Бурение на воду
г. Набережные Челны
Тел.: +7 (8552) 77-77-94
Моб.:+7 905 374 0010
   
       
   

Физические основы шнекового бурения

Транспортирование разрушенной породы по принципу шнекового транспортера

Транспортирование разрушенной породы осуществляется по принципу шнекового транспортера. Такие транспортеры для перемещения сыпучих  материалов известны давно и широко применяются в различных областях техники: в цементной промышленности, на зерновых элеваторах, в сельхозмашинах и в обычной бытовой мясорубке.

Как работает шнековой транспортер при бурении скважины? Шнек состоит из центрального трубчатого стержня,  к которому приварена спиральная реборда, представляющая собой винтовую поверхность. При бурении вертикальных скважин элементарный участок винтовой поверхности может быть представлен как наклонная плоскость с углом наклона а, в плане представляющая собой диск (рис. 8.25).

Рис. 8.25. Схема динамики  подъема частицы  породы  при  шнековом бурении

Частица породы, отделенная долотом, попадает на спираль шнека и начинает вращаться вместе с ним. За счет вращательного движения на частицу действует центробежная сила, отбрасывающая ее от центра вращения. Поскольку движение частицы по радиусу ограничено стенкой скважины, центробежная сила прижимает частицу к стенке, и со стороны стенки скважины на частицу будет действовать реакция, равная центростремительной силе: F цс = m2, где m — масса частицы; ω—-частота вращения шнека; R — максимальный радиус шнека. На частицу породы также действует сила тяжести G= mg. Вращению частицы вместе со шнеком будет препятствовать сила трения ее о стенку скважины, вызванная центростремительной силой и равная Fс=fсFцс, где fс — коэффициент трения породы о стенку скважины (порода по породе), Под действием силы трения о стенку частица породы частично или полностью удерживается от вращения, а точка шнека, на которой лежала частица, продолжает вращаться, в результате чего возникает относительное перемещение частицы и шнека. Этому перемещению будут препятствовать силы трения частицы о поверхность реборды шнека и составляющая сила тяжести, направленная вниз вдоль спирали (по наклонной плоскости) шнека. Всего сил, действующих вниз вдоль спирали  шнека три: составляющая веса FG=mg sin α, сила трения от нормальной составляющей веса FшG=fшmg cos α и сила трения от нормальной составляющей (прижимающей частицу к поверхности шнека), силы трения частицы о  стенку скважины Fшс = fшNFc = fшFcsin α=fшfсmRω².

Вверх по винтовой поверхности шнека действует составляющая частицы о стенку скважины, которую можно назвать подъёмной Fп=Fc cos α =fcmRω² cosα. Из схемы (рис. 8.26) очевидно,  будет двигаться вверх по шнеку, если сила Fп будет больше суммы сил, препятствующих этому движению FG1 FшG1, Fшс, т.е. условие транспортирования частицы по шнеку будет составлять

Fп ≥ FG1 + FшG1+Fшс       (8.16)

Раскрывая выражение (8.16), получим

ƒсmRω² cos α ≥ mg sin α + ƒш mg cos α + ƒшƒс  mRω² sinα

и, решив его относительно ω, получим первое условие транспортирования породы при шнековом бурении:

(8.17)

Эта формула действительна для элементарной частицы, расположенной на краю реборды на максимальном удалении от центра вращения, т. е. на расстоянии R. В реальных условиях на реборде одновременно находится значительное число частиц, часть из которых располагается ближе к центру шнека, т. е. их радиус меньше R. Кроме того, поскольку они не касаются стенки скважины, их тормозная сила меньше, чем у частицы, прижатой к стенке.

Рис. 8.26.  Геометрия витка шнека (а) и кинематика подъема частицы породы при шнековом бурении (6)

Эти обстоятельства учитываются коэффициентами: k1 = 0,8—0,9 учитывает уменьшение R и k2 = 0,9 — уменьшение силы трения. Окончательно расчетная формула для  подсчета минимально  необходимой частоты вращения шнека для подъема породы имеет вид

(8.18)

При использовании этой формулы надо знать свойства и состояние породы,  определяющие значения fc, fш, k1, k2.. Анализ формулы (8.18) показывает, что для улучшения транспортирования породы шнеком надо стремиться к минимальному значению коэффициент fш, для чего поддерживать поверхность реборды чистой, ровной и гладкой. Лучшее транспортирование  породы  также  будет при  больших значениях fc и большем R.

Рассмотрим траекторию частицы породы при ее транспортировании с забоя на поверхность. Винтовая поверхность реборды шнека выполнена таким образом, что угол подъема винтовой линии не одинаков по ширине реборды: больший у стенки центральной трубы шнека и минимальный на внешнем краю реборды. Развертка витка шнека показана на рис. 8.26, а. Здесь h — шаг винтовой спирали шнека; r - радиус трубы шнека; R — наружный радиус реборды шнека; αr = actg (A/2πr), αr  = arctg (h/2πR). Обычно для буровых шнеков αr-αr = 7—20°. Схема движения частицы породы при ее транспортировании шнеком показана на рис. 8.26, б. Абсолютная скорость движения частицы является векторной суммой вращательного движения частицы со шнеком (переносное движение) и относительного движения (скольжения) частицы по шнеку:

va = vb + vr

где vb = ωR — окружная скорость вращательного движения шнека; φR— уменьшение скорости вращательного движения частицы за счет ее торможения трением о стенку скважины. Как видно из схемы, подъем породы обусловлен наличием положительного угла у между абсолютной и переносной скоростями. Значение абсолютной скорости из схемы составляет

va = ωR sin α / sin (α + γ)         (8.19)

Вертикальная составляющая скорости движения частицы равна

vz = ωR sin α sin γ / sin (α + γ)       (8.20)

Из формулы (8.20) следует, что скорость подъема частицы увеличивается с ростом угла у. Наиболее интенсивный рост вертикальной скорости происходит при значениях угла γ до 15°, а ее максимальное значение будет при γ = 90°, т. е. при полном отсутствии вращения частицы. Однако такого значения γ достигнуть нельзя, поскольку с остановкой вращения исчезнет центробежная сила, прижимающая частицу к стенке скважины.  Фактическая траектория движения  частицы породы при  шнековом  бурении  представляет собой левую спираль с углом подъема γ.

Вертикальная составляющая, или скорость транспортирования породы определяет возможности шнекового бурения. Если объем породы, получаемой в результате бурения и подаваемой на спираль шнека Qш, будет больше транспортирующей способности шнека Qш, то произойдёт уплотнение и слипание породы, образование сальника и прекращение  транспортировки породы, т. е. создается аварийная ситуация.

Отсюда следует ещё одно условие шнекового бурения: объём разбуриваемой породы должен быть меньше или равен объёму транспортируемой породы, т. е. Qб≤Qш.  Из этого соотношения можно определить максимально допустимую скорость бурения:

vmax=(R² - r²) K1vz/ (K2K3R²)      (8.21)

где К1 — коэффициент заполнения шнека породой; К2 — коэффициент разбуривания скважины, равный 1,1 — 1,2; К3 — коэффициент разрыхления породы, равный 1,2—1,6. Однако воспользоваться этой формулой трудно, поскольку сложно определить вертикальную скорость частицы.

 
 
   
Rambler's Top100