Projekt i analiza numeryczna wiertła o dużej średnicy z odwróconym obiegiem powietrza do wiercenia udarowego z odwróconym obiegiem powietrza w dół
 

 

Wiercenie udarowe pneumatyczne z odwróconym obiegiem w dół (RC-DTH) to szybka i opłacalna metoda wiercenia w twardych skałach. Ponieważ wiertło pneumatyczne RC jest sercem systemu wiercenia udarowego RC-DTH, zapewniającego odwrócony obieg, wiertło RC o dużej średnicy zostało innowacyjnie zaprojektowane i zoptymalizowane numerycznie pod kątem zdolności ssania. Wyniki pokazują, że zwiększenie kąta uniesienia i odchylenia dyszy ssącej może poprawić zdolność ssania wiertła. Wydajność wiertła osiąga stan optymalny przy natężeniu przepływu powietrza około 1,205 kg/s, po czym wykazuje odwrotną tendencję zmian wraz ze wzrostem masowego natężenia przepływu powietrza. Optymalna średnica króćców ssących dla badanego w tej pracy wiertła wynosi 20 mm. Wykonano wiertło RC o średnicy zewnętrznej 665 mm i młot pneumatyczny RC-DTH o średnicy zewnętrznej 400 mm oraz przeprowadzono próby terenowe. Wyniki testów terenowych pokazują, że prędkość penetracji przy zastosowaniu metody wiercenia udarowego pneumatycznego RC-DTH jest ponad dwukrotnie większa niż w przypadku konwencjonalnej metody wiercenia obrotowego. Ta metoda wiercenia stwarza ogromny potencjał w przypadku wierceń w skałach twardych o dużej średnicy, stosowanych w górnych częściach odwiertu powyżej potencjalnej formacji zbiornika wydobywczego na potrzeby lądowych wierceń ropy i gazu, wierceń geotermalnych i odpowiednich operacji wierceń polowych.

 

 

1 WSTĘP

Wiercenie pneumatyczne z udarem wgłębnym (DTH) jest uważane za jedną z najbardziej wydajnych metod wiercenia w twardych skałach.1-3 W przypadku wiercenia pneumatycznego z udarem DTH proste otwory i niższe koszty na metr są osiągane dzięki częstemu działaniu udaru oraz duże obciążenia udarowe wkładek wiertła.4, 5 Czas kontaktu wkładek wiertła z formacją skalną wynosi zazwyczaj około 2% całkowitego czasu pracy, co skutkuje większym chwilowym obciążeniem wiertła (WOB), mimo że średnia WOB utrzymuje się na niższym poziomie.6-8 Wykazano również potencjał do celów sejsmicznych podczas wiercenia (SWD) i charakteryzowania warunków wiercenia.9, 10 Oprócz tego, w porównaniu z konwencjonalnymi metodami wiercenia płuczkowego, przy użyciu powietrza ponieważ płyn obiegowy skutkuje większym współczynnikiem penetracji (ROP) ze względu na niskie ciśnienia w dolnym otworze pierścienia.11 Ponadto wiercenie potencjalnych formacji produkcyjnych przy użyciu ciśnień w dolnych otworach pierścienia, które są niższe od ciśnienia w porach formacji, może wyeliminować uszkodzenia formacji, które mogłyby mieć wpływ na -na produkcję.11 Ze względu na wyżej wymienione zalety, pneumatyczne wiercenie udarowe DTH jest szeroko stosowane w górnictwie, a także rozszerzyło się na wiercenia ropy i gazu, ponieważ coraz więcej złóż ropy i gazu znajduje się pod formacjami skał twardych.

 

Młot pneumatyczny z odwróconym obiegiem w dół (RC-DTH) to innowacyjne narzędzie do wiercenia udarowego DTH napędzane powietrzem.12 W odróżnieniu od konwencjonalnego systemu młota pneumatycznego DTH, wiertło o specjalnie zaprojektowanej konstrukcji jest kluczowymi częściami młota pneumatycznego RC- System młota pneumatycznego DTH oraz dwuścienne rury wiertnicze stanowią kanały transportowe zarówno dla sprężonego powietrza, jak i zwiercin.13 Podczas wiercenia sprężone powietrze jest wtryskiwane do pierścienia dwuściennych rur wiertniczych i napędza młot pneumatyczny RC-DTH do realizacji uderzeń o wysokiej częstotliwości działających na wiertło z odwróconym obiegiem (RC), w którym powstaje odwrotny obieg.14 Uderzającą cechą tej metody wiercenia jest połączenie wiercenia udarowego z techniką wiercenia powietrzem RC.

