения с 90-150 мм/мин увеличивается до 800-1 000 мм/мин (при бурении по крепким гранитам), а ресурс с 300-500 пог. метров скважин до 5 000 м и более; появляется возможность существенного увеличения глубины бурения; осуществляется снижение энергоемкости разрушения горных пород.
С увеличением скорости бурения увеличивается и объем выбуренной породы в единицу времени, из-за чего повышаются требования к системе очистки забоя скважины от буровой мелочи. Следует, однако, отметить, что пневмо-ударники высокого давления обладают большей мощностью и потребляют большее количество воздуха идущее и на очистку забоя, но повышение качества очистки забоя остается резервом повышения производительности.
В подавляющем большинстве существующих конструкций погружных пневмоударников для совершения перемещения ударника используются управляемые камеры холостого и рабочего ходов, из которых попеременно осуществляют выхлоп отработанного воздуха на забой скважины. Для очистки забоя наиболее эффективен выхлоп из камеры рабочего хода в конце одного и в начале следующего рабочего цикла. Выхлоп из камеры холостого хода происходит в середине цикла и менее полезен для очистки забоя.
Ставится задача во время работы пневмоударника сосредоточить весь выхлоп воздуха в наиболее полезный для очистки период. В ИГД СО РАН разработана принципиальная схема погружного пневмоударника, соответствующая указанным требованиям [6-8]. Это схема со сдвоенными камерами рабочего хода и промежуточной камерой холостого хода (рис. 1).
Рис. 1. Схема погружного пневмоударника с выхлопом на забой скважины: 1 - буровая коронка; 2 - расточка; 3 - ударник; 4 - корпус; 5 - кольцевая камера рабочего хода; 6 - воздухораспределительная гильза; 7 - камера холостого хода; 8 - торцевая камера рабочего хода; 9 - став штанг
Во время работы в зависимости от положения ударника 3 происходит периодический впуск в камеры рабочего хода 5 и 8 через камеру холостого хода 7 и периодический выхлоп из них через расточку 2 в корпусе 4 и далее через ка-
нал в буровой коронке 1 на забой скважины. Во время опорожнения камеры рабочего хода, сила, действующая на ударник 3 со стороны камеры холостого хода 7, становится преобладающей, за счет чего осуществляется холостой ход. Совершая возвратно-поступательное движение, ударник 3 в конце каждого рабочего цикла наносит удар по торцу буровой коронки 1.
Разработка данной схемы ориентирована на создание погружных пневмо-ударников, работающих на повышенном давлении энергоносителя. Увеличение производительности пневмоударников повышенного давления происходит за счет увеличения ударной мощности. Увеличивается как энергия единичного удара, так и частота ударов. При увеличении энергии удара увеличиваются и напряжения в ударнике, поэтому важно, чтобы ударник имел достаточно простую форму с минимальным количеством перфораций. В предложенной схеме у ударника нет, каких либо внутренних каналов, что обеспечивает большую его надежность.
Важным требованием, предъявляемым к пневмоударникам повышенного давления, это требования высокой экономичности. При существенном увеличении ударной мощности значительно увеличивается и расход воздуха. Использование компрессоров большой производительности увеличивает затраты на производство работ. Поэтому важным является удельный показатель - отношение расхода воздуха к ударной мощности. Для пневмоударников, работающих
-5
на давлении 0,5-0,7 МПа он составляет 1,7-2,4 м /мин кВт. Необходимо добиваться уменьшения величины этого показателя. У современных зарубежных конструкций она приближается к единице.
В предложенной схеме выхлоп осуществляется только из камер рабочего хода, из камеры холостого хода выхлопа нет. При этом уменьшается количество «паразитных» объемов, на заполнение которых непроизводительно расходуется сжатый воздух. Снижение их объема позволяет уменьшить расход воздуха и дает возможность создавать достаточно экономичные машины. Сжатый воздух повышенного давления позволяет в большей степени использовать его расширение за период рабочего цикла, что так же увеличивает экономичность машины.
Выхлоп из камер рабочего хода происходит во время непосредственно до и после нанесения удара по инструменту и внедрения индеторов в породу. На совершение холостого хода ударника, как и на рабочий ход, также расходуется энергоноситель, но особенностью данной конструкции является то, что на это затрачивается энергия сжатого воздуха в камерах рабочего хода. Поэтому на забой поступает большее количество воздуха, что обеспечивает более интенсивную его очистку от буровой мелочи.
По данной принципиальной схеме спроектирован погружной пневмоудар-ник П130В для работы на давлении сжатого воздуха от 0,6 до 1,8 МПа. При исследовании экспериментального образца пневмоударника производилась запись диаграмм давлений в его камерах. На рис. 2 представлены диаграммы двух рабочих циклов работы пневмоударника. На диаграммах видно, что весь объем
воздуха, используемый пневмоударником, выхлапывается в начале одного и начале следующего рабочего цикла.
t. еиг
Рис. 2. Диаграммы давлений в камерах погружного пневмоударника П130В:
1 - давление в питающей магистрали; 2 - давление в камере холостого хода;
3 - давление в камерах рабочего хода; T - время рабочего цикла; i - время выхлопа из рабочих камер
Таким образом, схема пневмоударника со сдвоенными рабочими камерами и промежуточной камерой холостого хода обеспечивает более интенсивную подачу воздуха на забой во время внедрения бурового инструмента в породу с сохранением экономичности пневмоударника.
Работа выполнена в рамках проекта ФНИ, № гос. регистрации АААА-А17-117122090003-2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Суднишников Б. В., Есин Н. Н., Тупицын К. К. Исследование и конструирование пневматических машин ударного действия. - Новосибирск : Наука, 1985. - 134 с.
2. Беляев Н. А. Пневмоударные расширители скважин. - Новосибирск : ИГД СО АН СССР, 1987. - 132 с.
3. Средства прямолинейно направленного бурения в условиях угольных шахт / В. В. Тимонин, Д. И. Кокоулин, С. Е. Алексеев, Б. Кубанычбек // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2016. - № 2. - С. 168-171.
4. Analysis of the compressed air distribution in down-the-hole / A. A. Repin, S. E. Alekseev, V. V. Timonin, V. N. Karpov // Reports of the XXII Iinternational scientificsymposium «MINER'S WEEK - 2015», 26-30 January, 2015, рр. 475-482.
5. Создание малогабаритного погружного пневмоударника для проходки исследовательских скважин / С. Е. Алексеев, В. В. Тимонин, Д. И. Кокоулин, И. О. Шахторин, Б. Кубанычбек // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2015. - № 2. - С. 187-193.
6. Пат. 2090730 РФ, МПК7 Е 21 В 4/14, Е 21 С 3/24. Погружной пневматический ударный механизм / Алексеев С. Е. ; ИГД СО РАН. - № 95107596/03 ; заяв.11.05.95 ; опубл. 20.09.97, Бюл. № 26.
7. Пат. 2343266 РФ, МПК7 Е 21 В 4/14. Погружной пневмоударник / Репин А. А., Алексеев С. Е., Пятнин Г. А. ; ИГД СО РАН. - № 2007124972/03 ; заявл. 02.07.2007 ; опубл. 10.01.2009, Бюл. №1
8. Полезн. модель 121854 РФ. Погружной пневмоударник / Репин А. А., Алексеев С. Е., В. Н. Карпов ; ИГД СО РАН. - № 2012118740/03 ; заяв. 04.05.2012 ; опубл. 10.11.2012, Бюл. № 31.
© С. Е. Алексеев, Д. И. Кокоулин, 2018
