Автор статьи: Горан Туомас
Автор перевода: Выглай А.М.
Источник: Отделение возобновляемых источников энергии, Технологический университет Лулей, SE-97187 Лулей, Швеция
Переработанная версия 18 августа 2003 г.
Горан Туомас - ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДЫ В СИСТЕМЕ ПРИ ГИДРОУДАРНОМ БУРЕНИИ Бурение скважинными гидроударниками (ГУ) с использование в качестве рабочей жидкости воды, является недавно разработанным конкурентоспособным методом сооружения скважин. С целью предотвращения использования большого объема воды, промывочная жидкость очищается на месте для повторного использования. Эффективность оценивается при бурении скважины при помощи мобильного прототипа очистного и насосного блока. Наличие абразивных частиц в жидкости может значительным образом снизить срок службы устройства и сделать метод неэффективным. Исследовалась важность этого отношения для чего была разработана имитационная модель процесса для определения концентрации и распределения по размеру частиц. В данной статье описывается модель и ее использование. Также приведены результаты моделирования различных конфигураций системы.
Ключевые слова: БУРЕНИЕ, ГУ, УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ, СКВАЖИННЫЙ, ЧАСТИЦА, ПОТОК, ВОДА, МОДЕЛИРОВАНИЕ
Способ использование воды вместо воздуха в качестве рабочего агента в ГУ механизмах известен многие годы. Однако технические сложности связанные с коррозией, кавитацией и износом препятствовали и/или удорожали использование этих идей на практике. Эта ситуация начала меняться в начале 1990 г, когда Шведская компания LKAB начала использовать ГУ с гидроприводом для бурения взрывных скважин. Использование ГУ также означало постоянное изучение и улучшение системы, что на сегодняшний день привело к тому, что данный метод стал экономически высоко эффективным и конкурентоспособным. Сегодня, более 5 млн. метров взрывных скважин было пробурено с использование ГУ в Шведской горной промышленности.
Метод имеет много преимуществ; основные это экономическая эффективность и конкурентоспособная производительность. Метод предлагает высокие скорость углубки и минимальные затраты мощности наравне с возможностью сооружать скважины практически любой глубины [3]. Условия труда улучшаются за счет отсутствия пыли и частиц масла в воздухе.
Однако, основным недостатком является необходимость для привода механизма больших объемов, желательно высокого качества, воды. Например, обычный 4” (~100 мм) ГУ требует от 0,2 до 0,4 м3/мин для достижения приемлемой скорости углубки. Это означает что жидкость должна использоваться повторно в местах с ограниченным доступом к воде и/или когда трудно обеспечить очистку отходов (рис. 1).
Рисунок 1 – Принципиальная схема системы промывки с рециркуляцией
Концентрация частиц в промывочной жидкости зависит главным образом от текущего расхода, скорости углубки и плотности породы. Массовая концентрация в интревале 4 – 12 % типична для 4” ГУ. Это соответствует, приблизительно, расходу частиц 13 – 27 кг/мин, и следовательно необходимо использовать очисные устройства значительной вместительности. Распределение размера частиц варьируется от определенного количества факторов: характеристика пород, устройство ПРИ, энергия удара и т. д. Важным ограничивающим фактором при вертикальном или наклонном бурении является скорость течения жидкость, которая должна превышать скорость оседания частиц. В противном случае, частицы осядут в скважине и будут повторно разрушены до размера, достаточного для вынесения потоком. Частицы, образующиеся при бурении обычной 4” скважины, как правило менее 1 мм, при этом средний размер (d50) приблизительно 0,1 мм.
Для успешного использование метода, очистная система должна быть правильно спроектирована и реализована, т. к. качество жидкости напрямую влияет на срок службы компонентов. Абразивные частицы и/или химические агрессивные вещества в жидкости значительно уменьшают срок службы, особенно если используется ПРИ изготовленный из упрочненной стали. Однако, возможно использование карбида вольфрама в качестве материала для ПРИ, но это увеличивает стоимость и данный материал обычно используется в устройствах с приводом на глинистом растворе. По этой причине, знания о том как различные параметры жидкости влияют на срок службы жизненно важно при проектировании экономичных систем.