 

Konwencjonalnie, w przypadku wiercenia z bezpośrednim obiegiem powietrza, sprężone powietrze jest wprowadzane do dna otworu wiertniczego przez środkowy kanał rur wiertniczych, następnie powietrze wylotowe wyprowadza zwierciny z otworu wiertniczego przez przestrzeń pierścieniową utworzoną przez rury wiertnicze i ścianę otworu.15 Podczas wiercenia RC w powietrzu sprężone powietrze dostaje się do przestrzeni pierścieniowej rur wiertniczych o podwójnych ściankach poprzez złącze obrotowe o podwójnych ściankach; powietrze wylotowe niosące zwierciny powraca na powierzchnię przez środkowy kanał wewnętrznych rur wiertniczych zamiast przestrzeni pierścieniowej utworzonej przez zewnętrzną rurę wiertniczą i ścianę otworu wiertniczego. Jak pokazano na rysunku 1, pole przekroju poprzecznego kanału środkowego (żółte kółko b) systemu wiertniczego RC jest znacznie mniejsze niż pole przekroju poprzecznego pierścienia (zielony pierścień a). Zgodnie z wymaganiami dotyczącymi minimalnej objętości dla wierceń powietrznych przyjmuje się, że minimalna prędkość przemieszczania się powietrza (warunki standardowe) wynosi około 15,2 m/s, aby zapewnić transport zwiercin. Badania przeprowadzone przez Sharmę i Chowdhry16 również wykazały, że jedynie utrzymywanie odpowiedniej prędkości przemieszczania się powietrza może zapewnić efektywny transport zwiercin. Wiercenie RC w powietrzu jest oczywiście znacznie łatwiejsze do osiągnięcia progowej prędkości przesuwu, ponieważ zwierciny przenoszące powietrze przepływają w centralnym kanale, a nie w przestrzeni pierścieniowej pomiędzy palikiem wiertniczym a ścianą otworu wiertniczego.17-20 Dlatego też niskie zużycie powietrza i wynikająca z tego zdolność Wiercenie otworów o dużej średnicy jest wyraźną zaletą wiercenia RC na powietrzu, co znacznie zmniejsza koszty rozwiercania i czas operacji. Dodatkowo, ponieważ powietrze i zwierciny wydobywające się z rury odprowadzającej mogą być kierowane bezpośrednio do zwiercin i jednostki odpylającej umieszczonej z dala od miejsca wiercenia, poprawia się środowisko pracy, a atmosfera jest wolna od oleju, co utrudnia pracownikom wiertni i sprzętu przed zagrożeniem pyłem wiertniczym.14, 21

 

 

 

 

 

Rysunek 1

Schemat metody wiercenia z odwróconym obiegiem powietrza

 

 

W systemie wiercenia udarowego RC-DTH wiertło RC jest kluczową częścią tworzącą odwrotną cyrkulację powietrza. Większość wcześniejszych wysiłków w zakresie wiercenia udarowego pneumatycznego RC-DTH skupiała się na wydajności wierteł z odwróconym obiegiem, których celem było uzyskanie lepszej konstrukcji w celu zwiększenia możliwości odwróconego obiegu. Reprezentacyjne wysiłki obejmują wiertło RC z dyszami ssącymi osadzonymi na żebrach; skuteczność kontroli zapylenia wiertła RC zbadana przez Luo i in.; analiza wydajności wiertła RC z generatorem wirowania; oraz wiertło RC z dyszami wielonaddźwiękowymi.14, 20, 22, 23 Średnice wierteł RC badanych w poprzednich pracach mieściły się w zakresie od 80 do 200 mm. Ocena potencjału aplikacyjnego i analiza wydajności wierteł RC o dużej średnicy (ponad 300 mm) pozostają w dużej mierze niezbadane. Aby poprawić zdolność RC wiertła o dużej średnicy, zbadano obliczeniowo wpływ parametrów dyszy ssącej na wydajność wiertła i przeprowadzono próbę terenową w celu sprawdzenia jego wykonalności.

