ДонНТУ   Кафедра ТТБС   Портал магістрів

Реферат за темою магістерської роботи

Зміст

Вступ

В даний момент в Україні, як і у всьому світі, однією з основних проблем є вода і водоспоживання. На науково-практичній конференції в інституті гігієни і медичної екології ім. А.М. Марзєєва АМН України, “Вода України: сучасний стан, проблеми, шляхи рішення”, охарактеризували цю проблему так:

«Високий рівень техногенного навантаження на водоймища і використання застарілих технологій підготовки питної води, не дозволяють забезпечити населення питною водою гарантованої якості.

Використання в технології підготовки питної води хлора, неефективних коагулянтів і флоакулянтів, відсутність сорбційних фільтрів з активованим вугіллям і ін. призводить до попадання в питну воду значної кількості неорганічних і органічних забруднень, сумісна дія яких на організм людини, особливо в умовах радіаційного навантаження, викликає реальну загрозу здоров'ю нації.

Крім того, питна вода з поверхневих водоймищ потенційно небезпечна у вірусологічному відношенні, оскільки технологія її підготовки не гарантує видалення вірусів з води. Підземні води України, зокрема, артезіанські, в більшості регіонів (Донбас, Придніпров'я, Крим) за якістю не відповідають питним водам, що пов'язане не тільки з природними умовами їх формування, але і з антропогенним забрудненням, і тому потребують очищення.» [7]

У зв'язку з тим виникає потреба в пошуку і розробці нових джерел води. Для більш прискореного темпу буріння необхідне вдосконалення і модернізація бурового інструменту.

Магістерська робота присвячена дослідженням роботи клапанної групи гідроударніка подвійної дії з диференціальним поршнем для буріння свердловин на воду.

1. Обґрунтування теми і назви, актуальність роботи

Буріння свердловин для видобутку питної і технічної води виконується самохідними установками. Особливості конструкції цих установок не дозволяють забезпечити раціональне навантаження долота при бурінні свердловин великого діаметру, що зменшує ефективність процесу буріння та його техніко-економічні показники, особливо в міцних породах (граніти, пісковики, вапняки). Одним зі шляхів інтенсифікації процесу буріння є застосування гідроударників, які б виконували роль генератора ударних імпульсів для підвищення навантаження на вибій свердловини. При цьому гідроударник може працювати як самостійно зі спеціальним долотом, так і виконувати допоміжну функцію при роботі з шарошковим долотом.

Таким чином, для практики буріння гідрогеологічних свердловин досить актуальною є розробка гідроударного механізму, який можна було б застосовувати як для інтенсифікації буріння шарошковими долотами, так і для ударно-обертального буріння долотами з різцями. Це дозволить в першому випадку підвищити техніко-економічні показники буріння, а в другому – знизити затрати за рахунок застосування більш дешевого інструменту. В зв’язку з цим робота по вдосконаленню гідроударника для буріння гідрогеологічних свердловин є актуальною.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Мета роботи – вдосконалення конструктивної схеми гідроударника для буріння гідрогеологічних свердловин, уточнення методики розрахунку і закономірностей його роботи, розробка практичної конструкції і технології його застосування.

Задачі дослідження:

  1. Аналіз сучасного стану і існуючих методик розрахунків гідроударних механізмів для буріння свердловин на воду.
  2. Розробка вдосконаленої конструктивної схеми гідроударника для буріння гідрогеологічних свердловин.
  3. Вдосконалення методики розрахунку гідроударного механізму з урахуванням особливостей його робочого циклу.
  4. Вдосконалення конструкції гідроударника для буріння гідрогеологічних свердловин і технології його застосування.

Ідея роботи : застосування гідроударних механізмів для інтенсифікації шарошкового буріння або його повної заміни на ударно-обертальне.

Об'єкт досліджень : гідроударні механізми для буріння гідрогеологічних свердловин.

Предмет досліджень: конструкція і робочі процеси в гідроударних механізмах для буріння гідрогеологічних свердловин.

Можливі результати, які очікуються при виконанні роботи, їхня новизна та значення:

  1. Вдосконалена методика розрахунку гідроударного механізму для буріння гідрогеологічних свердловин.
  2. Конструкція вдосконаленого ударного механізму (на рівні корисної моделі) та технологія його застосування.

Значення роботи полягає в розробці конструкції і методики розрахунку гідроударного механізму, обґрунтуванні його конструктивних параметрів і технології застосування.

