Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ АБРАЗИВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Ковалев А.В., Алиев Ф.Р., Горбенко В.М., Якушев Д.А.

Научные руководители: профессор Рябчиков С.Я., доцент Горбенко М.В.

В настоящее время наряду с классическим механическим способом разрушения горных пород известно множество альтернативных, к числу которых относятся гидравлические, термические, взрывоударные, электрические и комбинированные способы разрушения [1]. Поиск альтернативных способов бурения обуславливается тем, что на современном этапе развития техники увеличение эффективности разрушения горных пород на забое при механическом способе бурения ограничивается относительно низкой износоустойчивостью породоразрушающего инструмента и малой мощностью, подводимой к забою. По данным Спивака А.И. [2] коэффициент передачи мощности на забой при механическом бурении достигает значений от 0,03 до 0,2. Анализ литературных данных показывает, что среди альтернативных способов разрушения горных пород в ближайшее десятилетие вряд ли окажется возможным бурение в промышленном масштабе с использованием лазера, плазмы, электронного луча, термоструй и взрыва. В то же время, по мнению многих исследователей, возможно применение гидравлических и гидромеханических способов разрушения для проводки различных горных выработок [3].

Гидравлический способ разрушения пород, сущность которого состоит в воздействии высоконапорной струи жидкости, применим только при бурении в мягких рыхлых породах, поскольку для разрушения твердых и средней крепости горных пород данным способом потребуется значительное увеличение гидравлической мощности на забое. Для разбуривания более твердых и прочных пород подходит гидромеханический способ, при котором разрушение пород на забое происходит за счет энергии потока промывочной жидкости с содержанием абразивных частиц. Перспективным с точки зрения практической применимости является способ шароструйного бурения, впервые предложенный американскими исследователями И.Э. Эскелем, Ф.Г. Дэйли, Л. У. Леджервудом и др. [4]. Результаты лабораторных и полевых исследований данного способа бурения А.Б. Уваковым [5] показали возможность достижения высоких механических скоростей бурения (до 20 м/час в крепких горных породах), а результаты работы казахского ученого С.А. Заурбекова показали превышение механической скорости на 20% и проходки на долото на 43% по сравнению с серийными долотами при бурении пород средней твердости [6].

Исходя из вышеизложенного, на кафедре бурения скважин Томского политехнического университета была создана установка для абразивного бурения с применением долота гидромониторно-эжекционного типа. [7, 8]. В основу разработки был положен принцип разрушения горной породы за счёт непрерывной циркуляции породоразрушающих частиц на забое, осуществляемой при помощи струйного аппарата, приводимого в действие потоком промывочной жидкости.

Схема струйного аппарата разрабатываемого долота представлена на рисунке 1. Данный аппарат состоит из корпуса 1, сменных сопловой насадки 2 и насадки 3 с диффузором. Сменная сопловая насадка позволяет при необходимости варьировать диаметр сопла, а насадка с диффузором - длину камеры смешения и угол раствора диффузора. Принцип действия данного струйного аппарата следующий (рисунок 2): рабочая жидкость, подводимая к аппарату с большой скоростью, проходит камеру подвода рабочей жидкости 1, ускоряется в сопле 2 и на выходе из него истекает с большой скоростью в камеру смешения 3. При этом в пространстве, окружающем выход сопла с внешней стороны, образуется зона разряжения. В корпусе аппарата выполнены впускные окна 4 (6 шт.), через которые благодаря разряжению происходит всасывание рабочей жидкости со взвешенными породоразрушающими частицами 6 и частицами шлама 7 из затрубного пространства. Далее двухфазная смесь проходит через камеру смешения, где происходит выравнивание скоростей, поступает в диффузор 5 и ударяется о разрушаемый материал 8, осуществляя разрушение.

