15ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРИ БУРЕНИИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
Джурабек Джаббарович Шаропов
Старший преподаватель кафедры «Горная электромеханика» Навоийского государственного горного института sharopov [email protected]
Жонибек Абдурасулович Турсунов
Докторант Ташкентского государственного технического университета
StrongQ [email protected]
Рустам Умарханович Джураев
Профессор кафедры «Горная электромеханика» Навоийского государственного
горного института. д.т.н. r.u.dj [email protected]
АННОТАЦИЯ
Скорость бурения - является одним из главных факторов, способствующих сократить сроки поиска и разведки месторождений, а также эксплуатации технологических и технических скважин. Бурение с продувкой воздухом относится к новым прогрессивным и высокоэффективным методам, отличающийся от промывки жидкостью тем, что для очистки забоя от шлама применяется газообразный агент, в частности сжатый воздух. Применение сжатого воздуха как очистного агента обеспечивает значительное повышение механических скоростей бурения и снижает затрат времени на ликвидацию геологических осложнений, благодаря чему резко возрастают производительность и экономичность буровых работ.
Ключевые слова: Эффективность бурения, геологоразведочная скважина, продувка воздухом, бурение, эффект Ранка, скважина, вихревая труба, компрессор, буровой снаряд, промывочная жидкость, забой, температурный режим.
ABSTRACT
The drilling speed is one of the main factors contributing to reducing the time of field search and exploration, as well as the operation of technological and technical
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
wells. Air-purged drilling is one of the new progressive and highly effective methods, which differs from liquid flushing in that a gaseous agent, in particular compressed air, is used to clean the face from the sludge. The use of compressed air as a cleaning agent provides a significant increase in mechanical drilling speeds and reduces the time spent on eliminating geological complications, which dramatically increases the productivity and efficiency of drilling operations.
Keywords: Drilling efficiency, exploration well, air purging, drilling, Wound effect, well, vortex tube, compressor, drilling shell, washing liquid, bottom hole, temperature regime.
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование техники и технологии буровых работ, повышение энергетической эффективности буровых оборудований и уменьшение себестоимости бурения скважин является актуальной задачей поиска и разработки месторождений полезных ископаемых.
Повышение эффективности бурения скважин требует внедрения новых инновационных и высокопроизводительных технических решений.
На сегодняшний день, наиболее прогрессивным и эффективным методом бурения в определенных условиях считается бурение скважин с очисткой забоя воздухом и различными газообразными промывочными агентами.
При бурении с продувкой скорость бурения резко увеличивается за счет отсутствия гидростатического давления столба промывочной жидкости, благодаря большим скоростям воздушного потока происходит более полная и быстрая очистка скважины от шлама. В результате, улучшаются условия работы породоразрушающего инструмента, что ведет к ускорению проходки.
Применение сжатого воздуха для очистки забоя скважины в определенных условиях является эффективным способом проходки скважин. Но массовые расходы и теплоемкость воздуха значительно меньше по сравнению с промывочной жидкостью, что приводит к возникновению высоких температурных режимов на забое скважины, которые отрицательно влияют на эффективность породоразрушающего инструмента.
Кроме того, значительно повышаются топливно-энергетические затраты буровых работ за счет использования компрессорных агрегатов, затраты энергии привода которых больше, относительно насосов, используемых в аналогичных условиях.
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
Работа в номинальном режиме компрессора является основной причиной больших энергетических потерь. Приблизительно 30 % сгораемого топлива преобразовывается в полезную мощность, а 70 % ее теряется в тепловом виде, по этой причине большая часть потерь приходится на двигатели внутреннего сгорания (ДВС) компрессорной установки [1].
При бурении скважин температурные факторы отрицательно влияют на работу бурового инструмента через высокие контактные температуры с необратимыми последствиями (деформации матриц, разрушение алмазов, зашлифование и засаливание их рабочих поверхностей, снижение твердости алмазов и прижоги инструмента).
В результате высокой температуры бурового инструмента возникают аварийные ситуации, чаще алмазные долота прижигаются, затраты времени на устранение прижога составляют 8-10%. Очевидно, что повышение эффективности непосредственно связано с обеспечением температурного режима при бурении скважин [2].
