Анализ рабочего цикла гидроударника для бурения дегазационных скважин
Парфенюк С. Н., Каракозов А. А. Донецкий национальный технический университет, Донецк, УкраинаПроведен детальный анализ рабочего цикла гидроударника для бурения скважин большого диаметра с усовершенствованной клапанной группой. Показана необходимость учета влияния времени перестановки клапанов при расчете энергетических параметров гидроударников подобного класса. Решение актуальной задачи разведки и добычи в промышленных масштабах метана из угленосных отложений Донбасса требует значительного увеличения объемов бурения разведочно- эксплуатационных скважин, что даст возможность дальнейшего изучения газоносности структур и подсчета запасов по категориям С1 и С2.
Однако, увеличению объема бурения дегазационных скважин препятствуют низкие технико-экономические показатели буровых работ. Одним из решений этой проблемы является изменение способа бурения – с вращательного на ударно-вращательный. Для реализации ударно-вращательного способа бурения была предложена конструкция гидроударника для сооружения дегазационных скважин диаметром более 170 мм в условиях ДонбассаВ исходном состоянии боек находится в крайнем нижнем положении. При этом впускной клапан закрыт, а выпускной клапан – открыт. Перемещение выпускного клапана относительно поршня ограничивается пальцем, размещенным в пазу выпускного клапана. При этом пружина непосредственно воздействует на клапанную втулку, которая также имеет паз и упирается его нижней поверхностью в палец. Толкатель выпускного клапана соприкасается с впускным клапаном.
При подаче жидкости в гидроударник начинается подъем бойка вверх. Фаза подъема бойка на рабочем ходе начинается с того, что под действием давления жидкости в подпоршневой полости цилиндра боек начинает двигаться вверх. При этом жидкость из нагнетательной магистрали поступает в подпоршневую полость, а жидкость из надпоршневой полости вытесняется поршнем через выхлопные отверстия в выпускном клапане в скважину. При этом впускной клапан остается закрытым из-за давления в нагнетательной магистрали, которое превышает давление под ним. Выпускной клапан упирается толкателем во впускной клапан и остается на месте, при этом сжимается пружина. Палец движется вместе с поршнем в пазу выпускного клапана и пазу клапанной втулки. Фаза заканчивается в момент, когда поршень соприкоснется с нижним торцом уступа выпускного клапана, нанося по нему удар. Гидроударник переходит в состояние. Пружина максимально сжата, впускной клапан закрыт, выпускной клапан – открыт. Начинается фаза перестановки клапанов при ходе бойка вверх. Боек продолжает свое движение, и удар, нанесенный поршнем по нижнему торцу уступа выпускного клапана, приводит к открытию впускного клапана и закрытию выпускного клапана: за счет удара, под действием пружины выпускной клапан устремляется вверх до контакта уступа с торцом клапанной коробки. При этом впускной клапан будет удерживаться в открытом состоянии толкателем выпускного клапана.
Гидроударник переходит в состояние . Характер движения жидкости в течении данной фазы следующий. С момента начала движения выпускного клапана вверх из-за воздействия толкателя начинает открываться впускной клапан, что приводит к изменению направления течения жидкости. По мере открытия впускного клапана все большая часть жидкости начинает поступать в надпоршневую полость, а поскольку выхлопные отверстия на выпускном клапане еще не закрылись полностью, то жидкость выходит в скважину. После закрытия выпускного клапана, жидкость при движении бойка вверх вытесняется из надпоршневой полости через впускной клапан в подпоршневую полость. При этом происходит гидроторможение бойка.
В течении этой фазы боек полностью останавливается либо под действием давления, либо из-за удара по верхней наковальне.С этого момента начинается рабочий ход бойка вниз. В результате, гидроударник переходит в состояние 4 . В этом состоянии впускной клапан открыт, выпускной клапан 6 закрыт, а боек находится в своем верхнем положении и начинает движение вниз. Жидкость из нагнетательной магистали через впускной клапан течет в надпоршневую полость, а жидкость из подпоршневой полости вытесняется в надпоршневую. При этом пружина разжимается, дополнительно ускоряя боек, а выпускной клапан остается открытым, т. к. удерживается давлением в надпоршневой полости гидроударника.
