Ващенко Владимир Геннадьевич

Рисунок 1. Схема струйного аппарата.

      Струйный аппарат представляет собой устройство (рисунок 1) [1], 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.
      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. Здесь происходит смешение рабочего и подсасываемого (эжектируемого) потоков. При этом скорость подсасываемого потока повышается до величины скорости смешанного потока.
      Первые исследования по применению одинарных эжекторных снарядов, предложенных Н.С. Левченко и С.А. Турко в России, показали хорошие результаты в отношении увеличения выхода керна в трещиноватых породах. Это послужило для создания новых конструкций.
      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.
      В данной работе сделана попытка проанализировав существующие конструкции одинарных и двойных эжекторных снарядов, а так же применяемые на практике методики расчета конструктивных параметров струйного аппарата эжекторного снаряда, выбрать наиболее приемлемую методику расчета, по возможности внеся в нее коррективы ослабляющие влияние факторов меняющихся в процессе бурения, для возможности дальнейшего практического применения данной методики расчета при проектировании новых конструкций одинарных и двойных эжекторных снарядов.
      Принципиальная схема ОЭС показана на рисунке 2 [2]. Промывочная жидкость подается к снаряду по бурильным трубам от бурового насоса, установленного на поверхности. Проходя через переходник с соплом 1, она попадает в камеру смешения 3 и диффузор 4, откуда через каналы 5 в приемной камере 2 поступает в кольцевой зазор между стенками скважин и буровым снарядом. В кольцевом зазоре поток промывочной жидкости разделяется на две части: одна часть поднимается на поверхности, вторая – поступает к забою.

Рисунок 2. Принципиальная схема устройства одинарного эжекторного снаряда.

      При движении жидкости из сопла 1 в камеру смешения 3 в приемной камере 2 возникает разряжение, что приводит к заполнению ее жидкостью, отсасываемой с забоя через коронку 8, колонковую трубу 7, шламовую трубу 6. Поднимаясь верх, жидкость выносит мелкие частицы породы в шламовую трубу, исключая тем самым заклинивание керна. Из шламовой трубы очищенная промывочная жидкость поступает в приемную камеру 2 эжекторного насоса. Наличие в эжекторном снаряде шламовой трубы предохраняет коронку от абразивного износа частицами выбуренной породы.
      При движении жидкости из сопла 1 в камеру смешения 3 в приемной камере 2 возникает разряжение, что приводит к заполнению ее жидкостью, отсасываемой с забоя через коронку 8, колонковую трубу 7, шламовую трубу 6. Поднимаясь верх, жидкость выносит мелкие частицы породы в шламовую трубу, исключая тем самым заклинивание керна. Из шламовой трубы очищенная промывочная жидкость поступает в приемную камеру 2 эжекторного насоса. Наличие в эжекторном снаряде шламовой трубы предохраняет коронку от абразивного износа частицами выбуренной породы.
      Из большого числа ОЭС в настоящее время наибольше распространение получили следующие снаряды: ОЭС конструкции ЦНИГРИ, снаряд ОЭЦЛ-57 и эжекторный снаряд с винтовым пакером и шнековым шламоуловитетелем.
      Конструктивное исполнение ОЭС конструкции ЦНИГРИ изображено на рисунке 3 [2]. Этот снаряд предназначен для бурения в сильно разрушенных, перемежающихся породах IX – XII категорий по буримости.
      Многолетняя практика бурения ОЭС показала, что основной недостаток их работы заключается в относительно низкой проходки за рейс. Это связанно с увеличением сопротивлений в колонковой трубе при ее заполнении керновым материалом, что отрицательно сказывается на работе струйного насоса.
      Схема гидравлического контура ОЭС конструкции ЦНИГРИ приведена на рисунке 4.

Рисунок 3. Колонковий ОЕС.

Рисунок 4. Гидравлический контур ОЭС конструкции ЦНИГРИ.

