Қатты жыныстарды бұрғылау кодексін бұзу: ойынды өзгертетін DTH технологиясы.
Құрылыс аймағының геологиялық жағдайларына сәйкес, 1-суретте көрсетілгендей, бұрғылау қондырғыларында жиі қолданылатын төрт негізгі бұрғылау әдісі бар.
а. Пневматикалық немесе гидравликалық басқарылатын айналмалы бастиектер соққы жабдығымен біріктірілген айналу және соққы энергиясын үстіңгі бөлігі арқылы тасымалдайды.бұрғылау құбыры, бұрғылау құбырындағы соққы толқындары арқылы бұрғыға энергияны жеткізу. Бұл әдіс шағын диаметрлермен және таяз тереңдіктермен шектеледі және әдетте карьерлерде, құрылыс алаңдарында және жерасты тау-кен жұмыстарында қолданылады.
б.Төменгі тесік (DTH) балғалары бұрғылау тізбегінің төменгі жағында орналасқан. Сығылған ауа бұрғылау тізбегі арқылы DTH-ге түседі, поршеньді кері қозғалыста жүргізеді, ол бұрғыға тікелей әсер етеді, соққы энергиясын жынысқа береді. Бұл жүйеде қуаттың аз шығыны бар және әсіресе терең ойықтар, түзу тесіктер және орташа қатты жыныстар үшін қолайлы.
в.Кері айналымды (RC) бұрғылаубұрғы қашау бетінен тау жыныстарының үлгілерін жинау және тасымалдау үшін DTH пайдаланады. Құрғақ және ластанбаған кесінділер ДТҚ орталық құбыры арқылы геологиялық талдауға дайындала отырып, сынама жинау құрылғысына тасымалданады.
г. Гидравликалық немесе электр қозғалтқыштарымен қозғалатын беріліс қорабы бұрғылау қондырғысы мен қалың қабырғалы бұрғылау құбырында жоғары және төмен қозғалатын беру жүйесі арқылы үш конусты бұрғыға жеткілікті беру күшін қолданып, айналмалы қуат басын құрайды. Бұл әдіс жұмсақ жыныстар немесе қатты біріктірілген қатты жыныстар үшін қолданылады.
- DTH принциптері мен сипаттамалары
DTH-мен бұрғыланған түзілімдер барлық магмалық жыныстарды, метаморфтық таужыныстарды және орташа қатты немесе қаттырақ шөгінді жыныстарды толықтай дерлік қамтуға қабілетті. DTH әсіресе қатты жыныстарды және қатты қабаттарды бұрғылау үшін тиімді, өйткені қатты жыныс сынғыш болады. Соққы жүктемелері кезінде жарықтар тікелей әсер ету орнында ғана емес, сонымен қатар сынған аймақты тудырады, нәтижесінде үлкен тау жыныстары сынықтары пайда болады. Осылайша, бұрғылау жылдамдығы таза айналмалы бұрғылаумен салыстырғанда айтарлықтай жылдамырақ. 2-суреттегі механикалық модель соққылы айналмалы бұрғылау кезінде тау жынысына әсер ететін әртүрлі жүктемелерді бейнелейді.
Сонымен қатар, DTH (Down-the-Hole) бұрғылау ұңғыманың ауытқуына бейім қабаттарда, мысалы, төсеніштері мен жапырақшалары жақсы дамыған қабаттарда немесе қаттылығы біркелкі емес және көптеген сынықтары бар тау жыныстары қабаттарында жоғары тиімді. Ол ұңғымалардың ауытқуын айтарлықтай азайтады, сонымен қатар қиыршық тас қабаттары мен тас төсеніштері арқылы бұрғылаудағы қиындықтарды жеңе алады.
DTH бұрғылау 19 ғасырдың соңында жасалған және ғасырдан астам тарихы бар. DTH бұрғыларының көптеген түрлері бар болса да, олардың ортақ ерекшелігі бар: соққы механизмі де, бұрғылау қашау да ұңғымаға батырылады, айналу және тасты бұзу үшін соққымен біріктіріледі. Соққы күшін жасау үшін қолданылатын жабдықты жүргізу әдісі бойынша пневматикалық, гидравликалық, май қысымы, электрлік және механикалық түрлерге бөлуге болады.
Соққы энергиясы беріліс кезінде айтарлықтай шығынға ұшырайтындықтан және соққыға ұшыраған құрамдас бөліктерге елеулі зақым келтіруі мүмкін болғандықтан, әдетте тереңірек бұрғылау операцияларында жабдықтың бұрғылау құралымен ұңғымаға кіруі қажет, осылайша шығыс соққы күші бұрғылау қашасына немесе керн баррельіне тікелей әсер етуі мүмкін. Бұл тасымалдау кезінде энергияның жоғалуын барынша азайтады, энергия тиімділігін арттырады және ұңғыма жабдығының істен шығу ықтималдығын азайтады.