ЛИТЕРАТУРНЫЙ АНАЛИЗ И МЕТАДОЛОГИЯ
Одним из эффективных средств поддержания температурного режима скважины при бурении с продувкой воздухом, является применение, охлажденного до отрицательных температур, воздуха в качестве очистного агента.
Использование вихревой трубы, основанной на эффекте Ранка, в качестве охлаждающего устройства для продувочного воздуха, возможно, является более эффективным и экономичным. Отличительные особенности вихревой трубы, малые размеры и отсутствие движущихся частей, позволяют использовать ее в качестве призабойного генератора холода в процессе бурения скважины. На рис. 1 приведен конструктивный вид вихревой трубы.
Вихревой эффект, или эффект Ранка, заключается в том, что приосевые слои кругового потока, образованного в результате истечения воздуха через сопло, значительно охлаждаются и протекают через отверстие диафрагмы как холодный поток, одновременно происходит нагревание периферийных слоев, которые затем вытекают через дроссель как горячий поток. Дроссель регулирует расход холодного и горячего воздуха. Часть воздуха, выходящая через холодный выход вихревой трубы, называется холодной фракцией. Она имеет минимальный расход воздуха при наименьшем значении температуры холодного потока.
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
1 - трубка; 2 - гайка; 3 - корпус; 4 - улитка; 5 - генератор холодной фракции на холодном выходе; 6 - гайка; 7 - трубка; 8 - дроссель; 9 - крестовина; 10 - прокладка Рис. 1. Конструкция вихревой трубы
С целью установления основных закономерностей изменения параметров в различных режимах работы вихревой трубы проведены экспериментальные работы.
Результаты экспериментальных работ позволили установить зависимость изменения температуры холодного и горячего потоков вихревой трубы от давления воздуха.
В результате регриссионного анализа, проведенного на основании экспериментальных данных, получена зависимость температуры воздуха холодного потока вихревой трубы от его давления:
Ън = -24,6 Р - 10,9, °С (1)
где Р - давление воздуха, выходящего с компрессорной установки, МПа.
С помощью полученной зависимости можно определить начальную температуру воздуха на холодном выходе вихревой трубы, который нагнетается в бурильные трубы ^1н), а также выражение (1) может быть использовано для расчёта температурного режима скважины с помощью формул (2) и (3) при бурении с продувкой воздухом с использованием вихревой трубы в качестве холодильной установки.
Температурный режим скважины при бурении - это распределение температуры циркулирующей промывочной среды в кольцевом и во внутреннем канале бурильной колонны, которое зависит от множества факторов. Принятые за основу формулы, предложенные Б.Б. Кудряшовым, позволяют рассчитать текущую температуру на любой глубине ^ исходя из начальной температуры потоков промывочной среды при конечной глубине скважины К Распределение температуры определяется по следующим формулам [3]:
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
в бурильных трубах
ti = ( hH - L) ■ e-2e-l(h-H) + Tn, C (2)
ьгср rl
в кольцевом канале
t2 = (Tn - tiH) f ■ e^ e^(h-H\ C (3)
rl ьгср '2
где r, r2 — корни характеристического уравнения:
-1
где Тп - средняя постоянная по глубине естественная температура пород, °С; t1n - температура промывочной среды, нагнетаемой в бурильные трубы, °С; h - глубина скважины (текущая координата), м; H - конечная глубина, м; D -диаметр скважины, м; k - коэффициент теплопередачи через стенку бурильной колонны, отнесенной к единице длины трубы, Вт/(м-°С); G - весовой расход (для воздуха - G^ в кг/с; с - удельная весовая теплоемкость очистного агента, (для воздуха при постоянном давлении - ср) Дж/кг-°С; kx - коэффициент нестационарного теплообмена, Вт/-ч-°С; At^ - прирост температуры воздуха в призабойной зоне скважины, °С.
Правильное определение величин формул (2) и (3) влияют на результат параметров температурного режима. При бурении скважин с продувкой воздухом с применением вихревой трубы, температура холодного потока воздуха (t1n) на холодном выходе вихревой трубы, зависящая от давления, может быть определена по зависимости, полученной при испытаниях вихревой трубы.