 

2 OPIS WIERTŁA RC

Rysunek 2 przedstawia schematyczną budowę wiertła RC. Sprężone powietrze wpływa do środkowego kanału wiertła poprzez króćce ssące i króćce płuczące. Powietrze dostaje się do dysz ssących, gdzie tworzy strumienie o dużej prędkości przepływu; część sąsiadującego powietrza zostanie porwana do dysz w wyniku efektu pompy strumieniowej, co spowoduje powstanie strefy podciśnienia w pobliżu dysz. Ta różnica ciśnień pomiędzy dnem otworu wiertniczego a strefą podciśnienia wewnątrz kanału centralnego może wytworzyć siłę nośną działającą na powietrze i zwierciadła znajdujące się pod spodem. W międzyczasie powietrze zmieszane ze zwiercinami jest zasysane w sposób ciągły do ​​środkowego kanału wiertła za pomocą strumieni wydobywających się z dysz płuczących, które zamiatają zwierciny do środkowego kanału. Ta zdolność ssania ma kluczowe znaczenie dla oceny wydajności wiertła RC i można ją przedstawić jako stosunek masowego natężenia przepływu powietrza porywanego do przestrzeni pierścieniowej pomiędzy rurami wiertniczymi a ścianą otworu wiertniczego a całkowitym wejściowym masowym natężeniem przepływu .

 

 

 

 

 

Rysunek 2

Schematyczna budowa wiertła o odwróconej cyrkulacji powietrza o dużej średnicy

 

 

3 PODEJŚCIE SYMULACYJNE OBLICZENIOWE

3.1 Dziedzina obliczeniowa i siatka

Badano wiertło z odwróconym obiegiem o średnicy zewnętrznej 665 mm. Ten rozmiar wiertła pasuje do młota pneumatycznego RC-DTH o średnicy zewnętrznej 400 mm. Domeny obliczeniowe zostały ustalone w oprogramowaniu Altair HyperWorks. Typową siatkową domenę obliczeniową pokazano na rysunku 3. Domeny obliczeniowe składają się głównie z pięciu części, w tym króćców ssących, króćców płuczących, przestrzeni pierścieniowej pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną ścianą wiertła, przestrzeni pierścieniowej utworzonej przez wiertło i otwór wiertniczy ścianie i środkowym przejściu wiertła. Wszystkie domeny obliczeniowe zostały połączone z czworościennymi nieustrukturyzowanymi siatkami ze względu na złożoną geometrię domen. Do analizy czułości siatki modeli wierteł wykorzystano trzy gęstości komórek siatki. Wyniki w Tabeli 1 pokazują, że maksymalna różnica wynosi <5%. W naszych obliczeniach wykorzystaliśmy średnie siatki, aby zrównoważyć koszt czasu i dokładność modelu.

 

 

 

 

 

 

Rysunek 3

Typowy model siatki wewnętrznego pola przepływu wiertła z odwróconym obiegiem i rodzaje warunków brzegowych

 

 

Siatka	Liczba komórek	Porywane masowe natężenie przepływu (kg/s)
Drobna siatka	4 870 311	0,41897
Średnia siatka	3 010 521	0,42015
Gruba siatka	1 546 375	0,43732
% Różnica		4.4

Tabela 1. Analiza wrażliwości siatki dla dziedzin obliczeniowych

 

 

3.2 Równania rządzące i warunki brzegowe

Uważa się, że wewnętrzne przepływy powietrza spełniają zasady zachowania masy, pędu i energii. Ogólne równanie rządzące to [24]:

 

 

 

gdzie ϕ oznacza zmienną zależną, u oznacza wektor prędkości, Γ oznacza współczynnik dyfuzji, a S jest ogólnym terminem źródłowym.

 

Jak pokazano na rysunku 3, wlot powietrza definiuje się jako warunek brzegowy masowego przepływu_wlotu. Strumień objętości powietrza młota pneumatycznego RC-DTH (o średnicy 400 mm) waha się od 30 do 92 m3/min (stan standardowy), co odpowiada masowemu natężeniu przepływu od 0,6025 do 1,848 kg/s. Wylot kanału środkowego i wylot pierścienia pomiędzy ścianą otworu wiertniczego a narzędziem wiertniczym są otwarte do atmosfery. Dlatego te dwa wyloty są zdefiniowane jako warunki brzegowe Ciśnienie_wylot, a ciśnienie manometryczne jest ustawione na zero. Pozostałe granice domeny obliczeniowej ustalono jako warunki brzegowe ściany stacjonarnej bez poślizgu.

