Настаченко Александр Александрович

Горно-геологический факультет

Кафедра «Технологии и техники горно-разведочных работ»

Специальность «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых»

Разработка гидроциклонной шламовой трубы с вакуумизацией шламовой полости

Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры ТТГР Филимоненко Николай Тивериевич

Содержание

	Обоснование темы    Для сбора шлама при бурении скважин с обратной промывкой используются внутренние шламовые трубы. В них улавливание твердой фазы происходит путем резкого снижения скорости жидкости за счет увеличения площади сечения канала, в котором она циркулирует [1, 4]. В результате шлам под действием гравитационных сил отделяется от потока и осаждается на дно трубы.    Практика показала, что при наличии в скважине технической воды (ньютоновской жидкости) сбор шлама происходит эффективно. Однако при переходе технической воды в неньютоновскую жидкость, например при длительном контакте с породами глинистого комплекса, процесс оседания шлама резко ухудшается.    Поэтому для улучшения эффекта отделения шлама от неньютоновской жидкости используются шламоуловители гидроциклонного принципа действия. В таких устройствах происходит завихрение потока и интенсивное разрушение структуры жидкости, что способствует лучшему отделению твердых частиц и отбрасыванию их к стенкам шламовой трубы под действием центробежных сил. В результате частицы шлама прижимаются к ее стенкам и под действием силы тяжести оседают.    Опыт применения шламоуловителей гидроциклонного действия дает основание считать, что для разрушения структуры жидкости скорость потока должна быть довольно высокой (10 – 15м/с). До настоящего времени гидроциклонный принцип разрушения структуры неньютоновской жидкости с целью улучшения шламоотбора применялся только в эжекторных буровых снарядах, в которых местная обратная промывка создается с помощью струйного насоса. Принцип действия и конструктивная схема    Конструкция предлагаемой внутренней шламовой трубы (рис. 1) позволяет улучшить сбор шлама при бурении с обратной промывкой, создаваемой с помощью насоса, установленного на дневной поверхности.    Работает устройство следующим образом. Взвесенесущий поток из колонковой трубы 15 через переходник 14, внутренний канал детали 12, сопло 10, смесительную камеру (участке АБ канала б детали 9), отверстия в соединительной втулки 7, поступает в гидроциклон, канал которого выполнен в виде прямоугольной канавки, прорезанной по наружной поверхности детали 6 по винтовой линии. Канавка снаружи закрыта внутренней поверхностью детали 5. Далее взвесенесущий поток ударяется в коническую поверхность детали 4, угол наклона которой позволяет фокусировать отраженный от нее шлам в полость внутренней шламовой трубы, образованную внутренней поверхностью корпусной детали 3 и наружной поверхностью соединенных между собой деталей 9, 12 и 5. Для улучшения сбора шлама в полости внутренней шламовой трубы с помощью струйного аппарата создается разряжение для подсасывания в нее насыщенной шламом жидкости.
Рис. 1 Внутренняя гидроциклонная шламовая труба	(анимация: объём – 50,1 кб, размер – 154 x 879, состоит из 4 кадров, задержка между кадрами – 20 мс, задержка между последним и первым кадрами – 150 мс, количество циклов повторения – 40)	Рис. 1.1 Анимация гидроциклонной шламовой трубы

Расчеты и разработка конструкции

   При движении жидкости по винтовой линии канала гидроциклона, имеющей угол наклона "а" к горизонтальной плоскости, абсолютная скорость Vа потока жидкости, перемещающего частицу шлама, будет раскладываться на две составляющие: горизонтальную и вертикальную. При этом следует помнить, что имеется ввиду абсолютная скорость эжектирующего и всасываемого эжектируемого потока.На рис. 3 показан вектор абсолютной скорости частицы шлама Vа, которая так же имеет вертикальную Vверт и горизонтальную Vгор составляющие. Последняя определяет скорость закручивания частицы шлама, что приводит к возникновению центробежной силы, прижимающей частицу к вертикальной стенке канала гидроциклона. Дальнейшее движение частицы шлама происходит с трением о вертикальную стенку канала гидроциклона, которое будет снижать скорость ее движения.

   Вертикальные составляющие сил, приложенных к частице шлама при ее перемещении в канале гидроциклона, показаны на рис. 4.

Рис.3 Векторы абсолютной, вертикальной и горизонтальной составляющей скорости частицы шлама, движущейся в канале гидроциклона.	Рис. 4 Силы, приложенные к частице шлама при ее перемещении в канале гидроциклона.

   После того, как частица под действием горизонтальной составляющей абсолютной скорости потока будет прижата к вертикальной стенке канала гидроциклона, на нее будут воздействовать две группы сил, действующих в вертикальной плоскости (рис. 4).

