Некоторые аспекты расчета параметров очистки скважин в процессе шарошечного бурения

что скорость бурения зарубежных образцов в 50-100 раз выше отечественных аналогов и достигает 3-3,5 м/мин, а сменная производительность в 40-50 раз превышает производительность нашей буровой техники.

Основным недостатком этой техники является высокая первоначальная стоимость. Однако этот недостаток можно преодолеть, перейдя на лизинговые схемы приобретения бурового (горного) оборудования. Это позволит существенно повысить ТЭП добычи полезных ископаемых и сформировать современный парк высокопроизводительной техники на средних и малых предприятиях, работающих в условиях дефицита оборотных средств.

|— Коротко об авторах----------------------------------

Белин В.А., Белина А.В. - Московский государственный горный университет.

. . ..у р ,

А.В. Тымчур

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ОЧИСТКИ СКВАЖИН В ПРОЦЕССЕ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ

Эффективность процесса шарошечного бурения зависит от многих факторов и, в частности, от качества очистки скважины от продуктов разрушения.

Методы расчета параметров очистки скважины в процессе бурения разработаны, но в расчетах не учитывается влияние формы частиц и ограниченность размеров затрубного пространства. Исключением является метод Б.Н. Кутузова, основанный на критериальной зависимости В.А. Олевского

[1]. Общим же недостатком расчетных методов является то, что ни один из них не учитывает проскальзывания воздуха относительно выбуренных частиц и лишь условно учитывает действительную концентрацию шлама в потоке. Это связано

с тем, что не исследованы аэрологические формы, механизм движения воздушно-шламового потока в затрубном пространстве и не сформулированы теоретические основы формирования структурно-механических свойств систем выноса бурового шлама.

Процесс выноса бурового шлама можно разделить на три этапа.

На первом этапе воздействия зубца долота на породу сколотые частицы в результате накопленной упругой энергии поднимаются как при микровзрыве. Часть их при этом разлетается в стороны [2]. Затем они захватываются потоком воздуха и перемещаются к стенкам скважины. При этом движение их в большинстве случаев хаотично, что вызвано завихрениями воздуха из-за вращения и перемещения шарошек.

Второй этап - удаление частиц породы в зоне долота. Исследования, проведенные Ю.С. Лопатиным (ВНИИБТ) и др., показали, что большая часть частиц (до 70 %) удаляется из забоя скважины не через сравнительно свободные каналы между шарошками, а по сечениям между стенкой скважины и лапами шарошечного долота (рис. 1).

Рис. 1. Диаграммы распределения частиц по месту выноса

Последнее обусловливается тем, что фактический диаметр скважины больше номинального примерно на 6 %, он возникает из-за биения става. При положении, когда две шарошки касаются стенок скважины, между третьей лапой и стенкой скважины, образуется зазор, который составляет для долот диаметром 215 и 250,8 мм от 13 до 15 мм. В этот зазор проходят частицы, получаемые при разрушении породы на забое. Такая картина возникает независимо от того, центральную или боковую схему продувки имеет долото.

Эксперименты, проведенные рядом авторов (Б.Н. Кутузовым, И.Г. Михеевым, и др.) показали, что основным фактором, определяющим эффективность очистки призабойной зоны является рациональное распределение и правильная ориентация воздушных потоков [3].

Исследования В.А. Пальгова выявили наличие зоны пониженного давления в проемах между лапами. Это указывает

на наличие эжекционного подсоса воздуха через верхние «окна» шарошечного долота.

Следствием этого является возникновение циркуляционных потоков между каждой парой шарошек, в которых участвует до 50 % воздуха, поступающего в скважину. При центральной схеме очистки воздушный поток, выходящий из канала долота, ударяется о забой и, захватив благодаря ско-рост-ному напору частицы разрушенной породы через проемы между шарошками, поступает на периферию забоя и вверх вдоль стенки скважины. В районе зоны пониженного давления через верхнее «окно» часть потока вместе с продуктами разрушения вновь поступает во внутреннюю полость долота. Такой процесс, очевидно, может повторяться многократно. Это приводит к вторичному переизмельчению частиц и, как следствие, снижению скорости бурения и повышенному износу инструмента.

