автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Создание кольцевого геологоразведочного пневмоударника со встроенным эжекторным устройством

российская академия наук

сибирское отделение институт горного дела

На правах рукописи

Для служебного пользования

экз н0 0 0 0 5 7

Сыкчин Михаил Евгеньевич

УДК 624.155

создание кольцевого геологоразведочного пнешо-ударника со встроенным 31ект0рнш устройством

Специальность 05.05.06 - 'Горные машины"

Автореферат диссертапии на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1993

Работа выполнена в институте горного дела Сибирского отделения Российской Академии Наук.

Научный руководитель - доктор технических наук,

Смоляницкий Борис Николаевич.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Абраменков Эдуард Александрович

Ведущее предприятие - специальное конструкторское бюро

научно-производственного объединения "Геотехника".

,-Зашта диссертации состоится 1994г.

в часов на заседании специализированного совета

Д 003. 17.01 института горного дела Сибирского Отделения РАН, (630091, Новосибирск 91, Красный проспект 54).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института горного дела СО РАН.

кандидат технических наук

Лысажо Леонид Леонидович

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, д. т. н., профессор

'). ' Э. Г. Чайковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Задача повышения производительности пневмоударного бурения, наведшего широкое применение при ведении геологоразведочных работ, весьма актуальна. Необходимость совершенствования технических средств и технологий разведочного бурения диктуется повышающимся уровнем требований экологического и технического характера, предъявляемых к процессу бурения. Специфичную область геологоразведочного бурения представляет разведка в зонах многолетней мерзлота, где бурение скважин затруднено сложными геологичесдан к климатическими условиями.

Наиболее перспективным способом бурения сквахин является бурение кольцевыми пневмоударниками с непрерывным транспортом злака по внутренней трубе двойной бурильной колонны. В основе этой технологии лежит непрерывное удаление из призабойной зоны выбуренного породного материала и транспортирование его на поверхность потоком очистного агента. Это достигается при использовании кольцевых забойных снарядов ,обеспечивающих подачу энергоносителя через неггрубный зазор двойной бурильной колонны и вынос аэрированного кернопшамового потока через центральный канал бурового става на поверхность.

Дальнейший рост обьемов и повышение эффективности геологоразведочного пневмоударного бурения сдерживается рядом причин. Прежде всего это отсутствие отлаженной технологи! бурения погружными пневмоударниками, а также надежных средств герметизации затрубного пространства скважины для обеспечения интенсивного выноса буровой мелочи на поверхность.

Проведенный анализ применяемых при бурении с-свааш технических средств свидетельствует о целесообразности сочетания пневмоударного бурения с устройством эжекторного типа. Процесс бурения будет протекать более производительно, если использовать кольцевой пневмоудар-ник, имеющий встроенное эжекторное устройство. Такое техническое решение обеспечит увеличение производительности бурения за счет интенсификации процесса удаления выбуренного кернопшамового материала на поверхность и, как следствие, - повышение достоверности опробования при ведении геологоразведочных работ. Таким образом, введение эжектора в конструкцию кольцевого пневмоударника является репгнием актуальной задачи увеличения производительности бурения геологоразведочных скважин.

Дедьр работы является обоснование параметров и создание кольцевого геологоразведочного пневмоударника с эжекторным устройством, обеспечивающего эффективное бурение скважин в многолетнемерзлых породах и вынос выбуренной породы через центральный канал пневмоудар-ника и внутреннюю трубу двойной бурильной колонны на поверхность.

Идея работы заключается в повышении производительности геологоразведочного бурения путем сочетания наиболее эффективного ударно-вращательного способа разрушения породы кольцевым пневмоударни-ком с методом непрерывного принудительного пневмотранспортирования керношамового материала по внутренней трубе двойной бурильной колонны за счет использования встроенного эжекторного устройства.

Задачи исследования:

- обоснование требований к кольцевому пяевмоударнику со встроенным эжекторным устройством с учетом условий его работа;

- разработка конструктивной схемы пневмоударника с эжектором, в наибольшей мере отвечающей предъявляемым требованиям;

- исследование динамики системы: " воздухоподводяшая магистраль - кольцевой пневмоударник -вшамотранспортная магистраль* и определение влияния параметров воздухоподводяшей магистрали и шламоп-ровода на энергетические показатели кольцевого пневмоударника;

- разработка нетодики расчета кольцевого пневмоударника со встроенным эжекторнын устройством;

- проведение лабораторных и производственных испытаний кольцевого погружного пневноударника со встроенным эжекторным устройством.

Нетоды исследований. При решении поставленных задач применялся комплексный метод, включающий аналитический обзор предшествующих научных работ и проведение патентных исследований, математическое моделирование с использованием ЭШ, Физическое моделирование на опытных образцах и экспериментальную проверку полученных результатов в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность положений, выводов, результатов и рекомендаций диссертационной работы обеспечивается:

- аналитическими и экспериментальными исследованиями кольцевого пневмоударника с эжекторным устройством;

- удовлетворительной сходимостью расчетов и экспериментальны! данных;

- применением известных методов моделирования динамики потоков газа при построении математической нодели;

- испытанием экспериментального образца кольпсеого пнепиоудар-ника со встроенным эгекторсм.

Научная новизна работа.

- разработала новая принципиальная схема кольцевого пкевмотдгр-ного механизма с регулируемым эжекторнкм устройством, состояли:! нз нескольких коаксиально распологенкз, последовательно ссадгсзеюнс: втулок со сменными регулкрлгазш кольцаин;

- разработана математическая модель скстгкы "Боздттаподводялая магистраль - кольцевой пнегаоударпик со вотоегашм згекторо;: - пяа-мотранспортная магистраль*, позволяшая ксслеясвать изменение энергетических показателей пнееноударника при работа и сглзз-зе, а такзе газодинамически параметров восгодззего потока епжцшззсйого воздуха в илакотранспортйой магистрали при разлнчшз размерах плопади затрубного пространства Установлено, что скорость двтвенкя посходл-сего транспортирукЕего потока воздуха по шэкопроводу не обеспечивает очистку прнзабойной зона от буроцой келс-пт;

- доказано, что для пошсэния з-Кэкткбпост:! работа сягмопросо-да и сохранения енсоких энергетически показателей ПУП. следглт располагать з-ектор в камера прямого хода пнеЕ^оударника;

- разработана нетожпса ннгенервого расчета погругкки кольпевхгз пневноударнкков со естроэкнем эгекторным устройство:»! на основе поэтапного прикенешм знгргснассосбнешюго к кзазиодпокерного подзолов, позволяющих осуЕестзлять выбор наиболее рационального сочетания конструктивных параметров ппевмоударпика со встроенным с:й¿сторон.

НаучЕ'е пологения, запшаеннз автором, состоят в слздугпгм:

- при работе кольцевого пневмоударнзпса без згэктора дг&гкпке выхлапкваемого воздуха в планотрапсзортпоЯ магистрата характеризуется совокупностью ударных волн и волн разря^оши, з результате чего частицы буровой мелочи з пяаиопрозоде пергг.епгзтся в протнпополо^дз друг относительно друга направлениях и создаются условия для образования плановых пробок;

- встроенное в кольцевой пневкоударник злектогаое устройство обеспечивает принудительное, однонаправленное движение выхлапываено-го воздуха по пламопроводу, в связи с чем увеличивается пропускная способность шламотранспортной магистрали па гг - 2ТХ; поежится производительность бурения и обеспечивается 7кегг>12ш:г глубин бурения сквазин;

- развевание зхекторпого устройства в кз::ере пггюго вода

(

обеспечивает наябольют эффективность бурения н уятчпает основные энергетические показатели пнавноударного механизма при работе в сквапше на 5 - 6Х.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработана методика инженерного расчета, на основе которой создан кольцевой пнеЕмоударник 1ШР-135Э> позволяющий в 3-5 раз увеличить производительность бурения сквадип в многолетаемерзлых породах по сравнению с ударно-канатнын способом бурения.

Реализация результатов работ Результата исследования использованы С2Б НПр "Геотехника" при разработке бурового разведочного комплекса КБР-1П для бурения геологоразведочных сквахнп в нноголеТ-ненерзлах породам, г такге пологени в основу разработки и создания кольцевых пневкоударников ШР-135Э и 1ШР-151Э, которые применяются для бурения сквааан при ведении разведочных работ в ГРЭ-324 ЕГО "Сссновгаология".

Личный вклад автора состоит в разработке принципиальной схемы н конструкций кольцевых геологоразведочных пневкоударников, их анализе и шборе скены наиболее полно отвэчаясей поставленный задачам; е проведении исследований диааннки различных пневноударшх механизмов на математической модели с цель» сравнения их энергетических и газодинамических параметров; в разработке математической модели работа системы "воздухоподводяная магистраль г кольцевой пневноударник сс встроенным эхектором - шгнотранспортная магистраль" и в проведение исследований па ЭШ1 динаннкн этой системы; в анализе предлогенныз конструкций пвевмоударного механизма и обосновании целесообразности создания кольцевого пневноударнжка со встроенный зхекторным устройством; в разработке метода ннхенервого расчета; конструировании I изготовлении экспериментального образца кольцевого нневмоударника 1 исследовательских стендов; проведении лабораторных и натурных испытаний экспериментальных образцов.

Апробация работ. Основные полохевия диссертации и некоторые отдельные ее результаты докладывались, обсуждались и были одобрен! на семинарах лаборатории неханизацки ИГД СО РАН (г. Новосибирск, 1990-1993 г. г.); на семинаре "Горное мавашоведение" ИГД СХ) РАН (г. Новосибирск. 1993г.) и на координационном совевании по проблемам бурения нвогодетвемерзлых пород в СКБ НПО " Геотехника"(г. Носк ва, 1993г.).

Публикации. По результатам исследования опубликовано 2 печатные

работа и получено положительное решение о выдаче патента РФ.

Объем работа. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изло-еенных на 135 страницах текста, содержит 1 таблицы, 10 рисунков, :писок литературных источников из 110 наименований на 9 страницах и приложения на 8 листах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлены обзор к анализ применяемых з застойнее время способов и технических средств для буреши геологоразведочных скважин. Наиболее перспективным способом бурения ттго-петненерзлых или перемежагхзася пород является ударно-врапательный :пособ с использованием двойной буктльной колонны. Применение при этой технолопш кольцевых погрузил пневноударников, сквозной осевой канал которых вместе с внутренней трубой двойной бурильной ко-ионны образует пряной гладкий яшамопрозод постоянного сечения, сознает наиболее благоприятные условия для выноса шлама на поверх-яость. Недостатком этого способа является возможность рас.тепсзния стенок скважины потоком воздуха, восходящего по затрубному пространству и перемещение части буровой нелочк вдоль стенки сксзлшы. ]ри этом сохраняется Енсокая вероятность зггланования еыхлопкого гракта в результате чего спивается производительность, а в ряде :лУчаев - прекращается процесс бурения.

В обзоре рассмотрены технические средства повышения зМектав-зости работы шланотранспортной магистрали за счет создания или усиления восходящего потока очистного агента, герметизации устья или призабойной зоны скважины и применения злекторныз гстгз~стз. Установлено, что наиболее эФФективякн пггеп ревзния задач:! повышения 1Роизводительности геологоразведочного бурения погругннки кольцевы-т пневноударниками является введение в конструкция пнешоударного <еханизна встроенного эжекторного устройства. При зтон наряду с збеспечением устойчивого режима выноса буровой мелочи кз шризабоа-зой зоны на поверхность снижается вероятность попадания плана в затрубное пространство и вторичное переизнельчениа буровой надочн и забое.

Изложенные обстоятельства определили круг задач, репгшге которых необходимо для достижения поставленной цели.

Во второй главе обоснованы требования к конструкции и параметрам кольцевого ппевноударннка со встроенпк! зжекторныл устройством

и шшютранспортной магистрали; обосновала и выбрана система возду-дораспределенил и разработаны принципиальные конструктивные схемы пневноударкых механизмов со встроенным эжектором, а также определены требования, предъявляемые к создаваемой математической нодели.

Производительность бурения определяется ударной мощностью ппсеноударного механизма. Поэтому одним из определяющих условий применения эжекторного устройства в погружном кольцевом пневмоудар-нике является сохранение высоких энергетических показателей ПУН. Другим основным критерием использования в кольцевом пневноударнике встроенного эжектора является обеспечение очистки призабойной зоны от выбуренной породы и поддержание устойчивого режима выноса кер-козламового материала ка поверхность. Транспортируювая способность шанотрансйортной магистрали зависит от скорости восходящего воздушного нотиса, на.которую в значительной степени влияет величина 'плопадн затр7бного пространства. Сушствуюаие конструкции призабой-ннз пакеров ке могут обеспечить надежную герметизацию затрубного пространства, в результате чего значительная часть вкхлапываеного воздука попадает в затрубное пространство. Это ухудшает эффективность работа Еданотранспортвой магистрали и повышает вероятность образования плановых пробок. Взеденне эжектора в конструкцию кольцевого пневкоударника должно обеспечить принудительное, более эффективное движение всего обьена отработанного воздуха по шламопроводу и за счет энергии активной струи магистрального воздуха, подводимого в шламотраиспортную магистраль, поддерживать устойчивый режим выноса шлама на поверхность.

Опыт эксплуатации пневмоударных машин показывает, что наиболее надежно при бурении нноголетненерзлых и перемежающихся пород работают неханнзны с бесклапанной системой воздухораспределения, что » определило использование этой конструктивной схемы при создание кольцевого пневноударнкка со встроенным эжекторон.

В зависимости от возможного расположения эжектора в конструкции кольцевого пневноударнкка энергетические характеристики ПУН будут изменяться. Так. например, дополнительный отвод сжатого воздуха кз рабочих камер пневмоударного механизма теоретически ножет снизить энергетические параметры пневноударнкка. С другой стороны эффективная очистка призабойной зоны скважины от буровой мелочи и увеличившаяся за счет более производительного транспортирования шана на поверхность пропускная способность выхлопного тракта, йолгзш повысить основные рабочие характеристики пневмоударного не-

• в

ханизма. Для анализа возмохных конструктивных решений и выбора принципиальной схемы кольцевого пневмоударника со встроенным эхек-торным устройством рассматривались несколько вариантов конструкций пневмоударных механизмов, представленных на рис. 1; 2; 3. Целью проводимого сравнительного анализа являлось определение рационального размещения кольцевого сопла эхектора в схеме пнеБМОУдарного устройства.

На рис. 1 изобрахен пневмоударный механизм с размещением эжек-торного устройства в породоразрушашем инструменте. Подеод эхекти-рушего воздуха в шламотранспортную магистраль ссушествляется по наклонным каналам, образованным в нихней части породора'зрушахжего инструмента. В конструкции, представленной на рис. 2, подвод эжектл-рующего воздуха*осушествляется по кольцевому каналу, соединявшему камеру обратного хода с шламотранспортной магистралью. Конструктивное выполнение кольцевого канала требует введения в пнеЕмоударный механизм дополнительных деталей. На рис.3 представлена конструкция кольцевого пневмоударника с размещением эжектора в камере пряного хода постоянного давления. Конструктивно схема эжекторного устройства выполнена так хе, как и в предыдущем варианте. При этом эжектор работает максимально производительно, так как на входе в кольцевое сопло постоянно поддерживается нагистральное давление.

Для определения рационального размещения эхектора п кольцевом пневмоударнике применен метод математического моделирования, позволяющий определить потенциально достижимые энергетические показатели кольцевых пневмоударников с различным размещением эгекторкого устройства и выбрать рациональные значения их конструктивных параметров на стадии проектирования.

Задачей настояшего исследования является изучение влияния волновых процессов течения газа в воздухоподводяшем и оланотранспорт-ном каналах на энергетические параметры погружного кольцевого пневмоударника с эхекторным устройством. Для получения более полной информации о газодинамических процессах, происходящих в рабочих камерах ПУН и в выхлопном тракте пневмоударника, необходима математическая модель, которая учитывала бы особенности движения воздуха в системе каналов (резкое изменение плоиади сечения, в канале с поборотом, в случае разветвления каналов, и на произвольном местном сопротивлении). В ИТПН СО РАН был создан комплекс подпрограмм для численного расчета нестационарных газодинамических течений в сложных системах каналов с местными сопротивлениями и разветвлениями.

Рис 1 конструктивная схема пневмоударного механизма с размещением эжектора в породоразрушашем инструменте: 1 - ударник; 2 - породо-разрушаший инструмент; 3 - пакер; 4 - двойная бурильная колонна; 5 - эжектирушие каналы; 6 - шламотранспортная магистраль.

Рис. 2 Конструктивная схема кольцевого пневмоударника с размещением эжектора.в камере обратного хода: 1 - ударник; 2 - камера обратного хода; 3 - сопло эжектора.

Рис. 3 конструктивная схена кольцевого пневмоударника с размешениеь эжектора в камере прямого хода: 1 - ударник; 2 - камера прямого хода; 3 - сопло эжектора.

Основу комплекса составляет подпрограммы численного решения задач о распаде произвольного разрыва возникающих при реализации внутренних граничных условий, появляющихся при одномерном описании динамики потоков газа в сложных разветвленных каналах. Вопросы численной реализации математической модели'для расчета пневмоударного механизма с учетом системы каналов освешены в работах С. В. Павлова и Е. В. Гайслера, где было обосновано применение такого подхода.

Математическая модель пневмоударного механизма, учитывающая наличие системы каналов, представляет собой совокупность уравнений, сложно связанных между собой. Во-первых - это уравнения движения подвижных деталей:

перемещение 1 - го элемента Уд- скорость 1 - го элемента;

( 1 )

те- масса 1 - го элемента;

- площадь действия давления Р на 1 - й элемент; Ъд- Функция учета трения, силы тяжести;

Вторая группа уравнений представляет собой уравнения для определения значений давления и температуры газа в камерах в виде:

(2)

ШП -.уи.и) раУк

где 2, Цк1 - суммарный приток массы в единицу времени из остальных' камер и каналов;

ЕНк1 ~ суммарный приток энергии в единицу времени из камер и к'аналов;

Третья группа уравнений служит для определения газодинамических параметров внутри каналов. Здесь в качестве граничных значений используются параметры газа в камерах. На линейных участках решение одномерных газодинамических задач ведется по уравнениям:

м + йт -п

ж дГ дШ+д(£±щ11 = ТоГ

о* дх ( з >

г Р(Н)

где 1д - касательное напряжение на стенке канала;

X - смоченный периметр;

^ - плотность теплового потока от стенок к газу;

О - удельная внутренняя энергия. ,а в узлах записываются условия сопряжения одномерных потоков. Эти условия выводятся с использованием законов сохранения массы, импульса и энергии. Построение численного решения уравнений ( 3 •) производится на основе . метода "распада разрыва", предложенного С. К. Годуновым.

Построенный комплекс программ позволяет провести анализ влияния разветвленной системы каналов на работу ПУН. В дальнейшем этот' комплекс бал использован для исследования газодинамических процессов течения газа в пневмоударном механизме и примыкающих к ПУН каналах и расчета конструктивных размеров пневмоударника.

Третья глава посвщена теоретическому исследованию динамики пневмоударных механизмов, выбору конструктивной схемы кольцевого пневмоударника с эжектором и исследованию динамики систены "возду-хоподводяшая магистраль - пневмоударник.со встроенным эжектором -шламотранспортная магистраль".

Настояшая работа выполнена в виде совокупности нескольких этапов исследований. На первом этапе рассматривалась работа пневноу-дарника в скважине без эжектора. Целью данного исследования являлась оценка работы ПУН в скважине, а также выявление взаимосвязи газодинамических процессов, происходящих в пневмоударном механизме, воздухоподводяшей и шланотранспортной магистралях при изменении площади затрубного пространства. Затеи проводилось определение наиболее рационального размещения эжектора в схеме погружного пневмоударника. После этого на основании полученного материала, а также после проведения экспериментального исследования эжекторного устройства. проводилось исследование влияния встроенного эжектора на параметры пневмоударника и шламопровода при тех же значениях зазора затрубного пространства, что и на первом этапе.

Численные эксперимента проводились с изменяющимся зазором между стенкой скважины и призабойным пакером при работе кольцевого пневмоударника в скважине на глубине 50 н. Глубина 50 метров приня-

та с учетом статистических данных о глубине залегания месторождений золота на Северо-Востоке России, а также в соответствии с технической характеристикой бурового комплекса КБР-1П, разрабатываемого в СКВ НПО "Геотехника" для ударно-врашательного бурения. Исходными данными для математического моделирования исследуемой системы явились значения конструктивных параметров кольцевого пневмоударника ПКР-135,. разработанного в ИГД СО РАН.

Обобщенная расчетная схема системы " воздухоподводяшая магистраль - кольцевой пневноударник - шламотранспортная магистраль" представлена на рис. 4. Камеры постоянного давления б и 7 представляют на схене атмосферу. Подвод магистрального воздуха в пневмоу-дарный механизм осушествляется по каналу I. Ветвь каналов II и IV, соединенных местным сопротивлением, представляет соответственно осевой канал кольцевого пневмоударника и внутреннюю полость двойной бурильной колонны. Нестное сопротивление выделено в связи с изменением площади поперечного сечения в пшамотранспортной магистрали в месте соединения инструмента и бурового става. Ветвь каналов III и V, представляет затрубное пространство. Здесь канал III моделирует кольцевой зазор незду стенкой скважины и призабойным пакером, а канал V - между стенкой скважины и буровын ставом. Пневмоударный механизм характеризуется камерами 1, 2, 3, связь которых между собой и с примыкающими каналами зависит от положения ударника. В расчетной схеме выделена камера постоянного объема 1, моделирующая работу призабойной зоны. Движение выхлапываемого воздуха из этой камеры осушествляется по двун системам каналов, моделирующих шланот-ранспортную магистраль (каналы II и IV) и затрубное пространство (каналы III и IV).

Для удобства дальнейших рассуждений было введено понятие относительной плошадй затрубного пространства, определяемая как отношение :

hn

б = --( 4 )

где F^- площадь затрубного пространства;

?ш - площадь сечения пшамотранспортной магистрали.

Задачей моделирования на первом этапе исследования являлась опенка работы ПУН в скважине без эжектора, а также определение газодинамических параметров выхлапываемого воздуха в планотранспорт- ' ной магистрали при изменении зазора затрубного пространства. Основ-

кольцевого пневмоударника

ные результаты моделирования графически представлены на рис. 5; 6. Из анализа полученных диаграмм изменения массовых расходов воздуха в затрубном пространстве и в шламопроводе видно, что при величине относительной плошади затрубного пространства 6=0,19 (рис.5) расход отработанного воздуха , поступавшего в шламотранспортную магистраль составляет примерно 68/ от обшего количества выхлапываемого из пневмоударника воздуха При 6-0, 38 (рис. 6) этот расход составляет уже лишь около 48Х. Скорость движения восходящего по шламопроводу потока воздуха с увеличением зазора между пакером и стенкой скважины снижается и не обеспечивает своевременную очистку призабойной зоны от буровой мелочи.

Волновые процессы движения воздуха в воздухоподводяшей и шла-мотранспортной магистралях приводят к снижению основных рабочих параметров ПУМ. Так, энергия единичного удара при работе ПУМ в сква-

0.м,кг/с

0.3 ОХ 0,1

/ ч

\ / 2

Г 4

Рис. 5 Диаграммы изменения массовых расходов воздуха при работе ПУН в скважине без эжектора при величине относительной плошади затруб-ного пространства б = 0,19: 1 - в шламотранспортной магистрали; 2 - в затрубном пространстве.

Ом.

>,кг/с

0,3

0,2

■ / г \ 2 1

А / А /

ш Л

_ V V V Тц »

Рис. б Диаграммы изменения массовых расходов воздуха при работе пун в скважине без эжектора при величине относительной плошади затруб-ного пространства б = О, 38: 1 - в шламотранспортной магистрали; 2 - в затрубном пространстве.

хине снизилась на ш, а частота - на V-.

Указанные обстоятельства явились предпосылкой постановки и решения второй задачи моделирования, которая заключается в анализе возможности улучшения пропускной способности шламотранспортной магистрали за счет наиболее эффективного размещения встроенного эжектора в кольцевом пневноударнике. В связи с тем, что дополнительный отбор сжатого воздуха из рабочей камеры пневноударника теоретически может привести к снижению его рабочих параметров, в ходе сравнительного анализа решалась задача определения такого расположения кольцевого эжектора в погружном пневмоударнике, которое характеризовалось бы наименьшим снижением энергетических показателей ПУН.-

Для выбора схемы кольцевого пневмоударника с рациональным размещением эжектора в схеме ПУН рассматривались несколько вариантов конструкций пневмоударшк механизмов, представленных на рис. 1;2;3. На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. При введении в конструкцию погружного пневмоударника кольцевого эжектора снижение основных рабочих показателей пневмоударно-го механизма, проявляется не значительно в связи с повышением расхода магистрального воздуха;

2. В результате сравнения схем кольцевого пневмоударника с различным размещением эжектора конструкция ПУН со встроенным эжек-торным устройством в камере прямого хода выглядит предпочтительнее с точки зрения наименьшего снижения энергетических параметров пневмоударника, и большей эффективности работа эжекторного устройства.

На третьем, заключительном этапе моделирования рассматривалась работа кольцевого пневмоударника в скважине с эжектором. Положительное воздействие эжекторного устройства на работу ПУН оказывается следующим образом:

1. Эжектор, встроенный в конструкцию пневмоударника, обеспечивает принудительное движение выхлапываеного воздуха по ппанопроводу и за счет увеличения скорости движения буровой мелочи по шламотранспортной магистрали при тех же геометрических размерах осевого канала увеличивает его пропускную способность.

2. Создание области пониженного давления в шламотранспортной магистрали оказывает воздействие на газодинамические процессы, происходящие в призабойной зоне. При этом обеспечивается более. интенсивный сброс давления из рабочих камер пневмоударника, что способствует повышению его энергетических параметров.

3. Устойчивый режим транспортирования отбуренной породы из

прнзабойной зоны на поверхность снижает вероятность попадания кер-нопламового материала в затрубное пространство. В связи с этим не происходит вторичного переизмельчения отбуренной породы. Повышается производительность процесса и одновременно информативность геологоразведочного бурения.

Положительное влияние встроенного эжекторного ' устройства на работу пневноударнюса проявляется, за счет улучшения эффективности работы шламотранспортной магистрали. Ввиду невозможности оценить аналитически увеличение пропускной способности пшамопровода при введении . в пнеЕмоударкик эжекторного устройства, было проведено экспериментальное исследование газо-динамичесюа процессов, протекавших в эжекторнон устройстве. Методика, условия проведения и основные результаты экспериментальных измерений описаны в главе 4. В результате проведения экспериментальных исследований была получена база данных, позволяющая смоделировать работу эжектора в ранках математической модели.

Во многих случаях инженерной практики эжектор используют в качестве эксгаустера для создания пониженного давления в некоторой объеме. Такой подход при изучении работы эжекторного устройства привел к возможности, моделирования эжектора в рассматриваемой математической нодели как камеры со значением давления воздуха, величина которого меньше Фактического. Величина перепада давлений " Р*, на которое отличается давление в данной камере, определено экспериментальным путем. Тем самым создаются условие для принудительного движения выхлапываеного воздуха, а вместе с гам и отбуренной породы по шламопроводу, что обеспечивает более эффективную его работу.

На рис. 7; 8 приведены основные результата заключительного этапа исследований. Изображенные диаграммы характеризуют степень изменения динанических показателей потоков воздуха в пшанотранспортпой магистрали после введения в конструкт® пневяоударника встроенного эжекторного устройства. При введении в .кольцевой пневмоударник эжекторного устройства увеличивается расход выхлапываеного воздуха, поступающего в пшамотранспортную магистраль. При величине относительной площади затрубного пространства 6=0,19 расход отработанного воздуха в шламопроводе увеличивается с 68К до 86'/. от обзего количества выхлапываеного воздуха, а при 6=0, 38 с 48 '/■ до 741. Увеличивается скорость восходящего потока воздуза по пшамотранспортной магистрали, на 22-27'/, благодаря чему создаются необходимые условия для непрерывного выноса буровой мелочи из призабойиой зоны и эФФективно-

в сквадине с эжектором при величине относительной плошади затрубво-го пространства б я О,19: 1 - в шлаиотранспортной магистрали; 2 - в затрубнон пространстве.

в скважине с эжекторон при величине относительной плошади затрубно-го пространства б = 0,38: 1 - в шлаиотранспортной магистрали; 2 - в затрубном пространстве.

го транспортирования ее на поверхность. При введении в конструкцию кольцевого пневмоудагчика встроенного эхзкторного устройства энергия единичного удара увеличивается в средней на 52, а частота ударов увеличивается примерно на 2'/■.

На основании результатов проведенных исследований разработана методика расчета кольцевых пневмоударников с эжектором, кмекзЕ высокую - ударную нопность и обеспечиваггпнх высокоэффективную работу Епанопровода.

В четвертой главе изложены методика и результаты экспериментальных исследований зжекторного устройства. При проведении экспериментов ставились следуюзие задачи:

1. Экспериментальное определение расходов эжектирукпего и эжектируемого воздуха в эгекторнон устройстве предлагаемой конструкции с целью получения базы данных, позволяющих смоделировать работу эжектора в рамках математической нодели.

2. Построение графической зависимости значений расхода эжектируемого воздуха от плонади раскрытия кольцевого сопла эжектора и после математической обработки полученных результатов построение графика значений снижения давления в камере пониженного давления в зависимости от режима работа кольцевого эжектора.

3. Сравнение теоретических расчетов течений газа в каналах, полученных в ранках квазиодиомерной модели с экспериментальными данными.

Экспериментальное исследование газодинамических процессов, •протекающих в эжекторном устройстве, производилось на испытательной установке,' принципиальная схена которой приведена на рис. 9. В составе измерительного устройства использовались спасете устройства 1 и 2, тернонетры 3 и 4, светолучевой осциллограф 5. Измерение расхода воздуха эжектируюгей струи производилось на сужаюпен устройстве 1. На суааюиен устройстве 2 измерялся расход суммарного потока воздуха (зжектиршзая струя плюс эжектируемый поток). Применялся традиционный метод измерения расхода с использованием стандартного суааюсего устройства (диафрагмы). Определение расходов воздуха проводилось в соответствии с требованиями, предъявляемыми к измерительной аппаратуре ( Правила измерения.расхода газов и жидкостей стандартными суаагпинц. устройствами РД 50-213-60).

По результатам измереш^'расходов воздуха при различных режимах работа зжекторяого устройства построена кривая 1 на рис. 10, ил-люстрирушая зависимость расзода эжектируемого потока воздуха от

Рис. 9 Схема экспериментальной установки: 1;2 - стандартные сухашке устройства; 3;4 - термокетры; 5 - светолучевой осшшлограф.

аР, мПа

щмо

0,0/5 0,020 0,025

Г 0,05

0,06 щ

0,02

П

йм.иг,

00

0.07

т

Рис. 10 Результаты экспериментальных измерений: 1 - кривая изменения расхода электируемого потока воздуха в зависимости от величины относительной плошали кольцевого сопла эжектора; 2 - кривая изменения расхода воздуха в канале в зависимости от величины перепада давлений на его концах.

величины относительной плошади кольцевого сопла эжектора. Кривая г на рис. 10 иллюстрирует характер изменения массового расхода воздуха в канале от величшш перепада давлений на его концах. Результаты исследования позволили определить значения снижения давления в шла-мотранспортной магистрали , обеспечивающих увеличение пропускной способности шламопровода в зависимости от выбранного режима работы эжекторног'о устройства.

В процессе проведения экспериментальных исследований проводилось сравнение результатов непосредственных измерений массовых расходов воздуха' в кольцевом сопле эжектора с теоретическим расчетом, основанном на применении квазиодномерной модели. Сравнение расчетных и экспериментальных значений расходов воздуха показало, что расхождение их не превышает 8'/. это подтверждает достоверность результатов проведенных исследований и надежность расчета по разработанной методике.

_В пятой главе изложены результаты производственных испытаний кольцевого пневмоударника со встроенным эжектором.

Производственные испытания пневмоударника проводились на опытных скважинах участка "Широкундуй" ГРЭ - 324 ПГО "Сосновгеология". Целью испытаний являлось определение скорости бурения и проверка соответствия конструкторской разработки пневмоударника с эжекторным устройством задачам обеспечения 100И выноса выбуренной породы по внутренней колонне бурильных труб на поверхность. Иневмоударники работали в составе бурового комплекса КГК-300 с использованием компрессора СД-15-25 и установки для улавливания шлама.

