Техника гидроударного бурения

Для эффективного использования энергии потока промывочной жидкости для получения достаточных по величине ударных импульсов, прямого использования скоростного напора потока промывочной жидкости, движущегося со скоростью 0,3 – 1,0 м/с, явно недостаточно. Однако. эффектно решить эту задачу можно используя свойство жидкости, хоть и в очень малой степени, сжиматься (1/20.000 объема на 0,1МПа). На этом свойстве жидкости основывается явление, названное Н.Е.Жуковским «гидравлический удар в трубах».

Представим длинный трубопровод длиной -L , по которому из резервуара с постоянным напором (или из насоса) движется жидкость с постоянной скоростью – υ и с постоянным давлением – р₀. На конце трубопровода задвижка, позволяющая быстро почти мгновенно закрывать путь жидкости. (Рис. 46). При внезапной остановке движущейся массы ее кинетическая энергия или количество движения переходит в потенциальную энергию или импульс силы ∆mυ =F·∆t. Если бы двигалось твердое тело, то при мгновенной остановке всей его массы возникла бы огромная сила – так снаряд пробивает броню. Но сжимаемость жидкости переводит процесс в другую форму и происходит явление аналогичное удару летящей пружины о твердую преграду.

Рис. 46

Когда задвижка перекрывает путь жидкости, то сразу останавливается только примыкающий к ней слой жидкости. А остальная жидкость продолжает движение за счет того, что она сжимает остановившийся слой. Так за время ∆t остановится и сожмется слой жидкости длиной ∆ℓ, объем этого слоя составит ∆ℓ·S, а масса – m = ρ·∆ℓ·S. Тогда ∆mυ = ρ·∆ℓ·S = F·∆t, откуда F/S = Δp= ρ·∆ℓ/∆t·υ или ударное давление ∆p = ρ·c·υ , где с = Δl /Δt скорость, с которой перемещается от задвижки к резервуару граница уже остановившейся и сжатой части жидкости, т.е. скорость ударной волны. В сжатой части давление будет p = p₀+∆p. Когда волна сжатия дойдет до резервуара, за время L/c, то окажется, что давление жидкости в трубопроводе больше чем в резервуаре, и жидкость потечет из трубопровода в резервуар со скоростью υ (для идеальной жидкости и труб), а граница между уже движущейся жидкостью и еще неподвижной тоже будет двигаться со скоростью – с. Через время – Т = 2L/c, называемое фазой удара, эта граница дойдет до задвижки и там давление понизится. Давление у задвижки понизится до величины p - ∆p . Когда энергия движения жидкости в сторону резервуара израсходуется, скорость потока станет υ = 0, но давление в трубопроводе будет p - ∆p, и жидкость из резервуара опять потечет в трубопровод. Для идеальных условий процесс будет повторяться, (рис. 47). Для реальных жидкости и труб, за счет сопротивлений и упругих деформаций труб, часть энергии будет поглощаться, и процесс будет быстро затухать.

Рис. 47

Явление гидравлического удара может быть как полезным, как в нашем случае, так и очень опасным, приводящим к разрушению трубопроводов. Там где он не нужен, с гидроударом борются, устанавливая медленно завертывающиеся задвижки или устанавливая предохранительные клапаны и воздушные колпаки. Кроме гидроударников, есть еще очень наглядный пример полезного использования гидроудара – гидротаран. Гидротаран позволяет без затрат дополнительной энергии, только используя природную энергию движущегося потока, например в ручье, поднимать воду на значительную высоту. Для этого часть потока ручья заключают в трубу, на конце которой имеется отвод вверх с обратным клапаном и подпружиненный автоматический сливной клапан рис. 48. Сливной клапан устроен так, что когда вода проходит между плоскостью клапана и посадочным местом скорость воды при уменьшении сечения в зазоре резко возрастает и, согласно уравнению Бернулли, давление в этой щели резко снижается, а давление снаружи клапана оказывается значительно больше, и клапан захлопывается. Происходит гидравлический удар и под действием ударного давления вода поднимается по восстающему отводу вверх на десятки метров.

Рис. 48

Устройство и принцип работы гидроударников.

Свойство гидравлического удара создавать давление намного больше исходного давления в потоке основано на том, что кинетическая энергия потока преобразуется в ударный импульс за очень короткое время – 10 – 15 миллисекунд. При этом кинетическая энергия потока служит для разгона массы ударника т.е. переходит в кинетическую энергию массы ударника m∙υ = F∙∆t = ∆m_удυ_уд = F_уд∆t_уд

а ударник передает эту энергию через наковальню на резцы коронки для разрушения породы. Энергия (работа) удара из выражения - Е_уд = Н.м = Дж., где m_{уд -} масса ударника, υ_уд – скорость ударника в момент его удара о наковальню.

