Σχεδιασμός και αριθμητική ανάλυση τρυπανιού αντίστροφης κυκλοφορίας αέρα μεγάλης διαμέτρου για διάτρηση σφύρας αέρα αντίστροφης κυκλοφορίας κάτω από την τρύπα
 

 

Η διάτρηση με σφυρί αντίστροφης κυκλοφορίας (RC-DTH) είναι μια γρήγορη και οικονομικά αποδοτική μέθοδος για διάτρηση σκληρού βράχου. Καθώς το τρυπάνι αέρα RC είναι η καρδιά για το σύστημα διάτρησης με σφύρα αέρα RC-DTH για να σχηματίσει την αντίστροφη κυκλοφορία, ένα τρυπάνι RC μεγάλης διαμέτρου σχεδιάστηκε καινοτόμα και βελτιστοποιήθηκε αριθμητικά σε σχέση με την ικανότητα αναρρόφησης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αύξηση της γωνίας ανύψωσης του ακροφυσίου και της γωνίας εκτροπής μπορεί να βελτιώσει την ικανότητα αναρρόφησης του τρυπανιού. Η απόδοση του τρυπανιού φτάνει στη βέλτιστη κατάστασή του όταν ο ρυθμός ροής αέρα ήταν περίπου 1,205 kg/s, στη συνέχεια εμφανίζει μια αντίστροφη τάση μεταβολής με την αύξηση του ρυθμού ροής μάζας αέρα. Η βέλτιστη διάμετρος των ακροφυσίων αναρρόφησης είναι 20 mm για το τρυπάνι που μελετήθηκε σε αυτή την εργασία. Κατασκευάστηκε το τρυπάνι RC με εξωτερική διάμετρο 665 mm και το σφυρί αέρα RC-DTH με εξωτερική διάμετρο 400 mm και πραγματοποιήθηκε δοκιμή πεδίου. Τα αποτελέσματα των δοκιμών πεδίου δείχνουν ότι ο ρυθμός διείσδυσης που χρησιμοποιεί τη μέθοδο διάτρησης με σφυρί αέρα RC-DTH είναι υπερδιπλάσιος από τη συμβατική περιστροφική μέθοδο διάτρησης. Αυτή η προσέγγιση γεώτρησης δημιουργεί μεγάλες δυνατότητες για τη γεώτρηση σκληρού βράχου μεγάλης διαμέτρου που εφαρμόζεται στα ανώτερα τμήματα μιας γεώτρησης πάνω από το δυναμικό σχηματισμό δεξαμενής για γεώτρηση πετρελαίου και φυσικού αερίου, γεωθερμική γεώτρηση και σχετικές εργασίες γεώτρησης πεδίου.

 

 

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η διάτρηση με σφύρα αέρα κάτω από την τρύπα (DTH) θεωρείται ως μία από τις πιο αποτελεσματικές μεθόδους διάτρησης για διάτρηση σκληρού βράχου.1-3 Στη διάτρηση με σφυρί αέρα DTH, επιτυγχάνονται πιο ευθείες οπές και χαμηλό κόστος ανά μέτρο με τη συχνή κρουστική δράση και υψηλά φορτία πρόσκρουσης στα ένθετα μπιτ.4, 5 Ο χρόνος επαφής των ενθέτων τρυπανιού με τους βραχώδεις σχηματισμούς είναι συνήθως περίπου το 2% του συνολικού χρόνου λειτουργίας, με αποτέλεσμα υψηλότερο στιγμιαίο βάρος σε μπιτ (WOB), παρόλο που το Το μέσο WOB διατηρείται σε χαμηλότερο επίπεδο.6-8 Έχει επίσης δείξει δυνατότητες για σκοπούς σεισμικής γεώτρησης (SWD) και χαρακτηρίζει τις συνθήκες γεώτρησης.9, 10 Επιπλέον, σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους γεώτρησης λάσπης, με χρήση αέρα καθώς το υγρό κυκλοφορίας έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερο ρυθμό διείσδυσης (ROP) λόγω των χαμηλών πιέσεων της οπής του δακτυλίου. -στην παραγωγή.11 Λόγω των προαναφερθέντων πλεονεκτημάτων, η γεώτρηση με σφυρί αέρα DTH έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην εξόρυξη και έχει επίσης επεκταθεί σε εργασίες γεώτρησης πετρελαίου και φυσικού αερίου καθώς όλο και περισσότερες δεξαμενές πετρελαίου και αερίου βρίσκονται κάτω από σχηματισμούς σκληρών πετρωμάτων.

