Якубцова Наталя Віталіївна

Інститут гірництва та геології

Кафедра: Технології і техніки геологорозвідувальних робіт

Спеціальність: Технологія і техніка розробки родовищ корисних копалин

Тема випускної роботи:

Розробка насосної установки для осушення стволів шахт, пройдених бурінням

Керівник: Пилипець В. І.

Реферат з теми випускної роботи

Вступ

Актуальність роботи: Відсутність надійної водопідіймальної техніки для осушення стволів шахт, пройдених бурінням, яка могла б зі значної глибини відкачувати зашламованую рідину і дозволила б поєднувати в часі операції по відкачуванню і перевірці якості кріплення.

Зв'язок роботи з науковими програмами планами, темами: У подальшому використанні і розвитку отриманої методики розрахунку робочих параметрів насосної установки і використання отриманих знань в буровій галузі.

Практична цінність результатів роботи: На кафедрі «Техніка і технологія геологорозвідувальних робіт» накопичений достатній досвід в проектуванні насосів різного призначення.

Мета роботи: Удосконалення існуючої водопідіймальної техніки.

Ідея роботи: Удосконалення технічних способів відкачування зашламованой рідини з глибин до 1000 м і технології проведення відкачувань.

Задачі роботи:

1. Аналіз існуючих технічних способів для проведення відкачувань із стволів шахт, пройдених бурінням;

2. Розробка методики вибору конструктивних і розрахунку робочих параметрів насосної установки;

3. Вибір конструктивних параметрів деталей насосної установки залежно від умов проведення відкачування;

4. Розрахунок робочих параметрів насосної установки;

5. Вивчення залежності робочих параметрів від умов проведення відкачування;

6. Аналіз отриманих результатів, розробка технології проведення відкачувань.

Об'єкт і предмет розробки: Штангові насоси і пристрою для ходіння колон підйомних труб. Поставлені завдання вирішуються шляхом узагальнення і аналізу патентних і літературних джерел, проведення теоретичних досліджень, проведення исследовательско-конструкторских робіт.

Новизна роботи: Полягає в розробці компактного механізму для приводу штангового насоса і в отриманні аналітичних залежностей, які дозволяють використовувати насосну установку для відкачування рідини в період проведення якості кріплення.

Практичне значення: Використання розробленої технології проведення відкачувань рідини, що дозволяє сумісти операції по відкачці та перевірці якості кріплення. Це дозволить значно скоротити затрати матеріальних коштів та прискорити термін здачі в експлуатацію шахтного ствола.

Аналітичний розділ

Після виконання робіт по кріпленню свердловини, пройденої бурінням, і тампонування затрубного простору робляться попередні роботи по передачі свердловини в експлуатацію. Для цього робиться видалення промивальної рідини з пробуреної свердловини, т.е осушення свердловини.

Одночасно з осушенням перевіряється цілісність крепи, а саме відсутність деформації крепи і розмивів на стиках секцій. Перевіряється якість застиглого тампонажного розчину в затрубному просторі по відсутності течі через стики обсадних труб. Усі ці роботи передбачають спуск робітників у вільний від рідини простір. Деякі роботи можуть бути поєднані в часі.

Осушення свердловини може виконаються желонкою, погружными насосами, ерліфтом, гідроприводними насосами, іншими типами водопідйомників, що забезпечують відповідний натиск і подачу.

Часто відкачування виконується комбінованим способом. Після відкачування погружным відцентровим насосом верхнього шару чистішої рідини, робиться відкачування забрудненої рідини і бурового шламу, що осів, желонками.

Погружные насоси з електродвигунами набули поширення завдяки компактності і економічності, крім того, їх установка не трубует строгої вертикальності і прямолінійності свердловини. Проте вони мають високу вартість і ненадійні при відкачуванні забрудненої рідини.

Штангові насоси простіші і дозволяють відкачувати зашламованую рідину з великих глибин. Рух поршню (у насосах невставного типу) або циліндру (у насосах вставного типу) передається від приводу, встановленого на поверхні, через колону штанг, пропущених усередині підйомних труб.

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

Нині відсутня надійна водоподемная техніка для осушення стволів шахт, пройдених бурінням, яка могла б зі значною глибини відкачувати зашламованую рідину і дозволила б поєднати в часі операції по відкачуванню і перевірки якості креплення.

Відомі різні пристрої для приводу штангових насосів, наприклад, механізми з використанням в якості контрвантажу колони насосних труб, сполученої з штоком приводного циліндра. Інші механізми приводяться в дію труборазворотами.