Принципиально гидроударные машины по устройству и путям использования гидравлической энергии делятся на три типа – прямого действия, обратного действия и двойного действия. В гидроударниках обратного действия энергия гидроудара используется для движения ударника вверх, сжимая пружину, а рабочий удар совершается за счет энергии сжатой причины. Гидроударники обратного действия не получили широкого применения и поэтому здесь не рассматриваются. Гидроударники двойного действия, когда и рабочий и обратный ход ударника осуществляется за счет гидравлической энергии, сейчас не применяются, но в свое время они успешно применялись и их принцип работы представляет интерес.

Принципиальная схема типового гидроударника включает: - корпус, ударник, наковальню, клапан, пружину клапана и возвратную пружину ударника. Наковальня и нижняя часть переходника с колонковой трубой присоединены к корпусу гидроударника через шлицевой разъем.

При спуске снаряда с гидроударником в скважину, под действием веса колонкового набора шлицевой шток гидроударника смещается вниз на величину – Ш. Вместе с ним на столько же опускается пружина и, опирающийся на нее, ударник. Верхний конец ударника окажется ниже клапана на величину – Ш(рис. 50, I.) и поток жидкости свободно проходит мимо клапана через отверстия ударника и наковальни в колонковую трубу, промывает забой от старого шлама. При постановке снаряда на забой, колонковая труба и связанный с ней шлицевой шток останавливаются, а остальная часть снаряда, включая корпус гидроударника с клапаном, двигаются вниз по шлицам, шлицевой разъем смыкается и клапан примыкает к ударнику, почти мгновенно перекрывая проход потоку жидкости! (рис. 50 II). Происходит гидравлический удар и ударное давление резко возрастает (до 5 МПа и более) и, в виде импульса силы, передается через поверхность клапана на ударник. Потенциальная энергия давления переходит в кинетическую энергию массы ударника, который разгоняется до скорости более 2 м/с за 10 – 15 миллисекунд. Разгон ударника продолжается пока клапан не дойдет до ограничителя, т.е. на величину хода клапана – К. (рис. 50 III). К этому моменту ударник наберет максимальную скорость и будет обладать максимальной кинетической энергией ( смотри рис. 51). Когда клапан остановится, ударник по инерции за счет запаса кинетической энергии будет продолжать двигаться, происходит «отсечка клапана». При этом движении ударник будет сжимать возвратную пружину и теперь уже будет терять на это часть своей кинетической энергии (см. рис, 51). Пройдя свободный ход – h = У- К, ударник за счет оставшейся энергии - Е₂ нанесет удар по наковальне, который через шлицевой разъем и колонковую трубу почти полностью передастся на резцы коронки (рис. 50, IV). Сразу после «отсечки клапана» жидкость получит свободный проход в отверстие ударника и далее, давление снизится, и клапан под действием своей пружины пойдет наверх. Ударник продолжит путь вниз, нанесет удар и быстро с «отскоком» пойдет вверх (рис. 50, V). Работа гидроударника возможна только при условии, что когда ударник дойдет до своего верхнего положения, клапан (более медленный) должен полностью вернуться в исходное место. Это условие зависит от величины свободного хода – h. Если h будет слишком мал, то более быстрый (за счет «отскока») ударник догонит клапан раньше, чем он вернется в исходное положение, произойдет преждевременный гидравлический удар и следующий ход «разгона» будет меньше, меньше будет энергии у ударника и он не сможет преодолеть пружину и удары прекратятся. Слишком большой ход h приведет к излишнему расходу энергии на сжатие пружины и снизит энергию удара. Следовательно, существует оптимальная величина свободного хода ударника, от которой зависит работоспособность и КПД гидроударника см. рис. 51.

Рис. 50

Рис. 51

В геологоразведочном бурении в настоящее время применяются практически только гидроударники прямого действия. За последние пять десятилетий из последовательных конструкций ряда гидроударных машин путем совершенствования и упрощения созданы и внедрены универсальные гидроударники для бурения разведочных скважин малого диаметра - 76 и 59 мм и среднечастотный гидроударник для бурения скважин диаметром 132 и 151 мм. Универсальные гидроударники Г59 и Г76 имеют одинаковое устройство и без изменения конструкции только за счет регулировки могут работать как в среднечастотном режиме, так и в высокочастотном. Эти гидроударники могут выпускаться с двумя вариантами клапана – жесткого металлического и плавающего шарикового из пластика. Рис. 52 а и б.

а б

Рис. 52

.