 

Το σφυρί αέρα αντίστροφης κυκλοφορίας κάτω από την τρύπα (RC-DTH) είναι ένα καινοτόμο εργαλείο διάτρησης με σφύρα DTH που κινείται με αέρα.12 Διαφορετικό από το συμβατικό σύστημα σφύρας αέρα DTH, το τρυπάνι με ειδικά σχεδιασμένη δομή είναι τα βασικά μέρη του RC- Σύστημα σφύρας αέρα DTH και οι σωλήνες διάτρησης διπλού τοιχώματος δημιουργούν τις διόδους μεταφοράς τόσο για τον πεπιεσμένο αέρα όσο και για τα κοψίματα τρυπανιών.13 Κατά τη διάτρηση, πεπιεσμένος αέρας εγχέεται στον δακτύλιο των σωλήνων διπλού τοιχώματος και οδηγεί το σφυρί αέρα RC-DTH για την εφαρμογή χτυπημάτων υψηλής συχνότητας που επενεργούν σε ένα τρυπάνι αντίστροφης κυκλοφορίας (RC) όπου σχηματίζεται η αντίστροφη κυκλοφορία.14 Ένα εντυπωσιακό χαρακτηριστικό αυτής της μεθόδου διάτρησης είναι ο συνδυασμός κρουστικής διάτρησης με την τεχνική διάτρησης RC με αέρα.

 

Συμβατικά, σε μια γεώτρηση άμεσης κυκλοφορίας αέρα, ο πεπιεσμένος αέρας εισάγεται στον πυθμένα της γεώτρησης μέσω της κεντρικής διόδου των σωλήνων γεώτρησης και, στη συνέχεια, ο αέρας εξαγωγής φέρνει τα αποκόμματα του τρυπανιού έξω από τη γεώτρηση μέσω του χώρου δακτυλίου που σχηματίζεται από σωλήνες διάτρησης και τοίχωμα οπών.15 Ενώ, σε μια γεώτρηση RC με αέρα, ο πεπιεσμένος αέρας εισέρχεται στον δακτυλιοειδές χώρο των σωλήνων διάτρησης διπλού τοιχώματος μέσω του περιστρεφόμενου διπλού τοιχώματος· ο αέρας εξαγωγής που μεταφέρει τα μοσχεύματα του τρυπανιού επιστρέφει στην επιφάνεια μέσω της κεντρικής διόδου των εσωτερικών σωλήνων διάτρησης αντί του χώρου δακτυλίου που σχηματίζεται από τον εξωτερικό σωλήνα διάτρησης και το τοίχωμα της γεώτρησης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, η περιοχή διατομής της κεντρικής διόδου (κίτρινος κύκλος b) του συστήματος γεώτρησης αέρα RC είναι πολύ μικρότερη από αυτή της περιοχής διατομής δακτυλίου (πράσινος δακτύλιος α). Σύμφωνα με την απαίτηση ελάχιστου όγκου για γεώτρηση αέρα, είναι πεπεισμένο ότι η ελάχιστη ταχύτητα κίνησης του αέρα (κανονική κατάσταση) είναι περίπου 15,2 m/s για την ικανοποίηση της μεταφοράς μοσχευμάτων γεώτρησης. Η μελέτη που διεξήχθη από τους Sharma και Chowdhry16 έδειξε επίσης ότι μόνο η διατήρηση του αέρα με μια λογική ταχύτητα κίνησης μπορεί να μεταφέρει αποτελεσματικά τα μοσχεύματα του τρυπανιού. Η γεώτρηση αέρα RC είναι προφανώς πολύ πιο εύκολο να φτάσει την ταχύτητα κίνησης του κατωφλίου, καθώς τα μοσχεύματα του τρυπανιού που μεταφέρουν τον αέρα ρέουν στην κεντρική δίοδο παρά στον χώρο δακτυλίου μεταξύ του σωρού γεώτρησης και του τοίχου της γεώτρησης.17-20 Επομένως, η χαμηλή κατανάλωση αέρα και η επακόλουθη ικανότητα Η διάτρηση οπών μεγάλης διαμέτρου είναι ένα ξεχωριστό πλεονέκτημα για τη γεώτρηση RC με αέρα, η οποία μειώνει σημαντικά το κόστος εκσκαφής και τον χρόνο λειτουργίας. Επιπλέον, καθώς τα μοσχεύματα αέρα και γεώτρησης που εξάγονται από τον σωλήνα εκκένωσης μπορούν να οδηγηθούν απευθείας στα μοσχεύματα και τη μονάδα συλλογής σκόνης που είναι τοποθετημένα μακριά από το χώρο του τρυπανιού, το περιβάλλον λειτουργίας βελτιώνεται και η ατμόσφαιρα είναι απαλλαγμένη από λάδια, εμποδίζοντας έτσι τους εργάτες του τρυπανιού και εξοπλισμός από την απειλή της σκόνης γεώτρησης.14, 21

 

 

 

 

 

Εικόνα 1

Σχηματική απεικόνιση της μεθόδου διάτρησης αντίστροφης κυκλοφορίας αέρα

 

 

