Настаченко Олександр Олександрович

Гірничо-геологічний факультет

Кафедра «Технологія і техніка горнорозвідувальних робіт»

Спеціальність «Технологія і техніка розвідки родовищ корисних копалин»

Розробка гідроциклонної шламової труби з вакуумізацією шламової порожнини

Керівник: к.т.н., доцент кафедри ТТГР Фeлeмоненко Микола Тівєрійович

Содержание

	Обгрунтування теми    Для збору шламу при бурінні свердловин із зворотною промивкою використовуються внутрішні шламові труби. У них уловлювання твердої фази відбувається шляхом різкого зниження швидкості рідини за рахунок збільшення площі перетыну каналу, в якому вона циркулює [1, 4]. У результаті шлам під дією гравітаційних сил відокремлюється від потоку і осідає на дно труби.    Практика показала, що за наявності в свердловині технічної води (ньютонівської рідини) збір шламу відбувається ефективно. Однак при переході технічної води в неньютонівську рідину, наприклад при тривалому контакті з породами глинистого комплексу, процес осідання шламу різко погіршується.    Тому для покращення ефекту відділення шламу від неньютонівської рідини використовуються шламоулавлювачі гідроциклонного принципу дії. У таких пристроях відбувається завихрення потоку та інтенсивне руйнування структури рідини, що сприяє кращому відділенню твердих частинок і відкидання їх до стінок шламової труби під дією відцентрових сил. У результаті частинки шламу притискаються до її стінок і під дією сили тяжіння осідають.    Досвід застосування шламоуловлювачів гідроциклонної дії дає підставу вважати, що для руйнування структури рідини швидкість потоку повинна бути досить високою (10 - 15 м / с). До теперішнього часу гідроциклонний принцип руйнування структури неньютонівської рідини з метою поліпшення шламоотбора застосовувався тільки в ежекторних бурових снарядах, у яких місцева зворотна промивка створюється за допомогою струменевого насоса. Принцип дії і конструктивна схема    Конструкція пропонованої внутрішньої шламової труби (Рис. 1) дозволяє поліпшити збір шламу при бурінні з зворотною промивкою, створюваної за допомогою насоса, встановленого на денній поверхні.    Працює пристрій наступним чином. Взвесенесущій потік з колонкової труби 15 через перехідник 14, внутрішній канал деталі 12, сопло 10, змішувальну камеру (ділянок АБ каналу б деталі 9), отвори в сполучній втулки 7, надходить в гидроциклон, канал якого виконаний у вигляді прямокутної канавки, прорізаної по зовнішній поверхні деталі 6 по гвинтовій лінії.Канавка ззовні закрита внутрішньою поверхнею деталі 5. Далі взвесенесущій потік вдаряється в конічну поверхню деталі 4, кут нахилу якої дозволяє фокусувати відбитий від неї шлам у порожнину внутрішньої шламової труби, утворену внутрішньою поверхнею корпусної деталі 3 та зовнішньою поверхнею з'єднаних між собою деталей 9, 12 і 5. Для поліпшення збору шламу в порожнині внутрішньої шламової труби за допомогою струменевого апарату створюється розрядження для підсосу в неї насиченою шламом рідини.
Рис. 1 Внутрішня гідроциклонна шламова труба.	(анімація: об'єм – 50,1 кб, розмір – 154 x 879, містить 4 кадрів, затримка між кадрами – 20 мс, затримка між останнім та першим кадрами – 150 мс, кількість циклів повторення – 40)	Рис. 1.1 Анімація гідроциклонної шламової труби

Розрахунки та розробка конструкції

   При русі рідини по гвинтовій лінії каналу гидроциклона, яка має кут нахилу до горизонтальної площини, абсолютна швидкість Vа потоку рідини, що переміщує частку шламу, буде розкладатися на дві складові: горизонтальну і вертикальну. При цьому слід пам'ятати, що мається на увазі абсолютна швидкість ежекції та всмоктування ежекційного потоку. На рис. 3 показаний вектор абсолютної швидкості частки шламу Vа, яка так само має вертикальну Vверт і горизонтальну Vгор складові. Остання визначає швидкість закручування частинки шламу, що призводить до виникнення центробіжної сили, що притискує частку до вертикальної стінки каналу гидроциклона. Подальший рух частинки шламу відбувається з тертям о вертикальну стінку каналу гидроциклона, яке буде знижувати швидкість її руху.

   Вертикальні складові сил, прикладених до частинки шламу при її переміщенні в каналі гидроциклона, показані на Рис. 4.

Рис.3 Вектори абсолютної, вертикальної і горизонтальної складової швидкості частки шламу, що рухається в каналі гидроциклона.	Рис.4 Сили, прикладені до частинки шламу при її переміщенні в каналі гидроциклона.

