CC BY
36
- © Р.У. Джураев, М.В. Меркулов, 2015
УДК 622.143
Р.У. Джураев, М.В. Меркулов
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВИХРЕВОЙ ТРУБКИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К БУРЕНИЮ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
При бурении скважин в мнотлетнемерзлых породах важную роль играет температурный фактор. Наиболее эффективным средством при бурении является использование сжатого воздуха вместо промывочной жидкости для удаления продуктов разрушения с забоя скважины. Однако, применение холодильного устройства с целью охлаждения воздуха поступающей от компрессора в скважину достаточно дорогие и энергоемкие. С целью создания более эффективного, в тоже время и экономически выгодного оборудования мы рассматриваем применение вихревой трубки, в которой происходит эффект Ранка, в качестве холодильно-нагреватель-ной установки.
Ключевые слова: мерзлые породы, бурение, температура, давление, забой, скважина, эффект Ранка, вихревая труба, охлаждение, продувка воздухом, коронка.
В разведке и добыче полезных ископаемых важнейшую роль занимают перспективные районы Севера и Северо-Востока страны. Около 50% их территории занимают много-летнемерзлые породы, мощность которых обычно составляет несколько сотен метров, а температура изменяется от 0 до -15 °С. [1]
Бурение скважин в многолетне-мерзлых породах имеет специфические особенности, в основе которых лежит важнейшая роль температурного фактора. В результате теплового воздействия буровых растворов на лед, цементирующий минеральные частицы породы (в основном песка), связность и прочность последней резко снижается. Это приводит к возникновению осыпей и обвалов стенок скважины, т.е. является причиной ка-вернообразования. Наличие каверн предопределяет целый ряд осложнений, основными из которых являются приустьевые просадки грунта, размывы устья скважин при бурении, низкое качество работ по цементированию, смятие обсадных колонн, прихваты бурильных и обсадных труб.
Наиболее эффективным средством при бурении в многолетнемерз-лых породах является использование сжатого воздуха вместо промывочной жидкости для удаления продуктов разрушения с забоя скважины. Воздух не замерзает при низких температурах, поэтому исключены осложнения, связанные с замерзанием промывочной жидкости в скважине при бурении. Однако возникают другие трудности. Температура воздуха, поступающего от компрессора в скважину, на забое увеличивается за счет перехода механической энергии работающего инструмента в тепловую, что создает опасность возникновения осложнений, связанных с протаиванием стенок скважины и керна. Полностью устранить такие осложнения можно, лишь применяя принудительное охлаждения воздуха до температуры, достаточной для нейтрализации выделенного на забое тепла. Применяемые холодильные установки достаточно дорогие и энергоемкие. С целью создания более эффективного, в тоже время и экономически выгодного оборудования мы предлагаем применить
вихревую трубу, в которой происходит эффект Ранка, в качестве холо-дильно-нагревательной установки [3].
С целью анализа температурного режима вихревой трубки и влияния охлажденного воздуха на температуру скважины, в научно-исследовательском полигоне МГРИ-РГГРУ нами было проведено исследование вихревой трубки и опытное бурение с продувкой воздухом, с применением вихревой трубки.
При исследовании температурных режимов вихревой трубки были сделаны замеры температур окружающей среды £ на холодном и горячем концах (¿хл, ¿гр соответственно) при различных давлениях (Р). Также определен расход воздуха на холодном и горячем концах (вхл, в ). Результаты исследования приведены в табл. 1.
На основе полученных данных построен график зависимости изменения температуры от давления воздуха (рис. 1).
При опытном бурении экспериментальная установка состояла (рис. 2) из передвижного компрессора 1, вихревой трубки 4, опытной бурильной машины, измерительных приборов 3, 10, 12 и искусственного разбуриваемого блока 8 с герметизатором 9. Опытная бурильная машина включала в себя элект-
родвигатель 8, вертлюг 6, бурильную трубу с крестообразной коронкой 7.
Установка работала следующим образом. Сжатый воздух из компрессора 1 подается в вихревую трубку 4, где разделяется на холодный и горячий потоки. Холодный поток воздуха направляется через вертлюг в бурильную трубу с коронкой 7, попадает на забой и по узкому кольцевому зазору между стенками скважины и коронкой направляется вверх, охлаждая коронку 7 и транспортируя шлам с забоя, и уходит в атмосферу через отверстия герметизатора 9.