Собственно регулировки гидроударника сводятся к установке заданных величин хода клапана – К и хода ударника – Упри оптимальной величине свободного хода – h. Время одного цикла (периода) соответствует двум ходам ударника туда и обратно и зависит от величины этого хода и скоростей движения ударника. Если увеличивать ход ударника - У (ход клапана - К увеличивается автоматически при соблюдении оптимального – h), то время периода будет соответственно расти, частота ударов соответственно уменьшаться, а энергия удара (поскольку с увеличением хода клапана разгон ударника и запас его кинетической энергии будет расти) будет соответственно возрастать. Менять ход клапана и ход ударника можно, добавляя или, наоборот, убавляя регулировочные кольца под пружиной клапана и под корпусом ограничителя клапана.

Энергетические параметры гидроударника: - энергия удара и частота ударов зависят от энергии потока промывочной жидкости, прежде всего от ее расхода, который несет кинетическую энергию – mv²/2. От скорости потока жидкости зависит и величина ударного давления - ∆р = ρ∙с∙υ. Поэтому, чтобы получить максимальную энергию удара или максимальную частоту ударов надо в гидроударник подавать поток жидкости, значительно превышающий расход необходимый для обычного бурения – чем больше расход (скорость) потока жидкости, тем выше энергия и частота ударов. Рис. 51. Так, для гидроударников ударно-вращательного бурения Г59, Г 76 и Г 151 с энергией удара 50 -100 – 300 Дж требуется соответственно расход 100-130, 180-200 и 300-600 л/мин. При таких расходах в циркуляционной системе разведочного бурения гидравлические сопротивления будут достигать таких значений, что давления, развиваемого буровыми насосами разведочного бурения (обычно 4,0 – 6,3 МПа), хватит лишь до небольшой глубины скважины. Для вращательно-ударного бурения, когда не требуется большая энергия удара, расход жидкости может быть немного меньше и составляет 50-80 и 100-130 л/мин (для Г59 и Г76), что тоже примерно в 2-3 раза больше необходимого для вращательного бурения.

Если вспомнить, что для обычного вращательного бурения алмазными и твердосплавными коронками диаметрами 59 – 76 мм расход промывочной жидкости составляет 20 – 40, максимум, 60 л/мин, то увидим, что для эффективной работы даже высокочастотных гидроударников расход жидкости должен быть в 3 – 6 раз больше.

Главная проблема заключается в том, что при бурении скважин малого диаметра гидравлические сопротивления, пропорциональные квадрату расхода и прямо пропорциональны глубине скважины. При обычном вращательном бурении, при глубине скважины более 1000 м гидравлические сопротивления даже при малых расходах достигают 3 – 4 МПа и более. При расходах жидкости необходимых для гидроударного бурения, гидросопротивления в 3 – 4 МПа возникнут уже при глубинах скважины 300 – 500 метров. Возникает необходимость искать возможности повышения глубин гидроударного бурения. Существует три пути решения этой задачи: - 1) применение мощного бурового насоса НБ-5 320/100, развивающего давление 10 МПа; 2) применение гидроударника с отражателем ударной волны; 3) регулировка высокочастотного гидроударника на работу с минимальным расходом жидкости.

Наибольший эффект повышения возможной глубины гидроударного бурения – (до 2500 метров) получается применением гидроударника с отражателем ударной волны

Идея действия отражателя состоит в том. что в момент закрытия клапана возникает гидравлический удар, ударный импульс давления действует на клапан-ударник, разгоняя ударник, а волна ударного давления двигается вверх по столбу жидкости внутри бурильных труб со скоростью – с, равной примерно 1300 м/сек. Ударная волна достигает поверхности и в виде импульса попадает в буровой насос, создавая дополнительную пульсацию давления, в чем нет ничего хорошего. Если над гидроударником на определенном расстоянии поставить устройство, которое отразит ударную волну и отраженная волна пойдет вниз вдогонку действующему ударному импульсу, добавится к нему, т.е. добавит энергию ударнику, при чем энергия ударника и, следовательно, энергия удара практически удваивается! В результате, можно получить достаточную энергию удара при вдвое меньшем расходе промывочной жидкости и, соответственно значительно увеличить глубину гидроударного бурения. Отражатели имеют довольно простую конструкцию и небольшую длину (0,7 – 2,7 м.)

Устройство простых отражателей, разработанных в СКБ «Союзгеологоразведка», приведены на рис. 51 а и б.

