ДонНТУ Портал магистров ДонНТУ

Збірник наукових праць ДонНТУ, серія гірничо-геологічна / редкол.: Башков Є.О. та ін. - Донецьк: ДонНТУ. 2008. - с. 67

с.42-47

Разработка гидравлического устройства, включаемого в состав бурового снаряда, для ликвидации прихватов в разведочных  скважинах

Рязанов А.Н.

При бурении геологоразведочных скважин в сложных горно-геологических условиях Донбасса одним из наиболее распространенных видов аварий является прихват бурового снаряда.

Для извлечения из скважины прихваченного инструмента используют  поверхностные домкраты и выбивные бабы. При отрицательном результате их применения колонну бурильных труб разворачивают до места прихвата и оставшуюся часть пытаются выбить механическим или гидравлическим вибратором. Подобные работы характеризуются большой трудоемкостью и значительными затратами времени. В связи с этим актуальным является разработка вибратора, который включался бы в состав бурового снаряда, не мешая процессу бурения, а в случае возникновения аварийной ситуации использовался незамедлительно по целевому назначению.

Как перспективная для разработки авторами принята схема гидроударника одинарного действия с обратным активным ходом бойка. Преимуществом подобных механизмов  является возможность получения значительной скорости удара бойка по наковальне, определяющей энергию волны деформации, которая распространяется в прихваченной части бурового снаряда.

Рис.1. Гидравлическое

устройство, включаемое в состав бурового снаряда

Переходник 19 имеет выводные каналы 18 для выхода рабочей (промывочной) жидкости  в затрубное пространство.

При возникновении в скважине прихвата для срабатывания пускового клапана 13 устройства увеличивают подачу промывочной жидкости. Пусковой клапан 13 перекрывает проходное отверстие и боек 10 сжимая пружину 11 начинает двигаться вниз, при этом втулка 14 пускового клапана срезает штифт 15 и садится на упор 17 хвостовика бойка 10. Боковые каналы 12 бойка открываются, давление в системе падает и боек 10 за счет пружины 11 возвращается в исходное положение. С поверхности сбрасывают шарик 8, который перекрывает осевой канал 6 бойка 10. Над клапаном 3 возрастает давление и клапан 3 вместе бойком 10 начинает двигаться вниз, сжимая пружины 4 и 11. При попадании перепускных каналов 5 клапана в полость низкого давления. Давление над клапаном падает и посредством пружины 4 клапан 3 возвращается в исходное положение. Боек 10 по инерции продолжает свое движение вниз до полной остановки. После чего пружиной 11 боек возвращается вверх и в конце рабочего хода наносит удар по наковальне 7. Над клапаном 3 возрастает давление и цикл повторяется.

Рабочий цикл предложенного устройства можно представить в виде трех фаз (рис.2).

Рис.2.  Фазы рабочего цикла гидравлического устройства:

1 – клапан, 2 – пружина клапана, 3 – шарик, 4 – боек, 5 – пружина бойка,  6 – корпус

Фаза 1.  Клапан с бойком в сомкнутом положении двигаются вниз до начала сообщения  через перепускные каналы полости высокого давления с полостью бойка.

Фаза 2. Остановка клапана. Боек отрывается от клапана и по инерции продолжает движение вниз до полной остановки. В этот же период времени клапан возвращается в исходное положение.

Фаза 3. Рабочий ход бойка под действием силы разжимающейся пружины. В конце хода боек наносит удар по наковальне и контактирует с клапаном. Вследствие малой длины бойка принимается, что удар происходит мгновенно.

Основными по продолжительности являются фазы 1 и 3. Движение бойка во время фазы 2 рассматривается для точного определения общего хода бойка.

Совместное движение клапана и бойка устройства во время фазы 1  может быть описано уравнением:

где m – масса движущихся частей устройства, кг; x – текущее  перемещение системы “клапан-боек”, м;  p_р – давление в корпусе устройства, определяемое работой, которую выполняет жидкость по перемещению подвижных частей, Па; k – коэффициент, учитывающий разряжение за поршнем; r – плотность рабочей жидкости, кг/м³; c – скорость распространения гидроударной волны в жидкости; m – коэффициент утечек жидкости; V_Т – скорость течения жидкости в бурильных трубах, м/с; f_кан  – площадь  осевого канала в бойке, м²; f_кл – рабочая площадь клапана, м²; f_Т – площадь поперечного сечения канала бурильных труб, м²; g – ускорение силы тяжести, м/с²; F_тр – сила гидравлического и механического трения перемещающихся клапана и бойка о корпус, Н; z₁, h₁ и z₂, h₂ –  жесткость (Н/м) и начальное натяжение (м) соответственно пружины клапана и пружины бойка.

Выполнив преобразования, получим

где  А₁, А₂, А₃ – сокращающие обозначения, равные:

;;

Так как , с учетом нулевых начальных условий

решение уравнения (2) имеет следующий вид:

;

где

На фазе 2, когда клапан и боек устройства перемещаются раздельно, уравнение движения для бойка имеет вид:

где m_б – масса бойка, кг;  x_б – текущее перемещение бойка, м; f_р – рабочая площадь бойка, м²;

 – сила трения, действующая при перемещении бойка, Н .

Введя обозначения

;

получим

При начальных условиях:

решение уравнения (9) примет вид:

где V₁ – скорость движения бойка в конце фазы 1, м/с.