В случаи применения вихревой трубы с целью охлаждения подаваемого в скважину воздуха, начальная температура (t1n) промывочной среды будет определяться температурой воздуха на холодном выходе вихревой трубы.
После корректировки формул, с учетом экспериментально полученной зависимости температуры на холодном выходе вихревой трубы от давления (1), формулы (2) и (3) примут следующий вид:
в бурильных трубах
ti= ((-24,6 • Р - 10,9) — Тп) e-2 h e-i(h - H) + Tn, °С (5)
в кольцевом канале
t2= (Тп — (-24,6 • Р - 10,9))^ e-2 h — ——eri(h - H), °С (6)
ri G2cp r2
где Р - давление воздуха, МПа.
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
ОБСУЖДЕНИЕ
На основе формул (2) и (3) разработана математическая модель температурного режима скважины с применением вихревой трубы, позволяющая определить и прогнозировать температуру в любой точке скважины в зависимости от давления воздуха. Температурный режим скважины был рассмотрен для двух случаев, в первом случае, вихревая труба устанавливается на устье скважины, охлажденный воздух подается в скважину по теплоизолированным бурильным трубам.
Результаты расчетов с теплоизолированными бурильными трубами при расположении вихревой трубы на устье (рис. 2) показывают, что от верхних участков ствола скважины до глубины 75-80 м происходит возрастание температуры продувочного воздуха и она становится близкой к температуре породы. В призабойной зоне на глубине 90 м наблюдается постепенное повышение температуры воздуха под действием тепла, поступающей от породоразрушающего инструмента. Таким образом, при конечной глубине скважины 100 м температура воздуха в бурильной трубе достигает 11 °С и в кольцевом канале скважине - 18 °С.
t, 'С
0 25 50 75 .V 100
Рис. 2. График распределения температуры в теплоизолированных бурильных трубах (1) и в кольцевом канале (2)
Во втором случае, вихревая труба встраивается в состав бурового снаряда над колонковой трубой.
Результаты расчета при расположении вихревой трубы над буровым снарядом представлены графически на рис. 3, из которого наблюдается, что конечная температура в трубе на забое составляет -8 °С, а в кольцевом канале -1°С.
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
t,°C
—1 .... 1 ™
0 1,25 2,5 3,75 L, M 5
1- в колонковой трубе и 2- в кольцевом канале Рис. 3. График распределения температуры при установки вихревой трубы в состав бурового снаряда над колонковой трубой
Результаты расчетов позволяют сделать вывод о том, что наилучшего охлаждения на забое можно достичь, установив вихревую трубу в состав бурового снаряда над породоразрушающем инструментом. Но в этом случае возникает необходимость разработки надёжной конструкции забойного бурового снаряда, обеспечивающей бесперебойную работу.
Повышение скорости проходки скважин с продувкой холодным воздухом приводит к повышению энергоёмкости данного процесса по причине необходимости использования компрессора с более мощным приводом относительно насосов, используемых при бурении в подобных условиях.
Анализ работы передвижных компрессорных установок показывает, что значительная часть энергетических потерь приходится на ДВС привода компрессора, так как не все сгораемое топливо преобразовывается в полезную мощность. Большее количество тепловой энергии отводится от двигателя в систему охлаждения и уносится с отработавшими газами.
Величина эффективного КПД двигателя, которое определяет количество тепловой энергии преобразующейся в полезную мощность при сгорании топлива в двигателе, зависит от множества факторов и составляет 30 - 35 %. Остальное количество теплоты выводится в атмосферу с выхлопными газами, при этом загрязняя окружающую среду. Сегодня эта тепловая энергия не используется.
В настоящее время двигатель со свободным выхлопом можно встретить только как исключение. Он представляет собой весьма неэкономичную и нерациональную машину, так как выбрасывает в атмосферу значительное количество энергии, которую достаточно полно можно использовать при помощи ряда систем.
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
Утилизируемое тепло от ДВС компрессорной установки и горячего воздуха от вихревой трубы, принцип действия которой основан на вихревом эффекте, можно использовать для отопления производственных и бытовых объектов, на снабжение горячей водой, на технологические нужды производства [4].
