Якубцова Наталья Витальевна

Якубцова Наталья Витальевна

Институт горного дела и геологии

Кафедра: Технологии и техники геологоразведочных работ

Спецальность: Технология и техника разработки месторождений полезных ископаемых

Тема випускной работы:

Рaзработка насосной установки для осушения стволов шахт, пройденых бурением

Руководитель: Пилипец В. И.

Реферат по теме выпускной работы

Введение

Актуальность темы: Отсутствие надежной водоподъемной техники для осушения стволов шахт, пройденных бурением, которая могла б со значительной глубины откачивать зашламованую жидкость и позволила бы совмещать во времени операции по откачке и проверке качества крепления.

Связь работы с научными программами планами, темами: В дальнейшем использовании и развитии полученной методики расчета рабочих параметров насосной установки и использование полученных знаний в буровой отрасли,

Практическая ценность результатов работы: На кафедре «Техника и технология геологоразведочных работ» накоплен достаточный опыт в проектировании насосов различного назначения.

Цель работы: Усовершенствование существующей водоподъемной техники.

Идея работы: Усовершенствование технических способов откачки зашламованой жидкости с глубин до 1000 м и технологии проведения откачек.

Задачи работы:

1. Анализ существующих технических способов для проведения откачек из стволов шахт, пройденных бурением;

2. Разработка методики выбора конструктивных и расчета рабочих параметров насосной установки;

3. Выбор конструктивных параметров деталей насосной установки в зависимости от условий проведения откачки;

4. Расчет рабочих параметров насосной установки;

5. Изучение зависимости рабочих параметров от условий проведения откачки;

6. Анализ полученных результатов, разработка технологии проведения откачек.

Объект и предмет разработки: Штанговые насосы и устройства для расхаживания колонн подъемных труб. Поставленные задачи решаются путем обобщения и анализа патентных и литературных источников, проведение теоретических исследований, проведение исследовательско-конструкторских работ.

Новизна работы: Заключается в разработке компактного механизма для привода штангового насоса и в получении аналитических зависимостей, которые позволяют использовать насосную установку для откачки жидкости в период проведения качества крепления.

Практическое значение: Использование разработанной технологии проведения откачек жидкости, что позволит совместить операции по откачке и проверке качества крепления. Это позволит значительно сократить затраты материальных средств и ускорить срок сдачи в эксплуатацию шахтного ствола.

Аналитический раздел

После выполнения работ по креплению скважины, пройденной бурением, и тампонирования затрубного пространства производятся предварительные работы по передаче скважины в эксплуатацию. Для этого производится удаление промывочной жидкости из пробуренной скважины, т. е. осушение скважины.

Одновременно с осушением проверяется целостность крепи, а именно отсутствие деформации крепи и размывов на стыках секций. Проверяется качество застывшего тампонажного раствора в затрубном пространстве по отсутствию течи через стыки обсадных труб. Все эти работы предусматривают спуск рабочих в свободное от жидкости пространство. Некоторые работы могут быть совмещены во времени.

Осушение скважины может выполнятся желонкой, погружными насосами, эрлифтом, гидроприводными насосами, другими типами водоподъемников, обеспечивающими соответствующий напор и подачу.

Часто откачка выполняется комбинированным способом. После откачки погружным центробежным насосом верхнего слоя более чистой жидкости, производится откачка загрязненной жидкости и осевшего бурового шлама желонками.

Погружные насосы с электродвигателями получили распространение благодаря компактности и экономичности, кроме того, их установка не трубует строгой вертикальности и прямолинейности скважины. Однако они имеют высокую стоимость и ненадежны при откачке загрязненной жидкости.

Штанговые насосы более просты и позволяют откачивать зашламованую жидкость с больших глубин. Движение поршню (в насосах невставного типа) или цилиндру (в насосах вставного типа) передается от привода, установленного на поверхности, через колонну штанг, пропущенных внутри подъемных труб.

Однако использование штанговых насосов затруднено отсутствием надежного и не громоздкого привода.

