ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОУДАРНИКОВ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ НА МОДЕРНИЗИРОВАННОМ СТЕНДЕ С КОМПЬЮТЕРНОЙ РЕГИСТРАЦИЕЙ ИЗМЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ

А.А. Каракозов, С.Н. Парфенюк

Донецкий национальный технический университет (Украина)

Источник: Буріння.2009, №3, с.19 – 22

В статье представлено описание модернизированного стенда для экспериментальных исследований гидроударников двойного действия. Приведены некоторые результаты экспериментальных исследований рабочего цикла гидроударников, применяющихся в снарядах при бурении скважин в нескальных породах морского шельфа и при проходке дегазационных скважин в Донбассе.

Гидроударники двойного действия с дифференциальным поршнем давно используются при проходке скважин как на морском шельфе (в нескальных породах), так и на суше, в том числе геологоразведочных и дегазационных в Донбассе [1, 2, 3]. Большой комплекс теоретических и экспериментальных исследований, ранее проведенных на кафедре технологии и техники геологоразведочных работ (ТТГР) ДонНТУ, позволил создать эффективные конструкции гидроударников. Особое внимание при этом уделялось экспериментальным работам, позволившим подробно изучить фазы рабочего цикла различных конструктивных схем гидроударников, а также определить реальные энергетические показатели этих механизмов в зависимости от условий эксплуатации [4, 5, 6].

В то же время ряд вопросов не подвергся тщательному изучению. Например, остаются открытыми многие вопросы сравнительной оценки различных схем клапанных групп гидроударников и влияния их динамики на работу всего механизма. Недостаточное внимание уделялось изучению так называемого «несимметричного» рабочего цикла, когда целенаправленно снижается скорость соударения бойка с наковальней при его движении вверх (за счёт гидроторможения на свободном ходе). А для этого необходимо экспериментально уточнить влияние величины свободного хода бойка на его гидроторможение с учётом динамики клапанной группы. Ещё один вопрос, имеющий важное практическое значение для разработки морских буровых снарядов и требующий экспериментального обоснования – это влияние подвижности корпуса гидроударника относительно забоя на его энергетические параметры и динамику клапанной группы.

Для проведения экспериментальных исследований была проведена модернизация стенда, схема которого показана на рис. 1 [7].

Скорость бойка и клапанной группы измерялась индукционными датчиками. Для измерения давления использовались датчики с чувствительным пластинчатым элементом. Для преобразования упругой деформации чувствительных элементов в электрический сигнал использовались тензомосты на основе проволочных тензорезисторов. Для точного разграничения фаз рабочего цикла за счёт фиксации моментов ударов бойка по наковальне также использовались тензомосты, измерительные тензорезисторы которых наклеивались на боковую поверхность наковален. Среднее значение давления жидкости в нагнетательной магистрали контролировалось манометром типа МО. Величина расхода рабочей жидкости контролировалась с помощью расходомеров и объёмным методом при помощи мерных емкостей.

Модернизации подверглась регистрирующая часть стенда. Вместо применявшегося ранее светолучевого осциллографа Н-115 для регистрации сигналов с датчиков и тензоусилителя 8АНЧ-7М для питания измерительных полумостов и усиления сигналов, поступающих с них, был использован прецизионный модуль WAD-ADC16-32F производства компании АКОН (г. Киев), выполненный в виде встраиваемой в персональный компьютер платы (рис. 2).

Модуль WAD-ADC16-32F реализует функции гальванически развязанного аналогового ввода (32 канала), аналогового вывода (2 канала), цифрового ввода (16 линий), вывода (16 линий), а также содержит 24 линии цифрового ввода-вывода (ЦВВ) без гальванической развязки. Модуль позволяет запитать постоянным напряжением тензомосты (до 3-х) и завести возвратный провод, что обеспечивает низкую погрешность измерений. Содержит буферное оперативное запоминающее устройство (ёмкость 32К слова), которое может использоваться для всех вышеперечисленных функций, кроме ЦВВ на 24 линии. Модуль имеет вход внешнего запуска (синхронизации), защиту от перегрузок по входу, выход окончания преобразования, программируемое усиление сигнала, таймер. Частота преобразования измеряемых сигналов – до 83 кГц.

Внешний вид модернизированного экспериментального стенда с компьютерной регистрацией измеряемых параметров приведен на рис. 3.

Вся информация, получаемая с датчиков в процессе эксперимента, в цифровом виде записывается на жёсткий диск компьютера. Таким образом, объём получаемой информации фактически ограничивается объёмом диска, что позволяет производить подробные измерения и запись весьма длительных процессов, например таких, как запуск гидроударника и вывод его на рабочий режим. Использовавшееся ранее традиционное регистрирующее оборудование просто не позволяло записать такие большие объёмы информации из-за ограниченности ёмкости фотокассет и большой скорости регистрации процессов.

Для построения и анализа осциллограмм по цифровым значениям величин сигналов, полученных с датчиков при помощи модуля WAD-ADC16-32F, аспирантом С.Н. Парфенюком в среде Lazarus был разработан ряд версий программы Akonview. Программа создана для работы в ОС Windows (начиная с версии Windows-98). Интерфейс программы Akonview (вторая версия) представлен на рис. 4.

На этом же рисунке показаны наложенные друг на друга осциллограммы перемещения бойка и клапанной группы гидроударника дифференциального действия. Осциллограммы, показанные на рисунке 4 чёрным цветом, соответствуют неподвижному корпусу механизма (относительно забоя). Серые осциллограммы соответствуют подвижному гидроударнику. Для обеспечения подвижности корпуса относительно забоя гидроударник при съёмке осциллограмм отсоединялся от опорного переходника стенда (поз. 11 рис. 1) и мог свободно перемещаться в осевом направлении.