Замеры параметров в ходе эксперимента выполнялись в следующем порядки. На бурильную трубу подавалась осевая нагрузка (Р ) и с помощью тахометра замерялась частота вращения (Моб) бурильной трубы. На вихревые трубки устанавливалась нужная температура. Давление воздуха (Р) ре-
Зависимость измен
температуры от давления
Р, эта
г { ! 1 ; 5 7 8 9
-1 5,8
С
а 6
. -3 3,4
Рис. 1. Зависимость изменения температуры от давления воздуха
Таблица 1
т, время (мин) Р, ата ^, °С Ъ °С G , кг/с Gг, кг/с
10 8,0 69 -30,4 0,026494 0,018055
10 7,0 67 -28,1 0,024531 0,017074
10 6,0 64 -26 0,022176 0,014523
10 5,0 60 -24 0,020803 0,013934
10 4,0 54 -20 0,017663 0,011775
10 3,0 50 -18 0,0157 0,010794
10 2,0 45 -15,8 0,01413 0,009616
Рис. 2. Экспрементальная буровая установка: 1 - Компрессор, 2 - клапан редукционный, 3 - манометр, 4 - вихревая трубка, 5 - электродвигатель, 6 - вертлюг, 7 - коронка, 8 - искуственный разбуриваемый блок. 9 - герметизатор, 10 - анемометр, 11 - датчики температур, 12 - многоканальный измеритель температуры
гулировалась с помощью редукционного клапана 2 и с помощью многоканального измерителя температуры 12
замерялась температура окружающей среды ) и после охлаждения вихревой трубки ^ ). С анемометром 10
Таблица 2
№ Р, ата Рс, кг ^кр,°С °С G>ых, кг/с вг, кг/с об/мин М , кр Wh, кВт/ч
1,1 8 10 12 -28 -10 0,021 0,0180 350 24 0,138
1,2 8 30 12 -27,5 -6 0,0199 0,0182 260 33 0,154
1,3 8 50 12 -27,8 0 0,0209 0,0179 170 56 0,169
2,1 7 10 12 -26,4 -7 0,02 0,0166 337 23 0,140
2,2 7 30 12 -26,2 -2 0,02 0,0162 255 36 0,153
2,3 7 50 12 -26,1 3 0,0198 0,0170 182 55 0,173
3,1 6 10 12 -24 -4 0,0181 0,0145 348 22 0,136
3,2 6 30 12 -23,8 2 0,018 0,0147 257 34 0,156
3,3 6 50 12 -24 7 0,0179 0,0149 179 56 0,171
4,1 5 10 12 -22 1 0,0165 0,0139 355 23 0,135
4,2 5 30 12 -21,8 6 0,0162 0,0139 248 35 0,155
4,3 5 50 12 -22,1 11 0,0165 0,0137 180 55 0,169
5,1 4 10 12 -18 7 0,015 0,0117 339 24 0,137
5,2 4 30 12 -18,1 12 0,0152 0,0116 250 35 0,152
5,3 4 50 12 -18,3 18 0,0154 0,0117 175 54 0,172
6,1 3 10 12 -16 12 0,0131 0,0108 345 23 0,138
6,2 3 30 12 -16 17 0,0134 0,0109 250 35 0,153
6,3 3 50 12 -16 24 0,0136 0,0107 182 57 0,170
измерялось скорость воздуха и температура воздуха (¿вых), выходящее из отверстия герметизатора 9. Также электросчетчиком замерялось расход электроэнергии (Мь) подаваемая двигателю. Зная скорость потока воздуха и диаметр отверстия, определили расход воздуха на холодном и горячем концах (Gх и Gr). Результаты опыта приведены в табл. 2.
Результаты экспериментальных исследований с вихревой трубкой по-
1. Филатов Б. С, Макурин Н.С., Абрам-сон М.Г., Кирсанов А. И. Бурение геологоразведочных скважин с продувкой воздухом. - М.: Недра, 1964.
2. Минаков В.М., Морозов И.В., Мара-ев А.И., Сироткин А.О. Влияние температурного режима в скважинах большого диаметра на процесс бурения и качество опробования
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
зволили определить, изменение температуры холодного и горячих потоков в зависимости от давления и расхода воздуха. При опытном бурении удалось выяснить влияния температуру и расхода охлажденного воздуха на температуру скважины.
Проведенные опыты показывают, что продувка скважин воздухом отрицательных температур, дает возможность устранения протаивание стенок скважин и керна.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
при разведки мерзлых россыпей // Известия вузов. Геология и разведка. - 1991. - № 3. -С. 118.
3. Джураев Р.У., Меркулов М.В. О возможности применения вихревых труб при бурении геологоразведочных скважин // Известия вузов. Геология и разведка. - 2013. -№ 3. - С. 76. [¡233
Джураев Рустам Умарханович - аспирант, e-mail: strong0185@mail.ru, Меркулов Михаил Васильевич - доктор технических наук, профессор,
Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе.
UDC 622.143
THE RESULTS OF EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS THE VORTEX TUBE APPLIED TO THE DRILLING OF EXPLORATION WELLS
Dzhuraev R.U.1, Graduate Student, e-mail: strong0185@mail.ru, Merkulov M.V.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,
1 Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidze (MGRI-RSGPU), Moscow, Russia.
The factor of temperature plays an important role at drilling borehole of permafrost rocks. The more effective means of drilling is using squeezed air instead of rinsin liquid for removing products destroy from bottom borehole. However, the application of freezing equipment with the aim of air-cooling coming from compressors to the borehole is quite expensive and highly energy consuming.
In order to develop more effective and at the same time using economically profitable equipment, we offer vortex tube, where the effect of Rank will occur as freezing-heating setting. The results of experimental investigations allows us to identify the influence of cooled air on temperature of crown.
Key words: frozen rocks, drilling, temperature, pressure, bottom, borehole, effect of Rank, vortex tube, freezing, purge air, crown.
REFERENCES
1. Filatov B.S, Makurin N.S., Abramson M.G., Kirsanov A.I. Burenie geologorazvedochnykh skvazhin s produ-vkoi vozdukhom (Бурение геологоразведочных скважин с продувкой воздухом), Moscow, Nedra, 1964.
2. Minakov V.M., Morozov I.V., Maraev A.I., Sirotkin A.O. Izvestiya vuzov. Geologiya i razvedka, 1991, no 3, p. 118.
3. Dzhuraev R.U., Merkulov M.V. Izvestiya vuzov. Geologiya i razvedka, 2013, no 3, p. 76.