Στο σύστημα διάτρησης με σφύρα αέρα RC-DTH, το τρυπάνι RC είναι το βασικό μέρος για να σχηματίσει την αντίστροφη κυκλοφορία αέρα. Οι περισσότερες προηγούμενες προσπάθειες για τη διάτρηση με σφυρί αέρα RC-DTH επικεντρώθηκαν στην απόδοση των τρυπανιών αντίστροφης κυκλοφορίας με στόχο την επίτευξη καλύτερου σχεδιασμού για τη βελτίωση της ικανότητας αντίστροφης κυκλοφορίας. Οι αντιπροσωπευτικές προσπάθειες περιλαμβάνουν ένα τρυπάνι RC με ακροφύσια αναρρόφησης τοποθετημένα στις νευρώσεις. απόδοση ελέγχου σκόνης ενός τρυπανιού RC που διερευνήθηκε από τους Luo et al. ανάλυση απόδοσης τρυπανιού RC με στροβιλιζόμενη γεννήτρια. και το τρυπάνι RC με ακροφύσια πολλαπλών υπερήχων.14, 20, 22, 23 Οι διάμετροι αυτών των τρυπανιών RC που μελετήθηκαν σε αυτές τις προηγούμενες εργασίες κυμαίνονταν από 80 έως 200 mm. Η αξιολόγηση των δυνατοτήτων εφαρμογής και η ανάλυση απόδοσης των τρυπανιών RC με μεγάλη διάμετρο (πάνω από 300 mm) παραμένουν κατά κύριο λόγο ανεξερεύνητες. Προκειμένου να βελτιωθεί η ικανότητα RC του τρυπανιού με μεγάλη διάμετρο, οι επιδράσεις των παραμέτρων του ακροφυσίου αναρρόφησης στην απόδοση του τρυπανιού μελετήθηκαν υπολογιστικά και πραγματοποιήθηκε μια δοκιμή πεδίου για να επικυρωθεί η σκοπιμότητά του.

 

2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΤΡΥΠΑΝΙΟΥ RC

Το σχήμα 2 δείχνει τη σχηματική δομή του τρυπανιού RC. Ο πεπιεσμένος αέρας ρέει στην κεντρική δίοδο του εργαλείου διάτρησης μέσω των ακροφυσίων αναρρόφησης και των ακροφυσίων έκπλυσης. Ο αέρας εισέρχεται στα ακροφύσια αναρρόφησης, όπου σχηματίζει πίδακες με υψηλή ταχύτητα ροής. λίγος αέρας παρακείμενος θα παρασυρθεί στους πίδακες λόγω του φαινομένου της αντλίας εκτόξευσης, με αποτέλεσμα μια ζώνη αρνητικής πίεσης κοντά στους πίδακες. Αυτή η διαφορά πίεσης μεταξύ του πυθμένα της γεώτρησης και της ζώνης αρνητικής πίεσης μέσα στην κεντρική δίοδο μπορεί να παράγει μια ανυψωτική δύναμη που επενεργεί στον αέρα και να τρυπήσει μοσχεύματα από κάτω. Εν τω μεταξύ, ο αέρας αναμεμειγμένος με μοσχεύματα τρυπανιού αναρροφάται συνεχώς στην κεντρική δίοδο του εργαλείου τρυπανιού με τη βοήθεια των ροών εκτόξευσης που εξέρχονται από τα ακροφύσια έκπλυσης, τα οποία σαρώνουν τα μοσχεύματα του τρυπανιού στην κεντρική δίοδο. Αυτή η ικανότητα αναρρόφησης είναι κρίσιμης σημασίας για την αξιολόγηση της απόδοσης ενός τρυπανιού RC και μπορεί να αναπαρασταθεί από την αναλογία μεταξύ του ρυθμού ροής μάζας του αέρα που παρασύρεται στο χώρο δακτυλίου μεταξύ των σωλήνων διάτρησης και του τοιχώματος της γεώτρησης και του συνολικού ρυθμού ροής μάζας εισόδου .

 

 

 

 

 

Εικόνα 2

Σχηματική δομή του τρυπανιού αντίστροφης κυκλοφορίας αέρα μεγάλης διαμέτρου

 

 

3 ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ

3.1 Υπολογιστικός τομέας και πλέγμα

Μελετήθηκε το τρυπάνι αντίστροφης κυκλοφορίας με εξωτερική διάμετρο 665 mm. Αυτό το μέγεθος του τρυπανιού ταιριάζει με το σφυρί αέρα RC-DTH με εξωτερική διάμετρο 400 mm. Οι υπολογιστικοί τομείς δημιουργήθηκαν από το λογισμικό Altair HyperWorks. Ένα τυπικό δικτυωτό υπολογιστικό πεδίο φαίνεται στο σχήμα 3. Οι υπολογιστικοί τομείς αποτελούνται κυρίως από πέντε μέρη, συμπεριλαμβανομένων των ακροφυσίων αναρρόφησης, των ακροφυσίων έκπλυσης, του χώρου δακτυλίου μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών τοιχωμάτων του τρυπανιού, του χώρου δακτυλίου που σχηματίζεται από το τρυπάνι και τη γεώτρηση τοίχο και κεντρικό πέρασμα του εργαλείου τρυπανιού. Όλα τα υπολογιστικά πεδία συνδυάστηκαν με τετραεδρικά αδόμητα πλέγματα λόγω της πολύπλοκης γεωμετρίας των περιοχών. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις πυκνότητες κυψελών πλέγματος για την ανάλυση της ευαισθησίας πλέγματος των μοντέλων με τρυπάνι. Τα αποτελέσματα στον Πίνακα 1 δείχνουν ότι η μέγιστη διαφορά είναι <5%. Τα μεσαία πλέγματα χρησιμοποιήθηκαν στους υπολογισμούς μας για να εξισορροπήσουμε το κόστος χρόνου και την ακρίβεια του μοντέλου.

