Анализ исследований по транспортированию буровой мелочи из скважины воздухом

© А.Е. Беляев, Н.Н. Страбыкин, 2002

УДК 622.233.6.05

А.Е. Беляев, Н.Н. Страбыкин

АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТРАНСПОРТИРОВАНИЮ БУРОВОЙ МЕЛОЧИ ИЗ СКВАЖИНЫ ВОЗДУХОМ

В

процессе создания буровых станков, работающих с продувкой скважин воздухом, требуется знание необходимых параметров компрессорных установок. При проектировании буровых работ и эксплуатации станков возникает потребность в оценке возможной производительности станка не только по эффективности разрушения породы на забое, но и по обеспечению нормального режима очистки скважины от буровой мелочи. Поэтому определение параметров и показателей работы пневмотранс-портной системы станка имеет важное практическое значение как для конструирования станков, так и для их эксплуатации.

Транспортирование буровой мелочи в призабойной зоне и затрубном пространстве изучалось рядом высших учебных заведений и научно-исследовательских организаций. Проводимые исследования в большинстве своем являются экспериментальными. Они дают возможность качественно оценить процесс транспортирования буровой мелочи и получить некоторые количественные показатели для конкретных условий эксперимента.

Установление рациональных параметров пнев-мотранспортной системы бурового станка состоит в определении необходимого расхода, давления воздуха и нахождении потерь давления.

Расход воздуха на продувку скважины определяет эффективность очистки ее от буровой мелочи. При недостаточном количестве воздуха нарушается режим очистки, и бурение становится невозможным. При избытке воздуха растет энергоемкость процесса и стоимость бурения.

В настоящее время отсутствует общепризнанная методика расчета расхода воздуха на продувку скважин. Объясняется это значительной сложностью задачи, решение которой требует учета многих переменных факторов, изменяющихся в широких пределах.

Существующие методы расчета можно разделить на четыре группы.

1. Экспериментальный метод расчета с привязкой к конкретным условиям бурения.

2.Экспериментально-аналитический метод расчета с привязкой к расчетному размеру частиц.

3.Экспериментально-теоретический метод расчета с привязкой к расчетному размеру частиц.

4. Аналитико-теоретический метод расчета.

Экспериментальный метод расчета широко применяется в американской практике бурения. В основе его

лежит выбор постоянной базовой скорости движения воздуха, приведенной к нормальным температурным и атмосферным условиям. Необходимая скорость воздушного потока определяется при экспериментальном бурении в конкретных условиях. Далее расчетами учитываются дополнительные условия бурения (глубина, потери давления, изменения температурного режима и пр.). По свидетельству представителей крупнейших американских буровых фирм наиболее широко в практике применяется метод расчета Р. Энджела [1]. На основании стендовых испытаний он принял скорость воздуха в затрубном пространстве 15,25 м/с. При расчете он исходил из того, что плотность породы рп = 2700 кг/м3, температура воздуха по глубине изменяется по линейному закону, а поток представляет собой однородный идеальный газ, и разница в скорости движения частиц и воздуха отсутствует. В результате Р. Энджел получил, что необходимый расход воздуха F = Fo + aL , где Fo - расход воздуха по базовой скорости; а - поправочный коэффициент, значения которого

вычислены и сведены в таблицу; Ь - глубина скважины.

Нетрудно видеть, что расчет расхода воздуха по заданной базовой скорости предопределяет ограничение возможности применения метода теми конкретными условиями, для которых такая скорость получена. При этом в малой степени учитываются сложные процессы движения потока, а у авторов нет единого мнения о том, какую скорость воздуха принимать за минимальнонеобходимую.

Экспериментально - аналитический метод расчета разрабатывался зарубежными и российскими исследователями применительно к бурению геологоразведочных скважин. В основе его лежит определение критической скорости движения воздуха 3кр , при которой частицы расчетного диаметра переходят во взвешенное состояние. Необходимая же скорость движения воздуха 3 = Экр +Эизб , где Зизб - избыточная скорость воздуха,

обеспечивающая перемещение частиц вверх по скважине.