Проте ці механізми складні, мають великі розміри і не дозволяють забезпечувати великі довжини ходів штангових насосів.

Нині відсутня надійна водоподемная техніка для осушення стволів шахт, пройдених бурінням, яка могла б зі значною глибини відкачувати зашламованую рідину і дозволила б поєднати в часі операції по відкачуванню і перевірки якості креплення.

Тому розробка компактного, потужного, простого в обслуговуванні приводу штангових насосів є актуальною проблемою.

У справжній роботі зроблена спроба розробити гідроприводний механізм для ходіння труб вставного штангового насоса, який використовуватиметься при відкачуванні зашламленной рідини з бурових свердловин завглибшки до 1000 м великого діаметру, пройдених бурінням.

Треба встановити закономірності роботи штангового насоса і гідрокачалкі, розробити математичну модель роботи цієї установки.

Для досягнення поставленої мети визначаються наступні завдання:

1. Аналіз існуючих конструкцій штангових поршневих насосів;

2. Аналіз існуючих конструкцій приводу штангових поршневих насосів;

3. Разрабока методики розрахунку штангового поршневого насоса і визначення його робочих параметрів.

Разрабока методики розрахунку гідрокачалкі для приводу штангового поршневого насоса і визначення її робочих параметрів.

Поставлені завдання вирішуються шляхом узагальнення і аналізу патентних і літературних джерел, проведення теоретичних досліджень, виконання исследовательско-конструкторских робіт.

Наукове значення роботи полягає в можливості використання отриманої теоретичної моделі і застосування здобутих знань в гірській і буровій галузі.

Практичне значення виражається в створенні ефективної конструкції насосної установки з можливістю поєднувати операції по відкачуванню рідини і перевірці якості крепи ствола, пройденого бурінням.

Аналіз існуючої водопідіймальної техніки для осушення стволів шахт, пройдених бурінням

Усі технічні засоби для підйому рідини зі свердловин великого діаметру по виду енергії, що повідомляється рідині можна розділити на три групи:

- насоси, що змінюють енергію рідини за рахунок зміни тиску (штангові, інерційні, поршневі безштангові, насоси заміщення, гвинтові, діафрагмові);

- насоси, що змінюють тільки кінетичну енергію рідини (відцентрові, струминні, гідропневматичні);

- насоси, що змінюють тільки енергію положення рідини (желонки, эрлифты, динамолифты).

До технічних засобів для підйому рідини зі свердловин великого діаметру (осушення) пред'являються певні вимоги:

- можливість підйому забрудненої рідини;

- забезпечення відкачування з глибин до 1000 м і більше;

- забезпечення подачі до 30–40 м³/година;

- можливість поєднання процесу відкачування з перевіркою якості тампонування затрубного простору;

- компактність розміщення у свердловині;

- взрыво-электробезопасность

- простота в експлуатації;

- відносно невелика вартість;

- можливість виготовлення деяких деталей в мехмастерских управління;

- можливість ремонту безпосередньо на буровій.

Таким вимогам відповідають лише декілька видів існуючої водопідіймальної техніки:

- желонки;

- деякі погружные відцентрові насоси;

- эрлифты і динамолифты;

- штангові насоси;

- погружные безштангові гідропоршневі хлипакові насоси.

Часто осушення виконується комбінованим способом. після відкачування погружным відцентровим насосом верхнього шару чистішої рідини, робиться відкачування забрудненої рідини і бурового шламу, що осів, іншими водопідйомниками, наприклад желонками.

Відкачування рідини желонкою.

Відомі желонки об'ємом 3м³ для осушення стволів, вживані в ГХК «Спецшахтобурение».

Гідністю такого способу є простота технологічного процесу і відносно невелика вартість виготовлення желонки і проведення відкачування, можливість підйому з великих глибин зашламленной рідини.

Недоліком є неможливість поєднання процесу відкачування з перевіркою якості тампонування затрубного простору

Відкачування погружными відцентровими насосами.

Насосні установки з відцентровими насосами погружного типу складаються з погружного відцентрового насоса з електродвигуном, зібраних в одному агрегаті, колони напірних труб і кабелю для живлення електродвигуна

Насос з електродвигуном підвішується на колоні напірних труб нижче за динамічний рівень рідини у свердловині.

Кабель для живлення електродвигуна спускається у свердловину одночасно з навішуванням колони напірних труб.