   Первую группу сил будут составлять вертикальная составляющая транспортирующей силы Fтрн и выталкивающая сила Fа (сила Архимеда).Эти силы будут способствовать движению частицы. Вторая группа включает силу лобового сопротивления Fс движению частицы, силу ее веса F и силу трения Fт о вертикальную стенку канала гидроциклона, возникающую вследствие прижатия частицы к стенке гидроциклона центробежной силой Fц. Каждая из сил, входящая в эту группу, будет препятствовать движению частицы.

   Дифференциальное уравнение вертикальной составляющей перемещения частицы шлама в канале гидроциклона шламовой трубы, при ее выносе потоком жидкости имеет вид: ,(3)

   где m – масса частицы; V и S – скорость и перемещение частицы соответственно.

   Массу частицы m можно рассчитать по формуле: ,(4)

   где Vч – объем частицы (определяется как объем шара, поскольку будут рассматриваться частицы округлой формы, к которым применимо понятие «частица эквивалентного диаметра»).

   Вертикальная составляющая транспортирующей силы Fтрн определяется по формуле: ,(5)

   где Vверт – вертикальная составляющая абсолютной скорости частицы в канале гидроциклона; Sч – площадь миделева сечения частицы.

   Вертикальную составляющую абсолютной скорости частицы можно определить по формуле: ,(6)

   где Q – суммарный расход рабочего и всасываемого потока жидкости в канале гидроциклона; Sк – площадь поперечного сечения канала гидроциклона; U – скорость оседания (витания) частицы в спокойной жидкости. Поскольку в неньютоновской жидкости, при динамического напряжения сдвига 2,0 Па все частицы, образующиеся при твердосплавном и алмазном колонковом бурении, будут во взвешенном состоянии и не смогут оседать в спокойной жидкости, то при расчете Vверт параметром U можно пренебречь.

   Площадь миделева сечения частицы Sч (проекция тела на плоскость, нормальную к направлению движения тела (или жидкости) рассчитывается по формуле: ,(7)

   где dч – эквивалентный диаметр частицы.

   Выталкивающая сила Fа, приложенная к частице определяется по формуле: ,(8)

   Сила веса частицы F = mg.

   В том случае, если жидкость неньютоновская и проявляет вязкопластичные свойства (модель жидкости – тело Шведова), то силу лобового сопротивления Fс, приложенную к частице шарообразной формы диаметром dч, можно определить по формуле(9) [3]. ,(9)

   где n – структурная вязкость неньютоновской жидкости.

   Если неньютоновская жидкость слабоструктурирована и не подчиняется закону трения Шведова, т.е. характеризуется только пластическими свойствами (модель жидкости – тело Бингама ), то при определении Fдав, согласно рекомендациям Шищенко Р. И.[6], в формуле (9) вместо динамического напряжения сдвига, подставляется статическое напряжение сдвига.

   Сила трения Fс о вертикальную стенку канала гидроциклона рассчитывается по формуле: ,(10)

   где Vгор – горизонтальная составляющая абсолютной скорости частицы в канале гидроциклона; r – наружный радиус цилиндрической поверхности детали 6 (рис. 1), на образующей которой нарезан канал гидроциклона; k – коэффициент трения частицы шлама о вертикальную наружную стенку канала гидроциклона.

   В результате решения дифференциального уравнения (3) с помощью программы Mathcad была определена вертикальная составляющая абсолютной скорости движения частиц шлама в канале гидроциклона шламовой трубы. Расчет выполнялся при следующих исходных данных: суммарный расход эжектирующей и эжектируемой неньютоновской жидкости Q = 78 л/мин; плотность жидкости р = 1100 кг/м3; динамическое напряжение сдвига жидкости 1,5 Па;структурная вязкость жидкости 0.002 Па.с; плотность частицы шлама рч = 2500 кг/м3; эквивалентный диаметр частиц шлама dч принимался дискретно (0,0025 м, 0,001 м, 0,0001 м, 0,00001 м); площадь сечения канала гидроциклона обеспечивало абсолютную скорость жидкости в нем 10 м/с.

   Поскольку точное значение коэффициента трения k частицы шлама о вертикальную стенку канала гидроциклона определить очень сложно, то значение k при расчете принималось 0,5 и 0,99.

   На рис. 5 приведена зависимость Vв = f(dч) вертикальной составляющей Vв абсолютной скорости движения частиц шлама в канале гидроциклона от эквивалентного диаметра частиц dч при разных значениях угла наклона канала гидроциклона к горизонтальной плоскости. На рис. 5,(а) показана зависимость Vв = f(dч) при k =0,5. На рис. 5,(б) – зависимость Vв = f(dч) при k =0,99.