Пневматикалық DTH, сонымен қатар ауамен басқарылатын DTH ретінде белгілі, көптеген құрылымдық типтер мен жіктеу әдістерімен келеді.
- Қысым рейтингі бойынша: жоғары қысымды, орташа қысымды және төмен қысымды түрлері.
- Жалпы құрылымы бойынша: арқылы емес және арқылы түрлері.
- Клапанның жұмыс принципі бойынша: басқару клапанының түрі, бос клапан түрі және гибридті клапан түрі.
- Поршеньдік құрылымы бойынша: тең диаметрлі поршень, тең емес диаметрлі поршень және тандемдік поршень түрлері.
- Ауа тарату түрі бойынша: клапанды DTH және клапансыз DTH. Клапанды DTH пластиналық клапан, дискілік клапан және цилиндрлік клапан түрлеріне бөлуге болады, ал клапансыз DTH орталық штанганың сору түріне, поршеньді ауаны тарату түріне және поршень, цилиндр және орталық өзек бойынша аралас ауа бөлуге бөлінеді.
- Тесіктерді жуу және қожды шығару әдісі бойынша: орталық саңылауларды жуу, алдыңғы тесіктерді жуу және бүйірлік тесіктерді жуу.
2. Әсер ету механизмінің құрылымдық схемаларын анықтау
2.1 Поршеньді өздігінен газбен қамтамасыз етудің клапансыз әсер ету механизмі
Соққы механизмінің бұл түрі, ең алдымен, газ беру үшін поршеньдегі газ өткелдерін пайдаланады, нәтижесінде көптеген газ арналары бар күрделі поршеньдік құрылым пайда болады, бұл поршеньдің беріктігі мен қызмет ету мерзімін азайтады. Дегенмен, бұл соққы механизмі ішкі және сыртқы цилиндрлерді біріктіреді, поршеньдің тиімді жұмыс аймағын арттырады және механизмнің соққы энергиясын арттырады.
2.2 Поршеньді және цилиндрді біріктірілген газбен жабдықтау клапансыз әсер ету механизмі
Бұл типте қарапайым құрылым бар, оны өндіру оңай, поршеньдің қызмет ету мерзімі ұзағырақ, газ саңылаулары цилиндрде де, поршеньде де орналасқан. Бұл құрылым шетелде кеңінен қолданылады.
2.3 Орталық құбырды газбен жабдықтау клапансыз әсер ету механизмі
Бұл механизмде жоғарғы және төменгі камераларға арналған ауа соратын жолдар поршень сырғанайтын дөңгелек құбырда орналастырылған. Ол жоғары өндірістік дәлдікті талап етеді және орталық құбырдың қызмет ету мерзімі салыстырмалы түрде қысқа.
2.4 Бүйірлік сорғыштың әсер ету механизмі
Бүйірлік деп аталатын газ шығаратын жол бұрғы битінің ортасынан тесік түбіне өтуге емес, цилиндр корпусынан шығатынын білдіреді. Соққы механизмінің бұл түрінің әдетте цилиндр корпусында көптеген алу және шығару жолдары бар, бұл нашар құрылымдық беріктікке, бойлық шаршау сызаттарының әлеуетіне және ауа қысымының айтарлықтай жоғалуына әкеліп соғады, бұл бұрғылау үшін оңтайлы емес қоқыстарды жою және салқындату әсерлерін тудырады.
2.5 Орталықтан шығатын газдардың әсер ету механизмі
Соққы механизмінің бұл түрі қоқыс пен газды бұрғы битінің ортасынан тікелей тесік түбіне шығарады. Тікелей ауа ағыны қоқыстарды жою тиімділігін арттырып қана қоймайды, сонымен қатар бұрғылау тиімділігін және салқындатуды жақсартады, бұрғы қашауының қызмет ету мерзімін ұзартады. Бұл құрылымдық түрі бүйірлік сору механизмдерінің ішкі цилиндріндегі көптеген бойлық ойықтарды сақиналы ойықпен ауыстырып, ішкі цилиндрдегі кернеу концентрациясын айтарлықтай төмендетеді. Ол соңғы жылдары кеңінен қабылданған құрылымға айналды.
