CC BY
68
ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ С ОБРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОЧИСТНОГО АГЕНТА
Борис Николаевич Смоляницкий
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом горной и строительной геотехники, тел. (383)217-07-14, e-mail: [email protected]
Борис Борисович Данилов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный
проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией подземной строительной
геотехники и геотехнологий, тел. (383)220-12-11, e-mail: [email protected]
Екатерина Владимировна Рубцова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный
проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории горной
информатики, тел. (383)217-09-30, e-mail: [email protected]
Рассмотрена технологическая схема бурения скважин с обратной продувкой и «вакуумным» транспортированием разрушенного грунта. Предложена методика расчета основных параметров буровой установки, обеспечивающих эффективность процесса транспортирования разрушенного грунта при обратной продувке.
Ключевые слова: бурение, скважина, трубопровод, транспортирование, грунтовая порция, перепад давления.
DETERMINATION OF BASIC PARAMETERS OF A DRILL RIG WITH REVERSE SCAVENGING
Boris N. Smolyanitsky
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Head of Mining and Construction Geotechnics Department, tel. (383)217-07-14, e-mail: [email protected]
Boris B. Danilov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Laboratory for Underground Construction Geotechnics and Geotechnology, tel. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
Ekaterina V. Rubtsova
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Mining Information Science Laboratory, tel. (383)217-09-30, e-mail: [email protected]
The article presents the hole drilling process layout with reverse scavenging and “vacuum” removal of broken soil. The authors propose the calculation procedure for basic parameters of a drill rig to ensure effective removal of broken soil in reverse scavenging.
Key words: drilling, hole, pipeline, transportation, soil batch, differential head.
Наиболее широко используемым способом сооружения протяженных горизонтальных скважин в грунтовом массиве, как за рубежом, так и в РФ, является горизонтальное направленное бурение. Одной из инновационных разработок в этом направлении является предложенная в ИГД СО РАН
технология "сухого" бурения комбинированным способом с транспортированием разрушенного грунта сжатым воздухом по вращающемуся трубопроводу [1 - 3].
Рассмотрим технологическую схему бурения скважин с обратной циркуляцией очистного агента, основанную на так называемом "вакуумном транспортировании". Суть предлагаемой технологии заключается в том, что воздушный поток в трубопроводе создается не за счет повышения давления в начале трубопровода, а за счет понижения давления в конце трубопровода. Приток воздуха на входе в трубопровод происходит из атмосферы (рис. 1). Транспортным каналом для удаления разрушенного грунта является внутренняя полость буровой колонны. При этом воздух в затрубном пространстве между скважиной и буровой колонной находится при атмосферном давлении, а разряжение на выходе транспортного канала создаётся при помощи промышленного пылесоса или воздуходувки.
Рис. 1. Технологическая схема бурения скважин с обратной продувкой и «вакуумным» транспортированием разрушенного грунта
Достоинством предложенной технологической схемы является отсутствие двойной колонны, что значительно упрощает технологический процесс и повышается эффективность управления траекторией скважины. К недостатку данной схемы можно отнести ограниченный перепад давления на входе и выходе транспортного канала. Однако, как показали эксперименты, перепады давления, создаваемые промышленными пылесосами (0,25 -0,3 МПа) и воздуходувками (до 0,5 МПа), позволяют создать работоспособную транспортную систему.
При исследовании работы пневмотранспортной системы установлено, что давление воздуха, необходимое для транспортирования грунтового поршня, зависит, главным образом, от массы грунтовой порции и диаметра трубопровода [4]. Результаты расчетов показывают, что для транспортирования грунтовых порций по трубопроводу диаметром 100 мм, который обеспечивает эффективное транспортирование грунта при бурении с
прямой продувкой, необходимо давление воздуха перед грунтовой порцией согласовать с её массой (рис. 2, кривая 1). Так, например, при массе порции 10 кг необходимо создать перепад давления в пределах 0,2 - 0,25 МПа, что соответствует техническим возможностям промышленных пылесосов и воздуходувок. Однако при дальнейшем увеличении массы порции рост давления приобретает нелинейный характер и достигает величины 0,3 -0,4 МПа уже при массе грунтового поршня 15 кг. Масса поршня около 30 кг является критической даже при работе с избыточным давлением, создаваемым компрессорами.
При увеличении диаметра трубопровода масса грунтовой порции в гораздо меньшей степени влияет на величину давления, требуемого для транспортирования поршня (рис. 2, кривые 2 и 3). Абсолютное значение максимального давления в трубопроводе диаметром 200 мм составляет 0,3 МПа при массе порции около 60 кг, при диаметре 300 мм давление еще меньше.
Таким образом, трубопровод диаметром 200 мм и более позволяет создать работоспособную магистраль для транспортирования разрушенного грунта при обратной продувке.