   Після того, як частинка під дією горизонтальної складової абсолютної швидкості потоку буде притиснута до вертикальної стінки каналу гидроциклона, на неї будуть впливати дві групи сил, що діють у вертикальній площині (Рис. 4). Першу групу сил будуть складати вертикальна складова транспортувальної сили Fтрн і виштовхуюча сила Fа (сила Архімеда). Ці сили будуть сприяти руху частинки. Друга група включає силу лобового опору Fс руху частинки, силу її ваги F і силу тертя Fт о вертикальну стінку каналу гидроциклона, що виникає внаслідок притиснення частки до стінки гидроциклона центробіжної силою Fц. Кожна з сил, що входить в цю групу, буде перешкоджати руху частинки.

   Диференціальне рівняння вертикальної складової переміщення частинки шламу в каналі гидроциклона шламової труби, при її винесенні потоком рідини має вигляд: , (3)

   де m - маса частинки; V і S - швидкість і переміщення частинки відповідно.

   Масу частинки m можна розрахувати за формулою: , (4)

   де Vч - обсяг частки (визначається як об'єм кулі, оскільки будуть розглядатися частинки округлої форми, до яких застосовне поняття «частинка еквівалентного діаметру).

   Вертикальна складова транспортувальної сили Fтрн визначається за формулою: , (5)

   де Vверт - вертикальна складова абсолютної швидкості частки в каналі гидроциклона; Sч - площа миделевого перетину частинки

   Вертикальну складову абсолютної швидкості частинки можна визначити за формулою: , (6)

   де Q - сумарна витрата робочого і всмоктуваного потоку рідини в каналі гидроциклона; Sк - площа поперечного перетину каналу гидроциклона, U - швидкість осідання (витання) частки в спокійній рідини. Оскільки в неньютонівській рідині, при динамічному напруженню зсуву 2,0 Па всі частинки, що утворюються при твердосплавному та алмазному колонковому бурінні, будуть в підвішеному стані і не зможуть осідати в спокійній рідини, то при розрахунку Vверт параметром U можна знехтувати.

   Площа миделевого перетину частинки Sч (проекція тіла на площину, нормальну до напрямку руху тіла (або рідини) розраховується за формулою: , (7)

   де dч – эквівалентний діаметр частинки.

   Виштовхувальна сила Fа, прикладена до частинки визначається за формулою: , (8)

   Сила ваги частки F = mg.

   У тому випадку, якщо рідина неньютонівська і проявляє в'язкопластичну властивість (модель рідини - тіло Шведова), то силу лобового опору Fс, прикладену до частинки кулястої форми діаметром Dч, можна визначити за формулою(9) [3]. , (9)

   де n - структурна в'язкість неньютонівської рідини.

   Якщо неньютонівська рідина слабоструктурована і не підкоряється закону тертя Шведова, тобто характеризується тільки пластичними властивостями (модель рідини - тіло Бінгама), то при визначенні Fдав, відповідно до рекомендацій Шищенко Р. І.[6], у формулі (9) замість динамічного напруження зсуву, підставляється статична напруга зсуву.

   Сила тертя Fс о вертикальну стінку каналу гидроциклона розраховується за формулою: , (10)

   де Vгор - горизонтальна складова абсолютної швидкості частинки в каналі гидроциклона; r - зовнішній радіус циліндричної поверхні деталі 6 (Рис. 1), на якій нарізаний канал гидроциклона; k - коефіцієнт тертя частинки шламу о вертикальну зовнішню стінку каналу гидроциклона.

   У результаті рішення диференційного рівняння (3) з допомогою програми Mathcad була визначена вертикальна складова абсолютної швидкості руху частинок шламу в каналі гидроциклона шламової труби. Розрахунок виконувався за таких вихідних даних: сумарна витрата неньютонівської рідини Q = 78 л / хв; щільність рідини р = 1100 кг/м3; динамічна напруга зсуву рідини 1,5 Па; структурна в'язкість рідини 0.002 Па.с; щільність частинки шламу рч = 2500 кг/м3; еквівалентний діаметр частинок шламу dч приймався дискретно (0,0025 м, 0,001 м, 0,0001 м, 0,00001 м); площа перетину каналу гидроциклона забезпечує абсолютну швидкість рідини в ньому 10 м / с.

   Оскільки точне значення коефіцієнта тертя k частинки шламу о вертикальну стінку каналу гидроциклона визначити дуже складно, то значення k при розрахунку приймалося 0,5 і 0,99.

    На Рис. 5 наведена залежність Vв = f (dч) вертикальної складової Vв абсолютної швидкості руху частинок шламу в каналі гидроциклона від еквівалентного діаметру часток dч при різних значеннях кута нахилу каналу гидроциклона до горизонтальної площини. На мал. 5, (а) показана залежність Vв = f (dч) при k = 0,5. На мал. 5, (б) - залежність Vв = f (dч) при k = 0,99.