 

 

 

 

 

 

Εικόνα 3

Ένα τυπικό μοντέλο πλέγματος του πεδίου εσωτερικής ροής του τρυπανιού αντίστροφης κυκλοφορίας και των τύπων οριακών συνθηκών

 

 

Πλέγμα	Αριθμός κυττάρων	Παρασυρόμενη ταχύτητα ροής μάζας (kg/s)
Λεπτό πλέγμα	4 870 311	0,41897
Μεσαίο πλέγμα	3 010 521	0,42015
Χοντρό πλέγμα	1 546 375	0,43732
% Διαφορά		4.4

Πίνακας 1. Ανάλυση ευαισθησίας πλέγματος για υπολογιστικούς τομείς

 

 

3.2 Κυβερνητικές εξισώσεις και οριακές συνθήκες

Οι εσωτερικές ροές αέρα θεωρείται ότι ακολουθούν τις αρχές της διατήρησης της μάζας, της ορμής και της ενέργειας. Η γενική εξίσωση είναι [24]:

 

 

 

όπου ϕ υποδηλώνει την εξαρτημένη μεταβλητή, το u το διάνυσμα της ταχύτητας, το Γ τον συντελεστή διάχυσης και το S είναι ο γενικός όρος πηγής.

 

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, η είσοδος αέρα ορίζεται ως οριακή συνθήκη Mass_flow_inlet. Ο ρυθμός ροής όγκου του εργαλείου σφύρας αέρα RC-DTH (διάμετρος 400 mm) κυμαίνεται από 30 έως 92 m3/min (τυπική κατάσταση), που αντιστοιχεί στον ρυθμό ροής μάζας από 0,6025 έως 1,848 kg/s. Η έξοδος της κεντρικής διόδου και η έξοδος του δακτυλίου μεταξύ του τοιχώματος της γεώτρησης και του εργαλείου διάτρησης ανοίγονται στην ατμόσφαιρα. Ως εκ τούτου, αυτές οι δύο έξοδοι ορίζονται ως οριακές συνθήκες πίεσης_εξόδου και η πίεση του μετρητή ορίζεται στο μηδέν. Άλλα όρια του υπολογιστικού τομέα ορίστηκαν ως συνοριακές συνθήκες σταθερού τοίχου χωρίς ολίσθηση.

 

Οι εξισώσεις διατήρησης της συνέχειας και της ορμής και η εξίσωση διατήρησης ενέργειας επιλύθηκαν χρησιμοποιώντας το Ansys Fluent. Οι εξισώσεις Navier-Stokes για συμπιέσιμες ροές μαζί με κατάλληλα μοντέλα στροβιλισμού υιοθετήθηκαν για την πρόβλεψη εσωτερικής ροής αέρα. Η προσομοίωση ροής πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ενός 3D επίλυσης βασισμένης στην πυκνότητα. Σε αυτήν την προσέγγιση, οι εξισώσεις Navier-Stokes που ισχύουν λύνονται διαδοχικά χρησιμοποιώντας επαναληπτικές μεθόδους έως ότου οι καθορισμένες τιμές ανταποκρίνονται στη σύγκλιση. Για να αντιμετωπιστεί η σύζευξη ταχύτητας και πίεσης, υιοθετήθηκε το σχήμα αλγορίθμων ημι-σιωπηρών εξισώσεων συνδεδεμένων με την πίεση (SIMPLE), που συνδέει τις εξισώσεις συνέχειας και ορμής με μια εξίσωση πίεσης, λόγω της σημαντικής ακρίβειας και της εύκολης επίτευξης της σύγκλισης. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε το τυπικό τυρβώδες μοντέλο k-ε βασισμένο σε εξισώσεις μεταφοράς μοντέλων. Οι συναγωγικοί όροι, σε όρους τυρβώδους κινητικής ενέργειας και τυρβώδους ρυθμού διασποράς υπολογίστηκαν με διακριτοποίηση δεύτερης τάξης αντίθετου ανέμου, ενώ οι όροι διάχυσης λύθηκαν με κεντρική διαφορά.

 

