Влияние геометрических параметров шнека буровой штанги на процесс транспортирования буровой мелочи при бурении вертикальных скважин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

21

НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2 ГГУ.я31яянваряя-я4яфевраляя2000я-одая

>А^М1

^ В.А. Евстратов, 2000

YAK 622.232:621.879.41

В.А. Евстратов

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ШНЕ1 БУРОВОЙ ШТАНГИ НА ПРОЦЕСС ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ БУРОВОЙ МЕЛОЧИ ПРИ БУРЕНИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Процесс вертикального шнекового транспортирования буровой мелочи достаточно глубоко исследован в работах Л.М. Александра, Д.Н. Башкатова, А.М. Григорьева, Е.М. Гутьяра, Б.А. Катанова, В.И. Мурашова, S. Bottcher, U. Rieman, W. Suhadi, I. Parsons.

Установлено, что эффективность вертикального шнекового транспортирования продуктов бурения зависит от различных факторов, к числу которых можно отнести параметры скважины и бурового инструмента (радиусы скважины и бурового инструмента, угол нарезки винтовой линии шнека, число и расположение лезвий бурового инструмента), параметры трения (коэффициенты трения материала о винтовую реборду и о стенки скважины). Процесс транспортирования буровой мелочи возможен лишь при определенном сочетании этих параметров. В противном случае процесс транспортирования буровой мелочи ухудшается или совсем прекращается, что приводит к ведению бурения с большими энергозатратами, а в конечном итоге - к аварийным ситуациям, т.е. заклиниванию буровой штанги в скважине и прекращению бурения из - за накопления буровой мелочи в скважине.

Изучая процесс движения сыпучего материала по вертикальному шнеку почти все исследователи пришли к выводу, что это сложный процесс и математическое описание его весьма затруднительно.

Движение сыпучих, пылевидных и мелкокусковых материалов в вертикальных шнеках большинство исследователей рассматривают как движение некоторой дискретной или локальной массы, т.е. частицы. Подобная идеализация, хотя и приближенно отражает физику рассматриваемого процесса, оправдано упрощением расчетов. В литературных источниках

достаточно полно представлены исследования влияния различных конструктивных параметров шнекового механизма на эффективность его работы, таких как: угол подъема винтовой линии шнека, радиус лопасти шнека, радиус вала шнека, скорость вращения шнека.

Установлено, что рациональные значения этих параметров определяются физико-механическими свойствами транспортируемого материала, в частности коэффициентами трения материала о металл шнековой лопасти и стенку скважины.

Движение материала в вертикальном шнеке в направлении оси шнека происходит благодаря трению материала о стенки скважины. Чем больше трение материала о стенки скважины, тем больше поступательная составляющая движения материала и выше производительность шнека.

Сила трения материала о стенку скважины зависит от коэффициента трения материала о стенку и от силы нормального давления материала на стенку скважины. Увеличить силу нормального давления материала на стенку скважины можно за счет изменения профиля шнековой лопасти буровой штанги, а именно, расположив лопасть не горизонтально, то есть перпендикулярно к оси штанги, а под углом 0 к нормали оси штанги (рис.1). Частица материала, опирающаяся на винтовую поверхность шнека и прижатая к стенке скважины, при вертикальном расположение буровой штанги, образующие поверхности лопасти шнека которой направлены по нормали к оси штанги, в стационарном режиме имеет движение, описываемое дифференциальными уравнениями [1]

N

ш cos a- fш Nш sin a- І'ц Nц cos P- mg = °;

f ц Nц sin P - f шNш cos a- Nш sin a = °;

2

- N

Ц

mR®2 + mR\ —Ф ° І dt

—Ф

- Nц - 2mR®° — = 0 . ц 0 dt

(l)

где Ыш - нормальная реакция лопасти шнека, Н; /ш циент трения материала о лопасть шнека; а = ате(§

коэффи-

S

2nR

угол подъема винтовой линии шнека, рад; Б - шаг шнека, м;

О

радиус лопасти шнека, м;

R

масса элемента мате-

g

риала, кг; О - вес элемента материала, Н; Кц - нормальная реакция стенки скважины, Н; /ц - коэффициент трения материала о стенку скважины; в - угол между вектором абсолютной скорости V и осью штанги, рад; а = Rtgа - параметр шнека, м;

t

—ф ю° sin a sin р

время, с; ------= Ю =----------------------угловая скорость от-

dt cos( p-a )