Использование тепла выхлопных газов с теплообменными аппаратами создает сопротивление на выхлопной трубе ДВС. Величина противодавления на выхлопе лимитируется т.к. это ухудшает рабочие процессы в цилиндрах двигателя, уменьшается коэффициент избытка воздуха, наполняемость цилиндров свежим зарядом и падает эффективная мощность двигателя. Повысить эффективность компрессора с приводом от ДВС можно применением вихревой трубы.
Для повышения эффективности компрессора и снижения затрат на теплоснабжение при бурении скважин с продувкой воздухом с применением вихревой трубы предлагается следующее устройство утилизации теплоты ДВС компрессора и нагретого воздуха, выходящего с горячего выхода вихревой трубы (рис. 4).
5
1 - компрессор; 2 - ДВС; 3 - радиатор; 4 - вентилятор; 5 -теплообменник; 6 - выхлопная труба; 7 - труба; 8 - ижекционное сопло; 9 -рессивер; 10 - задвижка;11и 12 - вихревые трубы Рис. 4. Устройство для утилизации теплоты двигателя внутреннего сгорания
компрессорной установки
Устройство работает следующим образом: после того, как двигатель компрессора запущен, сжатый воздух из рессивера 9 компрессора 1 подается в
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
вихревые трубы 11 и 12, где происходит температурное разделение воздуха на холодный и горячий потоки. После разделения в вихревых трубах холодный поток воздуха подается в скважину. Горячий поток воздуха, через инжекционное сопло 8 смешиваясь с горячим потоком, поступающим с выхлопными газами из выхлопной трубы 6 двигателя внутреннего сгорания 2, подается в теплообменник 5.
Вентилятор 4, отбирая теплоту радиатора 3, направляет его в теплообменник. Теплообменник 5 создает сопротивление движению выхлопных газов, что снижает полезную мощность двигателя и повышает его расход топлива.
Для снижения вредного влияния сопротивлений теплообменника, горячий поток высокого давления с вихревой трубы 11 подается в инжекционное сопло 8, установленное в выхлопном трубопроводе. В сопле происходит разрежение газов, при котором струя горячего потока воздуха с вихревой трубы, выходя с большой скоростью из сопла, увлекает за собой выхлопные газы. При этом снижается сопротивление движению выхлопных газов, создаваемое теплообменником, что способствует снижению расхода топлива двигателем.
РЕЗУЛЬТАТЫ
С целью определения влияния эжекции выхлопных газов ДВС на эффективность его работы, проведены экспериментальные исследования расхода топлива при эжекции выхлопных газов потоком воздуха от вихревой трубы.
Для выполнения экспериментальных исследований использовалась установка, схема которой представлена на рис. 5.
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
1 - двигатель (ДВС); 2 - весы; 3 - выхлопная труба; 4 - компрессор; 5 - вихревая труба; 6 - эжекционное сопло; 7 - теплообменник; 8 - блок с лампами; 9 - вентилятор; t1 - температура выхлопного газа на входе к теплообменнику, ( ° С ); t2 -температура выхлопного газа на выходе из теплообменника, (°С); to^ - температура
охлаждающего воздуха, подаваемого в теплообменник, (°С); - температура охлаждающего воздуха, выходящего из теплообменника, (° С ); Увх - скорость потока выхлопного газа, подаваемого в теплообменник, (м/с); Уохл - скорость потока охлаждающего воздуха, подаваемого в теплообменник, (м/с); ^.вх - температура воздуха на горячем конце
вихревой трубы, (°С) Рис. 5. Схема экспериментальной установки исследования влияния эжекции выхлопных газов ДВС на эффективность его работы
Исследования проводились с использованием бензоагрегата с генератором мощностью 2 кВт. В качестве нагрузки генератора использовались лампы накаливания. Нагрузку увеличивали по 300 Вт, от 0 до 1800 Вт. Вихревая труба устанавливалась в эжекционном сопле, расположенном в выхлопном коллекторе бензоагрегата, перед теплообменником. Сжатый воздух подавался в вихревую трубу от компрессора.