Для исследования работы струйного аппарата был разработан стенд [8], схема рабочего узла которой представлена на рисунке 3. В процессе первых лабораторных испытаний [9] было установлено, что данный стенд имеет существенные недостатки. Во-первых, отсутствовала жесткая система крепления образца разрушаемого материала к контейнеру, что могло быть причиной незначительного перемещения образца, влияющих на соосность стеклянной трубки и струйного аппарата. Во-вторых, приклеиваемые стеклянные трубки нередко трескались и разрушались, к тому же их склейка с образцом разрушаемого материала требовала больших затрат времени. В-третьих, при работе аппарата наблюдались поперечные колебания долота из-за пульсаций давления на водяном насосе. В-четвертых, использование центрирующих болтов в затрубном пространстве создавало существенные гидравлические сопротивления течению восходящего потока жидкости.

Для устранения выявленных недостатков авторами была проведена значительная модернизация установки (рисунок 4). С целью фиксации необходимого расстояния от аппарата до образца материала и обеспечения возможности плавного спуска инструмента в скважину по мере ее углубления был сконструирован механизм подачи долота 4 на основе фрикционной реечной передачи. Проблема с поперечными колебаниями долота вследствие пульсаций давления на насосе была решена за счет установки тяжелого стального переводника 6 между долотом 7 и напорным рукавом 5. Для предотвращения перемещений стакана 8 с образцом породы под воздействием высоконапорной струи, в конструкцию основания короба 1 были внесены специальные зажимы 2. Для зажима образца горной породы и визуального наблюдения за процессом всасывания частиц был разработан стакан специальной конструкции (рис. 5), состоящий из нижней 1 и верхней 2 частей, прижимного кольца 4, обеспечивающего фиксирование образца 3 к основанию, набора уплотнительных колец 5 для герметизации модели скважины и трубки из оргстекла 6, имитирующей стенки скважины.

Для центрирования аппарата в стакане используется цилиндрический шаблон, наворачиваемый перед опытом вместо струйного аппарата. Отказ от центрирующих болтов привел к снижению гидравлических сопротивлений течению восходящего потока жидкости.

В результате проведенной работы, авторам удалось значительно усовершенствовать стенд для гидроабразивного бурения, что несомненно должно расширить его возможности и повысить качество получаемых результатов.

Литература

1. Сулакшин С.С. Разрушение горных пород при бурении скважин: учебное пособие для вузов. – Томск: Изд-во ТПУ, 2004. – 136с.

2. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: учебник для вузов/А.Н. Попов, А.И. Спивак, Т.О. Акбулатов и др.; под общей ред. А.И. Спивака. – М.:ООО «Недро-Бизнесцентр», 2003. – 509с.

3. В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарёв, М.М. Щеголевский. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород. – М.: Издательство академии горных наук, 2000. – 343 с.: ил.

4. Eckel I.Е., DеiIу F.H., Ledgerwооd L.W. Development and testing of jet рumр pellet impact drill bits // Transaction AIME. – Vol. 207. – 1956. – p. 135.

5. Уваков А.Б. Шароструйное бурение. – М.: Недра, 1969. – 207 с.

6. Заурбеков С.А. Повышение эффективности призабойных гидродинамических процессов при шароструйном бурении скважин: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. – Алматы, 1995. – 18 с.

7. Столяров Р.В., Ковалёв А.В. Разработка гидромониторного долота эжекционного типа // Проблемы геологии и освоения недр: труды Тринадцатого международного симпозиума им. М.А. Усова. – Томск, 2009. – С. 476–477.

8. Столяров Р.В., Ковалёв А.В. Установка для абразивного бурения с применением долота гидромониторно-эжекционного типа // Проблемы геологии и освоения недр: труды Четырнадцатого международного симпозиума им. М.А. Усова. – Томск: Изд. ТПУ, 2009. – С. 520–521.

9. Алиев Ф.Р., Ковалёв А.В., Епихин А.В. Исследование работы гидромониторного долота эжекционного типа // Проблемы геологии и освоения недр: труды Шестнадцатого международного симпозиума им. М. А. Усова. – Томск: Изд. ТПУ, 2012. – С. 284–286.