носительного движения частицы, 1/с; mroj)R - центробежная

Рис. 1. Схема действия сил на частицу материала

J dp I

сила инерции в переносном движении, Н; шК\ ---------I - центро-

^ dt)

бежная сила инерции в относительном движении, Н; , dp

2m&oR-----------сила Кориолиса, Н;

dt

Подставив в третье уравнение dip _ ю0 cos а cos Р dt

(P-a)

cos имеем

Nm cos a - fm Nm sin a- fц Ыц cos P - mg = 0;

fц Nц sin P - fm Nm cos a- Nm sin a = 0;

Рис. 2. Зависимость коэффициента подачи шнека наклона образующих шнековой лопасти

(2)

от угла

- Nц + mR®0

sin a sin p cos(p - a)

2

= 0.

Решив систему (2), получим уравнение для определения угла в , характеризующего направление движения материала между осью штанги и направлением движения материала.

sin a sin P cos(P - a)

іш + tga

sin P(l - fmtga) - cos $(іш + tga)

■ = 0.

(3)

Рассмотрим движение частицы материала при вертикальном транспортировании шнековой штангой, лопасть которой расположена под углом 0 вниз

от штанги к периферии (рис. 1). В этом случае система (2) имеет следующий вид

Ыш С°Я У - /ш Ыш Яп а- /ц Ыц С°Я Р- т = 0;

>ц±у ц

и Nц sin Р - ішnш cos a - Nшtga cos Y = 0;

2

NшtgQ cos Y - Nц + mR®0

sin a sin p cos(p - a)

= 0.

(4)

где 0 - угол между образующей лопасти штанги и нормалью к оси штанги (рис. 1); а - угол подъема винтовой линии шнековой лопасти; у - угол между плоскостью шнековой лопасти и нормалью к оси штанги

arctglij tg 2a + tg 20

У = <

Уравнение для определения угла Р , полученное из системы (4) имеет вид

^о2 !ц

g

sin a sin P cos(P - a)

■ = 0.

(5)

fm cos a + cos ytga - f sin Ptg0 cos у cos у sin P - fm cos(P - a) - cos P cos ytga Решение уравнения (5) с применением вычислительной техники позволяет определить влияние угла наклона образующей шнековой лопасти на направление движения частицы материала, а, следовательно, и на производительность шнека.

На рис. 2 представлена зависимость коэффициента выдачи

Qфакт. 1

материала kp =

характеризующего эф-

Qтеор.

1 + tgatgР

фективность функционирования шнека от угла наклона образующих шнековой лопасти при различных значениях коэффициентов трения материала о металл шнека и стенки скважины и следующих значениях величин, входящих в формулу (5): радиус лопасти шнека R = 0,05м ; угол подъема винтовой линии

шнека а = 20°; частота вращения буровой штанги п = 200об / мин .

Количественные результаты показывают, что производительность шнековой буровой штанги с лопастью, имеющей наклон от оси штанги к периферии выше, чем у шнековой буровой штанги с лопастью, образующие которой направлены по нормали к оси штанги, на 8 - 15 % при транспортировании различных материалов за счет увеличения поступательной составляющей движения груза в направлении транспортирования. Анализ полученных результатов показывает, что рациональное значение угла наклона образующих шнековой лопасти зависит от свойств транспортируемого материала и составляет

15 + 40°.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

l. Григорьев А.М. Винтовые конвейеры.-М.: Машиностроение, l972.- 24Вс.

!1Г'!:::::::::::::::::::

Евстратов Владимир Александрович доцеш, Южно Российский тсударстен-ный технический университет (Новочеркасский политехнический инс1и|у|).

2

g

Файл: ЕВСТРА~1

Каталог: 0:\С диска по работе в униве-

ре\а1ЛВ_20\а1ЛВ4_00\ВСЕ Шаблон:

С: \User s\Таня\ЛppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\

Когша1.ёоМ

Заголовок: ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ШНЕКА БУРОВОЙ ШТАНГИ НА ПРОЦЕСС ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ БУРОВОЙ МЕЛОЧИ ПРИ БУРЕНИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СКВАЖИН Содержание:

Автор: Саша***

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания: 18.04.2000 16:58:00

Число сохранений: 7

Дата сохранения: 04.12.2008 15:43:00 Сохранил: Таня

Полное время правки: 42 мин.

Дата печати: 04.12.2008 16:33:00

При последней печати страниц: 2

слов: 1 078 (прибл.)

знаков: 6 146 (прибл.)