Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методология проектирования адаптивных вращательно-подающих органов буровых станков и технологий их применения в сложноструктурных породных массивах

Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,

1.3. Анализ исследований процессов очистки скважин от бурового шлама

В современной практике бурения взрывных скважин на карьерах и разрезах применяют пневматический, шнековый и шнекопневматический способы их очистки от бурового шлама. Преобладающим является пневматический способ в силу массового применения станков шарошечного бурения.

Важным моментом при выносе частиц бурового шлама из скважины с использованием пневматического способа является обеспечение необходимой скорости воздушного потока и расхода сжатого воздуха [34]. А.З. Романов и др. в работе [35] приводят формулу Риттингера для определения критической скорости частицы

м/с, (1.1)

где γ1 – удельный вес частицы, Н/м3; γ – удельный вес жидкости или газа, Н/м3; d – диаметр частицы, м/с; K – коэффициент, учитывающий форму выносимой частицы, K = (2g/3φ)1/2; φ – коэффициент формы.

Однако для выноса частиц бурового шлама из скважины необходима избыточная скорость, которую авторы работы принимают условно равной 20 м/с. Кроме того, в работе не рассматриваются вопросы влияния на эффективность очистки скважины интенсивности шламообразования, условий очистки призабойной зоны, зависимости расхода сжатого воздуха от параметров бурового инструмента и т.д.

В книге А.Т. Лактионова [36] приведены экспериментально определенные значения коэффициента формы для основных геометрических форм выносимых сжатым воздухом пород (табл. 1.7).

Таблица 1.7

Значения коэффициента формы по работе [36]

Однако, как и в предыдущих работах, характер выноса бурового шлама из призабойной зоны в работе [36] не рассмотрен, а избыточную скорость потока сжатого воздуха для выноса частиц бурового шлама А.Т. Лактионов предлагает принимать равной Vизб = 5–10 м/с (Vизб.ср = 8 м/с).

Аналогичных значений избыточной скорости (Vизб = 6–10 м/с,
Vизб.ср = 8 м/с) придерживаются и В.И. Дусев и П.Г. Чекулаев в работе [37]. Расход воздуха авторы работы [37] предлагают рассчитывать по формуле

м3/с,

где Vп – полная скорость потока воздуха в затрубном пространстве, м/с, Vп = Vкр + Vизб; Vкр – критическая скорость, м/с; Vизб – избыточная скорость, м/с; D – диаметр скважины, м; d – диаметр бурильных труб (штанг), м.

Н. Маковей объемный расход воздуха при очистке забоя рассчитывает с учетом его давления и температуры [38]:

м3/с, (1.2)

где Kв – коэффициент, учитывающий наличие воды в воздухе, Kв = 1,3–1,5; S – площадь поперечного сечения кольцевого пространства, м2; Vвс – эквивалентная скорость, т.е. скорость потока воздуха, которая в нормальных условиях достаточна для выноса шлама из скважины, Vвс = 20 м/с; P2 – давление в забое, МПа; Tt – температура воздуха в кольцевом пространстве, К; Zt – коэффициент отклонения от закона идеального газа (при малых значениях P2 и Tt∙Zt = 1,0); R – константа, R = 287 Дж/(кг∙К); ρо – плотность воздуха при нормальных условиях, ρо = 1,205 кг/м3.

Однако приведенное в работе [38] выражение для определения расхода сжатого воздуха также не отражает влияние на него конструктивных и аэродинамических параметров бурового инструмента.

Б.Н. Кутузов и И.Г. Михеев в работах [39, 40] при расчете воздуха на продувку скважины весь путь движения буровой мелочи разбили на три зоны – зону забоя, зону долота и зону затрубного пространства.

В первой зоне скорость движения воздуха V1 определяется по формуле

V1 = V0 + Vизб, м/с,

где V0 – скорость, необходимая для взвешивания расчетной частицы над забоем, м/с; Vизб – скорость поступательного движения частицы над забоем, м/с.

Скорость движения воздуха V2 во второй зоне вычисляется по формуле

V2 = Vкр + Vизб, м/с,

где Vкр – критическая скорость для расчетной частицы, м/с; Vизб – избыточная скорость, м/с.

В третьей зоне расход воздуха F, необходимый для транспортирования буровой мелочи по затрубному пространству, определяется по предельно допустимой расходной массовой концентрации смеси μпред:

µпред > Qn∙ρ/(F∙ρв), (1.3)

где Qn – объем породы, разрушаемый в единицу времени, м3/с; ρ, ρв – плотность, соответственно, породы и воздуха, кг/м3.