Уравнение движения бойка устройства на 3-й фазе имеет вид:

где  S_б – общий ход бойка, определяемый как сумма перемещений на первых двух фазах рабочего цикла устройства, м.

Введем обозначения

Приводим уравнение к обычному виду

При начальных условиях

решение уравнения (14) примет вид:

В результате проведенных расчетов по определению перемещения и скорости бойка гидравлического устройства при различных значениях конструктивных и технологических параметров получены результаты, анализ которых позволяет сделать следующие выводы.

На фазе 1 (рис.3) боек за короткий промежуток времени достигает максимального значения скорости, после чего его движение постепенно замедляется. На участке разгона основной движущей силой является гидроударное давление, возникающее при торцевом соединении клапана и бойка в крайнем верхнем положении. По расчетам в начальный момент движения бойка на этой фазе величина гидроударного давления в 1,9-2,1 раза больше среднего рабочего давления на цикле. При массе бойка 50 кг и расходе жидкости 180 л/мин суммарное давление достигает 4,5 МПа. При перемещении бойка величина давления снижается, скорость начинает прирастать с меньшим ускорением. Для рассматриваемых условий скорость достигает максимума 1,31 м/с на величине хода 0,01 м, что соответствует времени с начала фазы 0,018 с. В дальнейшем возрастают  давление рабочей жидкости и сила сжимаемой пружины, движение бойка становится замедленным. Общая продолжительность фазы 1 будет подобрана из условия обеспечения требуемой величины разгоняющей силы на фазе 3.

На фазе 3 динамика бойка зависит от соотношения разгоняющих и тормозящих сил. Боек заставляет двигаться сила разжимающейся пружины, значение которой определяется жесткостью, предварительным натягом и величиной сжатия на фазах 1 и 2. Противодействуют движению бойка: его вес (при массе 50 кг значение веса  490 Н), сила гидравлического и механического трения (принята постоянно равной 100 Н) и сила, обусловленная давлением жидкости на рабочую площадь бойка (при принятых конструктивных параметрах и среднем рабочем давлении 1,5 МПа ее значение 460 Н).

При отсутствии предварительного натяга и жесткости пружины 15 кН/м перемещение бойка вверх будет происходить при сжатии пружины на фазах 1 и 2 не менее чем на 0,07 м. Конструктивно принимаем равным 0,11 м. Для этих условий изменение скорости бойка при перемещении на фазе 3 представлено на рис.3. Зависимость имеет гиперболический характер. В начальный момент ускорение движения составляет 12-14 м/с², в дальнейшем снижается до 0 м/с²  в конце рабочего хода. Скорость соударения бойка с наковальней 2,52 м/с.

Рис. 3.  Изменение скорости бойка при перемещении на фазах 1 и 3

(m_б=50 кг, S_б=0,11 м, z=15 кН/м, р_р=1,5 МПа, F_тр=100 Н)

На основе установленных зависимостей предложена методика расчета рабочих  параметров, которая состоит в следующем.

1.       По зависимостям (16) находится продолжительность t₃ рабочего хода бойка при х=S_б и скорость V₃ соударения бойка с наковальней.

2. После проведения вычислений параметров рабочего цикла гидравлического устройства определяется период цикла (с):

3.       (где t₁, t₂, t₃ – продолжительность первой, второй и третьей фаз, с).

Частота ударов (Гц):

4. Энергия удара (Дж):

5. Ударная мощность (Дж/с):

6. Коэффициент полезного действия :

1.       (где Q – расход жидкости на привод устройства, м3/с; p – перепад давления на устройстве, Па).

Энергия генерируемого удара в большей степени зависит от значения скорости соударения бойка с наковальней, чем от массы бойка.  Однако, при изменении массы бойка меняется соотношение действующих сил, что в свою очередь сказывается на скорости движения бойка. Применяя бойки малой массы можно значительно увеличить скорость соударения, получить большую частоту и энергию удара. Но с точки зрения предела текучести материала (стали) скорость соударения бойка с наковальней ограничивается 10 м/с. Кроме того, по данным Е.В.Александрова [5] при скоростях 5 м/с и более стойкость пружин резко падает. Поэтому при разработке конструкции гидравлического устройства целесообразно ограничиться массой бойка 50 кг. Получаемая для этих условий энергия удара будет составлять 150 Дж, что, как показывает опыт ведения работ на производстве, достаточно для ликвидации прихватов бурового геологоразведочного снаряда.

 Техническая характеристика гидравлического устройства

Предложенная математическая модель рабочего цикла и методика расчета нашли применение при разработке конструкции гидравлического устройства ударного типа диаметром 89 мм, включаемого в состав бурового снаряда с колонной СБТМ-50, для ликвидации прихватов в разведочных скважинах.

Библиографический список

1.        А.В. Коломоец. Предупреждение и ликвидация прихватов в разведочном бурении. – М.: Недра, 1985. – 220 с.

2.        И.П. Пустовойтенко. Аварии в бурении. – М.: Недра, 1965. – 231 с.

3.        Калиниченко О.И., Зыбинский П.В. Забойные буровые машины. – Донецк: ДонНТУ, 2006. – 222с.

4.        Ясов В.Г. Теория и расчет рабочих процессов гидроударных буровых машин. – M.: Недра, 1977. – 153 c.

5.        Е.В. Александров, Б.В. Соколинский. Прикладная теория и  расчет ударных систем. – М.: Недра, 1969. – 132 с.

ДонНТУ Портал магистров ДонНТУ