鉆壓水動力增效裝置試驗研究

湯鳳林,段隆臣, Ю. Д. Б е с с о н о в,吳 翔,竇 斌,寧伏龍

(1.中國地質大學〈武漢〉工程學院,湖北武漢 430074;2.烏克蘭國立礦業大學地質勘探系,烏克蘭德聶泊彼得洛夫斯克 49027)

鉆壓水動力增效裝置試驗研究

湯鳳林1,段隆臣1, Ю. Д. Б е с с о н о в2,吳 翔1,竇 斌1,寧伏龍1

(1.中國地質大學〈武漢〉工程學院,湖北武漢 430074;2.烏克蘭國立礦業大學地質勘探系,烏克蘭德聶泊彼得洛夫斯克 49027)

在復雜地質條件下進行鉆探或處理事故時,常有需要增加鉆壓的情況。而所選鉆機其所能產生的軸向壓力是一定的。因此,在鉆機選定后如何增加鉆壓的問題是個非常重要的問題,有時是一個非常急迫的問題。烏克蘭國立礦業大學的專家們利用水力動力學原理研制出了一種新型鉆壓水動力增效裝置,可以解決上述問題,值得借鑒。介紹了這種鉆壓水動力增效裝置 (ГУОН)的工作原理及其技術性能指標,并通過試驗結果與理論計算結果進行了對比。

鉆壓;水力動力學;增效裝置;試驗研究

1 概述

在鉆探工程中,在復雜地質巖石條件下進行鉆探或處理事故時,常有需要增加鉆壓的情況,而所選鉆機其所能產生的軸向壓力是一定的。因此,在鉆機選定后如何增加鉆壓的問題是個非常重要的問題,而有時是一個非常緊迫的問題。

在流體力學中,流體動力學是研究描寫流體運動,即描寫表達流體流動參數,諸如流體質點的位移、速度、加速度、密度、壓強、動量、動能等在各個不同空間位置上隨時間連續變化的規律。在鉆探工程中,水力動力學主要研究沖洗液流動參數在各個不同空間位置上隨時間連續變化的規律。

烏克蘭國立礦業大學鉆探教研室的專家們利用水力動力學原理研制成功了一種鉆壓水動力增效裝置 (ГУОН)。這是用于向鉆頭上產生附加壓力的一種新型技術裝置,取得了烏克蘭專利,專利號為 UA№37966C2。ГУОН系直接安裝在鉆頭或巖心管上面的液動潛入式技術裝置。工業試驗表明,這種裝置工作性能良好,無須對鉆機進行改造就可用于鉆探工作上,并取得了很好的鉆壓增效效果。

2 ГУОН工作原理及其技術性能指標

ГУОН試驗裝置是一管狀物體 ,內有水力沖擊波發生器,沖擊波通過剛性限制裝置 (反射器)以一定頻率作用到鉆頭上。ГУОН的工作原理是利用了在內徑尺寸大小不均勻的鉆柱 (鉆桿)中產生水力沖擊,并在長 1.5～2.0 m的工作腔內多次產生沖擊波反射的這種現象。水力沖擊波的多次反射,增加了對鉆頭產生水力沖擊作用的幅值。

ГУОН試驗樣機結構見圖 1。 ГУОН的工作原理為:用鉆桿將其下入孔內,在到達孔底前,供給沖洗液,由于有花鍵連接結合件的存在,所以閥在彈簧的作用下,相對花鍵連接結合件殼體向上少許提起,于是在閥的下端和閥套之間形成間隙,沖洗液通過此間隙順利到達孔底。鉆頭下到孔底時,花鍵套與閥一起向下移動,閥的下端關閉閥套中的孔眼,在工作腔中產生水力沖擊,這種沖擊以直達波的形式沿著沖洗液向上運動。從鉆桿中反射回來的反射波增加了直達波的幅度。此時,水力動力波開始對閥施加作用,使閥向下移動。沿著工作腔移動的水力沖擊波,由于有反射波的作用,繼續增加幅度,直到閥頂到花鍵套為止。閥套由于慣性原因繼續向下移動,壓縮其彈簧。在閥和閥套之間形成間隙,沖洗液進入此間隙。工作腔中的壓力急劇下降。閥在彈簧的作用下向上移動到原來位置。閥套由于慣性開始向下移動,壓縮其彈簧,然后在壓縮彈簧的作用下向上移動,直到與閥接觸。沖洗液流關閉,產生新的水力沖擊,振動循環如此繼續。