Запланована участь у республіканській науково-технічній конференції студентів «Буріння». Подача роботи на конкурс студентських науково-дослідних робіт і заявки на корисну модель.

3. Огляд досліджень і розробок

3.1 Гідравлічний вібромолот.

Відомий гідравлічний вібромолот (А.С. №199000 СРСР кл. Е02d 7/18, 7/10 опубл. 28.06.1967).[1]

Гідравлічний вібромолот включає перехідник 1, впускання 2 і випускний. 3 клапани, що сидять на загальній порожнистій втулці 4, що має поршень ущільнювача 5 і підпружинену тягу 13; патрубки 6 і 7, утворюють корпус.

Вібромолот містить також поршень 8 з буртиком 9, циліндри 10 і 11 з верхньою криш¬кою 12, бойок 14, поршень 15, верхню 16 і ниж¬ні 17 ковадли і посильний клапан 18.

Гідравлічний вібромолот

Рисунок 1 — Гідравлічний вібромолот

Запропонований вібромолот призничений для ліквідації прихватів бурового снаряду, при цьому він може входити до складу бурового снаряда і розташовуватися під породоруйнівним інструментом.

При бурінні клапан 18 забирається і промивальна рідина, що подається з поверхні по колоні бурильних труб, проходить на забій свердловин через прохідний канал 19 в бойку 14 і каналі 20 в ковадлі 17.

Спочатку роботи вібромолота верхня порожнина циліндра 10 перекривається впускним клапаном 2 і з'єднується через вікна 21 і 22 зі свердловиною.

При підвищенні тиску промивальної рідини на впускний клапан 2 клапанна тяга (деталі 2, 3, 4 і 5) опуститься в нижнє положення, оскільки площа перетину клапана 2 більше площі поршня 5. У цей момент підпружинена тяга 13 стискатиме і почнеться підйом бойок 14. Одночасно з бойком буде підніматися і клапанна тяга. У момент удару бойок об верхнє ковадло 16 впускний клапан 2 під дією підпружиненої тяги, відкриє доступ промивальної рідини у верхню порожнину циліндра 10. У цей момент випускний клапан 3 перекриє вікно 21.

При підвищенні тиску промивальної рідини у верхній порожнині циліндра 10 бойок опуститься вниз, завдасть удару по нижній наковальні 17 і перемістить клапанну тягу в початкове положення завдяки зачепленню буртика 9 за виступ поршня 8.

3.2 Погружний гідровібратор з клапанно-золотниковим розподілом рідини

Гидровібратор складається з перехідників 1 і 2, впускного клапана 3, встановленого на порожнистій тязі 4 вихлопні золотники 5, ущільненого манжетою 6, корпусу-циліндра 7, гайки 8, за допомогою якої в бойку 12 кріпиться буртик тяги клапанно-золотникового блоку, поршня 9, пружини 10, верхньою 11 і нижній 13 ковадл, манжети 14 штока бойок. У вихідній позиції бойок 12 під дією власної ваги знаходиться в крайньому нижньому положенні, впускний клапан 3 закритий, а випускний золотник 5 – відкритий. При подачі промивальної рідини вона по порожнистій тязі 4 і каналу г в бойку 12 поступить під поршень 9 і підніматиме його разом з жвавому. За рахунок тиску рідини на впускний клапан розподільний блок утримується на місці, тому пружина 10 упреться в торець тяги і почне стискуватися. Пройшовши шлях вільного ходу і ходу клапанів, гайка 8 зіткнеться із золотником 5 і перемістить його на відстань 0,5 Sкл. Подальше перекидання проводиться під дією енергії стислої пружини і інерційних сил. При цьому впускний клапан 3 відкриється, а вихлопний золотник 5 перекриє отвори б в корпусі-циліндрі 7.

У момент перестановки клапанно-золотникового блоку бойок 12 завдасть удару по верхньому ковадлу 11. Оскільки промивальній рідині через кільцевий зазор а і отвори у відкритий доступ в надпоршневу порожнину, то бойок 12 почне опускатися. Вільний хід бойка при русі вниз рівний S-Sкл, після чого гайка 8 захопить буртик тяги і відкриє вихлопний золотник 5. Впускний клапан закривається потоком промивальної рідини. Одночасно бойок 12 зустрічається з нижнім ковадлом 13.