 

Równania zachowania ciągłości i pędu oraz równania zachowania energii rozwiązano za pomocą oprogramowania Ansys Fluent. Do prognozowania wewnętrznego przepływu powietrza przyjęto równania Naviera-Stokesa dla przepływów ściśliwych wraz z odpowiednimi modelami turbulencji. Symulację przepływu przeprowadzono przy użyciu solwera opartego na gęstości 3D. W tym podejściu rządzące równania Naviera-Stokesa są rozwiązywane sekwencyjnie metodami iteracyjnymi, aż określone wartości osiągną zbieżność. Aby poradzić sobie ze sprzężeniem prędkości i ciśnienia, przyjęto schemat algorytmu semi-implicytnych równań związanych z ciśnieniem (SIMPLE), który łączy równania ciągłości i pędu z równaniem ciśnienia, ze względu na znaczną dokładność i łatwość spełnienia zbieżności. Ponadto wykorzystano standardowy model turbulentny k-ε oparty na modelowych równaniach transportu. Składniki konwekcyjne pod względem turbulentnej energii kinetycznej i szybkości rozpraszania turbulentnego obliczono za pomocą dyskretyzacji drugiego rzędu pod wiatr, podczas gdy składniki dyfuzji rozwiązano za pomocą różnicy centralnej.

 

4 WYNIKI SYMULACJI I DYSKUSJA

Figura 4 przedstawia zmianę ciśnienia statycznego na linii środkowej kanału centralnego. Ciśnienie statyczne w pobliżu wylotów króćców ssących w kierunku strumienia jest znacznie niższe niż w dnie otworu wiertniczego. Różnica ciśnień sięga 20 kpa, tworząc wyraźną siłę nośną, która skutecznie pompuje zwierciny z dna otworu wiertniczego. Aby zapewnić efektywny obieg odwrotny, należy specjalnie zaprojektować konstrukcję dysz ssących. W związku z tym wyznaczono i zbadano czternaście dziedzin obliczeniowych o różnych parametrach króćca ssącego. Badano wpływ masowego natężenia przepływu powietrza wejściowego, średnicy, kąta uniesienia i kąta odchylenia króćców ssących na zdolność rewersu wiertła RC. Rysunek 5 przedstawia typowy kontur prędkości wiertła RC. Jak zaobserwowano, gdy sprężone powietrze wpływa do kanału środkowego, w pobliżu wylotu króćców ssących i dna otworu wiertniczego powstaje kilka wirów. Wiry powstałe w pobliżu wylotu dysz ssących rozszerzają obszar strefy niskiego ciśnienia, jednak wiry te powodują również marnowanie energii kinetycznej strumieni wychodzących z dysz ssących, osłabiając w ten sposób efekt porywania strumieni i nieuchronnie utrudniając przechodzenie zwiercin przez środkowy kanał. Podczas gdy wiry napędzane przez strumienie wypływające z dysz płuczących na dnie odwiertu, mogą poruszyć zwierciny i pomóc w uniesieniu ich do środkowego kanału.

 

 

 

 

 

 

 

Rysunek 4

Typowy rozkład ciśnienia statycznego na linii środkowej centralnego przejścia wiertła

 

 

 

 

 

 

 

Rysunek 5

Typowy kontur prędkości pola przepływu wewnątrz wiertła

 

 

