В данный момент в Украине, как и во всем мире, одной из основных проблем является вода и водопотребление. На научно-практической конференции в институте гигиены и медицинской экологии им. А.М. Марзеева АМН Украины, “Вода Украины: современное состояние, проблемы, пути решения”, охарактеризовали эту проблему так:
«Высокий уровень техногенной нагрузки на водоемы и использование устаревших технологий подготовки питьевой воды, не позволяют обеспечить население питьевой водой гарантированного качества.
Использование в технологии подготовки питьевой воды хлора, неэффективных коагулянтов и флокулянтов, отсутствие сорбционных фильтров с активированным углем и пр. приводит к попаданию в питьевую воду значительного количества неорганических и органических загрязнений, совместное действие которых на организм человека, особенно в условиях радиационной нагрузки, вызывает реальную угрозу здоровью нации.
Кроме того, питьевая вода из поверхностных водоемов потенциально небезопасна в вирусологическом отношении, т. к. технология ее подготовки не гарантирует удаление вирусов из воды. Подземные воды Украины, в частности, артезианские, в большинстве регионов (Донбасс, Приднепровье, Крым) по качеству не соответствуют питьевым водам, что связано не только с природными условиями их формирования, но и с антропогенным загрязнением, и потому нуждаются в очистке…»[7]
В связи с тем возникает потребность и в поиске и разработке новых источников воды. Для более ускоренного темпа бурения необходимо совершенствование и модернизация бурового инструмента.
Магистерская работа посвящена исследованиям работы клапанной группы гидроударника двойного действия с дифференциальным поршнем для бурения скважин на воду.
Бурение скважин для добычи питьевой и технической воды выполняется самоходными установками. Особенности конструкции этих установок не позволяют обеспечить рациональную нагрузку долота при бурении скважин большого диаметра, что уменьшает эффективность процесса бурения и его технико-экономические показатели, особенно в крепких породах (граниты, песчаники, известняки). Одним из путей интенсификации процесса бурения является применение гидроударников, которые бы исполняли роль генератора ударных импульсов для повышения нагрузки на забой скважины. При этом гидроударник может работать как самостоятельно со специальным долотом, так и выполнять вспомогательную функцию при работе с шарошечным долотом.
Таким образом, для практики бурения скважин на воду достаточно актуальной является разработка гидроударного механизма, который можно было бы применять как для интенсификации бурения шарошечными долотами, так и для ударно-вращательного бурения долотами с резцами. Это позволит в первом случае повысить технико-экономические показатели бурения, а во втором – снизить затраты за счет применения более дешевого инструмента. В этой связи работа по совершенствованию гидроударника для бурения скважин на воду является актуальной.
Цель работы – совершенствование конструктивной схемы гидроударника для бурения скважин на воду, уточнение методики расчета и закономерностей его работы, разработка практической конструкции и технологии его приминения.
Основные задачи исследования:
Идея работы: применение гидроударных механизмов для интенсификации шарошечного бурения или его полной замены на ударно-вращательное.
Объект исследования: гидроударные механизмы для бурения скважин на воду.
Предмет исследования: конструкция и рабочие процессы в гидроударных механизмах для бурения скважин на воду.
Возможные результаты, которые ожидаются при выполнении работы, их новизна и значение.
В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:
Значение работы заключается в разработке конструкции и методики расчета гидроударного механизма, обосновании его конструктивных параметров и технологии применения.
Запланировано участие в республиканской научно-технической конференции студентов «Бурения». Подача работы на конкурс студенческих научно-исследовательских работ и заявки на полезную модель.
Известен гидравлический вибромолот (А.С. №199000 СССР кл. Е02d 7/18, 7/10 опубл. 28.06.1967).[1]
Гидравлический вибромолот включает переходник 1, впускной 2 и выпускной. 3 клапаны, сидящие на общей полой втулке 4, имеющей уплотнительный поршень 5 и подпружиненную тягу 13; патрубки 6 и 7, образующие корпус.
Вибромолот содержит также поршень 8 с буртиком 9, цилиндры 10 и 11 с верхней крышкой 12, боек 14, поршень 15, верхнюю 16 и нижнюю 17 наковальни и посыльный клапан 18.
Рисунок 1 — Гидравлический вибромолот
Предложенный вибромолот предназначается для ликвидации прихватов бурового снаряда, при этом он может входить в состав бурового снаряда и располагаться под породоразрушающим инструментом.
При бурении клапан 18 убирается и про¬мывочная жидкость, подаваемая с поверхности по колонне бурильных труб, проходит на забой скважин через проходной канал 19 в бойке 14 и канал 20 в наковальне 17.
Вначале работы вибромолота верхняя по¬лость цилиндра 10 перекрывается впускным клапаном 2 и соединяется через окна 21 и 22 со скважиной.