Интересные данные были получены при практическом использовании данных устройств, особенно в горной промышленности, где автоматизированные буровые установки производят миллионы метров 4” взрывных скважин. Результаты анализа воды и данные о сроке службы устройства показывают, что межремонтные период составляет 1500 м при бурении в твердых пород при массовом содержании частиц в рабочей жидкости 0,02 %. Средняя скорость углубки составляла 0,9 м/мин, что составляет приблизительно 6 млн. ходов поршня, т. к. частота ударов около 60 Гц. Другие эксперименты показали что срок службы разительным образом снизился из-за высокого содержания частиц в рабочей жидкости. Например, при массовом содержании части 0,5 % срок службы составил менее 100 м бурения [6].
Для оценки возможностей данных систем, была разработан мобильный прототип обслуживающего блока для использования с недорогими ГУ на чистой воде [4]. Блок включает все необходимые компоненты для эффективного бурения, т. е. системы как для нагнетания промывочной жидкости так и для очистки жидкости от частиц (пластинчатый концентратор и блок гидроциклона). Прототип в данный момент подвергается эксплуатационным испытаниям с целью установить связь между сроком службы механизма и содержанием частиц в жидкости. Характеристики системы для прототипа были оценены при помощи моделирования процесса, реализованного в математическом пакете Matlab Simulink. Распределение размера частиц, концентрации и интенсивность потока определялась в стратегически важных точках, что определило возможность использование прототипа в качестве инструмента для оптимизации и разработки систем следующего поколения.
Эта статья описывает процессы в прототипе и каким образом они моделировались, а также обсуждается результаты моделирования для различных конфигураций системы. В дополнение, также приведены результаты полевых испытаний очищающей способности пластинчатого концентратора.
Процессы в прототипе описаны на рис. 2. Плунжерный насос (Р4) нагнетает воду, которая используется для привода ГУ и для промывки скважины. Вода, загрязненная частицами, очищается перед повторным использованием. Процесс очистки основан на использовании пластинчатого концентратора с системой флокуляции и блока гидроциклона. Все оборудование размещено в одном контейнере (рис. 3) для облегчения транспортировки и обслуживания. Полное описание системы более детально приведено в работе [4].Ниже приведены некоторые важные особенности системы.
Рисунок 2 – Схема описывающая процессы протекающие в прототипе
Рисунок 3 – Блок прототипа системы
Характеристика системы
Система очистки в прототипе использует гравитационное осаждение для основного разделения частиц от промывочной жидкости. Пластинчатый концентратор построен по типу перекрестного потока, что приводит к горизонтальному течению между наклонными пластинами (рис. 4). Частицы осаждаются на пластины и соскальзывают к центру устройства и в конечном счете достигают дна емкости. Горизонтальный конвейер перемещает осадки к концу осадочного модуля, где другой наклонный конвейер удаляет отходы из системы. Второй конвейер также служит для удаления воды из отходов для достижения малого потребления воды. Осадочный блок оборудован насосом для удаления осадка, в случае если конвейера будет недостаточно. Эффективность процесса осаждения пожжет быть значительно повышена путем добавления коагулянта в загрязненный поток. Эти вещества соединяют мелкие и дисперсные частицы в хлопья которые осаждаются намного лучше.
Рисунок 4 – Пластинчатый концентратор (Т3 на рис. 2). Устройство с перекрестным потоком и двумя винтовыми конвейерами для удаления шлама.
В дополнение, разделение частиц и потока может быть достигнуто при помощи гидроциклона. Идея заключается в том, что гидроциклон используется как альтернатива коагуляции. Блок гидроциклона имеет точку отсева d50 ниже 5 мкм (частицы с плотностью 2750 кг/м3 с воде). Он разработан для расхода 0,3 м3/мин и состоит из 60 гидроциклонов 10 мм в диаметре.
