Помощничек
Главная | Обратная связь

...

Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ АБРАЗИВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Ковалёв А.В., Алиев Ф.Р., Горбенко В.М., Якушев Д.А.

Научные руководители: профессор Рябчиков С.Я., доцент Горбенко М.В.

Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

В настоящее время наряду с классическим механическим способом разрушения горных пород известно множество альтернативных, к числу которых относятся гидравлические, термические, взрывоударные, электрические и комбинированные способы разрушения [1]. Поиск альтернативных способов бурения обуславливается тем, что на современном этапе развития техники увеличение эффективности разрушения горных пород на забое при механическом способе бурения ограничивается относительно низкой износоустойчивостью породоразрушающего инструмента и малой мощностью, подводимой к забою. По данным Спивака А.И. [2] коэффициент передачи мощности на забой при механическом бурении достигает значений от 0,03 до 0,2. Анализ литературных данных показывает, что среди альтернативных способов разрушения горных пород в ближайшее десятилетие вряд ли окажется возможным бурение в промышленном масштабе с использованием лазера, плазмы, электронного луча, термоструй и взрыва. В то же время, по мнению многих исследователей, возможно применение гидравлических и гидромеханических способов разрушения для проводки различных горных выработок [3].

Гидравлический способ разрушения пород, сущность которого состоит в воздействии высоконапорной струи жидкости, применим только при бурении в мягких рыхлых породах, поскольку для разрушения твердых и средней крепости горных пород данным способом потребуется значительное увеличение гидравлической мощности на забое. Для разбуривания более твердых и прочных пород подходит гидромеханический способ, при котором разрушение пород на забое происходит за счет энергии потока промывочной жидкости с содержанием абразивных частиц. Перспективным с точки зрения практической применимости является способ шароструйного бурения, впервые предложенный американскими исследователями И.Э. Эскелем, Ф.Г. Дэйли, Л. У. Леджервудом и др. [4]. Результаты лабораторных и полевых исследований данного способа бурения А.Б. Уваковым [5] показали возможность достижения высоких механических скоростей бурения (до 20 м/час в крепких горных породах), а результаты работы казахского ученого С.А. Заурбекова показали превышение механической скорости на 20% и проходки на долото на 43% по сравнению с серийными долотами при бурении пород средней твердости [6].

Исходя из вышеизложенного, на кафедре бурения скважин Томского политехнического университета была создана установка для абразивного бурения с применением долота гидромониторно - эжекционного типа. [7, 8]. В основу разработки был положен принцип разрушения горной породы за счёт непрерывной циркуляции породоразрушающих частиц на забое, осуществляемой при помощи струйного аппарата, приводимого в действие потоком промывочной жидкости.

       
   
 
 

 

 


 

 

 

Схема струйного аппарата разрабатываемого долота представлена на рисунке 1. Данный аппарат состоит из корпуса 1, сменных сопла 2 и насадка с диффузором 3. Сменное сопло позволяет при необходимости варьировать его диаметр, а сменный насадок - длину камеры смешения и угол раствора диффузора. Принцип действия данного струйного аппарата следующий (рисунок 2): рабочая жидкость, подводимая к аппарату с большой скоростью, проходит камеру подвода рабочей жидкости 1, ускоряется в сопле 2 и на выходе из него истекает с большой скоростью в камеру смешения 3. При этом в пространстве, окружающем выход сопла с внешней стороны, образуется зона разряжения. В корпусе аппарата выполнены впускные окна 4 (6 шт.), через которые благодаря разряжению происходит всасывание рабочей жидкости со взвешенными породоразрушающими частицами 6 и частицами шлама 7 из затрубного пространства. Далее двухфазная смесь проходит через камеру смешения, где происходит выравнивание скоростей, поступает в диффузор 5 и ударяется о разрушаемый материал 8, осуществляя разрушение.

       
 
   
 


 

 

Для исследования работы струйного аппарата был разработан стенд [8], схема рабочего узла которой представлена на рисунке 3. В процессе первых лабораторных испытаний [9] было установлено, что данный стенд имеет существенные недостатки. Во-первых, отсутствовала жесткая система крепления образца разрушаемого материала к контейнеру, что могло быть причиной незначительного перемещения образца, влияющих на соосность стеклянной трубки и струйного аппарата. Во-вторых, приклеиваемые стеклянные трубки нередко трескались и разрушались, к тому же их склейка с образцом разрушаемого материала требовала больших затрат времени. В-третьих, при работе аппарата наблюдались поперечные колебания долота из-за пульсаций давления на водяном насосе. В-четвертых, использование центрирующих болтов в затрубном пространстве создавало существенные гидравлические сопротивления течению восходящего потока жидкости.

Для устранения выявленных недостатков авторами была проведена значительная модернизация установки (рисунок 4). С целью фиксации необходимого расстояния от аппарата до образца материала и обеспечения возможности плавного спуска инструмента в скважину по мере ее углубления был сконструирован механизм подачи долота 4 на основе фрикционной реечной передачи. Проблема с поперечными колебаниями долота вследствие пульсаций давления на насосе была решена за счет установки тяжелого стального переводника 6 между долотом 7 и напорным рукавом 5. Для предотвращения перемещений стакана 8 с образцом породы под воздействием высоконапорной струи, в конструкцию основания короба 1 были внесены специальные зажимы 2. Для зажима образца горной породы и визуального наблюдения за процессом всасывания частиц был разработан стакан специальной конструкции (рис. 5), состоящий из нижней 1 и верхней 2 частей, прижимного кольца 4, обеспечивающего фиксирование образца 3 к основанию, набора уплотнительных колец 5 для герметизации модели скважины и трубки из оргстекла 6, имитирующей стенки скважины.