При повышении давления промывочной жидкости на впускной клапан 2 клапанная тяга (детали 2, 3, 4 и 5) опустится в нижнее положение, поскольку площадь сечения клапана 2 больше площади поршня 5. В этот момент подпружиненная тяга 13 сожмется и начнется подъем бойка 14. Одновременно с бойком будет подниматься и клапанная тяга. В момент удара бойка о верхнюю наковальню 16 впуск¬ной клапан 2 под действием подпружиненной тяги, откроет доступ промывочной жидкости в верхнюю полость цилиндра 10. В этот момент выпускной клапан 3 перекроет окно 21.
При повышении давления промывочной жидкости в верхней полости цилиндра 10 боек опустится вниз, нанесет удар по нижней наковальне 17 и переместит клапанную тягу в исходное положение благодаря зацеплению буртика 9 за выступ поршня 8.
Гидровибратор состоит из переходников 1 и 2,впускного клапана 3, установленного на полой тяге 4 выхлопного золотника 5, уплотненного манжетой 6, корпуса-цилиндра 7, гайки 8, с помощью которой в бойке 12 крепится буртик тяги клапанно-золотникового блока, поршня 9, пружины 10, верхней 11 и нижней 13 наковален, манжеты 14 штока бойка. В исходной позиции боек 12 под действием собственного веса находится в крайнем нижнем положении, впускной клапан 3 закрыт, а выпускной золотник 5 – открыт. При подаче промывочной жидкости она по полой тяге 4 и каналу г в бойке 12 поступит под поршень 9 и будет поднимать его вместе с бойком. За счет давления жидкости на впускной клапан распределительный блок удерживается на месте, поэтому пружина 10 упрется в торец тяги и начнет сжиматься. Пройдя путь свободного хода и хода клапанов, гайка 8 столкнется с золотником 5 и переместит его на расстояние 0,5 Sкл. Дальнейшая переброска производится под действием энергии сжатой пружины и инерционных сил. При этом впускной клапан 3 откроется, а выхлопной золотник 5 перекроет отверстия б в корпусе-цилиндре 7.
В момент перестановки клапанно-золотникового блока боек 12 нанесет удар по верхней наковальне 11. Поскольку промывочной жидкости через кольцевой зазор а и отверстия в открыт доступ в надпоршневую полость, то боек 12 начнет опускаться. Свободный ход бойка при движении вниз равен S-Sкл, после чего гайка 8 захватит буртик тяги и откроет выхлопной золотник 5. Впускной клапан закрывается потоком промывочной жидкости. Одновременно боек 12 соударяется с нижней наковальней 13.
Рисунок 2 — Погружной гидровибратор с клапанно-золотниковым распределением жидкости
Отличительной особенностью этого гидровибратора является отсутствие распределительной головки, функцию которой выполняют переходник 2 и корпус-цилиндр 7. Благодаря такому конструктивному решению удалось создать механизм диаметром 57 мм, не ослабляя прочности деталей. По этой схеме можно спроектировать вибратор диаметром 44 мм. Последние факторы очень важны в связи с широким внедрением алмазного бурения.
Описанные вибраторы имеют недостаток, который заключается в том, что их конструкция обеспечивает разные величины свободного хода бойка при перемещении вверх и вниз. Поскольку при ходе вверх клапанная группа первую часть своего хода проходит вместе с бойком, а вторую – самостоятельно за счет клапанной пружины, то разница между свободными ходами вверх и вниз для их конструкций является разницей между величинами суммарного хода клапанной группы (которая для обеспечения работы должна превышать свободный ход боек при перемещении вверх) и совместимого хода поршня и клапанной группы при ходе вверх (фактически это и есть свободный ход бойка при перемещении вверх). Таким образом, при ходе вниз свободный ход бойка всегда будет больше, чем при ходе вверх, поэтому скорость бойка при ударе по нижней наковальне и энергия ударов, направленных вниз, будут меньше по сравнению с аналогичными показателями для хода вверх.
В основу разрабатываемого гидроударника поставлена задача из совершенствования гидравлического вибратора, в котором, за счет уменьшения свободного хода бойка при его перемещении к нижней наковальне, достигается повышение энергии удара вниз.