ГУОН技術性能計算指標見表 1。

表 1 鉆壓水動力增效裝置 ГУОН-89技術性能指標

圖 1 鉆壓水動力增效裝置 (ГУОН)試驗樣機

3 ГУОН試驗結果、理論計算結果及其對比

試驗工作是在烏克蘭國立礦業大學探礦工程教研室鉆探試驗臺上進行的 (見圖 2)。鉆機型號為З И Φ -650МЭ,水泵為 Н Б-32,均為無級變速驅動,因此,鉆壓水動力增效裝置可以在性能參數廣泛范圍內進行試驗。

沖洗液通過剛性供液管路閥門、壓力表、空氣緩沖器、水龍頭進入試驗裝置。供水管路由直徑 63.5 mm鉆桿組成,總長度為 15 m。在試驗裝置上面安裝了直徑 50 mm、長 3 m的鉆桿。利用這種供水管路,可以記錄閥的工作行程長度 tp=0.032 s,不會產生畸變,即水力沖擊波不受空氣緩沖器反射的影響。

圖 2 鉆進試驗臺示意圖

鉆機可使管路剛性部分穩定,可以利用鉆機來開 關 ГУОН。在水動力轉換器上安裝了速度傳感器和壓力傳感器。壓力傳感器的位置可以在工作腔的上部或下部。從這 2個傳感器傳來的電信號,通過放大器傳給示波器。為了測量和記錄所研究的參數,使用了在研究范圍內具有線性特征的無慣性轉換器。

試驗臺試驗的任務之一,是確定保證鉆壓水動力增效裝置穩定工作的沖洗液合理流量。確定結構參數和工藝參數變化時調整工作特性能量指標的范圍,也是研制鉆壓水動力增效裝置的重要任務。

預先確定了這種裝置與結構有關的固定參數。這些固定參數包括:沖洗液自由通過裝置時的流量系數 (p0)和平均壓力降 (pH)。清水通過裝置流量為 240～300 L/min時進行的直接測量結果表明,流量系數 p0=0.94～0.95,平均壓力降 pH=0.3～0135MPa,對于成批生產的水力沖擊器來說,這是非常有代表性的。

在開始階段,對工作過程的實驗曲線和理論曲線是否吻合給予了很大注意。為此,直接記錄了閥相對殼體的移動速度和工作腔中不同時間內的壓力(見圖 3)。圖 3上的波形圖記錄了在試驗臺上當沖洗液流量 Q=235 L/min和結構參數為:閥的質量mk=8.5 kg,閥的行程 xk=12 mm,閥套行程 xBT=16 mm,閥的彈簧剛度為 zk=21000 N和閥套彈簧剛度zBT=4200 N情況下 ГУОН-89型鉆壓水力動力增效裝置工作一段時間的情況。

圖 3 工作腔上部閥速 (x’k)和壓力 (pH)的波形圖

對圖 3上波形圖上閥的壓力曲線、速度曲線和圖4上理論波形圖進行對比表明,不僅工作腔內動壓力跳躍式變化〔因工作腔內水力沖擊波反射,見曲線 p=f(t)上的 1、2、3點〕情況一致,而且閥的非均勻 (跳躍式)移動變化〔見曲線 y=f(t)上的 1’、2’、3’點 〕也一致。按照特性點 A、B、D、C、E記錄了曲線圖上的各個時間:工作腔內波的行程 t,工作行程 tp,自由行程 tc,空程 tx和工作工程總時間 T。正確區分出了水動力裝置工作循環的各個階段。