Для центрирования аппарата в стакане используется цилиндрический шаблон, наворачиваемый перед опытом вместо струйного аппарата. Отказ от центрирующих болтов привел к снижению гидравлических сопротивлений течению восходящего потока жидкости.

В результате проведенной работы, авторам удалось значительно усовершенствовать стенд для гидроабразивного бурения, что несомненно должно расширить его возможности и повысить качество получаемых результатов.

Литература

1. Сулакшин С.С. Разрушение горных пород при бурении скважин: Учебное пособие для вузов. – Томск: Изд-во ТПУ, 2004. – 136с.

2. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учеб. Для вузов/А.Н. Попов, А.И. Спивак, Т.О. Акбулатов и др.; под общей ред. А.И. Спивака. – М.:ООО «Недро-Бизнесцентр», 2003. – 509с.

3. В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарёв, М.М. Щеголевский. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород. - М.: Издательство академии горных наук, 2000. – 343 с.: ил.

4. Eckel I.E., Deily F.H., Ledgerwood L.W. Development and testing of jet pump pellet impact drill bits. Translation AIME, 1956. - vol. 207.

5. Уваков А.Б. Шароструйное бурение. - М.: Недра, 1969. - 207 с.

6. Заурбеков С.А. Повышение эффективности призабойных гидродинамических процессов при шароструйном бурении скважин: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.15.11 / С. А. Заурбеков. - Алматы, 1995. - 18 с.

7. Столяров Р. В., Ковалёв А.В. Разработка гидромониторного долота эжекционного типа/ Р.В. Столяров, А. В. Ковалёв; науч. рук. М. А. Самохвалов // Проблемы геологии и освоения недр: труды Тринадцатого международного симпозиума им. М. А. Усова, 2009 г. Томск / Томский политехнический университет; Проблемы геологии и освоения недр под ред. Г. М. Ивановой, А. В. Шадриной. - Томск, 2009. - С. 476-477.

8. Столяров Р.В., Ковалёв А.В. Установка для абразивного бурения с применением долота гидромониторно-эжекционного типа // Проблемы геологии и освоения недр: труды Четырнадцатого международного симпозиума им. М. А. Усова. - Томск: Изд. ТПУ, 2009. С. 520-521

9. Алиев Ф.Р., Ковалёв А.В., Епихин А.В. Исследование работы гидромониторного долота эжекционного типа // Проблемы геологии и освоения недр: труды Шестнадцатого международного симпозиума им. М. А. Усова. - Томск: Изд. ТПУ, 2012. С. 284-286

 

 

Вопросы и спорные моменты

1. В наших ранних статьях вместо термина «струйный аппарат» применялся «струйный насос». Использование какого термина лучше?

На мой взгляд лучше использовать термин «струйный аппарат», так как можно ввести буровиков в заблуждение слишком большим количеством терминов с приставкой «насос» (шламовый, буровой, подпорный и т.д.).

2. Возможные названия частиц: «абразивный материал», «рабочий агент», «породоразрушающие частицы», «породоразрушающие элементы». Использование какого термина лучше?

Рабочий агент более ассоциируется с жидкостью или газом. Частицы – это части чего-то целого. В частности, если предполагается использование например шаров – это не частицы, а детали. Следовательно, лучше использовать термин «породоразрушающие элементы».

3. Возможно ли название представленных на рисунках 3 и 4 частей установки «рабочий узел»?

Немного топорный термин. Создается впечатление, что остальное - это не рабочие элементы – просто работа – слишком широкий термин. Может поиграть словами типа «блок разрушения ГП» или еще как-то?

4. Лучше сказать «жиклер» или «сопло»?(рисунок 1), а места сужения диаметра – «сопло»? (рисунок 2)?

«Сопло» мне кажется звучит лучше и понятнее – «жиклер» не знакомый термин для буровиков.

5. При описании установки и принципа работы струйного аппарата я использовал термин «разрушаемый материал», т.к. на первом этапе исследований мы разрушаем керамическую плитку? Возможно ли применение другого термина?

Само понятие «материал» как-то не звучит… Может не нужно отходить от линии – «образец для исследований» или «модель горной породы», ведь в любом случае мы хотим получить максимальное приближение к гП?

6. Как лучше назвать способ бурения и разрабатываемое долото?

 

В США называли: «шариковый ударный бур со струйным насосом», «гидромониторный шариковый импульсный бур» («импульсное шариковое бурение»)

В России: «шароструйный аппарат», «шароструйный снаряд», «шариковый ударный бур», устройство для эрозионного гидромониторного разрушения» («ударно-дробовое бурение», «шароструйное бурение»).

В наших ранних статьях использовались следующие термины: «гидромониторное долото эжекционного типа» («гидромониторно-эрозионное бурение», «абразивное бурение»).

Если заглядывать вперед – на различные гранты и возможность побед в конференциях – нужно понимать, что тема – не совсем обычная и навороченность терминов здесь не совсем уместна – лучше назвать красиво и лаконично, чтобы люди не пугались названия проекта, а заинтересовывались им….

 




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.