4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Το σχήμα 4 δείχνει τη διακύμανση της στατικής πίεσης στην κεντρική γραμμή της κεντρικής διόδου. Η στατική πίεση κοντά στις εξόδους του ακροφυσίου αναρρόφησης στην κατεύθυνση του πίδακα είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή του πυθμένα της γεώτρησης. Η διαφορετική πίεση φτάνει τα 20 kpa, δημιουργώντας μια ευδιάκριτη ανυψωτική δύναμη που αντλεί αποτελεσματικά τα αποκόμματα του τρυπανιού έξω από τον πυθμένα της γεώτρησης. Προκειμένου να σχηματιστεί μια αποτελεσματική αντίστροφη κυκλοφορία, η δομή των ακροφυσίων αναρρόφησης θα πρέπει να είναι ειδικά σχεδιασμένη. Ως εκ τούτου, δημιουργήθηκαν και διερευνήθηκαν δεκατέσσερις υπολογιστικές περιοχές με διαφορετικές παραμέτρους ακροφυσίου αναρρόφησης. Μελετήθηκε η επίδραση του ρυθμού ροής μάζας αέρα εισόδου, της διαμέτρου, της γωνίας ανύψωσης και της γωνίας εκτροπής των ακροφυσίων αναρρόφησης στην ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του τρυπανιού RC. Το σχήμα 5 δείχνει ένα τυπικό περίγραμμα ταχύτητας του τρυπανιού RC. Όπως παρατηρήθηκε, με τον πεπιεσμένο αέρα που ρέει στην κεντρική δίοδο, εμφανίζονται αρκετές δίνες κοντά στην έξοδο των ακροφυσίων αναρρόφησης και του πυθμένα της γεώτρησης. Οι στροβιλισμοί που σχηματίζονται στην περιοχή της εξόδου των ακροφυσίων αναρρόφησης επεκτείνουν την περιοχή της ζώνης χαμηλής πίεσης, ωστόσο, αυτές οι δίνες έχουν επίσης ως αποτέλεσμα σπατάλη κινητικής ενέργειας των πίδακες που εκπέμπονται από τα ακροφύσια αναρρόφησης, αποδυναμώνοντας έτσι το φαινόμενο συμπαρασυρμού των πίδακες , και αναπόφευκτα παρεμποδίζοντας τα μοσχεύματα του τρυπανιού που περνούν από την κεντρική δίοδο. Ενώ οι στροβιλισμοί που οδηγούνται από τους πίδακες ρέουν έξω από τα ακροφύσια έκπλυσης στο κάτω μέρος της γεώτρησης μπορούν να ανακατέψουν τα μοσχεύματα τρυπανιών και να βοηθήσουν στην ανύψωσή τους στην κεντρική δίοδο.

 

 

 

 

 

 

 

Εικόνα 4

Τυπική κατανομή στατικής πίεσης στην κεντρική γραμμή της κεντρικής διόδου του τρυπανιού

 

 

 

 

 

 

 

Εικόνα 5

Τυπικό περίγραμμα ταχύτητας του πεδίου ροής μέσα στο τρυπάνι

 

 

4.1 Επίδραση του ρυθμού ροής μάζας αέρα εισόδου στην ικανότητα αναρρόφησης

Ο ρυθμός ροής μάζας αέρα εισόδου είναι η μόνη παράμετρος που μπορεί να ρυθμιστεί όταν κατασκευάζεται το εργαλείο διάτρησης. Επιπλέον, λόγω του γεγονότος ότι ένα σφυρί αέρα DTH συναρμολογείται στην κορυφή του τρυπανιού RC, ο ρυθμός ροής μάζας αέρα που διέρχεται από το τρυπάνι αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Γενικά, ο ρυθμός ροής μάζας αέρα τροποποιείται λόγω της κίνησης του εμβόλου της σφύρας αέρα DTH. Η διερεύνηση της επίδρασης του ρυθμού ροής μάζας αέρα εισόδου στην ικανότητα αναρρόφησης του τρυπανιού μπορεί να παρέχει κάποιες οδηγίες για τη διαδικασία διάτρησης. Το Σχήμα 6 δείχνει την επίδραση του ρυθμού ροής μάζας αέρα εισόδου στην ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας. Σε αυτή την ομάδα προσομοιώσεων, δόθηκαν ορισμένες δομικές παράμετροι των ακροφυσίων αναρρόφησης, συμπεριλαμβανομένων γωνίας ανύψωσης 60°, διαμέτρου ακροφυσίων αναρρόφησης 18 mm και γωνίας εκτροπής 15°. Επιπλέον, τα ακροφύσια αναρρόφησης κατανέμονται συμμετρικά και περιφερειακά στο κεντρικό τοίχωμα διόδου και ο αριθμός των ακροφυσίων αναρρόφησης είναι και τα έξι. Ο ρυθμός ροής μάζας αναρροφούμενου αέρα από τον χώρο δακτυλίου μεταξύ των σωλήνων γεώτρησης και του τοιχώματος της γεώτρησης αυξάνεται με την αύξηση του ρυθμού ροής μάζας αέρα εισόδου και φτάνει στο μέγιστο όταν ο ρυθμός ροής μάζας αέρα εισόδου είναι 1,205 kg/s, στη συνέχεια ο αναρροφούμενος αέρας Η μάζα από τον δακτύλιο που σχηματίζεται από τους σωλήνες γεώτρησης και το τοίχωμα της γεώτρησης μειώνεται γρήγορα με την αύξηση του ρυθμού ροής μάζας αέρα εισόδου. Όταν ο ρυθμός ροής μάζας αέρα εισόδου είναι <1,205 kg/s, η αύξηση του ρυθμού ροής μάζας αέρα εισόδου του αέρα εισόδου μπορεί να βελτιώσει την ταχύτητα έγχυσης της ροής αέρα από τα ακροφύσια αναρρόφησης, γεγονός που μπορεί να βελτιώσει τον ρυθμό ροής μάζας αναρρόφησης αέρα. Ενώ, η περιοχή διατομής της κεντρικής διόδου του τρυπανιού είναι περιορισμένη, η υπερβολική ποσότητα αέρα εισόδου θα προκαλούσε την αυξανόμενη αντίσταση των ροών αέρα, εξασθενώντας έτσι την ικανότητα αναρρόφησης του τρυπανιού. Όπως παρατηρήθηκε, η ικανότητα αναρρόφησης (αναλογία μεταξύ του ρυθμού ροής μάζας αέρα αναρρόφησης και εισόδου) μειώθηκε με την αύξηση του ρυθμού ροής μάζας αέρα εισόδου. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στη συμπιεστότητα του αέρα που καταναλώθηκε περισσότερη ενέργεια για τη συμπίεση του αέρα.