Погружний гідровібратор з клапанно-золотниковим розподілом рідини

Рисунок 2 — Погружний гідровібратор з клапанно-золотниковим розподілом рідини

Відмітною особливістю цього гідровибратора є відсутність розподільної головки, функцію якої виконують перехідник 2 і корпус-циліндр 7. Завдяки такому конструктивному рішенню вдалося створити механізм діаметром 57 мм, не послаблюючи міцності деталей. По цій схемі можна спроектувати вібратор діаметром 44 мм. Останні чинники дуже важливі у зв'язку з широким впровадженням алмазного буріння.

3.3 Недоліки описаних розробок

Описані вібратори мають недолік, який полягає в тому, що його конструкція забезпечує різні величини вільного ходу бойка при переміщенні вгору і вниз. Оскільки при ході вгору клапанна група першу частину свого ходу проходить разом з бойком, а другу – самостійно за рахунок клапанної пружини, то різниця між вільними ходами вгору і вниз для цих конструкцій дорівнює різниці між величинами сумарного ходу клапанної групи (яка для забезпечення роботи повинна перевищувати вільний хід бойка при переміщенні вгору) і сумісного хода поршня і клапанної групи на ході вгору (фактично це і є вільний хід бойка при переміщенні вгору). Таким чином, на ході вниз вільний хід бойка завжди буде більшим ніж на ході вгору, тому швидкість бойка при ударі по нижньому ковадлу та енергія ударів, направлених вниз, будуть меншими в порівнянні з аналогічними показниками для хода вгору.

4. Обґрунтування проведення конструкторських робіт

У основу гідроударніка, що розробляється, поставлена задача з вдосконалення гідравлічного вібратора, в якому, за рахунок зменшення вільного ходу бойка при його переміщенні до нижнього ковадла, досягається підвищення енергії удару вниз.

5. Механізм, що розробляється

Розробляємий многофунціональний механізм, який в залежності від компоновки може використовуватися як для буріння свердловин, так і для ліквідіції аварій. В якості прикладу наведена комплектація гідроударника для ліквідації прихватів у свердловині. [8]

До складу гідроударніка (рис.3) входить перехідник 1 з осьовим і радіальними каналами 2 і 3, з’єднаний з клапанною коробкою 4 з вихлопними отворами 5. Клапанна коробка 4 корпусом-циліндром 6 жорстко зв’язана з верхнім ковадлом 7. В корпусі-циліндрі 6 встановлений поршень 8 з радіальними отворами 9, який штоком 10 жорстко з'єднаний з бойком 11, який має хвостовик 12, встановлений в отворі нижнього ковадла 13. Верхнє і нижнє ковадла 7 і 13 з’єднані корпусом 14. В клапанній коробці 4 встановлений впускний клапан 15, виконаний з можливістю переміщення відносно пустотілої тяги 16, яка має у вехній частині уступ 17 над впускним клапаном 15 і з’єднана з поршнем 8 пальцем 18, який забезпечує можливість її обмеженого переміщення. Вихлопний золотник 19 з радіальними отворами 20 встановлений над поршнем 8, а між ними для забезпечення рухомості відносно пустотілої тяги 16 розміщена пружина 21. При цьому зазор (а) між уступом 17 і перехідником 1 менший за зазор (Sk) між вихлопним золотником 19 і клапанною коробкою 4. В нижньому ковадлі виконані радіальні канали 22.

Розроблений гідроударник

Рисунок 3 — Розроблений гідроударник

Гідроударник працює таким чином (на прикладі ліквідації аварії).

Він спускається в свердловину після виникнення прихвату і з'єднується нижнім ковадлом 13 з прихопленим інструментом (не показаний).

Коли в гідроударник подається промивальна рідина, то вона поступає в клапанну коробку 4 через канали 3 у верхньому перехіднику 1 і під поршень 8 через центральний канал 2 у верхньому перехіднику 1, порожнина тяги 16 і радіальні отвори 9. За рахунок тиску рідини поршень 8 починає рухатися вгору разом з 11, сполученим з ним штоком 10, а тяга 16 піднімається на величину а до упору уступу 17 в перехідник 1, при цьому впускний клапан 15 міститься в сідлі клапанної коробки 4.