Такі насоси секційно-багатоступінчасті (від 130 до 415 східців), з малим діаметром робочих східців – робочих коліс і направляючих апаратів.

Для відкачування з глибини більше 300 м використовуються насоси типу ЭЦВ, ЭПЛ, АПТ, АПВ і деякі інші, здатні відкачувати рідину з домішками шламу. Такі насоси забезпечують подачу до 2000 м³/година

Погружные насоси з електродвигунами набули поширення завдяки компактності і економічності, крім того, їх установка не вимагає строгої вертикальності і прямолінійності свердловини.

Основним недоліком відцентрових насосів є швидкий знос деталей при роботі в зашламленной рідини і ненадійність вузлів електроустаткування.

Крім того, поширення таких насосів при відкачуванні рідини зі свердловин великого діаметру обмежене високою вартістю насосів і наявністю складної, дорогої і громіздкої апаратури управління насосом.

Відкачування ерліфтними насосами.

При ерліфтному способі добування застосовуються повітряні водопідйомники, працюючі за допомогою стислого повітря, – эрлифты.

Відкачування ерліфтом є одним з найбільш простих способів підйому рідини.

Продуктивність і натиск ерліфтних установок залежать від типу вживаного компресора, глибини залягання динамічного рівня рідини і діаметру водопідіймальних труб.

Эрлифты поступаються погружным насосам по коефіцієнту корисної дії і глибині застосування, але мають можливість використання в забруднених рідинах і відрізняються простотою устаткування свердловин.

Робота ерліфта заснована на тому, що в сполучених посудинах висота стовпів рідини обернено пропорційна до їх щільності.

Рідинами з різною щільністю є вода і суміш води з повітрям.

Недоліком ерліфтного відкачування є те, що при використанні эрлифтов необхідно змішувач занурювати нижче за динамічний рівень рідини у свердловині більш ніж на 50–70 м, що звужує сферу їх застосування. Тому ерліфтом не можна повністю відкачати рідину зі свердловини.

Особлива складність при використанні элифтов полягає в необхідності застосування герметичної подвійної колони труб.

При відкачуванні з великих глибин застосовуються ступінчасті ерліфтні установки.

Проте застосування їх ускладнене необхідністю забезпечення синхронної роботи усіх східців, а також велика металоємність, малий к. п. д., неможливість повного осушення свердловини оскільки для роботи ерліфта потрібне заглиблення змішувача під рівень рідини не менше 50–70 м

Відкачування погружными безштанговими насосами.

Безштангові поршневі насоси можуть бути з гідравлічним і пневматичним приводом.

З їх допомогою здійснюють відбір рідини з великих глибин, недоступних відцентровим насосам.

Ці насоси приводяться в дію насосами високого тиску або компресорами, що встановлюються на гирлі свердловини.

Безштангові поршневі насоси складаються з гідропоршневого або гидроплунжерного двигуна і плунжерного або поршневого насоса, зібраних в одному корпусі.

До гідравлічного двигуна з поверхні подається під тиском робоча рідина.

Розподільник (золотниковий або хлипаковий) гідравлічного двигуна направляє робочу рідину поперемінно в порожнини циліндра двигуна, розташовані під і над його поршнем. Поршень двигуна приводиться в поворотно–поступальна хода і через шток передає рух плунжеру насоса.

Насоси з плунжерным двигуном і насосом можуть працювати тільки на змащуючій рідині (нафти) оскільки мають щілинні ущільнення (немає гуми) золотників і плунжерів. Конструктивно вони дуже складні оскільки мають по 5 – 6 каналів малого діаметру.

Простішими і надійнішими при роботі в зашламленной рідині являються хлипакові поршневі погружные двигуни і насоси.

Гідністю погружных насосів з гідроприводом з хлипаковим розподілом рідини являється можливість підйому зашламленной рідини з глибини до 1000 м, високий к. п. д., простота управління, забезпечення можливості поєднання операцій по відкачуванню і перевірці ствола.

У гідропоршневій насосній установці Г. І. Неудачина і В. І. Пилипца, розробленою для відкачування до 30 м³/ч зашламленной рідині з глибини до 1000 м використовується диференціальний прямодействующий гідродвигун і поршневий насос діаметром 194 мм простої дії.

Гідродвигун і насос зібрані в одному корпусі. У гідропоршневій насосній установці застосовується система м'яких гумових ущільнень сальників і поршнів, здатних працювати в абразивному середовищі.