 

 

 

 

 

Εικόνα 6

Επίδραση του ρυθμού ροής μάζας αέρα εισόδου στην ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του τρυπανιού

 

 

4.2 Επίδραση της διαμέτρου του ακροφυσίου αναρρόφησης στην ικανότητα αναρρόφησης

Ο αέρας εισόδου έχει δύο διόδους για εκκένωση από τον δακτυλιοειδές χώρο των σωλήνων τρυπανιού διπλού τοιχώματος, τα ακροφύσια αναρρόφησης και τα ακροφύσια έκπλυσης. Όταν δίνεται ο ρυθμός ροής μάζας αέρα εισόδου, η αναλογία μεταξύ του ρυθμού ροής μάζας αέρα στα ακροφύσια αναρρόφησης και των ακροφυσίων έκπλυσης αυξάνεται με την αύξηση των διαμέτρων των ακροφυσίων αναρρόφησης. Η ικανότητα αναρρόφησης του τρυπανιού RC θα αυξηθεί όταν η ταχύτητα εκτόξευσης διατηρηθεί σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο. Το Σχήμα 7 δείχνει την επίδραση της διαμέτρου του ακροφυσίου αναρρόφησης στην ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας. Σε αυτήν την ομάδα προσομοιώσεων, δόθηκαν ορισμένες δομικές παράμετροι των ακροφυσίων αναρρόφησης, συμπεριλαμβανομένων γωνία ανύψωσης 60°, γωνία εκτροπής 15° και ταχύτητα ροής μάζας αέρα εισόδου 70 m3/min. Όταν η διάμετρος των ακροφυσίων αναρρόφησης είναι <20 mm, η αύξηση της διαμέτρου του ακροφυσίου αναρρόφησης ωφελεί την ενίσχυση της ικανότητας αναρρόφησης του τρυπανιού. Όταν η διάμετρος είναι μεγαλύτερη από 20 mm, η ικανότητα αναρρόφησης του τρυπανιού εξασθενεί σημαντικά. Η ορμή των πίδακων αέρα που εκπέμπονται από τα ακροφύσια αναρρόφησης επιδεικνύει κυρίαρχη επίδραση στην ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του τρυπανιού. Όταν η διάμετρος των ακροφυσίων αναρρόφησης είναι μεγαλύτερη από 20 mm, το μειούμενο πλάτος της ταχύτητας του πίδακα υπερισχύει του αυξανόμενου πλάτους του ρυθμού ροής μάζας στα ακροφύσια αναρρόφησης, αποδυναμώνοντας έτσι την ικανότητα αναρρόφησης του τρυπανιού.

 

 

 

 

 

 

 

Εικόνα 7

Επίδραση της διαμέτρου του ακροφυσίου αναρρόφησης στην ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του τρυπανιού

 

 

4.3 Επίδραση της γωνίας ανύψωσης του ακροφυσίου αναρρόφησης στην ικανότητα αναρρόφησης

Η γωνία ανύψωσης του ακροφυσίου αναρρόφησης ορίζεται ως η γωνία μεταξύ της διατομής της κεντρικής διόδου και της κεντρικής γραμμής του ακροφυσίου αναρρόφησης. Το σχήμα 8 δείχνει ότι η αύξηση της γωνίας ανύψωσης μπορεί να βελτιώσει την ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του τρυπανιού. Οι ροές πίδακα από τα ακροφύσια αναρρόφησης θα παρεμβαίνουν μεταξύ τους για όλα τα ακροφύσια αναρρόφησης που έχουν κλίση στο τοίχωμα του τρυπανιού. Αυτές οι συγκρούσεις μεταξύ των πίδακα θα οδηγούσαν στην κατανάλωση ενέργειας και θα μείωναν την αξονική ορμή των ροών του πίδακα, μειώνοντας έτσι την ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του τρυπανιού. Η παρεμβολή μεταξύ των ροών πίδακα είναι πιο έντονη όταν η γωνία ανύψωσης των ακροφυσίων αναρρόφησης είναι μικρότερη.