4.1 Wpływ masowego przepływu powietrza wejściowego na zdolność ssania

Masowe natężenie przepływu powietrza wejściowego jest jedynym parametrem, który można regulować podczas produkcji wiertła. Co więcej, dzięki zamontowaniu młota pneumatycznego DTH na górze wiertła RC, masowe natężenie przepływu powietrza przechodzącego przez wiertło zmienia się w czasie. Ogólnie rzecz biorąc, natężenie przepływu masowego powietrza jest modyfikowane w wyniku ruchu tłoka młota pneumatycznego DTH. Badanie wpływu masowego przepływu powietrza wejściowego na zdolność ssania wiertła może dostarczyć pewnych wskazówek dotyczących procesu wiercenia. Rysunek 6 przedstawia wpływ masowego natężenia przepływu powietrza wejściowego na zdolność odwrotnej cyrkulacji. W tej grupie symulacji podano parametry konstrukcji króćców ssących, m.in. kąt elewacji 60°, średnicę króćców ssących 18 mm oraz kąt odchylenia 15°. Dodatkowo dysze ssące są rozmieszczone symetrycznie i obwodowo na środkowej ścianie przejścia, a liczba dysz ssących wynosi sześć. Masowe natężenie przepływu zasysanego powietrza z przestrzeni pierścieniowej pomiędzy rurami wiertniczymi a ścianą otworu wiertniczego wzrasta wraz ze wzrostem masowego natężenia przepływu powietrza nawiewanego i osiąga maksimum przy natężeniu masowego przepływu powietrza nawiewanego wynoszącego 1,205 kg/s, wówczas powietrze zasysane masa pierścienia utworzonego przez rury wiertnicze i ścianę otworu wiertniczego gwałtownie maleje wraz ze wzrostem masowego natężenia przepływu powietrza wejściowego. Gdy masowe natężenie przepływu powietrza na wlocie wynosi <1,205 kg/s, zwiększenie masowego natężenia przepływu powietrza na wlocie może poprawić prędkość wtryskiwania strumienia powietrza z dysz ssących, co może poprawić natężenie przepływu masowego zasysanego powietrza. O ile przekrój poprzeczny środkowego przelotu wiertła jest ograniczony, o tyle zbyt duża ilość powietrza wlotowego spowodowałaby zwiększenie oporów przepływów powietrza, a tym samym osłabienie zdolności ssącej wiertła. Jak zaobserwowano, zdolność ssania (stosunek masowego przepływu powietrza zasysanego do wlotowego) zmniejszała się wraz ze wzrostem masowego natężenia przepływu powietrza wlotowego. Można to przypisać ściśliwości powietrza, ponieważ na jego sprężanie zużyto więcej energii.

 

 

 

 

 

Rysunek 6

Wpływ masowego przepływu powietrza wejściowego na zdolność rewersu wiertła

 

 

4.2 Wpływ średnicy króćca ssącego na zdolność ssania

Powietrze wlotowe ma dwa kanały odprowadzane z przestrzeni pierścieniowej dwuściennych rur wiertniczych, króćce ssące i króćce płuczące. Jeżeli podane jest masowe natężenie przepływu powietrza wejściowego, to stosunek masowego przepływu powietrza na króćcach ssących i płuczących wzrasta wraz ze wzrostem średnicy króćców ssących. Zdolność ssania wiertła RC wzrośnie, jeśli prędkość wtryskiwania zostanie utrzymana na określonym poziomie. Rysunek 7 przedstawia wpływ średnicy króćca ssącego na zdolność cyrkulacji zwrotnej. W tej grupie symulacji podano parametry konstrukcyjne króćców ssących, m.in. kąt elewacji 60°, kąt odchylenia 15° oraz masowe natężenie przepływu powietrza wejściowego 70 m3/min. Gdy średnica króćców ssących wynosi <20 mm, zwiększenie średnicy króćca ssącego poprawia zdolność ssania wiertła. Gdy średnica jest większa niż 20 mm, zdolność ssania wiertła znacznie spada. Pęd strumieni powietrza wydobywających się z dysz ssących ma dominujący wpływ na zdolność wiertła do rewersyjnej cyrkulacji. Gdy średnica króćców ssących jest większa niż 20 mm, malejąca amplituda prędkości strumienia przeważa nad rosnącą amplitudą masowego natężenia przepływu w króćcach ssących, osłabiając w ten sposób zdolność ssania świdra.

 

 

 

 

 

 

 

Rysunek 7

Wpływ średnicy króćca ssącego na zdolność rewersu wiertła

 

 

4.3 Wpływ kąta uniesienia dyszy ssącej na zdolność ssania

Kąt uniesienia króćca ssącego definiuje się jako kąt pomiędzy przekrojem kanału środkowego a linią środkową króćca ssącego. Figura 8 wskazuje, że zwiększenie kąta uniesienia może poprawić zdolność wiertła do odwrotnej cyrkulacji. Strumień wypływający z dysz ssących kolidowałby ze sobą dla wszystkich dysz ssących pochylonych w ściance wiertła. Te zderzenia pomiędzy strumieniami spowodowałyby zużycie energii i zmniejszenie pędu osiowego przepływów strumieni, pogarszając w ten sposób zdolność wiertła do odwrotnej cyrkulacji. Zakłócenia pomiędzy strumieniami są tym intensywniejsze, im mniejszy jest kąt uniesienia dysz ssących.