Особливістю конструкції двигуна є двоххлипаковий розподіл робочої рідини, що має здатність до самоуплотнению у міру зносу робочих поверхонь.

Свердловина обладналася двома колонами труб, що спускаються концентрично (або паралельно).

На гирлі встановлюється розподільна голівка з відвідним шлангом.

Гідронасос опускається у свердловину на робочому трубопроводі (колона бурильних труб) і своїм хвостовиком встановлюється в спеціальне сідло, забезпечене гумовим ущільненням.

Після спуску, подвійна колона зрушується до однієї із стінок свердловини, звільняючи прохід для руху кліті при перевірці якості крепи.

Робоча рідина для приводу гідродвигуна подається по робочому трубопроводу від наземного бурового насоса.

При подачі робочої рідини приводним насосом в нижню порожнину циліндра двигуна, його поршень і шток спільно з поршнем насоса піднімаються у верхнє положення до упору верхнього обмежувача в клапан двигуна, що знаходиться у відкритому стані.

При подальшому підйомі поршня двигуна вгору стискуватиметься клапанная пружина і, коли сила стискування пружини стане більше, ніж тиск робочої рідини на клапан останній закриється і займе верхнє положення. Одночасно відкриється інший клапан, і робоча рідина потрапить у верхню порожнину двигуна.

Тиск робочої рідини в нижній і верхній порожнинах циліндра двигуна вирівняється, і поршень двигуна за рахунок різниці його робочих площ почне переміщатися в нижнє положення. Разом з поршнем двигуна вниз переміщатиметься поршень насоса.

Клапан у момент ходу поршня вниз утримуватиметься у верхньому положенні за рахунок тиску робочої рідини.

При нижньому положенні поршня двигуна обмежувач упреться в нижню голівку тяги і викличе стискування пружини. Коли сила стискування пружини стане більше тиску робочої рідини на хлипак, останній опуститься вниз і відкриє отвір в кришці. Цикл повториться.

Застосування гідропоршневих насосів для відкачування зашламленной рідини із стволів шахт, пройдених бурінням ускладнено відсутністю установок, що серійно випускаються.

Відкачування штанговими насосами.

Штанговими насосами укомплектовуються насосні установки, в комплект яких входить штанговий погружной поршневий насос і верстат-гойдалка або інші пристрої для створення зворотно-поступального руху поршня насоса, встановлювані на поверхні.

Аналіз конструкції приводу штангових насосів для підйому рідини зі свердловин.

Недоліком, що обмежує застосування штангових насосів, являється необхідність устаткування свердловин приводом для створення зворотно-поступального руху поршня або плунжера, що мають значні габарити і масу.

У деяких організаціях замість громіздких качалок застосовуються пристрої для створення зворотно-поступального руху штангам насоса (ходіння), наприклад, з використанням в якості контрвантажу колони насосних труб, сполученої з штоком приводного циліндра, а також пристрою з гідравлічними, ланцюговими або канатними механізмами ходіння.

У штанговому насосі Г. В. Молчанова урівноважуючий циліндр розташований під приводним, а шток поршня приводного циліндра пропущений через канал, виконань в поршні і штоку урівноважуючого циліндра.

Приводний циліндр з поршнем встановлений на перехіднику, передавальному навантаження від штока і колонних штанг на урівноважуючий циліндр з порожнистим поршнем і штоком.

Урівноважуючий циліндр змонтований на кожусі, герметизуючому затрубний простір і передавальному усе навантаження на гирлі свердловини. Шток тягою пов'язаний з колоною насосних труб, сполученою з викидною лінією. Трубопроводи повідомляють нижні порожнини що урівноважує і приводного циліндрів з реверсивним золотником, що має клапан переливання. Маслонасос приводиться в дію двигуном. Увесь насос монтується на фланці гирла свердловини.

Відмітна особливість качалкі В. В. Майвальда для глибоких насосів полягає в тому, що качалка приводиться в рух від ротора бурового агрегату.

Для здійснення приводу качалкі від ротора бурового агрегату, провідний вал качалкі забезпечений фасонним отвором, в якому монтується такого ж профілю проміжний вал, який своїм нижнім кінцем квадратного перерізу вставляється в гніздо ротора такого ж перерізу.

Таким чином, обертального руху ротора через проміжний вал передається провідному валу качалки, останній через конічний редуктор передає цей рух крутню, який, у свою чергу, через кривошипно-шатуновий механізм повідомляє зворотно-поступальний рух повзунові, який сполучений з штангою глибинного насоса.