 

 

 

Εικόνα 8

Επίδραση της γωνίας ανύψωσης του ακροφυσίου αναρρόφησης στην ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του τρυπανιού

 

4.4 Επίδραση της γωνίας εκτροπής του ακροφυσίου αναρρόφησης στην ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας

Η γωνία εκτροπής των ακροφυσίων αναρρόφησης αντιπροσωπεύει τη γωνία μεταξύ της προβολής της κεντρικής γραμμής ενός ακροφυσίου αναρρόφησης στη διατομή της κεντρικής διόδου και της κανονικής κατεύθυνσης του κεντρικού τοιχώματος διόδου στην έξοδο του ακροφυσίου αναρρόφησης. Το σχήμα 9 δείχνει την επίδραση της γωνίας εκτροπής του ακροφυσίου αναρρόφησης στην ικανότητα αναρρόφησης, με την αύξηση της γωνίας εκτροπής των ακροφυσίων αναρρόφησης, η ικανότητα αναρρόφησης του τρυπανιού ενισχύεται σημαντικά. Οι ροές αέρα από τα ακροφύσια αναρρόφησης με γωνία εκτροπής μπορούν να σχηματίσουν στροβιλιστικές ροές στην κεντρική δίοδο, γεγονός που βελτιώνει την ικανότητα αναρρόφησης του τρυπανιού. Επιπλέον, οι πίδακες που εκτρέπονται μπορούν να καταστείλουν την παρεμβολή μεταξύ τους. Ωστόσο, η μέγιστη τιμή για τη γωνία εκτροπής περιορίζεται από τη διάμετρο του τρυπανιού και δεν μπορεί να αυξηθεί άπειρα.

 

 

 

 

 

 

 

 

Εικόνα 9

Επίδραση της γωνίας εκτροπής του ακροφυσίου αναρρόφησης στην ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του τρυπανιού

 

 

 

5 ΔΟΚΙΜΗ ΠΕΔΙΟΥ
 

Προκειμένου να επαληθευτεί ο ρυθμός διείσδυσης χρησιμοποιώντας σφυρί αέρα RC-DTH στον σχηματισμό σκληρού βράχου, χρησιμοποιήθηκε το τρυπάνι με εξωτερική διάμετρο 665 mm και το σφυρί αέρα RC-DTH με εξωτερική διάμετρο 400 mm (RC-DTH 400). κατασκευάζονται. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι οι βέλτιστες τιμές των παραμέτρων του ακροφυσίου αναρρόφησης για το τρυπάνι RC με εξωτερική διάμετρο 665 mm συμπεριλαμβανομένης της διαμέτρου του ακροφυσίου αναρρόφησης, της γωνίας ανύψωσης και της γωνίας εκτροπής, ήταν 20 mm, 60° και 20°, αντίστοιχα. Ωστόσο, η παράμετρος του μεγάλου ακροφυσίου αναρρόφησης θα εξασθενούσε την αντοχή του τρυπανιού. Τα έξι ακροφύσια αναρρόφησης με διάμετρο 18 mm, γωνία ανύψωσης 45° και γωνία εκτροπής 10° επιλέχθηκαν τελικά για να εξασφαλίσουν τη διάρκεια ζωής του τρυπανιού. Η δομή σχεδίασης του σφυριού αέρα RC-DTH και η φωτογραφική εικόνα του κατασκευασμένου πρωτοτύπου του εργαλείου σφύρας αέρα RC-DTH φαίνονται στο Σχήμα 10. Όταν λειτουργεί το σφυρί αέρα RC-DTH, η κίνηση του εμβόλου μπορεί να διαιρεθεί σε δύο φάσεις: τη φάση backhaul και τη φάση διαδρομής, και κάθε φάση παρουσιάζει στάδια εισαγωγής αέρα, διαστολής αέρα, συμπίεση αέρα και στάδια εξαγωγής αέρα. Η ονομαστική πίεση αέρα και ο ονομαστικός ρυθμός ροής όγκου αέρα του RC-DTH400 είναι 1,8 MPa και 92 m3/min, αντίστοιχα. η ονομαστική συχνότητα κρούσης και η ταχύτητα κρούσης του εμβόλου είναι 14,35 Hz και 8,01 m/s, αντίστοιχα. Κατασκευάστηκαν επίσης και άλλα βοηθητικά εξαρτήματα, συμπεριλαμβανομένων σωλήνων τρυπανιού διπλού τοιχώματος με εξωτερική διάμετρο 140 mm, κελί διπλού τοιχώματος, περιστρεφόμενο διπλού τοιχώματος.

 

 

 

 

 

 

 

Εικόνα 10

Δομή σχεδίασης και φωτογραφική εικόνα του εργαλείου σφυριού αέρα αντίστροφης κυκλοφορίας κάτω από την τρύπα

 

Ο χώρος δοκιμών πεδίου βρίσκεται στο Foshan, Guangdong, Κίνα. Ο σχηματισμός του πεδίου δοκιμής αποτελείται από χαλαρό έδαφος πάχους 3,99 m, ξεπερασμένο αργιλώδη αργιλόλιθο με πάχος 17 m, και ακατέργαστο κόκκινο αργιλώδη αργιλόλιθο κάτω από τον ξεπερασμένο αργιλώδη αργιλόλιθο. Το χαλαρό στρώμα εδάφους και το στρώμα αργιλώδους αργιλώδους αργιλόλιθου τρυπούνται εύκολα με τη χρήση της συμβατικής περιστροφικής μεθόδου διάτρησης. Ωστόσο, ο ρυθμός διείσδυσης της γεώτρησης στον ακατέργαστο κόκκινο αργιλώδη αργιλόλιθο είναι σχετικά χαμηλός, μπορεί να επιτευχθεί <2 m/h. Και η σκωρία που βυθίζεται είναι δύσκολο να καθαριστεί.