Анализ полученных осциллограмм, в том числе и приведенных на рис.4, показывает, что подвижность корпуса гидроударника относительно забоя не оказывает существенного влияния на продолжительность его рабочего цикла, скорость соударения бойка с наковальнями и динамику клапанной группы. Этот вывод является весьма важным, поскольку даёт возможность при описании процесса погружения гироударных буровых снарядов в нескальные грунты использовать теоретические зависимости энергетических параметров гидроударника, полученные для описания его рабочего цикла при неподвижном корпусе. Эти данные подтвердили также ранее принятое допущение о независимости рабочего цикла гидроударников двойного действия от характера погружения гидроударного бурового снаряда в грунт [1, 8].

В тоже время из осциллограмм видно, что движение клапанной группы гидроударника на ходе бойка вверх (область осциллограммы на рис. 4 ниже нулевой линии) может быть довольно сложным. Причём, сравнивая характер движения клапанов с ранее полученными данными (рис. 5, [7]), можно сделать вывод, что увеличение первоначальных зазоров между клапанами гидроударника усложняет их движение и приводит к приоткрыванию впускного клапана на ходе бойка вверх, что способствует некоторому кратковременному снижению скорости бойка.

Изменяя размеры свободного хода бойка и исходного зазора между клапанами, а также варьируя подачу жидкости в гидроударник, удалось получить ряд характерных осциллограмм (рис. 6), позволяющих установить зависимости движения бойка на рабочем цикле не только с учётом гидроторможения, но и с учётом выявленной фазы остановки бойка перед его ходом вверх, которая наблюдается при определённом сочетании конструктивных и технологических факторов и обусловлена особенностями кинематики и динамики клапанной группы данного гидроударника.

a                                                                                                                                  б

По результатам выполненных работ можно сделать следующие выводы. Проведенная модернизация экспериментального стенда для исследования гидроударников двойного действия позволила существенно повысить информативность получаемых результатов за счёт увеличения их объёмов и оперативность их интерпретации за счёт компьютерной обработки цифровых массивов данных по регистрируемым параметрам.

Проведенные исследования подтвердили ряд предположений, положенных в основу теоретических моделей, в частности о независимости рабочего цикла данной конструкции гидроударника от перемещения бурового снаряда. Кроме того, выявлены особенности динамики бойка и клапанной группы, а также их взаимосвязь, позволившие установить зависимости, определяющие гидроторможение бойка при ходе вверх и его остановку после удара по нижней наковальне, что имеет важное практическое значение с точки зрения ограничения подскока бурового снаряда над забоем. Этот фактор обеспечивает увеличение скорости погружения бурового снаряда в породы песчано-глинистого комплекса при бурении подводных скважин и механической скорости бурения дегазационных скважин на шахтных полях Донбасса.

Полученные результаты были учтены при проектировании усовершенствованных буровых снарядов установок морского бурения УМБ-130 и УМБ-130М и гидроударников ГУ-168 для бурения дегазационных скважин, разработанных кафедрой ТТГР ДонНТУ при участии ЗАО «Компания «Юговостокгаз».

Литература:

1. Калиниченко, О. И. Гидроударные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе / О. И. Калиниченко, П. В. Зыбинский, А. А. Каракозов. – Донецк: «Вебер» (До-нецкое отделение), 2007. – 270 с.
2. Калиниченко, О. И. Перспективы развития ударно-вращательного бурения эксплуатаци-онных скважин / О. И. Калиниченко, А. А. Каракозов, П. В. Зыбинский, С. Н. Парфенюк // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент и технология его изго-товления: Сб. научн. трудов. – Киев: ИСМ им. Бакуля, 2005. – Вып.8. – С.– 89 – 91.
3. Парфенюк, С. Н. Анализ рабочего цикла гидроударника для бурения дегазационных скважин / С. Н. Парфенюк, А. А. Каракозов // Наукові праці ДонНТУ, Серія «Гірничо-геологічна». – Донецьк: ДонНТУ, 2008. – Випуск 7(135). – С. 136–141.
4. Коломоец, А. В. Результаты экспериментальных исследований гидровибрационных ме-ханизмов дифференциального действия / А. В. Коломоец, О. И. Калиниченко, Е. В Квашин, А. А. Каракозов // Межвуз. науч. темат. сб. Техника и технология бурения разведочных скважин. – Свердловск: СГИ, 1984. – Вып. 7. – С. 46 – 52.
5. Квашин, Е.В. Результаты экспериментальных исследований бурового снаряда установки УГВП-130/8 / Е. В. Квашин // Межвуз. науч. темат. сб. Техника и технология бурения разведочных скважин. – Свердловск: СГИ, 1986. – Вып. 9. – С. 42 – 46.
6. Калиниченко, О. И. Экспериментальные измерения характеристик гидроударника при изменении сечения трубопровода / О. И. Калиниченко // Труды ДонГТУ, Серия «Горно-геологическая». – Донецк: ДонГТУ, 2001. – Вып.23. – С.109 – 113.
7. Каракозов, А. А. Экспериментальные исследования гидроударников, входящих в состав буровых снарядов для проходки геологоразведочных скважин на шельфе / А. А. Каракозов // Наукові праці ДонНТУ, Серія «Гірничо-геологічна». – Донецьк: Дон-НТУ, 2005. – С. 72-77.
8. Калиниченко, О. И. Развитие научных основ создания погружных гидроударных снаря-дов и установок для однорейсового бурения скважин на морском шельфе: Дисс. ... докт. техн. наук: 05.15.10 / Калиниченко Олег Иванович. – Донецк, ДонНТУ, 2002. – 371 с.