   Рис. 5 Залежність Vв = f (dч) при різних значеннях кута нахилу каналу гидроциклона до горизонтальної площини: k = 0,5 (а); k = 0,99 (б)

   Із аналізу вищенаведених залежностей слідує:

   1. Вертикальна складова Vв абсолютної швидкості руху частинок шламу в каналі гидроциклона значно менше вертикальної складової абсолютної швидкості робочої і ежекційної рідини в каналі гидроциклона. Так спектр зміни Vв знаходиться в межі від 0,059 до 0,609 м / с при k = 0,5 (рис. 5, а). При k = 0,99 Vв змінюється в межах від 0,042 до 0,657 м / с (Рис. 5, б). Абсолютна швидкість робочої і ежекційної рідини в каналі гидроциклона дорівнює 6,5 м / с, тобто відрізняється майже в десять разів.

   2. Зниження Vв спостерігається при зменшенні кута нахилу каналу гидроциклона до горизонтальної площини.

   3. Для частинок шламу dч від 0,0025 м, 0,0002 м. і 0. 001 м (великі частинки шламу) збільшення Vв незначне. Так при нахилі кута: 10, 30 і 60 та k = 0,5 спектр зміни Vв для таких частинок відповідно (0,059 - 0,069 м / с), (0,071 - 0,079 м / с) і (0,131 - 0,138 м / с). Для випадку, коли k = 0,99 спектр зміни Vв частинок еквівалентним діаметром dч від 0,0025 м, 0,0020 м і 0. 001 м буде відповідно (0,042 - 0,049 м / с), (0,051 - 0,079 м / с) і (0,093 - 0,098 м / с).

   4. Для дрібних частинок шламу dч (від 0,0001 м до 0. 00001 м) спостерігається значне збільшення Vв. Так при нахилі кута 10, 30 і 60 та k = 0,5 спектр зміни Vв для таких частинок відповідно (0,157 - 0,473 м / с), (0,178 - 0,537 м / с) і (0,307 - 0,609 м / с). Для випадку, коли k = 0,99 спектр зміни Vв частинок еквівалентним діаметром dч від 0,0001 м до 0,00001 м буде відповідно (0,111 - 0,335 м / с), (0,126 - 0,381 м / с) і (0,218 - 0,657 м / с).

   5. Рух частинки шламу з невеликою вертикальною складовою Vв абсолютної швидкості в каналі гидроциклона буде позитивно впливати на збір шламу у внутрішню шламову трубу. Це пояснюється тим, що після виходу її з каналу гидроциклона з невеликою швидкістю відбувається подальше зниження швидкості рідини, а отже і швидкість частинки за рахунок збільшення площі перетину каналу, до якого вона входить. У результаті шлам під дією гравітаційних сил краще відділяється від потоку неньютонівської рідини із зруйнованою в гидроциклоне структурою і осідає на дно труби. Створення розрядження в порожнині внутрішньої шламової труби підсмоктує в неї рідину зі шламом після виходу їх гидроциклона, тим самим покращуючи збір шламу.

Висновки

   1. Створення розрядження в порожнині внутрішньої шламової труби внаслідок включення до її конструкцію струмового апарату сприяє поліпшенню шламозбору.

   2. Внутрішня гідроциклонна шламова труба забезпечує вхід частинки шламу в її порожнину з невеликою вертикальною складовою абсолютної швидкості Vв, що покращує збір шламу в неї. Зниження Vв спостерігається при зменшенні кута нахилу каналу гидроциклона до горизонтальної площини.

   3. Розрахунки показують, що не буде спостерігатися істотного зростання втрат тиску при роботі гідроциклонної шламової труби, викликаного включенням до її конструкцію струмового апарату.

   При написанні даного автореферату, магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011 г. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Література

   1. Волокитенков А. А. Технология отбора шлама при бурении скважин / А. А. Волокитенков, А. С. Волков, И. И. Толокнов, М. М. Розин. – М.: Недра, 1973. – 200 с.

   2. Дерусов В. П. Обратная промывка при бурении геологоразведочных скважин / В. П. Дерусов. – М.: Недра, 1984. – 184 с.

   3. Леонов Е. Г. Гидроаэромеханика в бурении: Учебник для вузов / Е. Г. Леонов, В. И. Исаев. – М.: Недра, 1987.–269 с.

   4. Справочник по бурению скважин на воду/Д. Н. Башкатов, С.С.Сулакшин, С.Л.Драхлис, Г.П.Квашнин.Под редакцией проф.Д.Н.Башкатова.– М.: Недра,1979.– 560 с.

   5. Справочник по гидравлическим расчетам. Под редакцией П. Г. Киселева. Изд. 4-е, переработ, и доп. М.: Энергия», 1972. – 312 с.

   6. Шищенко Р. И. Практическая гидравлика в бурении / Р. И. Шищенко, Б. И. Есьман. – М.:Недра, 1996. –285с.

   7. Ивачев Л. М. Промывочные жидкости в разведочном бурении / Л. М. Ивачев. - М.: Недра, 1975. - 215 с.

---

Резюме | Біографія