В качестве привода используются станки-качалки или различные механизмы для расхаживания колонны труб, которые заменяют станки качалки.

Известны различные устройства для привода штанговых насосов, например, механизмы с использованием в качестве контргруза колонны насосных труб, соединенной со штоком приводного цилиндра. Другие механизмы приводятся в действие труборазворотами.

Однако эти механизмы сложны, имеют большие размеры и не позволяют обеспечивать большие длины ходов штанговых насосов.

В настоящее время отсутствует надежная водоподемная техника для осушення стволов шахт, пройдених бурением, которая могла бы со значительной глибини откачивать зашламованую жидкость и разрешила бы совместить во времени операции по откачке и проверки качества креплення.

Поэтому разработка компактного, мощного, простого в обслуживании привода штанговых насосов является актуальной проблемой.

В настоящей работе сделана попытка разработать гидроприводной механизм для расхаживания труб вставного штангового насоса, который будет использоваться при откачке зашламленной жидкости из буровых скважин глубиной до 1000м большого диаметра, пройденных бурением.

Нужно установить закономерности роботы штангового насоса и гидрокачалки, разработать математическую модель работы этой установки.

Для достижения поставленной цели определяются следующие задачи:

1. Анализ существующих конструкций штанговых поршневых насосов.

2. Анализ существующих конструкций привода штанговых поршневых насосов

3. Разрабока методики расчета штангового поршневого насоса и определение его рабочих параметров.

Разрабока методики расчета гидрокачалки для привода штангового поршневого насоса и определение ее рабочих параметров.

Поставленные задачи решаются путем обобщения и анализа патентных и литературных источников, проведения теоретических исследований, выполнения исследовательско-конструкторских работ.

Научное значение работы заключается в возможности использования полученной теоретической модели и применение добытых знаний в горной и буровой отрасли.

Практическое значение выражается в создании эффективной конструкции насосной установки с возможностью сочетать операции по откачке жидкости и проверке качества крепи ствола, пройденного бурением.

Анализ существующей водоподъемной техники для осушения стволов шахт, пройденных бурением

Все технические средства для подъема жидкости из скважин большого диаметра по виду энергии, сообщаемой жидкости можно разделить на три группы:

- насосы, изменяющие энергию жидкости за счет изменения давления (штанговые, инерционные, поршневые бесштанговые, насосы замещения, винтовые, диафрагменные);

- насосы, изменяющие только кинетическую энергию жидкости (центробежные, струйные, гидропневматические);

- насосы, изменяющие только энергию положения жидкости (желонки, эрлифты, динамолифты).

К техническим средствам для подъема жидкости из скважин большого диаметра (осушения) предъявляются определенные требования:

- возможность подъема загрязненной жидкости;

- обеспечение откачки с глубин до 1000 м и более;

- обеспечение подачи до 30–40 м³/час;

- возможность совмещения процесса откачки с проверкой качества тампонирования затрубного пространства;

- компактность размещения в скважине;

- взрыво-электробезопасность;

- простота в эксплуатации;

- относительно небольшая стоимость;

- возможность изготовления некоторых деталей в мехмастерских управления;

- возможность ремонта непосредственно на буровой.

Таким требованиям отвечают лишь несколько видов существующей водоподъемной техники:

- желонки;

- некоторые погружные центробежные насосы;

- эрлифты и динамолифты;

- штанговые насосы;

- погружные бесштанговые гидропоршневые клапанные насосы.

Часто осушение выполняется комбинированным способом. после откачки погружным центробежным насосом верхнего слоя более чистой жидкости, производится откачка загрязненной жидкости и осевшего бурового шлама другими водоподъемниками, например желонками.

Откачка жидкости желонкой.

Известны желонки объемом 3м³ для осушения стволов, применяемые в ГХК «Спецшахтобурение».

Достоинством такого способа является простота технологического процесса и относительно небольшая стоимость изготовления желонки и проведения откачки, возможность подъема с больших глубин зашламленной жидкости.

Недостатком является невозможность совмещения процесса откачки с проверкой качества тампонирования затрубного пространства

Откачка погружными центробежными насосами.