Экспериментальные исследования проводились в два этапа. Первый этап испытания проводился с подсоединением к глушителю бензоагрегата теплообменника, без применения эжекционного сопла, во втором этапе испытаний, между бензогенератором и теплообменником на выхлопном коллекторе устанавливалось эжекционное сопло.
Применение эжекционного сопла между бензогенератором и теплообменником позволило снизить расход топлива двигателя, на рис. 6 приведен график зависимости расхода топлива ДВС от нагрузки на двигатель.
ЗОО 600 900 1200 1500 1800
0Г2
Нагрузка на двигатель Ы, Ватт —а—без зжекдионнсгэ сопла —Ж-с эжекцио-нь .V. ссп-пом
Рис. 6. График зависимости расхода топлива ДВС от нагрузки на двигатель
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
В ходе испытаний с применением эжекционного сопла наблюдалось снижение расхода топлива. Величина экономии топлива увеличивается с увеличением нагрузки двигателя. Результаты экспериментальных исследований показывают, что применение эжекционного сопла позволяет снизить расход топлива ДВС в среднем на 7-10 %.
Мощность является одним из важнейших параметров бурения геологоразведочных и взрывных скважин, определяющих энергоёмкость и эффективность процесса разрушения горной породы. Определение рациональных технологических режимов и обеспечение экономической эффективности зависит от определения необходимой мощности бурения на стадии проектирования процесса. Наиболее важным фактором, определяющим температурный режим скважины, кроме начальной температуры продувочного воздуха (1:^) нагнетаемой в бурильные трубы, является прирост температуры продувочного воздуха А1з, в результате нагрева породоразрушающего инструмента у забоя скважины.
Результаты испытаний при опытном бурении с продувкой позволили определить тепловую мощность, выделяющейся на забое, т.е., мощность, которая идет на нагревание призабойной зоны и коронки:
Р тепл=С-С ■ ( г2 - Вт (7)
где с - теплоемкость воздуха, Дж/кг-°С; - температура воздуха на выходе с герметизатора, °С; 11 - температура воздуха на выходе с вихревой трубы, °С;
О - расход воздуха, кг/с.
Результаты испытаний позволили установить зависимость тепловой мощности от скорости объемного бурения (рис. 7).
Рис. 7. Зависимость тепловой мощности от скорости объемного разрушения
горной породы
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
По результатам экспериментальных испытаний, установлена зависимость изменения скорости объемного бурения от осевой нагрузки и частоты вращения бурильной трубы. Изменение скорости бурения, частоты вращения коронки и осевой нагрузки влияет на скорость объемного разрушения. С другой стороны, известно влияние осевой нагрузки и числа оборотов на забойную мощность. Таким образом, объемную скорость разрушения можно принять за обобщающий параметр, оказывающий существенное влияние на тепловую мощность.
В результате проведенного регрессионного анализа экспериментальных данных получена следующая зависимость:
Ртепл = 7-1 0 9 ■ vn- 8 3,8 2, (8)
где vn- скорость объемного бурения, м/с.
С помощью установленной зависимости можно определить повышение температуры воздуха для продувки:
_ Рщепл _ 7'10 • Уп~83,82 /о\
At3 " G-c = G-с , (9)
где Ртепл - тепловая мощность, выделяющаяся на забое в процессе бурения, Вт; с - теплоемкость воздуха, Дж/кг- °С; G - расход воздуха, кг/c; vn -скорость объемного бурения, м /с.
При практических расчетах температурного режима скважины при бурении с продувкой с использованием вихревой трубы количество теплоты, выделяемой на породоразрушающим инструменте, которая определяет прирост температуры продувочного воздуха (Atj), может определяться по экспериментально полученной нами зависимости (8). При этом формулы для практических расчетов температурного режима скважины (2) и (3) предложенные Б.Б. Кудряшовым примут следующий окончательный вид:
в бурильных трубах
tx = [( - 2 . 4 6 ■ Р - 1 0 ,9 ) ■ Тп] ■ еГ2 h ■ to(7- 1 029- ~8 3' 8 2 ) eri(h -я) + Тп, °С
G, 'Ср ■г1
(10)
в кольцевом канале
t2 = [Тп - ( - 2 . 4 6 ■ Р - 1 0 ' 9 ^ h - 7 • 1 °9- - 8 3' 8 2 ) e-i(h -Юг С
Г1 'ср'Г2
(11)
Разработана конструкция бурового инструмента, содержащая вихревую трубу для бурения скважин со сплошным забоем, разработана новая
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
конструкция колонкового снаряда со съемным керноприемником, содержащий вихревую трубу и проведены промышленно-экспериментальные исследования разработанной конструкции бурового инструмента, содержащего вихревую трубу.