 

 

 

Rysunek 8

Wpływ kąta uniesienia dyszy ssącej na zdolność rewersu wiertła

 

4.4 Wpływ kąta odchylenia dyszy ssącej na zdolność cyrkulacji zwrotnej

Kąt odchylenia dysz ssących reprezentuje kąt pomiędzy rzutem linii środkowej jednej dyszy ssącej na przekrój poprzeczny kanału środkowego a kierunkiem normalnym ściany środkowego kanału na wylocie dyszy ssącej. Na rysunku 9 przedstawiono wpływ kąta odchylenia króćców ssących na zdolność ssania, wraz ze wzrostem kąta odchylenia króćców ssących zdolność ssania świdra znacznie wzrasta. Powietrze wypływające z dysz ssących o kącie odchylenia może tworzyć przepływy wirowe w kanale środkowym, co poprawia zdolność ssania wiertła. Co więcej, odchylone strumienie mogą tłumić zakłócenia między nimi. Jednakże maksymalna wartość kąta odchylenia jest ograniczona średnicą wiertła i nie można jej zwiększać w nieskończoność.

 

 

 

 

 

 

 

 

Rysunek 9

Wpływ kąta odchylenia dyszy ssącej na zdolność rewersu wiertła

 

 

 

5 PRÓBA W TERENIE
 

W celu sprawdzenia szybkości penetracji przy użyciu młota pneumatycznego RC-DTH w skałach twardych wykonano wiertło o średnicy zewnętrznej 665 mm oraz młot pneumatyczny RC-DTH o średnicy zewnętrznej 400 mm (RC-DTH 400). zrobiony fabrycznie. Wyniki symulacji wykazały, że optymalne wartości parametrów króćca ssącego dla wiertła RC o średnicy zewnętrznej 665 mm, obejmujące średnicę króćca ssącego, kąt podniesienia i kąt odchylenia, wynosiły odpowiednio 20 mm, 60° i 20°. Niemniej jednak zbyt duży parametr dyszy ssącej osłabiłby wytrzymałość wiertła. Ostatecznie wybrano sześć dysz ssących o średnicy 18 mm, kącie uniesienia 45° i kącie odchylenia 10°, aby zapewnić trwałość wiertła. Konstrukcję konstrukcyjną młota pneumatycznego RC-DTH oraz obraz fotograficzny wyprodukowanego prototypu młota pneumatycznego RC-DTH pokazano na rysunku 10. Podczas pracy młota pneumatycznego RC-DTH ruch tłoka można podzielić na dwie fazy: fazę ruchu wstecznego i fazę skoku, a w każdej fazie występują etapy wlotu powietrza, rozprężania powietrza, sprężania powietrza i wydmuchu powietrza. Nominalne ciśnienie powietrza i nominalne natężenie przepływu powietrza RC-DTH400 wynoszą odpowiednio 1,8 MPa i 92 m3/min; nominalna częstotliwość uderzeń i prędkość uderzeń tłoka wynoszą odpowiednio 14,35 Hz i 8,01 m/s. Produkowano również inne elementy wyposażenia dodatkowego, w tym dwuścienne rury wiertnicze o średnicy zewnętrznej 140 mm, dwuścienne Kelly, dwuścienne krętliki.

 

 

 

 

 

 

 

Rysunek 10

Konstrukcja projektowa i obraz fotograficzny młota pneumatycznego z odwróconym obiegiem wgłębnym

 

Miejsce prób terenowych znajduje się w Foshan w Guangdong w Chinach. Formację poligonu tworzą luźne gleby o miąższości 3,99 m, zwietrzałe mułowce ilaste o miąższości 17 m oraz niezwietrzały mułowiec ilasty czerwony pod zwietrzałym mułowcem ilastym. Luźną warstwę gleby i zwietrzałą warstwę ilastego mułowca można łatwo przewiercić konwencjonalną metodą wiercenia obrotowego. Jednakże prędkość penetracji wierceń w niezwietrzałym mułowcu ilastym czerwonym jest stosunkowo niska i może osiągnąć <2 m/h. A tonący żużel jest trudny do oczyszczenia.