2.6 Сериялық поршеньдік әсер ету механизмі
Қос поршеньді (бас) импульстор ретінде де белгілі сериялық поршеньді соққы механизмі цилиндрді оқшаулау сақинасының көмегімен екі камераға бөледі. Бұл дизайн екі поршеньдік бетке де бір саңылау диаметрінде бір уақытта жұмыс істеуге мүмкіндік береді, нәтижесінде соғу күші және соққы жиілігі жоғары болады. Сәйкесінше, шұңқыр түбінен тас ұнтағын тиімді кетіретін қосарлы сору жүйесі бар. Дегенмен, оның негізгі кемшілігі оның күрделі құрылымы және бөлшектерді өңдеуде жоғары дәлдік қажет; мысалы, поршеньдің біріктірілген құрамдас бөліктері бар бес түйісетін беті бар, бұл оның қолданылуын және жылжытылуын шектейді. Сондықтан, бұл дизайн екінші нұсқаны қабылдайды, бұл поршеньді және цилиндрді біріктірілген газбен қамтамасыз ететін клапансыз әсер ету механизмі. Оның құрылымы 3-суретте көрсетілген.
3. Теориялық талдау және DTH үшін сәйкес есептеулер
3.1 Жұмыс параметрлерін таңдау**
3.1.1 Балғаның ұзындығы мен салмағы: Алдын ала жоба ұзындығы 4500 мм-ден аз және салмағы 2500 кг-нан азды көрсетеді.
3.1.2 Балғаның диаметрі: Балғаның сәйкес диаметрі 540 мм орнатылған бұрғылау диаметрі негізінде анықталады.
3.1.3 Бұрғылау диаметрі: Бұл қада тесігінің диаметріне қатысты, әдетте 550 мм мен 600 мм арасындағы.
3.1.4 Бұрғылау тереңдігі: қадаларды жобалау талаптарына сәйкес бұл әдетте бірнеше ондаған метрден жүз метрге дейін болады.
3.1.5 Бұрғылау жылдамдығы: DTH бұрғылау әдетте төмен айналу жылдамдықтарында, әдетте 7 және 25 р/с аралығында жұмыс істейді.
3.1.6 Айналу моменті: Бұл дизайн үшін максималды момент 150 кН·м орнатылған.
3.2 Жобалық параметрлерді есептеу
DTH үшін жобалық параметрлер, атап айтқанда, DTH соққы жабдығының өнімділік параметрлері машинаны жобалау үшін негіз болады және өндірілген жабдықтың өнімділігін анықтайды.
3.2.1 Соққыға арналған жабдықтың есептік қысымы P
Қытайда 0,49 МПа қысым (шамамен 5 × 10^5 Па) пневматикалық соққыға арналған жабдықты жобалау стандарты ретінде кеңінен таңдалады. Бұл дизайнға арналған DTH үлкен бұрғылау диаметрі және ауыр поршені бар клапансыз соққы құрылғысы екенін ескере отырып, жоғары ауа қысымы өнімділікті одан әрі арттырады. Сонымен қатар, жоғары қысымды ауа компрессорлары жиі кездеседі және ISO 5941-1979 халықаралық стандартына сәйкес 1,6 МПа жобалық қысым таңдалады.
3.2.2 Соққы қуаты
Үлкен диаметрлі саңылауларды бұрғылау үшін пайдаланылатын DTH үшін жобалық әсер ету энергиясы айтарлықтай ауытқуы мүмкін. Бұл дизайн үшін соққы энергиясы келесідей есептеледі:
3.2.3 Әсер ету жиілігі
Әдетте, тұрақты соққы энергиясы кезінде соққы жиілігі соққының шығыс қуатына пропорционал болады. Дегенмен, цилиндр диаметрі бекітілген кезде, соққы жиілігін арттыру поршеньдік жүрістің азаюын қажет етеді, бұл өз кезегінде бір соққы қуатын төмендетеді. Бір реттік соққының күші белгілі бір шекті мәннен төмен түссе, жиілікті арттыру тау жыныстарын бұзудың қанағаттанарлық нәтижелерін бермейді. Осылайша, соққы жиілігін таңдау соққы күшімен шектеледі.
0,5 МПа есептік қысымда жұмыс істейтін пневматикалық DTH үшін жиілік 16,8 Гц аспауы керек. DTH 0,5 және 2,5 МПа арасындағы жобалық қысымда жұмыс істейтіндіктен, соққы жиілігі айтарлықтай өзгеруі мүмкін. Соққы жиілігін бастапқы таңдауды келесідей есептеуге болады:
f = 10,4 + 7,6P
(2) мұндағы P – жүйенің қоректену қысымы. Бұл дизайн үшін P = 1,6 МПа, сондықтан:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Гц.