а б

Рис. 51

Использование третьего варианта снижения требуемого расхода – путем соответствующих регулировок, пригодно только для высокочастотных гидроударников при вращательно-ударном варианте бурения, когда достаточно минимальное значение энергии удара. В этом случае устанавливается минимальное значение хода клапана – К (5-7 мм.) и минимальное значение свободного хода (2-3 мм.), энергия удара получается 5 – 8 Дж. Что недостаточно для разрушения породы, но достаточно для снижения трения в борьбе с заполированием алмазов и самозаклиниванием керна.

Повышенный расход промывочной жидкости для работы гидроударников имеет еще один недостаток в том, что повышенный расход жидкости подаваемой в колонковую трубу и на забой скважины может вредно влиять на сохранность керна, ухудшать условия самозатачивания импрегнированных алмазных коронок, вызывать повышенный гидроподпор. Для устранения этого недостатка в состав колонкового набора ниже гидроударника устанавливается «делитель потока промывочной жидкости» (он же «забойный регулятор расхода промывочной жидкости»). Принцип его работы хорошо виден из рисунка рис. 52

Рис.52

Делитель потока состоит из корпуса, в котором имеются боковые продольные окна, перекрывающиеся поршнем с пакетом дроссельных шайб. Поршень опирается на калиброванную пружину. Поток жидкости после гидроударника проходит через лабиринт отверстий в дроссельных шайбах и в дне поршня, преодолевая специально подобранные местные гидросопротивления, и создавая при этом усилие на поршень пропорциональное расходу через поршень. Это усилие сжимает пружину и перемещает поршень на определенную величину, открывая часть площади боковых продольных отверстий. Через эти отверстия часть потока сбрасывается в наружное кольцевое пространство скважины. Сопротивления в поршне и усилие пружины настраиваются таким образом, чтобы на забой проходило столько жидкости, сколько надо для нормального вращательного бурения, а остальное количество жидкости сбрасывается в наружное кольцевое пространство. Например, если при алмазном бурении для промывки забоя достаточно 20 л/мин., а для работы гидроударника надо 100 л/мин., то делитель потока настраивается так, чтобы с учетом гидросопротивлений в колонковом наборе на забой проходило 20 л/мин., а 80 л/мин. сбрасывалось в кольцевое пространство.

В настоящее время разработаны и серийно выпускаются ряд гидроударных машин прямого действия однотипной конструкции (незначительные различия в устройстве клапана – жесткий металлический или шариковый из пластика). При этом гидроударники для бурения скважин малого диаметра -59 и 76 мм. унифицированные и могут за счет регулировок настраиваться как на высокочастотный режим для вращательно-ударного бурении, так и на среднечастотный режим для ударно-вращательного бурения. Гидроударники больших диаметров 112 и 151 мм. применяются только для ударно-вращательного бурения.

Основные параметры разведочных гидроударников приведены в табл. №

Таблица №

Коронки для гидроударного бурения.

Для вращательно-ударного бурения при энергии удара 5 – 15 Дж. применяются обычные серийные твердосплавные и алмазные коронки, резцы которых выдерживают такие удары, а снижение трения между резцом и породой, наоборот, создает более благоприятные условия работы резцов. А, вот при ударновращательном бурения с энергией ударов в 50 – 80 Дж., а при диаметре бурения 151 мм. даже до 300 Дж., резцы обычных коронок явно не выдержат ударов, и для этого случая созданы и применяются специальные коронки с мощными крупными твердосплавными резцами. В зависимости от твердости и абразивности пород применяются 4 типа коронок: - от более слабых до наиболее твердых и абразивных пород соответственно ГПИ67М, КГ1, КГ2, КГ3 и ГПИ48М Рис. 53 а, б, в, г.

.

а б в г

Рис. 53

Коронка ГПИ67М предназначена для бурения в слабых скальных породах V – VI категорий по буримости. В таких породах разрушение забоя ведется не только за счет удара, но и за счет срезания части породы забоя вращением коронки, поэтому резец имеет почти вертикальную переднюю режущую кромку. В коронке КГ1, предназначенный для бурения пород средней крепости VI – VIII категорий , где разрушение породы также происходит и за счет удара, и за счет срезания части породы вращательным движением резцов, резцы имеют слабо наклонную переднюю режущую грань. Коронка КГ2 предназначена для бурения в более твердых, но мало абразивных породах, имеет клинообразный симметричный резец (разрушение только ударом). Коронка КГ2 также для твердых, но более абразивных пород, имеет такие же клиновые резцы, но у них значительно увеличена наружная часть резца, чтобы уменьшить износ по наружному диаметру. Коронка ГПИ48М имеет сравнительно небольшие каплеобразные резцы с расширенной наружной частью, предназначена для бурения в крепких, но сильно трещиноватых, раздробленных породах.