 

W celu przeprowadzenia próby wiercenia udarowego pneumatycznego RC-DTH, konwencjonalną metodą wiercenia obrotowego wierci się warstwę gleby luźnej oraz warstwę zwietrzałych mułowców ilastych. Następnie za pomocą pneumatycznego wiertarki udarowej RC-DTH odwiercono niezniszczoną formację mułowca czerwonego ilastego. Układ systemu do testów w terenie pokazano na rysunku 11. Jedna sprężarka powietrza firmy Atlas Copco o maksymalnym przepływie powietrza 34 m3/min i nominalnym ciśnieniu powietrza 30 barów oraz sprężarka powietrza firmy Ingersoll Rand o maksymalnej objętości powietrza Do zasilania sprężonego powietrza wykorzystano przepływ powietrza 25,5 m3/min i ciśnienie nominalne 24 bar. Do smarowania tłoka zastosowano smarownicę. Do zapewnienia siły obrotowej i WOB w procesie wiercenia wykorzystano wiertnicę obrotową SD20E firmy Guangxi Liugong Group Co., Ltd.

 

 

 

 

Rysunek 11

Układ systemu testów polowych

 

 

Wykonano dwa odwierty próbne, a maksymalna głębokość odwiertu wynosi 50,8 m. W procesie wiercenia zaobserwowano maksymalną prędkość penetracji wynoszącą 6,0 m/h, a średnią prędkość penetracji wynoszącą 4,5 m/h w warunkach strumienia objętości powietrza i ciśnienia powietrza poniżej wartości nominalnych. Testy terenowe wykazały, że wiertło RC może osiągnąć dobry stan odwróconego obiegu, nawet jeśli parametry dyszy ssącej nie są optymalne. W procesie płukania odwiertu nie stwierdzono tonącego żużla. Jak pokazano na rysunku 12, z przestrzeni pierścieniowej narzędzia wiertniczego i ściany otworu wiertniczego wydostawała się niewielka ilość powietrza i pyłu. Wióry powracające na powierzchnię to głównie cząstki o średniej i dużej wielkości. Co więcej, w procesie płukania odwiertu nie stwierdza się tonącego żużla, a zwierciny mogą w sposób ciągły powracać na powierzchnię. Można stwierdzić, że pneumatyczna wiertarka udarowa RC-DTH była w dobrym stanie technicznym i wykazała się wyjątkową wydajnością podczas wiercenia otworów o dużych średnicach.

 

 

 

 

 

 

 

 

Rysunek 12

Zdjęcia fotograficzne z prób terenowych. A, odwrócona cyrkulacja powstająca w procesie wiercenia; B, wiercenie sadzonek; C, proces płukania odwiertu; D, ujście rury tłocznej z rozpylonymi strumieniami

 

 

6 WNIOSKÓW

Aby poprawić szybkość penetracji i uzyskać operacje wiertnicze przyjazne dla środowiska, zaproponowano metodę wiercenia udarowego RC-DTH w celu wiercenia górnych twardych formacji powyżej potencjalnej formacji złożowej. Przeprowadzono badania parametryczne wiertła RC jako kluczowego elementu systemu wiercenia udarowego RC-DTH do realizacji obiegu odwrotnego. Wyniki pokazują, że zwiększenie kąta uniesienia i kąta odchylenia dyszy ssącej może poprawić zdolność wiertła do odwrotnej cyrkulacji. Zdolność wiertła do odwrotnej cyrkulacji osiąga maksimum, gdy masowe natężenie przepływu powietrza wejściowego wynosi 1,205 kg/s, a następnie pogarsza się wraz ze wzrostem natężenia przepływu masowego powietrza wejściowego. Wykonano wiertło o średnicy zewnętrznej 665 mm i młot pneumatyczny RC-DTH o średnicy zewnętrznej 400 mm oraz przeprowadzono badania terenowe. Wyniki testów terenowych pokazują, że zdolność odwróconej cyrkulacji zaprojektowanego wiertła RC o dużej średnicy jest dobra, a maksymalna prędkość penetracji w próbie terenowej wyniosła 6,0 m/h, co może radykalnie skrócić czas i koszt operacji wiercenia.

 

PODZIĘKOWANIE
 

Praca ta została sfinansowana przez chiński państwowy program rozwoju kluczowych badań (grant nr 2016YFC0801402 i 2016YFC0801404), główny projekt chińskiej nauki i technologii (grant nr 2016ZX05043005), Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych (grant nr 51674050 ). Chcielibyśmy podziękować anonimowym recenzentom za ich niezwykłe rady.