3.3 Құрылымдық параметрлерді жобалау
DTH негізгі құрылымдық параметрлері цилиндр саңылауының диаметрін, поршень жүрісін және поршень өлшемдерін қамтиды. Цилиндр диаметрін ұлғайту соққы қуатын да, жиілікті де арттыруы мүмкін, сондықтан диаметрді құрылымдық өлшемдер шегінде барынша арттыру керек. Әдетте, DTH сыртқы диаметрі мен ұңғы диаметрі арасындағы айырмашылық 15-тен 20 мм-ге дейін кем болмауы керек, ал DTH сыртқы қаптамасы тым жұқа болмауы керек. Сондықтан DTH цилиндрінің диаметрінің бұрғылау диаметріне қатынасы әдетте 0,5-тен жоғары.
3.3.1 Цилиндрдің жұмыс диаметрі және құрылымдық инсульт
Цилиндрдің D жұмыс диаметрін келесідей есептеуге болады:
D = K × D(тесігі) = (0,57 - 0,68) × D(тесігі) (3)
Бұл дизайн үшін D(тесігі) = 600 мм, сондықтан D 360 мм ретінде қабылданады. Құрылымдық инсульт S эмпирикалық түрде S = 500 мм ретінде қабылданады.
3.3.2 Поршень массасы
Поршеньдің радиалды өлшемдері цилиндрдің өлшемімен және құрылымымен шектеледі, бұл бірдей немесе әртүрлі диаметрлі поршеньдерге мүмкіндік береді. Сызықтық өлшемдер поршеньдің салмағына байланысты, ол бұрғы битімен соғу кезіндегі жылдамдыққа да қатысты. Сондықтан поршеньдің құрылымдық өлшемдерін анықтау DTH дизайнының күрделі аспектісі болып табылады. DTH поршеньінің массасын келесідей бағалауға болады:
m = 0,0205D^2,84 (4)
мұндағы m – кг-дағы поршень массасы; D - цилиндрдің жұмыс диаметрі см.
D = 36 шығымды ауыстырғанда: м = 540 кг.
DTH негізінен крутящий беріліс құрылымынан және пневматикалық әсер ету механизмінен тұрады. Крутящий беріліс құрылымы бұрғылау штангасы мен DTH қосады, айналмалы кесу және тарту күштерін береді; пневматикалық соққы механизмі соққыны жасайды, соқтығысты бұрғыға осьтік қуат береді. Арнайы құрылым мәліметтері 3-суретте көрсетілген.
Крутящий беріліс құрылымы бұрғылау штангасы мен соққыны қосады. Үстіңгі түйіспе бұрғылау штангасымен және соққышпен құбыр жіптері арқылы қосылады, бұл ең алдымен газдың өткізбеуін қамтамасыз ету, сонымен қатар момент пен тарту күшін беру үшін. Кері клапан балшық пен судың серіппемен басқарылатын соққыға және бұрғылау штангасына түсуіне жол бермейді. Газ беретін штангасы бар ауа қабылдау орны цилиндрге сығылған ауаны енгізу қызметін атқарады, цилиндр мен поршеньмен бірге газ беру әрекетін жеңілдетеді, осылайша біріктірілген газ беруге қол жеткізеді. Серіппелі қауіпсіздік сақинасы бұрғыны ауыстырған кезде поршеньдің цилиндрден сырғып кетуіне жол бермейді.
3.4 DTH бұрғы битінің ақырлы элементтерді талдауы
DTH бұрғы қашауына поршеньден соқтығыс күштері және жетек басынан айналу моменті әсер етеді. Сығылған ауаның поршеньге түсіретін күші мына формуламен анықталады:
F = P × S (5)
мұндағы P - Па жүйесіндегі қысым; S – поршеньдің м²-дегі күш ауданы.
Осылайша, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 Н.
Демек, бұрғыға соғу күші:
F' = kF (6)
мұндағы k – әсер ету коэффициенті; F - сығылған ауаның бұрғы битіне түсіретін күші N. Осылайша, F' = 20 × 134400 = 2688 кН.
Жетек бастиегімен DTH бұрғы қашасына әсер ететін момент N = 150 кН. Бұрғы қашауының төменгі шеткі бетін бекіту кезінде бұрғыға F' = 2688 кН және N = 150 кН түсіру және аққыштық шегі 320 МПа QT500-7 материалын пайдалану арқылы соңғы элементтерді талдау жүргізіледі. Арнайы жүктеме және шектеу шарттары және торды бөлу 4 және 5-суреттерде көрсетілген.
Ақырлы элементтерді талдау нәтижелері 6-суретте көрсетілген, максималды кернеу 144,355 МПа, бұл QT500-7 (320 МПа) аққыштық шегінен аз, осылайша талаптарға сай.