Обобщение результатов исследований и опыта использования вихревых труб, позволило разработать конструкцию вихревой трубы для установки ее в призабойной зоне бурового снаряда с целью охлаждения продувочного воздуха непосредственно на забое скважины [5].
Для повышения эффективности породоразрушающего инструмента, на основе нормализации и регулирования температурных режимов при бурении с очисткой забоя воздухом, разработана следующая конструкция бурового снаряда, включающая в себя вихревую трубу (рис. 8).
1 - шарошечное долото; 2 - переходник; 3 - наружная труба; 4 - гайка; 5 - вихревая труба; 6 - генератор холодной фракции на холодном выходе; 7 -входное отверстие; 8 - тангенциальное отверстие для выхода горячего воздуха
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
Рис. 8. Буровой снаряд, включающий в себя вихревую трубу для бурения с
очисткой забоя воздухом
Буровой снаряд с вихревой трубой работает следующим образом. При бурении скважины сжатый воздух по наружной трубе 3, через входные отверстия 7, подается на генератор холодной фракции 6 вихревой трубы 5 и закручивается в ней. Поток сжатого воздуха при прохождении через вихревую трубу разделяется на два потока, поток холодного и горячего воздуха. Поток холодного воздуха вытекает из отверстия гайки 4, через переходник 2 и буровое долото 1, поступает на забой скважины для выноса продуктов разрушения в затрубное пространство с одновременным охлаждением бурового долота. Генератор холодной фракции, в данном устройстве, выполнен съемным, который можно заменить на другой тип генератора, что позволяет, в случае необходимости, изменить режим охлаждения при изменении режимов бурения.
Горячий воздух из вихревой трубы 5, через тангенциальное отверстие для выхода горячего потока воздуха 8, вытекает в затрубное пространство. Поскольку отверстие 8 выполнено тангенциально эжекторным, то оно создаёт вихревое движение в затрубном кольцевом зазоре. Это позволяет эжектировать холодный поток с продуктами разрушения, что улучшает очистку забоя и благоприятно сказывается на охлаждение долота, так как уменьшаются затраты энергии на повторное переизмельчение частиц породы.
Такое выполнение бурового снаряда для бурения с продувкой воздухом позволяет повысить стойкость бурового долота и нормализовать температурный режим породоразрушающего инструмента.
Для определения температуры охлажденного продувочного воздуха в зависимости от давления и расхода воздуха разработанной конструкции бурового снаряда с вихревой трубой проводились экспериментальные испытания.
На основе результатов испытаний установлена зависимость температуры охлажденного потока воздуха от давления воздуха, создаваемым компрессором (рис. 9).
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
G -]-1-1-1-1-1-1-1
Л; -14--N.-
-16
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Давление воздуха Р. МПа
Рис. 9. График зависимости температуры охлажденного потока воздуха от давления, создаваемого компрессором
При давлении сжатого воздуха 0,3 МПа температура охлажденного потока воздуха составила -2 °С, а при давлении 0,8 МПа -15°С, с увеличением давления сжатого воздуха на каждые 0,1 МПа наблюдалось снижение температуры охлажденного воздуха на 2-3 °С.
С целью определения эффективности разработанных конструкций бурового инструмента и влияния низких начальных температур очистного воздуха на эффективность инструмента, были проведены опытно-промышленные исследования.
Схема экспериментальной установки при испытании бурового снаряда с вихревым охладителем приведена на рис. 10.