Однако следует отметить, что при увеличении диаметра трубопровода и неизменном расходе воздуха уменьшается скорость транспортирования грунтовых порций. Это повышает вероятность одновременного нахождения в трубопроводе двух и более транспортируемых порций, особенно при значительной длине трубопровода. На рис. 3 приведена зависимость скорости движения грунтовой порции от диаметра трубопровода при различных значениях её массы, но при одинаковом расходе воздуха. Порции средней массы движутся со скоростью менее двух метров в секунду (кривая 3), что при значительной длине трубопровода может оказаться недостаточным и повлечет за собой аварийное закупоривание магистрали.
10 20 30 40 50 60 70 т’кг
Рис. 2. Зависимость перепада давления от массы поршня для диаметров трубопровода: 0,1 м (1); 0,2 м (2); 0,3 м (3)
0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Рис. 3. Зависимость скорости движения грунтовой порции от диаметра трубопровода при массе: 10 кг (1); 20 кг (2); 40 кг (3)
Масса грунтовой порции, сформировавшейся в движущемся в
транспортном канале поршне, зависит от скорости поступления грунта в трубопровод, определяемой такими параметрами, как диаметр сооружаемой скважины и скорость ее проходки. Масса грунта, разрушаемая в единицу времени, определяется из выражения:
*' °2 п л
т =—------и-р, (1)
где О - диаметр скважин; и - скорость поступательного движения
инструмента; р - плотность материала.
Одним из путей уменьшения сил сопротивления движению грунтовой порции является использование в качестве очистного агента воздушно -водяной смеси, которая, оседая на стенках трубопровода, образует смазывающую прослойку между грунтом и трубопроводом и приводит к уменьшению коэффициента трения. Тот же эффект достигается подбором материала трубопровода (например пластмассы).
На рис. 4 приведена расчетная зависимость давления от величины коэффициента трения грунтового поршня о стенки трубопровода при различных его диаметрах. Как видно из графиков, при диаметре транспортного канала более 160 мм изменение коэффициента трения не оказывает существенного влияния на величину давления. При уменьшении диаметра канала реакция модели на изменение коэффициента трения возрастает. Если конструктивные и технологические решения позволяют снизить коэффициент трения до 0,4, то диаметр транспортного канала может быть уменьшен с 200 мм до 160 мм; при коэффициенте трения 0,3, соответственно, до 150 мм без потери эффективности процесса транспортирования.
од
0,2 0,3 0,4 0,5 0.6 К
Рис. 4. Зависимость давления от коэффициента трения для трубопроводов диаметром: 0,15 м (1); 0,16 м (2); 0,18 м (3); 0,2 м (4)
Таким образом эффективность работы пневмотранспортной системы определяется значениями целого ряда перечисленных выше параметров. При этом многие из них взаимозависимы.
На основе вышеизложенного для определения основных параметров буровой установки с обратной циркуляцией очистного агента предлагается следующая методика:
- при известных технических данных источника воздушного потока (перепад давления и расход воздуха) в соответствии с зависимостью (рис. 2) выбирают диаметр трубопровода и назначают его длину;
- для выбранного диаметра по известным формулам газовой динамики, или в соответствии с зависимостью (рис. 3) определяют скорость воздушного потока в трубопроводе и время прохождения грунтовым поршнем всей длины трубопровода;
- оценивают количество грунта, поступившего в трубопровод за это время, по выражению (1).
- если полученная масса грунта, поступившего в трубопровод за время прохождения поршнем всей длины трубопровода, превышает массу грунтового поршня, принятую при выборе диаметра трубопровода, то повторяют расчет, последовательно корректируя параметры, принятые в качестве исходных.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. 2344241 РФ. Способ бестраншейной прокладки коммуникаций в грунте (варианты) / Б.Б. Данилов, Б.Н. Смоляницкий // Бюл. изобрет. - 2009. - № 2.
2. Смоляницкий Б.Н., Данилов Б.Б. Создание нового бурового комплекса для проходки протяженных горизонтальных скважин с транспортированием разрушенного грунта сжатым воздухом // Строительные и дорожные машины. - 2013. - № 7. - С. 17-22.
3. Смоляницкий Б.Н., Данилов Б.Б., Рубцова Е.В. К расчету потерь давления во вращающемся шламопроводе буровой установки при проходке протяженных горизонтальных скважин в грунте // ГЕО-Сибирь - 2013. Том 2, Ч. 3: Недропользование. Горное дело. Новые
направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых: сб. матер. VIII Межд. научн. Конгресса «ГЕ0-Сибирь-2013». - Новосибирск: СГГА, 2013. - С. 9398.
4. Смоляницкий Б.Н., Данилов Б.Б. Экспериментальное обоснование процесса транспортирования разрушенного грунта при горизонтальном бурении скважин // ФТПРПИ. -2012. - № 3. - С. 82-90.
© Б. Н. Смоляницкий, Б. Б. Данилов, Е. В. Рубцова, 2014