      ЦНИГРИ совместно с Ленгидроэнергопроектом разработан одинарный эжекторный снаряд ОЭЦЛ. В нем используется конструкция шламоулавливающего устройства, предложенная Е.Ф. Левиным.
      На рисунке 5 [2] приведена конструкция одинарного эжекторного снаряда ОЭЦЛ-57. Внутри колонковой трубы снаряда смонтированы две телескопические соединенные трубки 7 и 10, из которых металлическая трубка закреплена в переходнике 5, а другая полиэтиленовая 10 может перемещаться относительно трубки 7 и имеет в нижней части крестообразный подпятник 11, а в верхней – уплотнитель 8.
      В процессе бурения подвижная трубка, опираясь подпятником на керн, поднимается. Шлам и мелкие частицы керна выносятся из колонковой трубы по трубкам 10 и 7 в закрытую шламовою трубу 4. Оптимальный диаметр отводящих трубок определяется расчетным путем и уточняется экспериментально в зависимости от условий бурения.
      Основной недостаток этого снаряда – его большая длина. Кроме того, керн испытывает давление со стороны подвижной трубки. Схема гидравлического контура снаряда ОЭЦЛ-57 приведена на рисунке 6.

Рисунок 5. Ежекторний буровий снаряд ОЕЦЛ-57.

Рисунок 6. Гидравлический контур снаряда ОЭЦЛ-57.

      На рисунке 7 [2] изображен эжекторный колонковый снаряд с винтовым пакером 3, создающим дополнительное сопротивление потоку, выходящему из отверстия a, и отбрасывающим его к забою. За счет применения этого пакера. облегчается создание обратной призабойной промывки. Применение гидроциклонного шнекового шламоуловителя 5 способствует резкому повышению количества шлама в закрытой шламовой трубе 6.
      Такой эжекторный снаряд одинарного типа может применятся при алмазном и твердосплавном бурении с промывкой. Минимальный диаметр его 57 мм. При алмазном бурении роль пакера может выполнять расширитель.
      Этот снаряд имеет следующие достоинства: простота конструкции; легкость извлечения собранного шлама в шламовой трубе закрытого типа; стабильность эжектируемого потока; достаточная длина рейса. Схема гидравлического контура эжекторного снаряда с винтовым пакером и шнековым шламоуловитетелем приведена на рисунке 8.

Рисунок 7. Эжекторный колонковый снаряд с винтовым пакером и шнековым шламоуловитетелем.

Рисунок 8. Гидравлический контур ОЭС с винтовым пакером и шнековым шламоуловитетелем.

      Несмотря на большое количество конструктивных разновидностей ДЭС, все они работают по одному принципы и служат для создания нагнетательно-всасывающей обратной промывки.
      На рисунке 9 [2] приведена схема устройства и принцип действия ДЭС. Промывочная жидкость подаваемая по бурильным трубам с поверхности под давлением насоса, выходит из сопла 1 в приемную камеру 2, увлекает за собой находящуюся в ней жидкость и направляется в камеру смешения 3 и диффузор 4. Далее она поступает в кольцевой зазор между наружной и внутренней колонковыми трубами и движется к забою скважины.

Рисунок 9. Принципиальная схема устройства двойного эжекторного снаряда.

      На забое смешанный потоке разделяется на основной и эжекируемый. Основной поток направляется к устью скважины в кольцевом зазоре между стенками скважины и колонковым снарядом, а эжектируемый через внутреннюю керноприемную трубу – в приемную камеру 2. Поскольку в приемной камере между насадкой и камерой смешения, при условии подачи сильной струи, все время поддерживается вакуум, то из внутренней колонковой трубы жидкость поступает непрерывно, производя обратную призабойную промывку. Смешанный же поток в двойных эжекторных колонковых трубах образует комбинированную – нагнетательно-всасывающую промывку.
      Из большого числа ДЭС в настоящее время наибольше распространение получили следующие снаряды: двойной эжекторный колонковый снаряд конструкции КазИМСа, снаряд ЭКС-М-73 и ДЭС конструкции ЦНИГРИ.
      Эжекторный колонковый снаряд для твердосплавного бурения конструкции КазИМСа, принятый к серийному производству, показан на рисунке 10 [2]. Колонковый снаряд состоит из следующих основных узлов и деталей: эжекторного насоса (детали 2, 4, 5), закрепленного на переходнике 1; распределительной головки 6, шарикоподшипниковой опоры (детали 7...12); наружной 3 и керноприемной 13 труб; керноудерживающего устройства 14; специальной коронки (дробовой, твердосплавной или алмазной) 15. Твердосплавная коронка 15 армируется резцами из твердых сплавов различной формы. В ее боковой поверхности имеются окна и наружные вертикальные пазы для выхода промывочной жидкости во внешнее кольцевое пространство. Такая конструкция коронки обеспечивает полную изоляцию керна от действия гидродинамических усилий нисходящего потока промывочной жидкости и отчистку забоя скважины от шлама. Внутри коронки имеется цилиндрическая расточка для установки керноудерживающего устройства 14 и центрирования керноприемной трубы 13. Схема гидравлического контура двойного эжекторного колонкового снаряда конструкции КазИМСа приведена на рисунке 11.