圖 4 工作循環期間內工作腔上部平面處沖洗液壓力、閥和閥套移動速度變化理論曲線圖

圖 5給出了在水動力裝置其它參數〔閥的行程為 21 mm、閥套自由行程為 5 mm和水泵流量范圍更加寬 (1.5～4.5 L/s)〕情況下,所做的一系列試驗閥速的綜合波形圖。

波形圖處理結果見表 2。

為了準確評價試驗資料和計算資料的吻合性,圖 6上給出了用試驗方法和計算方法得到的水動壓力幅值與沖洗液流量的關系。圖 6表明,水動壓力幅值與沖洗液流量呈線性關系。用試驗方法和計算方法得到的水動壓力幅值的誤差沒有超過 23%。

實踐證明,在試驗研究中,水動壓力增效裝置在沖洗液流量為 90～300 L/min范圍內和該裝置在上述參數范圍內,工作是穩定的。

圖 5 水泵不同流量情況下閥速綜合波形圖

表 2 水泵不同流量情況下波形圖處理結果

圖 6 水動壓力幅值與沖洗液流量的關系圖

4 結論

(1)對計算得到的性能參數和試驗得到的性能參數進行對比表明,物理模型和數學模型是相關的,因為誤差沒有超過 23%,即位于工程計算允許的范圍內。根據鉆壓水動力增效裝置的試驗臺測量結果,可以記錄出該裝置的基本參數,并區分出工作循環的各個行程。根據試驗得到的分析解,可以預測出鉆壓水動力增效裝置的能量特征參數。

(2)水泵的流量在 90～300 L/min范圍內時,鉆壓水動力增效裝置的工作是穩定的。工作腔內工作行程中水動壓力的增量和水動壓力施載的幅值,由于有水力沖擊波受工作腔元件的多次反射而均帶有跳躍性質。

(3)在閥的工作工程中,由于水動壓力在工作腔中的增加,閥幾乎是呈等加速運動的。

(4)工作行程的時間與沖洗液流量有關,沖洗液流量增加時工作行程的時間減短。

(5)水動力施載的幅值與水泵的流量 (在 90～180 L/min范圍內)成比例,在此流量變化范圍內水動力施載的頻率平穩地由 16 Hz增加到 25 Hz。

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Exper imental Research on Hydrodynam ic Amplifier of Drilling Pressure

TANG Feng-lin1,DUAN Long-chen1,Y.D.Bessonov2,WU Xiang1,DOU B in1,N ING Fu-long1(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074;2.Faculty of Geology and Prospecting,Ukrainian National Ming University,Dnepropetrovsk 49027,U-kraine)

In drilling engineeringpractice,sometimes it is necessary to increase drillingpressure for solving the problemsof drilling in complicated conditions and treating accidents.One selected drillingmachine only gives a constant feed pressure,but the specialists ofUkrainian NationalMingUniversity have developed a new hydrodynamic amplifier of drilling pressure based on the principles of hydrodynamics,which can solve the drilling difficulties in complicated conditions.The paper in-troduced theworking principle of hydrodynamic amplifier(ГУОН)and the technicalperfor mance index,the comparisonwas made be tween the testing results and theoretical calculation.

drilling pressure;hydrodynamics;amplifier;experimental research

P634

A

1672-7428(2011)06-0076-04

2011-02-11

世界著名學者來鄂講學項目

湯鳳林 (1933-),男 (漢族),遼寧義縣人,中國地質大學 (武漢)教授、博士生導師,國際礦產資源科學院院士,俄羅斯工程院院士,俄羅斯自然科學院院士,探礦工程專業,從事探礦工程方面的教學和研究工作,湖北省武漢市魯磨路 388號,fltang@cug.edu.cn;段隆臣 (1967-),男 (漢族),江西都昌人,中國地質大學 (武漢)工程學院勘基系主任、教授、博士生導師,探礦工程專業,從事探礦工程和金剛石制品方面的教學和研究工作,duanlongchen@163.com。