Я
б
1 - буровая установка; 2 - компрессор; 3 - искусственный разбуриваемый блок; 4 - буровой снаряд, содержащий вихревую трубу; 5 - многоканальный
измеритель температуры; 6 - термопары типа К; 7 - патрубок для отвода очистного воздуха со шламом; п - точка замера частоты вращения бурильной колонны (об/мин); Рос - точка замера осевой нагрузки (кН); Рк - точка замера давления воздуха на выходе из компрессора (МПа); О - точка замера расхода
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
воздуха на выходе из компрессора (кг/с), t3a6 - точка замера температуры на забое (°C); tBbIX - точка замера температуры очистного воздуха на выходе из
скважины (°C)
Рис. 10. Схема экспериментальной установки при испытании бурового снаряда с
вихревым охладителем
Экспериментальные работы были проведены следующим образом: на искусственный разбуриваемый блок 3, с коэффициентом крепости породы f=7, установили термопары 6 и подключили к многоканальному измерителю температуры 5. Сверху разбуриваемого блока установили патрубок 7 для отвода очистного воздуха со шламом. Буровой снаряд с вихревой трубой 4 присоединили к вращателю буровой установки 1, далее запустили компрессор 2 затем, буровую установку 1, задали давление сжатого воздуха Рк на компрессоре, частоту вращения п и осевую нагрузку Рос.
После установившегося режима работы замеряли расход воздуха G на выходе из компрессора, замеряли температуру на забое t3a6 и температуру t вых очистного воздуха на выходе из скважины. Длительность экспериментального бурения Т для каждых заданных параметров составила 10 минут, после которых замерялась длина проходки . Экспериментальные работы выполнялись с применением обычного бурового снаряда и нами разработанного бурового снаряда с вихревой трубой по несколько раз с различными частотами вращения п, осевой нагрузкой Рос, давлением Рк и расходом G сжатого воздуха.
Результаты экспериментальных испытаний разработанной конструкции бурового инструмента, содержащей вихревую трубу, позволили установить зависимость изменения температуры на забое скважины t3a6 от частоты вращения бурильной колонны п, величины осевой нагрузки Рос и температуры продувочного воздуха, подаваемого в скважину t охл . Также установлена зависимость углубления скважины от температуры продувочного воздуха, подаваемого в скважину t охл .
На основе результатов экспериментальных испытаний установлена зависимость величины температуры на забое от параметров бурения и начальной температуры продувочного воздуха.
На рис. 11 и 12 приведены зависимости изменения температуры на забое от частоты вращения бурильной колонны при различных осевых нагрузках с обычным буровым снарядом и с применением нами разработанного бурового снаряда с вихревой трубой.
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
Рис. 11. График зависимости изменения температуры на забое от частоты вращения бурильной колонны п при различных осевых нагрузках Рос при применение
обычного бурового снаряда
При бурении с очисткой забоя неохлажденным воздухом (рис. 11) наблюдается повышение температуры на забое с увеличением частоты вращения. К примеру, при осевой нагрузке на буровой снаряд 5 кН, частоты вращения 69 об/мин и температуры подаваемого очистного воздуха 35°С температура на забое составляла 77°С, при увеличении частоты вращения на 103 об/мин, температура на забое повысилась на 30°С и составила 107°С. При последовательном увеличение частоты вращения на 200 об/мин температура на забое повысилась на 76°С и составила 183°С, при частотах вращения 300 об/мин температура на забое составила 262°С. Увеличение осевой нагрузки также привело к повышению температуры на забое.
Применение бурового снаряда с вихревой трубой позволило снизить температуру на забое за счет создания отрицательных температур очистного воздуха (рис. 12).
500
Рис. 12. График зависимости изменения температуры на забое Ьзад от частоты вращения бурильной колонны п при различных осевых нагрузках Рос при применении
бурового снаряда с вихревой трубой
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
Как видно из графика, при осевой нагрузке на буровой снаряд 5 кН, частоты вращения 300 об/мин и температуры очистного воздуха -15°С температура на забое составляет 206°С, что ниже на 56°С относительно бурения с обычным буровым снарядом. При бурении геотехнологических и технических скважин с продувкой низкие температуры на забое способствуют улучшению работы породоразрушающего инструмента, что ведет к ускорению проходки.