Рисунок 10. ДЭС конструкции КазИМСа.

Рисунок 11. Гидравлический контур ДЭС конструкции КазИМСа.

      На рисунке 12 [2] показан снаряд ЭКС-М-73 в конструкции которого были устранены все недостатки обнаруженные в процессе эксплуатации двойного эжекторного снаряда конструкции КазИМСа.
      Схема гидравлического контура снаряд ЭКС-М-73 приведена на рисунке 13.

Рисунок 12. Cнаряд ЭКС-М-73.

Рисунок 13. Гидравлический контур снаряда ЭКС-М-73.

      ЦНИГРИ разработал двойной эжекторный буровой снаряд с не вращающейся внутренней трубой. В этом снаряде внутренняя колонковая труба опережает наружную на 2 см. – 10 см. в зависимости от геологических условий. Для облегчения регулировки опережения внутренней трубы относительно наружной в конструкцию двойного эжекторного снаряда ЦНИГРИ был включен и неподвижный шток.
      Для уменьшения расхода алмазов при бурении двойными эжекторными трубами в ЦНИГРИ были разработаны специальные алмазные коронки: импрегнированные ДЭИ и однослойные ДЭО. Наружный диаметр этих коронок 76 мм. и 93 мм., внутренний соответственно 47 мм. и 59 мм.
      На рисунке 14 [2] показан двойной эжекторный снаряд ДЭС конструкции ЦНИГРИ со специальной алмазной коронкой.
      В этом снаряде имеется внутренняя шламовая труба 7, в которой шламопроводящая трубка имеет шаровой обратный клапан и конусный отражатель 6 для лучшего оседания мелких частиц шлама из обратного потока. Использование внутренних шламовых труб таких конструкций необходимо только при бурении с промывкой забоя водой и нецелесообразно при промывки скважины глинистым раствором.
      Схема гидравлического контура ДЭС конструкции ЦНИГРИ приведена на рисунке 15.

Рисунок 14. ДЭС конструкции ЦНИГРИ.

Рисунок 15. Гидравлический контур ДЭС конструкции ЦНИГРИ.

      Порядок расчета конструктивных параметров эжектора предложенный на кафедре "Технологии и техники геологоразведочных работ" Донецкого Национального Технического Университета профессором Юшковым А.С. для применения его в учебных целях. Расчетная схема водоструйного насоса приведена на рисунке 16 [3].

Рисунок 16. Расчетная схема водоструйного насоса с основными геометрическими размерами.

      Задается диаметр сопла d₁, который должен лежать в приделах 8 мм – 10 мм.
      Задается коэффициент эжекции K_Э, который для водоструйных насосов находится в приделах 0.6 – 0.9.
      Задается рабочий расход жидкости Q_P, который принимается немного меньше (необходима учитывать гидравлические потери) подачи насоса.
      В соответствии с выбранными диаметром сопла и коэффициентом эжекции по нижеприведенной таблице находится диаметр камеры смешения d₃.

      Эжектируемый поток находится по формуле [4]:

      Диаметр диффузора рассчитывается в соответсвии с рекомендациями [1]:

      Длину сопла рекомендуется принимать [1]:

      Длина цилиндрической части выходного сечения сопла рекомендуется [1]:

      Расстояние от сопла до входного участка камеры смешения рекомендуется принимать [1]:

      Длина входного участка камеры смешения [1]:

      Длину цилиндрической части камеры смешения рекомендуют принимать [1]:

      Длину диффузора определяют по формуле [4]:

      Диаметр приемной части камеры смешения находится по формуле [4]:

      По данным, полученным в ходе расчета можно спроектировать реальный струйный насос.
      Существуют и другие методики расчета. В них за исходные данные принимаются следующие параетры: перепад давления в сопле рабочего потока промывочной жидкости, перепад давления в смесителе смешенного потока промывочной жидкости, статическое давление жидкости в начале сопла, статическое давление жидкости эжектируемого потока, расход рабочего потока, напор жидкости эжектируемого потока, удельный объем рабочей среды, удельный объем эжектируемого потока, коэффициент скоростей рабочего потока, коэффициент скоростей смешанного потока.
      Расчет по данной методике приведен здесь (в формате MathCad) [5].