Насосные установки с центробежными насосами погружного типа состоят из погружного центробежного насоса с электродвигателем, собранных в одном агрегате, колонны напорных труб и кабеля для питания электродвигателя.

Насос с электродвигателем подвешивается на колонне напорных труб ниже динамического уровня жидкости в скважине.

Кабель для питания электродвигателя спускается в скважину одновременно с навеской колонны напорных труб.

Такие насосы секционно-многоступенчатые (от 130 до 415 ступеней), с малым диаметром рабочих ступеней — рабочих колес и направляющих аппаратов.

Для откачки с глубины более 300 м используются насосы типа ЭЦВ, ЭПЛ, АПТ, АПВ и некоторые другие, способные откачивать жидкость с примесями шлама. Такие насосы обеспечивают подачу до 2000 м³/час.

Погружные насосы с электродвигателями получили распространение благодаря компактности и экономичности, кроме того, их установка не требует строгой вертикальности и прямолинейности скважины.

Основным недостатком центробежных насосов является быстрый износ деталей при работе в зашламленной жидкости и ненадежность узлов электрооборудования.

Кроме того, распространение таких насосов при откачке жидкости из скважин большого диаметра ограничено высокой стоимостью насосов и наличием сложной, дорогостоящей и громоздкой аппаратуры управления насосом.

Откачка эрлифтными насосами.

При эрлифтном способе добычи применяются воздушные водоподъемники, работающие с помощью сжатого воздуха – эрлифты.

Откачка эрлифтом является одним из наиболее простых способов подъема жидкости.

Производительность и напор эрлифтных установок зависят от типа применяемого компрессора, глубины залегания динамического уровня жидкости и диаметра водоподъемных труб.

Эрлифты уступают погружным насосам по коэффициенту полезного действия и глубине применения, но обладают возможностью использования в загрязненных жидкостях и отличаются простотой оборудования скважин.

Работа эрлифта основана на том, что в сообщающихся сосудах высота столбов жидкости обратно пропорциональна их плотностям.

Жидкостями с разными плотностями являются вода и смесь воды с воздухом.

Недостатком эрлифтной откачки является то, что при использовании эрлифтов необходимо смеситель погружать ниже динамического уровня жидкости в скважине более чем на 50–70 м, что сужает область их применения. Поэтому эрлифтом нельзя полностью откачать жидкость из скважины.

Особая сложность при использовании элифтов состоит в необходимости применения герметичной двойной колонны труб.

При откачке из больших глубин применяются ступенчатые эрлифтные установки.

Однако применение их затруднено необходимостью обеспечения синхронной работы всех ступеней, а также большая металлоемкость, малый к. п. д., невозможность полного осушения скважины т. к. для работы эрлифта необходимо заглубление смесителя под уровень жидкости не менее 50–70 м.

Откачка погружными бесштанговыми насосами.

Бесштанговые поршневые насосы могут быть с гидравлическим и пневматическим приводом.

С их помощью осуществляют отбор жидкости с больших глубин, недоступных центробежным насосам.

Эти насосы приводятся в действие насосами высокого давления или компрессорами, устанавливаемыми на устье скважины.

Бесштанговые поршневые насосы состоят из гидропоршневого или гидроплунжерного двигателя и плунжерного или поршневого насоса, собранных в одном корпусе.

К гидравлическому двигателю с поверхности подается под давлением рабочая жидкость.

Распределитель (золотниковый или клапанный) гидравлического двигателя направляет рабочую жидкость попеременно в полости цилиндра двигателя, расположенные под и над его поршнем. Поршень двигателя приводится в возвратно-поступательное движение и через шток передает движение плунжеру насоса.

Насосы с плунжерным двигателем и насосом могут работать только на смазывающей жидкости (нефти) т.к. имеют щелевые уплотнения (нет резины) золотников и плунжеров. Конструктивно они очень сложны т. к. имеют по 5—6 каналов малого диаметра.