При боковой схеме очистки воздушный поток, выходящий из трех каналов, поступает в пространство между долотом и стенкой скважины в районе верхних «окон». Затем он ударяется о забой. Захватив частицы разрушенной породы, поток частично поступает в зазор между свободной лапой и стенкой скважины и следует в затрубное пространство, а также через пространство между шарошками - во внутреннюю полость и подсасывается через верхние «окна».

С точки зрения формирования системы выноса долота с боковой продувкой не дают каких-либо преимуществ по сравнению с долотами с центральной продувкой. Более того, количество частиц, выносимых в сечениях между лапами и стенкой, в долотах с боковой продувкой несколько больше.

Третий этап - вынос продуктов разрушения в кольцевом канале между стенками скважины и наружной поверхностью бурового става. Большинство исследователей сводят процесс очистки скважины на данном этапе к обычной задаче пневмотранспорта, т.е. транспортирования взвешенной частицы или группы частиц в стесненных условиях движения. Это позволило получить ряд зависимостей для расчета параметров воздушного потока в затрубном пространстве. Однако процесс транспортирования разрушенной породы в скважине имеет свои особенности. Затрубное пространство,

по которому движется выносящий поток вместе с взвешенными в нем частицами,

Рис. 2. План относительного распределения скоростей в эксцентричном канале

является эксцентричным кольцевым каналом. Канал имеет эксцентриситет из-за биения долота на забое скважины и деформации буровых штанг при приложении к ним осевой нагрузки. Гидравлическое сопротивление эксцентричных кольцевых каналов, как при ламинарном, так и при турбулентном режимах течения, значительно отличается от соответствующего сопротивления концентричного канала. Типичное распределение скоростей в поперечном сечении эксцентричного канала, полученное экспериментально И.С. Рима-ном [4], тоже существенно отличается от аналогичного в концентричном кольцевом канале (рис. 2).

Вследствие вращения долота и става выносящий поток изначально закручивается. Далее он приспосабливается к форме поперечного сечения канала в каждом элементарном сечении. Следовательно, его параметры обусловлены интенсивностью деформации бурового става. Последняя, в свою очередь, предопределяет его движение по спиральной тра-

ектории. Ее параметры зависят от плана скоростей по сечениям, проходимости зазоров между стенкой скважины и ставом, а также концентрации твердой фракции в выносящем потоке. На твердую фракцию при таком движении действуют силы, связанные с вращением потока, вращением частицы внутри потока, а также ряд других.

Поведение твердой частицы в турбулентном потоке можно охарактеризовать параметром тт, который называется временем релаксации. Время релаксации определяет скорость реакции частицы на изменение скорости течения несущего ее газового потока

Тт = 2 тт /

где тт - масса частицы, Бт - эффективная площадь сечения частицы, р0 - плотность газовой среды, W - скорость движения частицы относительно газовой среды, Ос - коэффициент сопротивления.

Зная время релаксации, выясняют характер поведения твердой частицы в турбулентном потоке. Частицы, релаксация которых значительно меньше минимального временного масштаба турбулентности несущего их потока газа, полностью увлекаются всеми турбулентными молями. Такие частицы ведут себя подобно газовой примеси. Частицы, время релаксации которых сравнимо или больше временного масштаба, частично увлекаются турбулентными молями (например, частицы размеров 0,1-100 мкм практически безинерци-онны). Частицы размером более 100 мкм не реагируют даже на крупномасштабные турбулентные пульсации в силу их достаточно большой инерционности. Поведение таких частиц в турбулентном потоке определяется только осредненными параметрами несущего газового течения [5].

В турбулентных потоках с твердыми частицами наблюдается не только воздействие турбулентности несущего потока на движение твердых частиц, но и влияние самих частиц на параметры турбулентности несущего их потока. Так, при определенных условиях взвешенные в потоке частицы могут гасить его турбулентность. Такой эффект наблюдается, в частности, в каналах технических устройств, наиболее близких по характеристикам к затрубному пространству скважин.

Теоретическое решение этой задачи позволит более полно понять закономерности, влияющие на процессы выноса и, следовательно, определить пути повышения эффективности очистки взрывных скважин.

Движение частицы в потоке определяется гидродинамическими и массовыми силами. Массовые силы вызваны физическими полями: гравитационными, электромагнитными и пр. Гидродинамические силы вызваны взаимодействием частиц с несущими их потоками (например, силы сопротивления давления и сопротивления трения). Кроме того, при движении в потоке жидких частиц на их движение могут существенно влиять циркуляционные движения внутри частицы.