      В настоящее время геологоразведочная отрасль переживает упадок. Но наша страна богата природными ресурсами и одно из условий выхода из экономического кризиса, на мой взгляд, является разработка полезных ископаемых сокрытых в недрах нашей родины. Это позволит использовать собственное сырье, а не завозить его из стран дальнего и ближнего зарубежья. В качестве примера могу просто напомнить всем зависимость Украины от российского газа.
      На первом этапе освоения и разработки месторождения идет его поиск и прогнозирования запасов. И здесь геологоразведка незаменима.
      В Западной Европе, Соединенных Штатах Америки, Канаде специалисты в данной отрасли занимают заслуживающее место. Хочется надеяться, что и у нас в скором времени специалисты в данной области окажутся востребованы.
      В последнее время наметилась тенденция незначительного улучшения в геологоразведочной отрасли. Об этом можно судить по тому, что кафедра "Технология и техника геологоразведочных работ" увеличила набор студентов чуть ли не вдвое. Это говорит о том, что специалисты данной специальности являются востребованными.
      В настоящий момент геологоразведочные организации отказываются от применения эжекторов, так как серийно их выпускает ограниченное количество предприятий. Преимущественно эти организации расположены в России, что так же не способствует их применению в процессе бурения.
      Геологоразведочные организации, как правило, включали в себя цеха и мастерские. В данное время там изготавливается практически все оборудование для буровых работ.
      При рассмотрении мной устройства струйного насоса я пришел к выводу, что его вполне могут изготовить в этих мастерских. Тогда почему, имея неоспоримые преимущества, при бурении в поглощающих зонах, перед обычным буровым снарядом его не применяют. Ответ прост. Очень трудно подобрать геометрические размеры струйного насоса таким образом, чтобы он удовлетворял предъявляемым ему требованиям.
      Я надеюсь усовершенствовать одну из рассмотренных выше методик расчета геометрических параметров струйного насоса, таким образом, чтобы ее можно было применять практически. По возможности внедрить в геологоразведочные организации.
      Планируется проведения экспериментов, на основе которых будет улучшена методика расчета конструктивных параметров струйного насоса.
      После улучшения методики расчета в перспективе возможно написание программы для автоматического расчета. Данную программу можно будет использовать на кафедре при обучении студентов, а так же внедрить ее на геологоразведочных предприятиях.
      К настоящему времени участвовал в одной студенческой научно-технической конференции, которая проводились в Донецком национальном техническом университете на кафедре "Технология и техника геологоразведочных работ" с 24 апреля по 25 апреля 2003 года. Статья "Эжекторный снаряд с тремя струйными насадками" была опубликована в сборнике приуроченном к научно-технической конференции.
      Проанализировав гидравлические контуры ОЭС и ДЭС различных конструкций можно сделать вывод, что гидравлические местные сопротивления даже на конструктивно одинаковых участках будут разные из-за разных рекомендуемых режимов бурения.
      Расчет конструктивных параметров струйных насосов не учитывает конструкцию самого эжекторного снаряда, что так же возможно отразится на геометрических размерах водоструйного насоса.
      Не следует забывать про то, что бурение это не статический процесс, а динамический, то есть который развивается во времени. Это будет отражаться в изменении высоты керна, в процессе заполнения колонковой трубы керном будут меняться гидравлические сопротивления, которые также будут меняться с глубиной, будет меняться давление столба промывочной жидкости, ее зашламование, зазор между колонковым снарядом и стенками скважины из-за возможных вывалов.
      В ходе проведенной работы изучил разнообразные конструкции одинарных и двойных колонковых снарядов, установил их достоинства и недостатки. Познакомился с некоторыми методиками расчета конструктивных параметров эжекторного снаряда. Собрал необходимые данные для проведения эксперемента.
      Своей работой, я на вряд ли поставлю точку на этом вопросе. Я считаю, что полученная мной методика расчета конструктивных параметров струйных насосов будет нуждаться в усовершенствовании и доработке после использования в практических условиях эжекторов созданных по предложенной методике расчета. Кроме того, многие формулы являются эмпирическими. Возможно, в будущем на основе проведенной мной работу они будут заменены на формулы, полученные путем вывода. Я думаю, это должно отразится на качестве расчета в лучшую сторану.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