Точность выполняемых расчетов во многом зависит от правильного определения критической скорости движения воздуха. Однако из-за отсутствия надежных расчетных зависимостей авторы вынуждены пользоваться для определения 3кр приближенными зависимостями,

пригодными для расчетов только в ограниченном диапазоне изменения чисел Рейнольдса. При определении 3кр не учитывается влияние ряда факторов - формы

частиц, стесненности движения. Нет единого мнения и о том, какую по размерам частицу буровой мелочи принимать за расчетную. Некоторые авторы обходят это молчанием, часть пользуется усредненным диаметром, большинство склоняется к тому, что необходимо исходить из наличия наиболее крупных частиц. А.Т. Лактио-

нов же [2] считает, что необходимо учитывать передачу энергии от мелких частиц крупным, и за расчетную частицу принимать наибольшую из размерного ряда фракций, занимающего 75% всего объема выбуренной породы. Все это снижает достоверность расчетов по данным методикам.

Недостаточно обоснованно производится выбор величины избыточной скорости воздуха 3изб . По рекомендации Б.Б. Кудряшова [3] принимают 3изб = 0,23кр ,

т.е. ставят ее в зависимость от размеров расчетной частицы. В результате получается, что при одной и той же интенсивности образования, но уменьшении крупности буровой мелочи скорость ее транспортирования должна уменьшаться.

Предложенные для расчета расхода воздуха методики ограничиваются рассмотрением транспортирования буровой мелочи и не касаются удаления ее из призабойной зоны. В то же время вопрос очистки призабойной зоны является не менее важным и по сравнению с за-трубным пространством специфичным, поскольку в этом случае имеет место другой режим движения буровой мелочи - трогания и разгона.

Энергоемкость процесса транспортирования буровой мелочи зависит от интенсивности ее образования и гранулометрического состава. С увеличением скорости бурения и крупности частиц растет энергоемкость транспортирования. Однако этот фактор при расчетах расхода воздуха не учитывается. Согласно методам расчета второй группы находится скорость воздуха 3 , необходимая для транспортирования частицы расчетного диаметра. По скорости воздуха 3 и площади затрубного пространства Sзатр определяется расход воздуха F , который не

согласуется с интенсивностью образования буровой мелочи и при повышенных скоростях бурения энергии воздушного потока может быть недостаточен для удаления всего объема образующейся буровой мелочи. В этом аспекте методы расчета первой группы более объективны, поскольку базовая скорость воздуха принимается по экспериментальным данным, т.е. с учетом интенсивности образования буровой мелочи.

Экспериментально-теоретический метод расчета разрабатывался Б.Н. Кутузовым [4] применительно к бурению взрывных скважин шарошечными долотами. В отличие от ранее применявшихся методов расчета Б.Н. Кутузов рассмотрел этот вопрос комплексно в различных его аспектах, как экспериментальных, так и теоретических. При расчете расхода воздуха на продувку скважин он разбил весь путь движения буровой мелочи на 3 зоны - зоны забоя, долота и затрубного пространства. Скорость движения воздуха в первой зоне определяется как

31 = 30 + 3изб,

где 3о - скорость, необходимая для взвешивания расчетной частицы над забоем.

Находится она из условия отрыва одиночной частицы эллипсовидной формы при обтекании ее безграничным

поступательным потоком; 3изб - скорость поступательного движения частицы над забоем.

Скорость движения воздуха во второй зоне 32 суммируется из критической скорости 3кр для расчетной частицы и избыточной скорости 3изб :

32 = 3кр + 3изб

Расход воздуха F, необходимый для транспортирования буровой мелочи по затрубному пространству, Б.Н. Кутузов определяет по предельно допустимой расходной массовой концентрации смеси:

№пред — Qn х р /(^ х рв ),

где Qп - объем породы, разрушаемой в единицу времени; р и рв - плотность породы и воздуха соответственно.

В качестве критерия уровня концентрации буровой мелочи в потоке Б.Н. Кутузов принимает коэффициент расходной массовой концентрации

Vрасх = (2п х Р ^ х Рв ) и исходит из того, что Црасх должно быть меньше предельного значения ( Мрасх = 2,5 ^ 3 ). Следует отметить, что принятый критерий является несовершенным, поскольку Црасх отражает не действительную, а мнимую концентрацию потока. Расходная концентрация определяется из условия, что частицы в потоке движутся со скоростью воздуха 3в . В действительности же скорость частицы 3ч = 3в - 3кр . Поэтому расходная концентрация всегда

меньше действительной. Чем крупнее буровая мелочь, тем выше ее критические скорости и тем меньше скорости частиц 3ч. Кроме того, расходная концентрация не учитывает гранулометрический состав буровой мелочи. При одной и той же расходной концентрации действительная концентрация имеет разные значения в зависимости от распределения буровой мелочи по крупности. Поэтому, принятое Б.Н. Кутузовым Цпред оказывается

справедливым только для конкретных условий эксперимента. При изменении свойств пород, инструмента и режимов бурения значение Цпред должно корректироваться, так как изменяется гранулометрический состав буровой мелочи.