Была разработана численная модель для моделирования потока частиц в прототипе системы. Были получены математические зависимости для основных компонентов и вся модель была реализована в математическом пакете Matlab Simulink. Наиболее важными результатами являются функция Ф(s, t) зависимости распределения размера частиц от времени и соответствующий объемный расход потока q(t) в различных местах системы. Рис. 5 показывает принципиальную схему потоков жидкости. Математическое описание различных блоков представлено в следующих разделах.
Рисунок 5 – Принципиальная схема потоков в модели процессов
Гидроударник в нашей модели добавляет частицы в систему. Математически это может быть записано как
где Фin(s ,t) и Фout(s, t) соответственно, распределение размера частиц в входящем и выходящем потоках из гидроударника. Фh(s) – распределения частиц, которые образуются в процессе бурения.
Ф –функции также представляют объемную концентрацию частиц в соответствующей суспензии согласно выражению:
где qsolids это объемный расход твердых частиц и q объемный расход суспензии.Фh(s) в выражении (1) вычисляется следующим образом:
где v и А представляют скорость углубки и площадь сечения скважины, соответственно. Фc(s) это функция не зависящая от времени которая характеризует форму кривой распределения размера частиц образующиеся в процессе бурения. Кривая использованная для данного исследования (рис. 6) получена путем лабораторного анализа образцов промывочной жидкости, отобранных в процессе бурения типичных пород на глубине приблизительно 100 м при диаметре бурения гидроударником 4. Форма Фс зависит от различных параметров, таких как текущая глубина скважины, ориентация скважины, расход жидкости, тип минералов, а также тип ПРИ. Однако в данной модели, предполагается, что форма кривой остается постоянной.
Расход суспензии qout из гидроударника считается равным входящему потоку qin.
Рисунок 6 – Распределение размера частиц в промывочной жидкости, определенное при бурении 4 дюйм. ГУ на глубине приблизительно 100 м. Кривая используется для представления функции Фс в описанной модели.
В емкости содержащей смесь с концентрацией с, изменение со временем концентрации частиц описывается дифференциальным уравнением:
где q – это интенсивность потока, с – концентрация в одном из n впускных и выпускных отверстий емкости, V – объем, который может изменяться со временем. После подстановки (2) в (4), уравнения для емкости с количеством впускных отверстий равным n и преобразуется в следующее:
где Фin – это распределение размера частиц в жидкости входящей в емкость, qin – это соответствующая интенсивность потока жидкости в емкость и Ф – это распределение размера частиц в емкости. Модель предполагает что изначально емкость смешения и емкость для промывочной жидкости заполнены чистой водой. Поэтому, начальное условие для уравнения (5), Ф(s,0) = 0. Объем жидкости в емкости для промывочной жидкости будет постепенно снижаться в процессе бурения. Причиной этому является то, что в процессе разделения в пластинчатом концентраторе и гидроциклоне потребляется жидкость. Проблема решается открытием и закрытием впускного патрубка когда, соответственно, уровень жидкости низкий или емкость заполнена. Модель спроектирована для работы подобным образом. Один из впускных потоков qin в уравнении(5) меняется от нуля до установленного пользователем положительного значения когда объем жидкости в емкости достигнет своего минимума, и возвращается к нулю когда достигнут максимум.
1. Crowe, C., Sommerfeld, M., Tsuji, Y., 1998. Multiphase Flows With Droplets and Particles. CRC Press.
2. Heiskanen, K., 1993. Particle Classification. Chapman and Hall.
3. Tuomas G., Nordell B., 2000. Down-Hole Water Driven Hammer Drilling For BTES Applications. In: Proceedings Terrastock 2000, 8th International Conference on Thermal Energy Storage. Stuttgart, Germany, pp. 503–508.
4. Tuomas G., 2001. System for Water-Driven Downhole Hammer Drilling. In: Proceedings Offshore Technology Conference OTC 2001, April 30 to May 3, Houston, Texas, USA, pp. 399–407.
5. Wills, B.A, 1997. Mineral Processing Technology. Butterworth–Heinemann.
6. ?deryd, L., 2001. Personal communication.