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(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢 430074;2.烏克蘭國(guó)立礦業(yè)大學(xué)地質(zhì)勘探系,烏克蘭德聶泊彼得洛夫斯克 49027)

鉆壓水動(dòng)力增效裝置試驗(yàn)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(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢 430074;2.烏克蘭國(guó)立礦業(yè)大學(xué)地質(zhì)勘探系,烏克蘭德聶泊彼得洛夫斯克 49027)

在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行鉆探或處理事故時(shí),常有需要增加鉆壓的情況。而所選鉆機(jī)其所能產(chǎn)生的軸向壓力是一定的。因此,在鉆機(jī)選定后如何增加鉆壓的問(wèn)題是個(gè)非常重要的問(wèn)題,有時(shí)是一個(gè)非常急迫的問(wèn)題。烏克蘭國(guó)立礦業(yè)大學(xué)的專(zhuān)家們利用水力動(dòng)力學(xué)原理研制出了一種新型鉆壓水動(dòng)力增效裝置,可以解決上述問(wèn)題,值得借鑒。介紹了這種鉆壓水動(dòng)力增效裝置 (ГУОН)的工作原理及其技術(shù)性能指標(biāo),并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

鉆壓;水力動(dòng)力學(xué);增效裝置;試驗(yàn)研究

1 概述

在鉆探工程中,在復(fù)雜地質(zhì)巖石條件下進(jìn)行鉆探或處理事故時(shí),常有需要增加鉆壓的情況,而所選鉆機(jī)其所能產(chǎn)生的軸向壓力是一定的。因此,在鉆機(jī)選定后如何增加鉆壓的問(wèn)題是個(gè)非常重要的問(wèn)題,而有時(shí)是一個(gè)非常緊迫的問(wèn)題。

在流體力學(xué)中,流體動(dòng)力學(xué)是研究描寫(xiě)流體運(yùn)動(dòng),即描寫(xiě)表達(dá)流體流動(dòng)參數(shù),諸如流體質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、加速度、密度、壓強(qiáng)、動(dòng)量、動(dòng)能等在各個(gè)不同空間位置上隨時(shí)間連續(xù)變化的規(guī)律。在鉆探工程中,水力動(dòng)力學(xué)主要研究沖洗液流動(dòng)參數(shù)在各個(gè)不同空間位置上隨時(shí)間連續(xù)變化的規(guī)律。

烏克蘭國(guó)立礦業(yè)大學(xué)鉆探教研室的專(zhuān)家們利用水力動(dòng)力學(xué)原理研制成功了一種鉆壓水動(dòng)力增效裝置 (ГУОН)。這是用于向鉆頭上產(chǎn)生附加壓力的一種新型技術(shù)裝置,取得了烏克蘭專(zhuān)利,專(zhuān)利號(hào)為 UA№37966C2。ГУОН系直接安裝在鉆頭或巖心管上面的液動(dòng)潛入式技術(shù)裝置。工業(yè)試驗(yàn)表明,這種裝置工作性能良好,無(wú)須對(duì)鉆機(jī)進(jìn)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(shù)性能指標(biāo)

ГУОН試驗(yàn)裝置是一管狀物體 ,內(nèi)有水力沖擊波發(fā)生器,沖擊波通過(guò)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(nèi)徑尺寸大小不均勻的鉆柱 (鉆桿)中產(chǎn)生水力沖擊,并在長(zhǎng) 1.5～2.0 m的工作腔內(nèi)多次產(chǎn)生沖擊波反射的這種現(xiàn)象。水力沖擊波的多次反射,增加了對(duì)鉆頭產(chǎn)生水力沖擊作用的幅值。

ГУОН試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1。 ГУОН的工作原理為:用鉆桿將其下入孔內(nèi),在到達(dá)孔底前,供給沖洗液,由于有花鍵連接結(jié)合件的存在,所以閥在彈簧的作用下,相對(duì)花鍵連接結(jié)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(guò)此間隙順利到達(dá)孔底。鉆頭下到孔底時(shí),花鍵套與閥一起向下移動(dòng),閥的下端關(guān)閉閥套中的孔眼,在工作腔中產(chǎn)生水力沖擊,這種沖擊以直達(dá)波的形式沿著沖洗液向上運(yùn)動(dòng)。從鉆桿中反射回來(lái)的反射波增加了直達(dá)波的幅度。此時(shí),水力動(dòng)力波開(kāi)始對(duì)閥施加作用,使閥向下移動(dòng)。沿著工作腔移動(dòng)的水力沖擊波,由于有反射波的作用,繼續(xù)增加幅度,直到閥頂?shù)交ㄦI套為止。閥套由于慣性原因繼續(xù)向下移動(dòng),壓縮其彈簧。在閥和閥套之間形成間隙,沖洗液進(jìn)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(dòng)到原來(lái)位置。閥套由于慣性開(kāi)始向下移動(dòng),壓縮其彈簧,然后在壓縮彈簧的作用下向上移動(dòng),直到與閥接觸。沖洗液流關(guān)閉,產(chǎn)生新的水力沖擊,振動(dòng)循環(huán)如此繼續(xù)。

ГУОН技術(shù)性能計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表 1。

表 1 鉆壓水動(dòng)力增效裝置 ГУОН-89技術(shù)性能指標(biāo)

圖 1 鉆壓水動(dòng)力增效裝置 (ГУОН)試驗(yàn)樣機(jī)

3 ГУОН試驗(yàn)結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果及其對(duì)比

試驗(yàn)工作是在烏克蘭國(guó)立礦業(yè)大學(xué)探礦工程教研室鉆探試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的 (見(jiàn)圖 2)。鉆機(jī)型號(hào)為З И Φ -650МЭ,水泵為 Н Б-32,均為無(wú)級(jí)變速驅(qū)動(dòng),因此,鉆壓水動(dòng)力增效裝置可以在性能參數(shù)廣泛范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