Гідроприводна глибинно-насосна установка А. Г. і Г. В. Молчановых відрізняється тим, що з метою зменшення габаритних розмірів і ваги, збільшення довжини ходу плунжера і полегшення монтажу установки на гирлі свердловини, шток приводного циліндра виконаний порожнистим і усередині нього розташований елемент сполучаючий плунжер насоса з приводом.

Приводний циліндр має порожнистий шток з поршнем і ущільнення. Шток в нижній частині сполучений з колоною насосних труб і циліндром глибинного насоса, а у верхній частині – гнучким зв'язком із зірочкою. Для напряму гнучкого зв'язку передбачені направляючі ролики. На загальній із зірочкою осі посаджений жорстко пов'язаний з нею шків, на який намотаний гнучкий елемент, сполучений через колону насосних штанг з плунжером глибинного насоса.

Обидві порожнини приводного насоса сполучено трубопроводами через реверсивний золотник з маслонасосом і баком для робочої рідини. Маслонасос сполучений з двигуном. Напірна лінія, що йде від маслонасоса до золотника, пов'язана з хлипаком переливання для скидання рідини у момент реверсування і захисту системи від перевантаження. Золотник трубопроводом сполучений з баком. Установка монтується на фланці експлуатаційної колони.

Гідравлічні качалкі мають недолік, що для до урівноваження їх необхідно мати набір урівноважуючих циліндрів з поршнями різного діаметрів, які складні у виготовленні і дороги.

Обгрунтування напряму роботи і вибору конструкції штангових насосних установок

З проведеного аналізу видно, що практично усі насоси не мають надійної конструкції пристрою для пом'якшення ударів поршня.

У відомих конструкціях, при ходінні поршня циліндр насоса відривається від забою, що може привести до припинення відкачування.

Тому необхідно передбачити утримання циліндра від підйому.

З метою усунення недоліків, властивих розглянутим насосам запропонована вдосконалена конструкція штангового насоса з пристроєм для утримання циліндра від підйому в процесі руху поршня.

З проведеного аналізу механізмів ходіння штангових насосів видно, що найбільш перспективними для приводу штангових насосів є гідравлічні качалкі.

З метою усунення недоліків властивих відомим типам механізмів ходіння вдосконалена гідропоршнева качалка.

Качалка складається з циліндра, що зміцнюється на талевой системі бурової установки, поршня з штоком, розподільного клапана і перепускного трубопроводу. Гідрокачалка приводиться в дію рідиною, що подається приводним насосом.

Качалка підвішується за сергу до талевому блоку бурової вишки, а колона штанг з вертлюгом підвішується на нижній сережці штока качалкі. Механізм приводиться в дію від спеціального масляного або водяного насоса, встановленого в буровій вишці і обладнаного запобіжним клапаном і відвідним вентилем.

При подачі робочого агента приводним насосом через нижній штуцер в нижню порожнину циліндра, поршень і шток спільно з буровим снарядом піднімається у верхнє положення до упору верхнього обмежувача в клапан що знаходиться в закритому стані завдяки тиску робочого агента, що підводиться до клапанної коробки по трубці.

При подальшому підйомі поршня, після упору обмежувача в клапан, стискуватиметься пружина і коли сила стискування пружини стане більше, ніж тиск робочого агента на клапан останній відкриється і займе верхнє положення.

Після перестановки хлипака нижня порожнина циліндра через дросель і перепускну трубку з'єднається з верхньою порожниною циліндра, що має вільний вихід робочого агента через штуцер і приймальний бак приводного насоса. Тиск робочого агента в нижній порожнині циліндра знизиться і поршень спільно з буровим снарядом опуститься в нижнє положення.

При цьому швидкість опускання снаряда може бути встановлена від нуля до швидкості вільного падіння за допомогою дроселя.

Клапан у момент ходу поршня вниз утримуватиметься у верхньому положенні за рахунок робочого тиску в коробці.

При нижньому положенні поршня обмежувач упреться в нижню голівку тяги і викличе стискування пружини.

Коли сила стискування пружини стане більше тиску робочого агента на клапан, останній опуститься вниз і перекриє отвір в кришці.

Циліндр насоса обладнаний вантажами які утримують його на потрібній глибині.

В даний момент магістерська робота знаходиться у стадії розробки, після грудня 2010 р. повний текст роботи можна отримати у автора або наукового керівника.

Література

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