Более простыми и надежными при работе в зашламленной жидкости являются клапанные поршневые погружные двигатели и насосы.

Достоинством погружных насосов с гидроприводом с клапанным распределением жидкости является возможность подъема зашламленной жидкости из глубины до 1000 м, высокий к. п. д., простота управления, обеспечение возможности совмещения операций по откачке и проверке ствола.

В гидропоршневой насосной установке Г. И. Неудачина и В. И. Пилипца, разработанной для откачки до 30 м³/ч зашламленной жидкости с глубины до 1000 м используется дифференциальный прямодействующий гидродвигатель и поршневой насос диаметром 194 мм простого действия.

Гидродвигатель и насос собраны в одном корпусе. В гидропоршневой насосной установке применяется система мягких резиновых уплотнений сальников и поршней, способных работать в абразивной среде.

Особенностью конструкции двигателя является двухклапанное распределение рабочей жидкости, обладающее способностью к самоуплотнению по мере износа рабочих поверхностей.

Скважина оборудуется двумя колоннами труб, спускаемых концентрично (или параллельно).

На устье устанавливается распределительная головка с отводным шлангом.

Гидронасос опускается в скважину на рабочем трубопроводе (колонна бурильных труб) и своим хвостовиком устанавливается в специальное седло, снабженное резиновым уплотнением.

После спуска, двойная колонна сдвигается к одной из стенок скважины, освобождая проход для движения клети при проверке качества крепи.

Рабочая жидкость для привода гидродвигателя подается по рабочему трубопроводу от наземного бурового насоса.

При подаче рабочей жидкости приводным насосом в нижнюю полость цилиндра двигателя, его поршень и шток совместно с поршнем насоса поднимаются в верхнее положение до упора верхнего ограничителя в клапан двигателя, находящийся в открытом состоянии.

При дальнейшем подъеме поршня двигателя вверх сожмется клапанная пружина и, когда сила сжатия пружины станет больше, чем давление рабочей жидкости на клапан последний закроется и займет верхнее положение. Одновременно откроется другой клапан, и рабочая жидкость попадет в верхнюю полость двигателя.

Давление рабочей жидкости в нижней и верхней полостях цилиндра двигателя выровняется, и поршень двигателя за счет разности его рабочих площадей начнет перемещаться в нижнее положение. Вместе с поршнем двигателя вниз будет перемещаться поршень насоса.

Клапан в момент хода поршня вниз будет удерживаться в верхнем положении за счет давления рабочей жидкости.

При нижнем положении поршня двигателя ограничитель упрется в нижнюю головку тяги и вызовет сжатие пружины. Когда сила сжатия пружины станет больше давления рабочей жидкости на клапан, последний опустится вниз и откроет отверстие в крышке. Цикл повторится.

Применение гидропоршневых насосов для откачки зашламленной жидкости из стволов шахт, пройденных бурением затруднено отсутствием серийно выпускаемых установок.

Откачка штанговыми насосами.

Штанговыми насосами укомплектовываются насосные установки, в комплект которых входит штанговый погружной поршневой насос и станок-качалка или другие устройства для создания возвратно-поступательного движения поршня насоса, устанавливаемые на поверхности.

Анализ конструкции привода штанговых насосов для подъема жидкости из скважин

Недостатком, ограничивающим применение штанговых насосов, является необходимость оборудования скважин приводом для создания возвратно-поступательного движения поршня или плунжера, имеющими значительные габариты и массу.

В некоторых организациях вместо громоздких качалок применяются устройства для создания возвратно-поступательного движения штангам насоса (расхаживания), например, с использованием в качестве контргруза колонны насосных труб, соединенной со штоком приводного цилиндра, а также устройства с гидравлическими, цепными или канатными механизмами расхаживания.

В штанговом насосе Г. В. Молчанова уравновешивающий цилиндр расположен под приводным, а шток поршня приводного цилиндра пропущен через канал, выполнений в поршне и штоке уравновешивающего цилиндра.

Приводной цилиндр с поршнем установлен на переходнике, передающем нагрузку от штока и колонных штанг на уравновешивающий цилиндр с полыми поршнем и штоком.

Уравновешивающий цилиндр смонтирован на кожухе, герметизирующем затрубное пространство и передающем всю нагрузку на устье скважины. Шток тягами связан с колонной насосных труб, соединенной с выкидной линией. Трубопроводы сообщают нижние полости уравновешивающего и приводного цилиндров с реверсивным золотником, имеющим переливной клапан. Маслонасос приводится в действие двигателем. Весь насос монтируется на фланце устья скважины.

Отличительная особенность качалки В. В. Майвальда для глубоких насосов заключается в том, что качалка приводится в движение от ротора бурового агрегата.

Для осуществления привода качалки от ротора бурового агрегата, ведущий вал качалки снабжен фасонным отверстием, в котором монтируется такого же профиля промежуточный вал, который своим нижним концом квадратного сечения вставляется в гнездо ротора такого же сечения.

Таким образом, вращательного движения ротора через промежуточный вал передается ведущему валу качалки, последний через конический редуктор передает это движение маховику, который, в свою очередь, через кривошипно-шатунный механизм сообщает возвратно-поступательное движение ползуну, который соединен со штангой глубинного насоса.

Гидроприводная глубинно-насосная установка А. Г. и Г. В. Молчановых отличается тем, что с целью уменьшения габаритных размеров и веса, увеличения длины хода плунжера и облегчения монтажа установки на устье скважины, шток приводного цилиндра выполнен полым и внутри него расположен элемент соединяющий плунжер насоса с приводом.

Приводной цилиндр имеет полый шток с поршнем и уплотнение. Шток в нижней части соединен с колонной насосных труб и цилиндром глубинного насоса, а в верхней части — гибкой связью со звездочкой. Для направления гибкой связи предусмотрены направляющие ролики. На общей со звездочкой оси посажен жестко связанный с ней шкив, на который намотан гибкий элемент, соединенный через колонну насосных штанг с плунжером глубинного насоса.

Для осуществления привода качалки от ротора бурового агрегата, ведущий вал качалки снабжен фасонным отверстием, в котором монтируется такого же профиля промежуточный вал, который своим нижним концом квадратного сечения вставляется в гнездо ротора такого же сечения.

Таким образом, вращательного движения ротора через промежуточный вал передается ведущему валу качалки, последний через конический редуктор передает это движение маховику, который, в свою очередь, через кривошипно–шатунный механизм сообщает возвратно–поступательное движение ползуну, который соединен со штангой глубинного насоса.

Обе полости приводного насоса соединены трубопроводами через реверсивный золотник с маслонасосом и баком для рабочей жидкости. Маслонасос соединен с двигателем. Напорная линия, идущая от маслонасоса к золотнику, связана с переливным клапаном для сброса жидкости в момент реверсирования и защиты системы от перегрузки. Золотник трубопроводом соединен с баком. Установка монтируется на фланце эксплуатационной колонны.

Гидравлические качалки имеют недостаток, что для до уравновешивания их необходимо иметь набор уравновешивающих цилиндров с поршнями различного диаметров, которые сложны в изготовлении и дороги.

Обоснование направления работы и выбора конструкции штангових насосних установок

Из проведенного анализа видно, что практически все насосы не имеют надежной конструкции устройства для смягчения ударов поршня.

В известных конструкциях, при расхаживании поршня цилиндр насоса отрывается от забоя, что может привести к прекращению откачки.

Поэтому необходимо предусмотреть удержание цилиндра от подъема.

С целью устранения недостатков, присущих рассмотренным насосам предложена усовершенствованная конструкция штангового насоса с устройством для удержания цилиндра от подъема в процессе движения поршня.

Из проведенного анализа механизмов расхаживания штанговых насосов видно, что наиболее перспективными для привода штанговых насосов являются гидравлические качалки.

С целью устранения недостатков присущих известным типам механизмов расхаживания усовершенствована гидропоршневая качалка.

Качалка состоит из цилиндра, укрепляемого на талевой системе буровой установки, поршня со штоком, распределительного клапана и перепускного трубопровода. Гидрокачалка приводится в действие жидкостью, подаваемой приводным насосом.

Качалка подвешивается за серьгу к талевому блоку буровой вышки, а колонна штанг с вертлюгом подвешивается на нижней серьге штока качалки. Механизм приводится в действие от специального масляного или водяного насоса, установленного в буровой вышке и оборудованного предохранительным клапаном и отводным вентилем.

При подаче рабочего агента приводным насосом через нижний штуцер в нижнюю полость цилиндра, поршень и шток совместно с буровым снарядом поднимается в верхнее положение до упора верхнего ограничителя в клапан находящийся в закрытом состоянии благодаря давлению рабочего агента, подводимого к клапанной коробке по трубке.

При дальнейшем подъеме поршня, после упора ограничителя в клапан, сожмется пружина и когда сила сжатия пружины станет больше, чем давление рабочего агента на клапан последний откроется и займет верхнее положение.

После перестановки клапана нижняя полость цилиндра через дроссель и перепускную трубку соединится с верхней полостью цилиндра, имеющий свободный выход рабочего агента через штуцер и приемный бак приводного насоса. Давление рабочего агента в нижней полости цилиндра снизится и поршень совместно с буровым снарядом опустится в нижнее положение.

При этом скорость опускания снаряда может быть установлена от нуля до скорости свободного падения с помощью дросселя.

Клапан в момент хода поршня вниз будет удерживаться в верхнем положении за счет давления рабочего в коробке.

При нижнем положении поршня ограничитель упрется в нижнюю головку тяги и вызовет сжатие пружины.

Когда сила сжатия пружины станет больше давления рабочего агента на клапан, последний опустится вниз и перекроет отверстие в крышке.

Цилиндр насоса оборудован грузами которые удерживают его на нужной глубине.

В данный момент магистерская работа находится в стадии разработки, после декабря 2010 г. полный текст работы можно получить у автора или научного руководителя.

Литература

1. Пилипец В. И., Насосы для подъема жидкости. — Донецк: РИА, 2000. с. 241.

2. Пилипец В. И., Применение погружных насосов с гидроприводом для откачки жидкости из буровых скважин. – Свердловск: СПИ. В кн.: Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. 1981.

3. Пилипец В. И., Неудачин Г. И. Разработка погружного насоса с гидроприводом для откачки жидкости из вентиляционных стволов пройденных бурением. (Штанговый поршневой насос для откачки жидкости из стволов шахт). – Москва: ЦНИИЭИУголь, Серия 6, № 12, 1976.

4. Неудачин Г. И., Пилипец В. И. Фоменко В. С., Зыбинский П.В. Результаты разработки погружных гидроприводных поршневых насосов для откачки жидкости из стволов шахт и буровых скважин. – Белгород: В кн.: «Техника и технология бурения скважин эксплуатационной разведки на карьерах и шахтах КМА», 1976.

5. Филимоненко Н. Т., Пилипец В. И. Некоторые результаты производственных испытаний технологии бурения с применением погружного пневмонасоса. – Москва: УкрНИИНТИ, № 1734, 1984.

6. Неудачин Г. И., Пилипец В. И., Зыбинский П. В., Оверин А. А. Скважинный гидропоршневой насосный агрегат. А. с. № 1035284, Б. И. № 30, 15. 08. 83.

7. Неудачин Г. И., Пилипец В. И., Малахов В. С., Филимоненко Н.Т. Пульсационный насос агрегат. А.с. № 987173, Б.И. № 1, 07. 01. 83.

8. Геологоразведочное бурение: Учебное пособие. – Донецк: Норд Пресс, 2004. – 404 с. /Авт.: Юшков  А. С., Пилипец  В. И.

9. Волков А. С., Буровой геологоразведочный инструмент; Учебное пособие для вузов. – М.: Недра, 1979. 286 с.

10. Авицур Б. А., Конструирование и технология машиностроения. 1965, № 4, – 118 с.

© Якубцова Н. В., ДонНТУ, 2010