Разрабатывается многофункциональный механизм, который в зависимости от компоновки может использоваться как для бурения скважин, так и для ликвидации аварий. В качестве примера приведена комплектация гидроударника для ликвидации прихватов в скважине. [8]
В состав гидроударника (рис.3) входит переходник 1 с осевым и радиальными каналами 2 и 3, соединенный с клапанной коробкой 4 с выхлопными отверстиями 5. Клапанная коробка 4 корпусом-цилиндром 6 жестко связанная с верхней наковальней 7. В корпусе-цилиндре 6 установлен поршень 8 с радиальными отверстиями 9, который штоком 10 жестко соединенный с бойком 11, который имеет хвостовик 12, установленный в отверстии нижней наковальни 13. Верхняя и нижняя наковальни 7 и 13 соединенные корпусом 14. В клапанной коробке 4 установлен впускной клапан 15, выполненный с возможностью перемещения относительно пустотелой тяги 16, которая имеет в верхней части уступ 17 над впускным клапаном 15 и соединенная с поршнем 8 пальцем 18, который обеспечивает возможность ее ограниченного перемещения. Выхлопной золотник 19 с радиальными отверстиями 20 установленный над поршнем 8, а между ними для обеспечения подвижной относительно пустотелой тяги 16 размещена пружина 21. При этом зазор между уступом 17 и переходником 1 меньше зазора между выхлопным золотником 19 и клапанной коробкой 4. В нижней наковальне выполнены радиальные каналы 22.
Рисунок 3 — Разработанный гидроударник
Гидроударник работает таким образом (на примере ликвидации аварии).
Он спускается в скважину после возникновения прихвата и соединяется нижней наковальней 13 с прихваченным инструментом (не показан).
Когда в гидроударник подается промывочная жидкость, то она поступает в клапанную коробку 4 через каналы 3 в верхнем переходнике 1 и под поршень 8 через центральный канал 2 в верхнем переходнике 1, полость тяги 16 и радиальные отверстия 9. За счет давления жидкости поршень 8 начинает двигаться вверх вместе с бойком 11, соединенным с ним штоком 10, а тяга 16 поднимается на величину а к упора уступа 17 в переходник 1, при этом впускной клапан 15 содержится в седле клапанной коробки 4.
При ходе поршня 8 вверх сжимается пружина 21, а жидкость из полости корпусу-цилиндру 6 над поршнем 8 выжимается в скважину через радиальные отверстия 20 и выхлопные отверстия 5. Когда поршень 8 пройдет расстояние S, то он нанесет удар по выхлопному золотнику 19. Последний поднимается вверх к упору в клапанную коробку 4 на расстояние Sk за счет энергии удара и силы сжатой пружины 21. Выхлопной золотник 19 перекрывает выхлопные радиальные каналы 5 в клапанной коробке 4 и открывает впускной клапан 15. За это время боек 11 пройдет свободный ход, который равняется SB-S (он должен быть меньше за Sk для предотвращения повторного удара по закрытому выхлопному золотнику), и наносит удар по верхней наковальне 7, энергия которого через корпус 14 и нижняя наковальня 13 передается на прихваченный инструмент.
Рисунок 4 — Работа гидроударника
Поскольку впускной клапан 15 открытый, то жидкость поступает в полость корпуса-цилиндра 6 над поршнем 8, и за счет того, что рабочая площадь поршня 8 сверху больше, чем снизу на величину площади хвостовика 12, то возникает сила, которая вынуждает двигаться поршень 8 вниз. При этом впускной клапан 15 и выхлопной золотник 19 содержатся в верхнем положении за счет давления жидкости. При подходе к нижней наковальне 13 поршень 8 пальцем 18 бьет по пустотелой тяге 16 и перемещает ее вниз. Тяга 16 за счет контакта уступа 17 с впускным клапаном 15 возвращает его и выхлопной золотник 19 в начальное положение, перекрывающие жидкости доступ в над поршневую полость корпуса-цилиндра 6. За это время боек 11 пройдет свободный ход, который равняется величине а, и наносит удар по нижней наковальне 13, энергия которого передается на прихваченный инструмент. Таким образом для того, чтобы свободный ход бойка, а соответственно, и энергия ударов вверх и вниз были ровными, достаточно выполнить соотношение Sb-S=a. При этом величина а должна быть меньше за Sk для предотвращения остановки бойка до удара по нижней наковальне.
Дальше цикл работы повторяется.
Прихват ликвидируется за счет периодических ударов вверх и вниз, которые генерирует гидроударник. В процессе работы радиальные отверстия 22 в нижней наковальне 13 обеспечивают циркуляцию жидкости под хвостовиком 12, что необходимо для работоспособности механизма в случае герметического прихвату, когда жидкость из забоя не сможет попасть под хвостовик 12 через центральный канал в нижней наковальне.
Магистерская работа посвящена актуальной проблеме, т.к. в Украине как и во всем мире актуальной является проблема поиска и разработки новых источников питьевой и технической воды, а как следствие разработка и совершенствование методов и инструментов бурения.
В процессе выполнения магистерской работы планируется провести компьютерное моделирование работы разрабатываемого гидроударника и проанализировать полученные данные. Так же обосновать конструктивные параметры и рабочие чертежи разработанного гидроударника, выполнить 3D-моделирование.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: январь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.