Тогда уравнение движения дискретной частицы можно представить следующим образом

&

где т - масса частицы, V - вектор скорости движения частицы, 1 - время движения частицы.

Ниже рассматриваются некоторые из действующих сил. Сила аэродинамического сопротивления Рс всегда направлена в сторону, противоположную вектору скорости относительного движения частицы. Она стремится выровнять скорость частицы со скоростью несущего ее потока. В данном случае применима обобщенная формула силы аэродинамического сопротивления

Ро = - 1 РаБтОх^-и) | V-U | ,

где Ох -коэффициент сопротивления (состоит из двух составляющих коэффициент сопротивления трения Ст и коэффициент динамического сопротивления Сд); Бт - площадь эффективного сечения, Ра - плотность потока, и - скорость потока, V - скорость частицы.

Сила Магнуса (Рм) возникает при движении частицы в потоке с неравномерным распределением скоростей течения из-за вращения ее относительно собственного центра массы

Рм = 1/8гс2с13р

где юк- угловая скорость вращения твердой частицы в потоке.

Сила Кориолиса Рк действует на частицу под прямым углом к вектору относительной скорости движения частицы в потоке. В случае движения частицы в затрубном пространстве скорость частицы меньше скорости течения потока, значит сила Кориолиса действует в сторону центра кривизны линии тока

Рк = - 2 т юа

где юа - угловая скорость вращения газового потока.

Сила инерции (Ри) обусловлена реакцией частицы на изменения скорости внешнего течения и составляет

&

= - т—------------------------------------------------------ .

и &

Кроме вышеперечисленных сил на твердую частицу в потоке газа действуют другие силы. Так как частица имеет несимметричную форму, на нее действует подъемная сила Жуковского (Рж), направленная перпендикулярно движению потока. Частицы имеют разную форму и размер, постоянно меняют свое положение в потоке, а значит и угол атаки, от которого зависит значение силы Рж. Поэтому определение влияния этой силы на движение частиц породы в потоке производится экспериментально.

Искажение внешнего течения при обтекании частицы приводит к появлению силы, необходимой для ускорения присоединенной массы. Присоединенная масса возникает из-за эффекта пограничного слоя, т.е. слоя потока, имеющего скорость такую же, как частица. Присоединенная масса в большей части зависит от формы частицы и шероховатости поверхности. Присоединенной может оказаться не только масса окружающего частицу потока, но и вихри, возникающие в потоке вследствие вращения частицы. Присоединенная масса характеризуется коэффициентом £. Для твердой сферической частицы он равен 0,5, для частицы в форме плоского диска, двигающейся перпендикулярно своей плоскости, уже 10. Частицы породы в затруб-

ном пространстве стараются принять положение, оказывающее наименьшее сопротивление внешнему потоку. В то же время под действием других сил частицы могут постоянно менять свое расположение относительно направления движения потока. Эта сила, как и в случае с силой Жуковского, затрудняет определение влияния этой силы на движение частицы. Рассмотренные здесь силы, действующие на частицу, не являются единственно возможными.

Выводы

1. Анализом выполненных исследований и расчетом параметров очистки скважин при шарошечном способе бурения установлено, что существующие методы не полностью учитывают многие факторы, определяющие эффективность процесса.

2. В статье предлагаются основы метода расчета выноса учитывающие большее число факторов, влияющих на параметры очистки скважин (в частности, эксцентричность канала выноса, наличие призабойных циркуляционных потоков, влияние инерционных сил и ряд других).

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Олевский В.А. Скорость свободного падения частиц в жидкой среде. / СН СССР. Журнал прикладной химии, 1955.- т. 28. - вып. 8.

2. Лопатин Ю.С., Осипов Г.М., Перегудов В.В. Бурение взрывных скважин на карьерах. - М.: Недра, 1979. - 198 с.

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

4. Риман И.С. Гидравлика концентричных кольцевых каналов и каналов, имеющих экценриситет. / Промышленная аэродинамика. - М.: Машиностроение, 1974. - Вып. 31. - С. 142-151.

5. Теверовский Е.Н., Дмитриев Е.С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. - М.: Энергоиздат, 1988. - 160 с.

|— Коротко об авторах----------------------

Тымчур А.В. - ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург.