http://oakim.boom.ru/science/inject.html

БУРЕНИЕ СКВАЖИН С ОБРАТНОЙ ПРИЗАБОЙНОЙ ПРОМЫВКОЙ, СОЗДАВАЕМОЙ ВОДОСТРУЙНЫМИ НАСОСАМИ (ГИДРОЭЛЕВАТОРАМИ).

Конструктивные особенности водоструйных аппаратов и их приближенны и расчет.

     Струйный аппарат (рис. 1) представляет собой устройство, которое позволяет подсасывать и поднимать на определенную высоту жидкость за счет кинетической энергии подаваемого к нему потока жидкости. Поток рабочей жидкости под действием напора поступает из сопла 1 в камеру смешения 3 и далее в диффузор 4 и нагнетательную линию.


Рис. 1. Схема струйного аппарата.

     Силой поверхностного трения рабочий поток увлекает за собой частицы среды, в которой протекает.
     В рабочей (приемной) камере 2 создается разрежение, куда поступает подсасываемая (эжектируемая) жидкость.
     Принцип действия водоструйных аппаратов основан на непосредственной передаче кинетической энергии рабочего потока жидкости, обладающего большим запасом энергии, другому потоку, обладающему меньшим запасом энергии. На основании уравнения Д. Бернулли для идеальной жидкости сумма удельной потенциальной энергии (статического напора) и удельной кинетической энергии (скоростного напора) постоянна и равна полному напору:
     Выходящая из сопла жидкость обладает большей скоростью (v₂>v₁), т. е. большим скоростным напором, вследствие чего пьезометрический напор потока жидкости в камере смешения уменьшается (p₂<p₁), что приводит к подсосу жидкости в камеру смешения. В камере происходит перемешивание рабочей и эжектируемой жидкости. В диффузоре скорость смешанного потока уменьшается и увеличивается статический напор, благодаря которому жидкость перемещается по нагнетательному трубопроводу.
     Отношение расхода эжектируемой жидкости (Q_Э) к расходу рабочей жидкости (Q_P) называется коэффициентом подмешивания или эжекции – a.
     Он может изменяться в довольно широких пределах от 0.5 до 2.0. Наиболее устойчивая работа водоструйного насоса наблюдается при a=1.
     Отношение полной геометрической высоты подъема эжектируемого потока жидкости в м (Н) к напору рабочего потока в м (h) называется коэффициентом напора ß:
     При подъеме воды из скважины величина коэффициента ß может изменяться в пределах 0.15 – 0.35.
     Коэффициент полезного действия насоса равен отношению полезно затраченной мощности ( H·Q_Э·Y кГм/сек) к затраченной мощности (h·Q_P·Y кГм/сек), то есть
     Следовательно, эффективность работы водоструйного насоса зависит в основном от коэффициентов напора и эжекции.
     Водоструйные насосы имеют сравнительно низкий К.П.Д. (25% – 30%). Так как К.П.Д. насоса ограничен, то очевидно, изменяя (увеличивая) коэффициент эжекции, мы сможем создать меньший напор (давление) смешанного потока и наоборот.
     Коэффициент эжекции зависит в основном от основного геометрического параметра эжекторного аппарата (m), который определяется отношением площади сечения камеры смешения (F₂) к площади сечения выхода насадки (F₁):
     Геометрический параметр является исходной величиной, определяющей все основные рабочие параметры гидроэливатора. С увеличением коэффициента m возрастает и коэффициент эжекции a, но создаваемый аппаратом напор будет уменьшаться.
     Лабораторными исследованиями и производственными испытаниями водоструйных насосов, применяемых для промывки скважин в бурении, установлено, что наиболее эффективно они работают, когда геометрический параметр находится в пределах m=2.5÷4.0.
     Установлено также, что для условий разведочного бурения, где применяются в большинстве случаев буровые насосы производительностью 100 л/мин – 250 л/мин, от которых работают погружные эжекторные снаряды, диаметр выходного отверстия насадки d для создания необходимого перепада давления должен быть равен 7 мм – 9 мм. Если для привода погружного насоса применяются насосы большей производительности, то диаметр отверстия насадки должен быть больше. Теория и подробная методика расчета струйных аппаратов дана в целом ряде работ Б. Э. Фридмана, П. Н. Каменева и др.
     Установив диаметр отверстия насадки d и задавшись величиной геометрического параметра m, можно определить диаметр камеры смешения по формуле:
     Так, при d=9 мм и m=4 диаметр камеры смешения будет равен 18 мм.
     На работу гидроэлеваторов сильно влияет конструктивное выполнение и расположение отдельных его элементов.
     Насадку рекомендуется выполнять в виде конуса с цилиндрическим выходным каналом. Угол внутреннего конуса предлагается делать равным 50° – 70°. Длина всей насадки берется равной в пределах 6÷10 диаметров ее выходного отверстия, длина цилиндрического канала 0.25÷0.50 d. Внутренняя поверхность насадки должна быть тщательно обработана.
     Камера смешения имеет входной конусообразный участок, длину которого рекомендуется брать равной диаметру отверстия камеры смешения, а конусность – 60°. Длина камеры смешения берется в пределах 4 – 6 D. Диффузор считается идеальным, если он выполнен с постепенным увеличением угла конусности от 2° до 13°. Однако такой диффузор труден в изготовлении, поэтому фактически угол конусности диффузора делают равным 6° – 8°. Длина диффузора устанавливается конструктивно.
     Для обеспечения нормальной работы струйного насоса расстояние от торца насадки до начала цилиндрической части отверстия камеры смешения должно находиться в пределах 1÷2 D.
     От величины этого расстояния в определенной степени зависит производительность и напор, развиваемый водоструйным насосом.
     Следует отметить, что предложенные различными исследователями теоретические формы для расчета геометрических параметров струйных аппаратов включают величины, которые в скважинных условиях не являются постоянными.
     Это затрудняет их применение для расчета особенно водоструйных насосов, встроенных в колонковые снаряды.

http://oakim.boom.ru/science/inject.html

Волков А.С., Волокитенков А.А. Бурение скважин с обратной циркуляцией промывочной жидкости. – М.: 1970. – 184 с.