При перемещении бойка вниз палец соприкасается с нижним торцом паза клапанной втулки и увлекает ее за собой. В этот момент гидроударник находится в состоянии V. Пружина полностью разжата и больше не оказывает влияния на движение бойка. Рабочий ход бойка продолжается, при этом боек движется вместе с клапанной втулкой до момента соприкосновения пальца с нижним торцом паза выпускного клапана. Гидроударник переходит в состояние VI. Рабочий ход бойка завершается.Начинается фаза перестановки клапанов при ходе бойка вниз. После удара пальца по нижнему торцу прорези 11 выпускного клапана происходит открытие выпускного клапана, который перемещается вниз до соприкосновения со втулкой . При этом выхлопные отверстия выпускного клапана открываются, и жидкость меняет характер течения: из нагнетательной магистрали жидкость поступает в надпоршневую полость, а оттуда – в скважину; из подпоршневой полости жидкость вытесняется в надпоршневую полость, а затем – в скважину. Гидроударник переходит в состояние VII. Начинается фаза свободного хода бойка, который продолжает движение вниз по инерции. Выпускной клапан 6 и впускной клапан движутся вниз вместе. По мере приближения бойка к нижней наковальне уменьшается открытие впускного клапана, и следовательно, увеличиваются гидравлические сопротивления течению жидкости через него.Впускной клапан закрывается и начинается гидроторможение бойка. Фаза заканчивается ударом бойка по нижней наковальне.
Гидроударник переходит в состояние, которое соответствует исходному состоянию I, и цикл работы повторяется. Следует также отметить, что для различных конструкций реальное время закрытия впускного клапана может быть больше значений, поскольку при моделировании движения выпускного клапана не учтено воздействие на него сил гидравлических сопротивлений течению жидкости в период закрытия клапана, что требует дополнительных исследований.
Таким образом, анализ рабочего цикла гидроударника для бурения дегазационных скважин показал, что при расчете энергетических параметров гидроударников для бурения дегазационных скважин необходимо учитывать время перестановки клапанов, которое оказывает значимое влияние на скорость бойка в конце его свободного хода. Это уточнение обязательно должно быть учтено в методике проектировании конструкции гидроударника. 1. Калиниченко О. И., Каракозов А. А., Парфенюк С. Н., Зыбинский П. В. Перспективы развития ударно- вращательного бурения разведочно-эксплуатационных скважин // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения / Сборник научных трудов. – Вып. 8 – Киев: ИСМ им. В.Н.Бакуля, ИПЦ АЛКОН НАНУ, 2005. – С. 89–91. 2. Эпштейн Е. Ф., Ясов В. Г. Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками. – М.: «Недра», 1967. – 166 с. 3. Ясов В. Г. Теория и расчетрабочих процессов гидроударных буровых машин. – М.: «Недра», 1977. – 153 с. 4. Калиниченко О. И., Зыбинский П. В., Каракозов А. А. Гидроударные буровые снаряды и установки для бурения скважин на шельфе. – Донецк: «Вебер» (Донецкое отделение), 2007. – 270 с. 5. Калиниченко О. И. Развитие научных основ создания погружных гидроударных снарядов и установок для однорейсового бурения скважин на морском шельфе Дисс. … докт. техн.наук. – ДонГТУ, 2001, – 371 с. 6. Пискунов Н. С Дифференциальное и интегральное исчисление : Учебное пособие для втузов : [В 2 т.]. – 13-е изд. – М.: «Наука», 1985. –т. 1. – 546 с. © Парфенюк С. Н., Каракозов А. А., 2008