   Рис. 5 Зависимость Vв = f(dч) при разных значениях угла наклона канала гидроциклона к горизонтальной плоскости: k =0,5 (а); k =0,99 (б)

   Из анализа вышеприведенных зависимостей следует:

   1. Вертикальная составляющая Vв абсолютной скорости движения частиц шлама в канале гидроциклона значительно меньше вертикальной составляющей абсолютной скорости рабочей и всасываемой жидкости в канале гидроциклона. Так спектр изменения Vв находится в пределе от 0,059 до 0,609 м/с при k =0,5 (рис. 5,а). При k =0,99 Vв изменяется в пределе от 0,042 до 0,657 м/с (рис. 5,б). Абсолютная скорость рабочей и всасываемой жидкости в канале гидроциклона равна 6,5 м/с, т. е. отличается почти в десять раз.

   2. Снижение Vв наблюдается при уменьшении угла наклона канала гидроциклона к горизонтальной плоскости.

   3. Для частиц шлама dч от 0,0025 м, 0,0002м. и 0. 001 м (крупные частицы шлама) увеличение Vв незначительно. Так при наклоне угла: 10, 30 и 60 и k = 0,5 спектр изменения Vв для таких частиц соответственно (0,059 – 0,069 м/с), (0,071 – 0,079 м/с) и (0,131 – 0,138 м/с). Для случая, когда k = 0,99 спектр изменения Vв частиц эквивалентным диаметром dч от 0,0025 м, 0,0020 м и 0. 001 м будет соответственно (0,042 – 0,049 м/с), (0,051 – 0,079 м/с) и (0,093 – 0,098 м/с).

   Для мелких частиц шлама dч (от 0,0001 м до 0. 00001 м) наблюдается значительное увеличение Vв. Так при наклоне угла 10, 30 и 60 и k = 0,5 спектр изменения Vв для таких частиц соответственно (0,157 – 0,473 м/с), (0,178 – 0,537 м/с) и (0,307 – 0,609 м/с). Для случая, когда k = 0,99 спектр изменения Vв частиц эквивалентным диаметром dч от 0,0001 м до 0,00001 м будет соответственно (0,111 – 0,335 м/с), (0,126 – 0,381 м/с) и (0,218 – 0,657 м/с).

   Движение частицы шлама с небольшой вертикальной составляющей Vв абсолютной скорости в канале гидроциклона будет позитивно влиять на сбор шлама во внутреннюю шламовую трубу. Это объясняется тем, что после выхода ее из канала гидроциклона с небольшой скоростью происходит дальнейшее снижение скорости жидкости, а следовательно и скорости частицы за счет увеличения площади сечения канала, в который она входит. В результате шлам под действием гравитационных сил лучше отделяться от потока неньютоновской жидкости с разрушенной в гидроциклоне структурой и осаждается на дно трубы. Создание разряжения в полости внутренней шламовой трубы подсасывает в нее жидкость со шламом после выхода их гидроциклона, тем самым улучшая сбор шлама.

Выводы

   1. Создание разряжения в полости внутренней шламовой трубы вследствие включения в ее конструкцию струйного аппарата способствует улучшению шламоотбора.

   2. Внутренняя гидроциклонная шламовая труба обеспечивает вход частицы шлама в ее полость с небольшой вертикальной составляющей абсолютной скорости Vв, что улучшает сбор шлама в нее. Снижение Vв наблюдается при уменьшении угла наклона канала гидроциклона к горизонтальной плоскости.

   3. Расчеты показывают, что не будет наблюдаться существенного возрастания потерь давления при работе гидроциклонной шламовой трубы, вызванного включением в ее конструкцию струйного аппарата.

   При написании данного автореферата магистерская работа ещё не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Литература

   1. Волокитенков А. А. Технология отбора шлама при бурении скважин / А. А. Волокитенков, А. С. Волков, И. И. Толокнов, М. М. Розин. – М.: Недра, 1973.– 200с.

   2. Дерусов В. П. Обратная промывка при бурении геологоразведочных скважин / В. П. Дерусов. – М.: Недра, 1984. – 184 с

   3. Леонов Е. Г. Гидроаэромеханика в бурении: Учебник для вузов / Е. Г. Леонов, В. И. Исаев. – М.: Недра, 1987.–269 с.

   4. Справочник по бурению скважин на воду/Д. Н. Башкатов, С.С.Сулакшин, С.Л.Драхлис, Г.П.Квашнин.Под редакцией проф.Д.Н.Башкатова.– М.: Недра,1979.– 560с.

   5. Справочник по гидравлическим расчетам. Под редакцией П. Г. Киселева. Изд. 4-е, переработ, и доп. М.: Энергия», 1972. – 312 с.

   6. Шищенко Р. И. Практическая гидравлика в бурении / Р. И. Шищенко, Б. И. Есьман. – М.:Недра, 1996. –285с.

   7. Ивачев Л. М. Промывочные жидкости в разведочном бурении / Л. М. Ивачев. - М.: Недра, 1975. - 215 с.

---

Резюме | Биография | Библиотека | Ссылки | Отчето поиске | Индивидуальный раздел