Б.Н. Кутузов, как и другие авторы, в разработанной методике исходит из расчетного размера частиц, не учитывает интенсивность образования буровой мелочи и ее гранулометрический состав, которые существенно влияют на энергоемкость процесса транспортирования.

Аналитико-теоретический метод расчета разработан В.А. Перетолчиным [5, 6] на основе принятого им принципа энергетического баланса - соответствия энергии воздушного потока той энергии, которая необходима для эффективного удаления буровой мелочи во всем диапазоне крупности и с учетом интенсивности ее образования. Расчет пневмотранспортной системы бурового станка производится интегральным методом с учетом математических зависимостей распределения буровой мелочи по крупности путем суммирования энергии непрерывного ряда частиц продуктов разрушения по круп-

ности от нуля до максимального размера. При этом распределение частиц по крупности устанавливается на основании проведенного ситового анализа или с учетом прогнозирования буровой мелочи. Практически нижний предел интегрирования определяется dmjn = 0,06 мм, а верхний принимается по фактическим данным ситового анализа. Принятая скорость движения воздуха должна быть не менее расчетной для частиц максимальных размеров. Потребный расход воздуха определяют отдельно для очистки призабойной зоны и транспортирования буровой мелочи по затрубному пространству.

Применительно к прогнозированному распределению буровой мелочи по крупности определяется необходимая для транспортирования кинетическая энергия и скорость движения воздуха. Далее производится проверка фактической, объемной концентрации буровой мелочи в потоке. Условием нормальной очистки призабойной зоны является значение объемной концентрации буровой мелочи в призабойной зоне менее 0,01. Расход воздуха на очистку призабойной зоны определяется из выражения

Qприз = !3приз х3в = °,25даг Д2 - ДШ 3 ,

где а - коэффициент соотношения площадей призабойной зоны Sприз и затрубного пространства Sзатр; Д -

диаметр буримой скважины; Дш - диаметр буровой штанги; 3в - скорость движения воздуха.

Полученное значение расхода воздуха Qприз сравнивается с расходом воздуха, необходимым для транспортирования буровой мелочи в затрубном пространстве Qзатр .Окончательно расход воздуха принимается по

наибольшему значению сравниваемых расходов с учетом коэффициента резерва. Оценивая результаты расчетов параметров и показателей работы пневмотранспортной системы бурового станка интегральным методом по данным ситового анализа и по прогнозированному распределению буровой мелочи по крупности, следует отметить их хорошую стоимость.

Таким образом, предложенный аналитикотеоретический метод расчета пневмосистемы бурового станка позволяет наиболее точно произвести расчет расхода воздуха на продувку скважины, давления у компрессора и мощности привода с учетом влияния интенсивности образования буровой мелочи на забое скважины, ее гранулометрического состава, концентрации и параметров бурового инструмента, а также условий движения буровой мелочи в призабойной зоне и затрубном пространстве. Другие методы расчета параметров компрессорной установки бурового станка могут быть использованы при ориентировочных и проверочных расчетах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Angel R. Volume reguierements for air and gas drilling. - Drilling, 1984, vol 45, №5, р.р.62-64.

2. Лактионов А.Т. Бурение мелких скважин с продувкой воздухом. - М.: Недра, 1966. - 190 с.

3. Кудряшов Б.Б., Кирсанов А.И. Бурение разведочных скважин с применением воздуха. М.:Недра, 1990 - 263 с.

4. Кутузов Б.Н., Михеев И.Г. Пнев-мотранспортные и обеспыливающие системы буровых станков на карьерах. - М.: Недра, 1970. - 272 с.

5. Перетолчин В.А. Расчет параметров и показателей работы пневмотранс-портных систем буровых станков: Учебное пособие. - Иркутск: ИПИ, 1982. - 80 с.

6. Перетолчин В.А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах. - М.: Недра, 1983.-178 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------------------------------

Беляев Александр Евгеньевич — кандидат технических наук, профессор кафедры «Горные машины и рудничный транспорт», Иркутский государственный технический университет.

Страбыкин Николай Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Горные машины и рудничный транспорт», Иркутский государственный технический университет.