沖洗液通過(guò)剛性供液管路閥門(mén)、壓力表、空氣緩沖器、水龍頭進(jìn)入試驗(yàn)裝置。供水管路由直徑 63.5 mm鉆桿組成,總長(zhǎng)度為 15 m。在試驗(yàn)裝置上面安裝了直徑 50 mm、長(zhǎng) 3 m的鉆桿。利用這種供水管路,可以記錄閥的工作行程長(zhǎng)度 tp=0.032 s,不會(huì)產(chǎn)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(jìn)試驗(yàn)臺(tái)示意圖

鉆機(jī)可使管路剛性部分穩(wěn)定,可以利用鉆機(jī)來(lái)開(kāi) 關(guān) ГУОН。在水動(dòng)力轉(zhuǎn)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(gè)傳感器傳來(lái)的電信號(hào),通過(guò)放大器傳給示波器。為了測(cè)量和記錄所研究的參數(shù),使用了在研究范圍內(nèi)具有線性特征的無(wú)慣性轉(zhuǎn)換器。

試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的任務(wù)之一,是確定保證鉆壓水動(dòng)力增效裝置穩(wěn)定工作的沖洗液合理流量。確定結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)變化時(shí)調(diào)整工作特性能量指標(biāo)的范圍,也是研制鉆壓水動(dòng)力增效裝置的重要任務(wù)。

預(yù)先確定了這種裝置與結(jié)構(gòu)有關(guān)的固定參數(shù)。這些固定參數(shù)包括:沖洗液自由通過(guò)裝置時(shí)的流量系數(shù) (p0)和平均壓力降 (pH)。清水通過(guò)裝置流量為 240～300 L/min時(shí)進(jìn)行的直接測(cè)量結(jié)果表明,流量系數(shù) p0=0.94～0.95,平均壓力降 pH=0.3～0135MPa,對(duì)于成批生產(chǎn)的水力沖擊器來(lái)說(shuō),這是非常有代表性的。

在開(kāi)始階段,對(duì)工作過(guò)程的實(shí)驗(yàn)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(duì)殼體的移動(dòng)速度和工作腔中不同時(shí)間內(nèi)的壓力(見(jiàn)圖 3)。圖 3上的波形圖記錄了在試驗(yàn)臺(tái)上當(dāng)沖洗液流量 Q=235 L/min和結(jié)構(gòu)參數(shù)為:閥的質(zhì)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(dòng)力增效裝置工作一段時(shí)間的情況。

圖 3 工作腔上部閥速 (x’k)和壓力 (pH)的波形圖

對(duì)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(jìn)行對(duì)比表明,不僅工作腔內(nèi)動(dòng)壓力跳躍式變化〔因工作腔內(nèi)水力沖擊波反射,見(jiàn)曲線 p=f(t)上的 1、2、3點(diǎn)〕情況一致,而且閥的非均勻 (跳躍式)移動(dòng)變化〔見(jiàn)曲線 y=f(t)上的 1’、2’、3’點(diǎn) 〕也一致。按照特性點(diǎn) A、B、D、C、E記錄了曲線圖上的各個(gè)時(shí)間:工作腔內(nèi)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(shí)間 T。正確區(qū)分出了水動(dòng)力裝置工作循環(huán)的各個(gè)階段。

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

圖 5給出了在水動(dòng)力裝置其它參數(shù)〔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(yàn)閥速的綜合波形圖。

波形圖處理結(jié)果見(jiàn)表 2。

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)試驗(yàn)資料和計(jì)算資料的吻合性,圖 6上給出了用試驗(yàn)方法和計(jì)算方法得到的水動(dòng)壓力幅值與沖洗液流量的關(guān)系。圖 6表明,水動(dòng)壓力幅值與沖洗液流量呈線性關(guān)系。用試驗(yàn)方法和計(jì)算方法得到的水動(dòng)壓力幅值的誤差沒(méi)有超過(guò) 23%。

實(shí)踐證明,在試驗(yàn)研究中,水動(dòng)壓力增效裝置在沖洗液流量為 90～300 L/min范圍內(nèi)和該裝置在上述參數(shù)范圍內(nèi),工作是穩(wěn)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(jié)果

圖 6 水動(dòng)壓力幅值與沖洗液流量的關(guān)系圖

4 結(jié)論

(1)對(duì)計(jì)算得到的性能參數(shù)和試驗(yàn)得到的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比表明,物理模型和數(shù)學(xué)模型是相關(guān)的,因?yàn)檎`差沒(méi)有超過(guò) 23%,即位于工程計(jì)算允許的范圍內(nèi)。根據(jù)鉆壓水動(dòng)力增效裝置的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量結(jié)果,可以記錄出該裝置的基本參數(shù),并區(qū)分出工作循環(huán)的各個(gè)行程。根據(jù)試驗(yàn)得到的分析解,可以預(yù)測(cè)出鉆壓水動(dòng)力增效裝置的能量特征參數(shù)。

(2)水泵的流量在 90～300 L/min范圍內(nèi)時(shí),鉆壓水動(dòng)力增效裝置的工作是穩(wěn)定的。工作腔內(nèi)工作行程中水動(dòng)壓力的增量和水動(dòng)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(zhì)。

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

(4)工作行程的時(shí)間與沖洗液流量有關(guān),沖洗液流量增加時(shí)工作行程的時(shí)間減短。

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

[1] 湯鳳林,А.Г.加里寧,段隆臣.巖心鉆探學(xué) (第二版 )[M].湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2009.

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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(xué)者來(lái)鄂講學(xué)項(xiàng)目

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