При ході поршня 8 вгору стискується пружина 21, а рідина з порожнини корпусу-циліндру 6 над поршнем 8 вичавлюється в свердловину через радіальні отвори 20 і вихлопні отвори 5. Коли поршень 8 пройде відстань S, то він завдасть удару по вихлопному золотнику 19. Останній піднімається вгору до упору в клапанну коробку 4 на відстань Sk за рахунок енергії удару і сили стислої пружини 21. Вихлопний золотник 19 перекриває вихлопні радіальні канали 5 в клапанній коробці 4 і відкриває впускний клапан 15. За цей час бойок 11 пройде вільний хід, який дорівнює SB-S (він має бути менше за Sk для запобігання повторному удару по закритому вихлопному золотнику), і завдає удару по верхньому ковадлу 7, енергія якого через корпус 14 і нижнє ковадло 13 передається на прихоплений інструмент.

Работа гідроударника

Рисунок 4 — Работа гідроударника

Оскільки впускний клапан 15 відкритий, то рідина поступає в порожнину корпусу-циліндра 6 над поршнем 8, і за рахунок того, що робоча площа поршня 8 зверху більше, ніж знизу на величину площі хвостовика 12, то виникає сила, яка вимушує рухатися поршень 8 вниз. При цьому впускний клапан 15 і вихлопний золотник 19 містяться у верхньому положенні за рахунок тиску рідини. При підході до нижнього ковадла 13 поршень 8 пальцем 18 б'є по порожнистій тязі 16 і переміщає її вниз. Тяга 16 за рахунок контакту уступу 17 з впускним клапаном 15 повертає його і вихлопний золотник 19 в початкове положення, що перекривають рідини доступ в над поршневу порожнину корпусу-циліндра 6. За цей час бойок 11 пройде вільний хід, який дорівнює величині а, і завдає удару по нижньому ковадлу 13, енергія якого передається на прихоплений інструмент. Таким чином для того, щоб вільний хід бойок, а відповідно, і енергія ударів вгору і вниз були рівними, досить виконати співвідношення Sb-S=a. При цьому величина а має бути менше за Sk для запобігання зупинці бойку до удару по нижньому ковадлу.

Далі цикл роботи повторюється.

Прихват ліквідовується за рахунок періодичних ударів вгору і вниз, які генерує гідроударник. В процесі роботи радіальні отвори 22 в нижньому ковадлі 13 забезпечують циркуляцію рідини під хвостовиком 12, що необхідне для працездатності механізму у разі герметичного прихвату, коли рідина із забою не зможе потрапити під хвостовик 12 через центральний канал в нижньому ковадлі.

Висновки

Магістерська робота присвячена актуальній проблемі, оскільки в Україні як і у всьому світі актуальною є проблема пошуку і розробки нових джерел питної і технічної води, а як слідство розробка і вдосконалення методів і інструментів буріння.

В процесі виконання магістерської роботи планується провести комп'ютерне моделювання роботи гидроударника, що розробляється, та проаналізувати отримані дані. Так само обґрунтувати конструктивні параметри і робочі креслення розробленого гидроударника, виконати 3D-моделювання.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: січень 2014 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  1. А.с. 199000 СССР кл. Е02D 7/18, 7/10. Гидравлический вибромолот / Г.И. Неудачин; Донец. политехн. ин-т (СССР). - № 1090034/29-14; заявл. 11.07.1966; опубл. 28.06.1967, Бюл. № 14. – 2 с.
  2. Коломоец А.В. / Предупреждение и ликвидация прихватов в разведочном бурении / А.В. Коломоец. – М.: Недра, 1985. – 220 с.
  3. Коломоец А.В., Ветров А.К. / Современные методы предупреждения и ликвидации аварий в разведочном бурении / А.В. Коломоец, А.К. Ветров. – М.: Недра, 1977.- 200 с.
  4. Козловский Е.А. / Справочник по бурению геологоразведочных скважин / Е.А. Козловский. – М.: Недра, 2000. – 712с.
  5. Калиниченко, О. И. Гидроударные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе / О. И. Калиниченко, П. В. Зыбинский, А. А. Каракозов. – Донецк : «Вебер» (Донецкое отделение), 2007. – 270 с.
  6. Парфенюк С. Н., Каракозов А. А./ Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Гірничо-геологічна. Випуск 11(161) - Донецьк, ДонНТУ, 2010. - С. 223-233.
  7. Актуальность и чрезвычайная острота проблемы обеспечения населения Украины качественной питьевой водой. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.likar.info/zdorovoe....
  8. Гідравлічний вібратор: пат. 79599 Україна: МПК Е 21 В 31/113 / С.М.Парфенюк, А.А.Каракозов, А.А.Кадук, І.Д.Сагайдак; Донец. держ. техн. ун-т (Україна). - № u 2012 12764; заявл. 09.11.12; опубл. 25.04.13.