В качестве критерия уровня концентрации бурового шлама в воздушном потоке Б.Н. Кутузов принимает коэффициент расходной массовой концентрации µрасх = Qn∙ρ/(F∙ρв) и исходит из того, что µрасх <  µпред = 2,5–3,0.

Из приведенных выражений видно, что при расчете воздуха на продувку скважины не учитывается влияние размеров сечения продувочных пространств в призабойной зоне, что особенно важно при определении расхода воздуха на продувку скважины из условия эффективной очистки призабойной зоны.

Ю.С. Лопатин и др. в работе [34] приводят результаты опытов в измерении объемным способом площади поперечного сечения призабойной зоны по высоте для долот различных типоразмеров отечественных долот диаметром 76–190 мм в сравнении с долотом американской фирмы «Юз Тул». Отмечено, что среднее отношение площади поперечного сечения свободного пространства к площади сечения скважины рассмотренных отечественных долот составляет 52–54 %, а у долота W7R-55/8// – 40 %.

По мнению авторов приведенной выше работы, из-за увеличения площади сечения призабойной зоны у отечественных долот меньше подъемная сила потока и больше вихреобразование, ухудшающее очистку забоя. Однако конкретных аналитических и экспериментальных подтверждений этому авторы работы не приводят.

Для улучшения очистки забоя от бурового шлама возможны два основных пути, как показывают Ю.С. Лопатин, Г.М. Осипов и А.Д. Перегудов: первый – увеличение расхода воздуха, и второй – улучшение аэродинамической характеристики долота. Первый путь требует больших капитальных затрат и изменения конструкции буровых станков в связи с применением компрессоров других конструкций и мощности.

Как указано в работе [34], при неблагоприятной аэродинамической характеристике бурового инструмента увеличение расхода сжатого воздуха представляет крайне неэффективный путь улучшения очистки забоя от бурового шлама.

В связи с этим авторы предлагают исследователям сосредоточить усилия на улучшении аэродинамических характеристик долот, в частности, применив асимметричную схему очистки забоя сжатым воздухом. Особенно хорошие результаты получены авторами на долоте с асимметричной системой продувки и увеличенным объемом корпуса долота.

Однако указанные аэродинамические характеристики долота приводят к повышению скорости сжатого воздуха, так как снижается площадь сечения призабойной зоны, что увеличивает потери давления и износ штанг.

Наиболее полно рассмотрел вопрос очистки скважины от буровой мелочи, в том числе закономерности ее движения в призабойной зоне, В.А. Перетолчин в работе [27]. К призабойной зоне он относит участок движения буровой мелочи от забоя скважины на такую высоту Н, при которой корпус долота принимает диаметр штанги:

L = H + 0,5D, м,

где D – диаметр скважины, м.

В работе [27] предлагается суммарную площадь сечения продувочных окон призабойной зоны выражать через площадь затрубного пространства:

м2,

где Sприз – площадь сечения продувочных окон призабойной зоны; Sзатр – площадь сечения затрубного пространства, м2; D – диаметр скважины, м;
Dш – диаметр буровой штанги, м; а – коэффициент соотношения площадей сечения продувочных окон и сечения затрубного пространства.

Тогда расход воздуха на продувку скважины из условия очистки призабойной зоны будет равен [6, 27]

м3/с, (1.4)

где Vпр – скорость движения воздуха в призабойной зоне, м/с.

Скорость движения воздуха в призабойной зоне принимают равной необходимой скорости движения воздуха V, определяемой из условия равенства кинетической энергии воздушного потока Wв и энергии, расходуемой на транспортирование буровой мелочи W, если V > Vр max (Vр max – расчетная скорость движения воздуха для удаления крупных частиц буровой мелочи).

При V < Vр max удаление буровой мелочи не будет происходить без дополнительного измельчения, хотя воздух обладает достаточным количеством энергии. В этом случае скорость движения воздуха в призабойной зоне Vпр принимают равной Vр max.

Таким образом, следует отметить, что, несмотря на многочисленные научные исследования в области очистки скважин от бурового шлама, влияние типа, а также конструктивных и аэродинамических параметров бурового инструмента на работу пневмотранспортной системы бурового станка и эффективность процесса очистки взрывных скважин недостаточно изучены.