Механическая скорость проходки скважины, в первую очередь, зависит от режимных параметров бурения, вида и объема очистного агента, но при бурении с очисткой забоя воздухом условия охлаждения бурового снаряда влияютт на величину скорости проходки, это обосновывается результатами экспериментальных исследований, приведенных графически на рис. 13.
Графическая зависимость изменения скорости проходки от частоты вращения бурильной колонны показывает, что при начальной температуре очистного воздуха 40°С, осевой нагрузке 10 кН и частоты вращения бурильной колонны 69 об/мин, скорость проходки составляет 2,6 м/ч, с повышением частоты вращения бурильной колонны наблюдается увеличение скорости проходки, при частоте вращения 300 об/мин скорость проходки составляет 6,8 м/ч. При применении охлажденного воздуха для очистки забоя с температурой -12°С в аналогичных условиях бурения наблюдается повышение скорости проходки, при частоте вращения бурильной колонны 69 об/мин, скорость проходки составляет 2,76 м/ч, а при частоте вращения 300 об/мин 7,6 м/ч.
Рис. 13. График зависимости изменения скорости проходки V от частоты вращения бурильной колонны п при осевой нагрузке 10 кН, с различными температурами очистного воздуха Ьохл
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
Таким образом, в зависимости от режимов бурения, скорость проходки, за счет применения охлажденного до отрицательных температур очистного воздуха, увеличивается в среднем на 7 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышение эффективности работы бурового оборудования в значительной степени возможно за счет улучшения эксплуатационных показателей породоразрушающего инструмента и снижения топливно-энергетических ресурсов.
Экономический эффект от применения разработанной новой конструкции бурового снаряда, содержащей вихревую трубу и устройства для утилизации теплоты двигателя внутреннего сгорания компрессорной установки, достигается за счет увеличения механической скорости бурения, полезной утилизации теплоты и снижения расхода топлива ДВС привода компрессора.
Внедрение разработанного нами бурового снаряда с вихревой трубой позволило повысить эксплуатационные показатели породоразрушающего инструмента за счет увеличения механической скорости бурения на 7%.
Применение устройства для утилизации теплоты двигателя внутреннего сгорания компрессорной установки позволило полезно утилизировать теплоту выхлопных газов, которые можно использовать на технологические нужды, снизив затраты на теплоснабжение и снизить расходы топлива ДВС компрессора на 7-10% за счет эжекции выхлопных газов.
REFERENCES
1. Джураев Р.У., Меркулов М. В., Косьянов В. А., Лимитовский А. М. Повышение эффективности породоразрушающего инструмента при бурении скважин с продувкой воздухом на основе использования вихревой трубы. // Горный журнал. - 2020. - №12. С. 71-73.
2. Merkulov M.V., Djuraev R.U., Leontyeva O.B., Makarova G.Y., Tarasova Y.B. Simulition of thermal power on bottomhole on the bases of experimental studies of drilling tool operation // International Journal of Emerging Trends in Engineering Research. - 2020. Vol. 8, №.8. - Р. 4383-4389.
3. Джураев Р.У., Меркулов М.В. О возможности применения вихревых труб при бурении геологоразведочных скважин.// Известия Вузов. Геология и разведка. Москва. 2013. №3. С.76-78.
ACADEMIC RESEARCH IN EDUCATIONAL SCIENCES VOLUME 2 | ISSUE 9 | 2021
ISSN: 2181-1385
Scientific Journal Impact Factor (SJIF) 2021: 5.723 Directory Indexing of International Research Journals-CiteFactor 2020-21: 0.89
DOI: 10.24412/2181-1385-2021-9-265-284
4. Джураев Р.У., Меркулов М.В. Нормализация температурного режима скважин при бурении с продувкой воздухом.// -Навоий, «А. Навоий», 2016.
5. Джураев Р.У., Меркулов М.В.Утилизация теплоты ДВС привода компрессора и избытков воздуха при бурении геологоразведочных скважин с продувкой воздухом. // Горный информационно-аналитический бюллетень -ГИАБ, №7. Москва. 2016 г. С 186-192.