Производственные испытания показали высокую эффективность применения встроенного эжектора в кольцевом погружном пневмоударткс. Пневмоударник надежно запускался и устойчива работал при бурении скважин в сложных геологических условиях. Механическая скорость бурения в породах IX - X категорий по буриности составила 10 - 15 м/ч, при обеспечении 100'/. выноса отбуренной породы по шламот-ранспортной магистрали на поверхность. Достигнутые в ходе испытаний скорости бурения обеспечивают повышение производительности в 3 - 5 раз по сравнению с производительностью бурения станками ударно- канатного бурения.

Результаты исследований использованы в СКВ * Геотехника " при при разработке комплекса КБР-1П, предназначенного для бурения геолого-разведочных скважин в многолетнемерзлых породах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи создания кольцевого геолого-разведочного пневме-ударника со встроенный эжектором для бурения скважин, основанное на теоретическом и экспериментальном исследовании его рабочих процессов, обеспечивающих достижение высокой ударной мощности пневмоу-дарника и эффективный режим работы шламотракспортной магистрали.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Обоснованы требования и разработаны новые принципиальные конструктивные схемы'кольцевых пневмоударников со встроенным эжектором, отвечающие выдвинутым требованиям;

2. Разработана математическая модель системы " воздухоподводя-шая магистраль - пневмоударный механизм со встроенным эжектором -пшамотранспортная магистраль", основанная на использовании квазиодномерного подхода в решении задач газовой динамики, достоверно отражающая реальные физические явления;

3. Аналитически исследована на математической модели работ; кольцевого пневмоударника в скважине при изменении зазора затрубног< пространства. Выявлена взаимосвязь газодинамических процессов, про исходящих в пневмоударном механизме, в воздухоподводящем тракте ] шламотранспортной магистрали. Установлено, что параметры затрубноп пространства в значительной степени влияют на процесс транспортиро вания керношламового материала на поверхность. При увеличении плоша ди затрубного пространства снижается скорость движения восходящее по шламопроводу потока выхлапываемого воздуха и создаются услови для образования в шламотранспортной магистрали шламовых пробок.

4. Проведено численное исследование рабочих процессов в кольцевом пневмоударнике при различном размещении эжекторного устройства. Установлено, что наиболее рационально располагать эжектор в камере пряного хода пневмоударника;

5. Проведено экспериментальное исследование газодинамических процессов в эжекторном устройстве, установлена взаимосвязь изменения давления в выхлопном тракте с величиной раскрытия сопла эжектора. Определена область рациональных значений раскрытия сопла эжектора, обеспечивающая сохранение высокой ударной мощности пневмоу-дарного механизма и увеличение скорости восходящего потока отработанного энергоносителя по осевону каналу пневмоударника на 22-27/.;

б. При введении в кольцевой пневмоударник эжекторного устройства перераспределяются потоки выхлапываемого воздуха в шламопро-воде и затрубном пространстве, в результате чего увеличивается количество выхлапываемого воздуха, поступающего в шламотранспортную магистраль. При величине относительной плошали затрубного пространства б= 0,19 расход отработанного воздуха в шламопроводе увеличивается с 68'/ до 8бк от общего количества выхлапываемого воздуха, а при б= 0,38 с 48И до 74Х. Увеличивается пропускная способность шламотранспортной магистрали, благодаря чему создаются условия для непрерывного выноса буровой мелочи из призабойной зоны и эффективного транспортирования ее на поверхность; повышается производительность бурения и обеспечивается увеличение глубины бурения скважин.

.7. Разработана методика расчета пневмоударного механизма со встроенным эжектором, в основе которой лежит поэтапное применение подходов к моделированию газодинамических процессов.

8. В соответствии с предложенной методикой был разработан кольцевой пневмоударник 1ШР-135Э, прошедший опытно-производственные испытания при бурении геологоразведочных скважин участка "Широкун-дуй" ГРЭ-324 ПГО "Сосновгеология". Результата исследования использованы СКВ НПО "Геотехника" при разработке бурового разведочного комплекса КБР-1П для бурения скважин в многолетненерзлых породах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Положительное решение по заявке Í 4908947/03, от 15.01.92г. Пневноударник для бурения скважин. ( Соавторы Сноляннцкий Б. Н., Ли-пин А. А., Сырямин А. Т., Зеленцов А. А., Данилов Б. Б.).

2. Исследование влияния встроенного эжекторного устройства на работу кольцевого пневмоударника. -Физ.-тех. проблемы разработки полезных ископаемых, 1992, N 3, -с. 95-96.

3. Численный анализ работы кольцевого пневмоударника при различных размерах площади затрубного пространства, -физ. -тех. проблемы разработки полезных ископаемых, 1993, N4,-с. 57-59.

ДСП.Подписано к печати 21 декабря 1993г.

Формат 60x84/16. Печать офсетная.

Объем I, 5. п. л. тираж 100. заказ 5.

ИГД СО РАН