 

Προκειμένου να πραγματοποιηθεί η δοκιμή διάτρησης με σφύρα αέρα RC-DTH, το χαλαρό στρώμα εδάφους και το στρώμα αργιλώδους αργιλόλιθου που έχει ξεπεραστεί τρυπούνται με συμβατική περιστροφική μέθοδο διάτρησης. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε το σύστημα γεώτρησης με σφυρί αέρα RC-DTH για τη διάτρηση του ακατέργαστου κόκκινου αργιλικού σχηματισμού αργιλόλιθου. Η διάταξη του συστήματος δοκιμής πεδίου φαίνεται στο Σχήμα 11. Ένας αεροσυμπιεστής κατασκευασμένος από την Atlas Copco με μέγιστη ροή όγκου αέρα 34 m3/min και ονομαστική πίεση αέρα 30 bar και ένας αεροσυμπιεστής κατασκευασμένος από την Ingersoll Rand με μέγιστο όγκο αέρα ροή 25,5 m3/min και ονομαστική πίεση αέρα 24 bar, χρησιμοποιήθηκαν για την παροχή πεπιεσμένου αέρα. Χρησιμοποιήθηκε λιπαντήρας για τη λίπανση του εμβόλου. Το περιστροφικό γεωτρύπανο SD20E που κατασκευάστηκε από την Guangxi Liugong Group Co., Ltd. χρησιμοποιήθηκε για την παροχή της περιστροφικής δύναμης και του WOB στη διαδικασία γεώτρησης.

 

 

 

 

Εικόνα 11

Διάταξη του συστήματος δοκιμών πεδίου

 

 

Ανοίχτηκαν δύο δοκιμαστικές γεωτρήσεις και το μέγιστο βάθος της γεώτρησης είναι 50,8 m. Ο μέγιστος ρυθμός διείσδυσης 6,0 m/h παρατηρήθηκε στη διαδικασία γεώτρησης και ο μέσος ρυθμός διείσδυσης είναι 4,5 m/h στην κατάσταση του ρυθμού ροής όγκου αέρα και της πίεσης αέρα κάτω από τις ονομαστικές τιμές. Οι δοκιμές πεδίου έδειξαν ότι το τρυπάνι RC μπορεί να φτάσει σε καλή κατάσταση αντίστροφης κυκλοφορίας, παρόλο που οι παράμετροι του ακροφυσίου αναρρόφησης δεν ήταν οι βέλτιστες. Δεν βρέθηκε βυθιζόμενη σκωρία στη διαδικασία έκπλυσης γεωτρήσεων. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 12, υπήρχε λίγος αέρας και σκόνη που διέφυγε από τον δακτυλιοειδές χώρο του εργαλείου γεώτρησης και του τοίχου της γεώτρησης. Τα μοσχεύματα τρυπανιού που επιστρέφονται στην επιφάνεια είναι κυρίως σωματίδια μεσαίου έως μεγάλου μεγέθους. Επιπλέον, δεν υπάρχει βύθιση σκωρίας στη διαδικασία έκπλυσης της γεώτρησης και τα μοσχεύματα του τρυπανιού μπορούν να επιστρέφουν συνεχώς στην επιφάνεια. Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το σύστημα γεώτρησης με σφυρί αέρα RC-DTH ήταν σε καλή κατάσταση λειτουργίας και παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση στη διάνοιξη γεώτρησης μεγάλης διαμέτρου.

 

 

 

 

 

 

 

 

Εικόνα 12

Φωτογραφικές εικόνες από τη δοκιμή πεδίου. Α, αντίστροφη κυκλοφορία που σχηματίζεται στη διαδικασία γεώτρησης. Β, μοσχεύματα διάτρησης. Γ, διαδικασία έκπλυσης γεωτρήσεων. D, στόμιο του σωλήνα κατάθλιψης με ψεκασμένες ροές

 

 

6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Προκειμένου να βελτιωθεί ο ρυθμός διείσδυσης και να επιτευχθούν εργασίες γεώτρησης φιλικές προς το περιβάλλον, προτάθηκε η προσέγγιση γεώτρησης με σφυρί αέρα RC-DTH για τη διάτρηση των άνω σκληρών σχηματισμών πάνω από τον δυνητικό σχηματισμό δεξαμενής παραγωγής. Το τρυπάνι RC ως το βασικό μέρος του συστήματος διάτρησης με σφυρί αέρα RC-DTH για την πραγματοποίηση της αντίστροφης κυκλοφορίας, πραγματοποιήθηκε μια παραμετρική μελέτη σε τρυπάνι RC με διάμετρο 665 mm. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αύξηση της γωνίας ανύψωσης και της γωνίας παραμόρφωσης του ακροφυσίου αναρρόφησης μπορεί να βελτιώσει την ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του τρυπανιού. Η ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του τρυπανιού φτάνει στο μέγιστο όταν ο ρυθμός ροής μάζας αέρα εισόδου είναι 1.205 kg/s και στη συνέχεια επιδεινώνεται με την αύξηση του ρυθμού ροής μάζας αέρα εισόδου. Κατασκευάστηκε το τρυπάνι με εξωτερική διάμετρο 665 mm και το σφυρί αέρα RC-DTH με εξωτερική διάμετρο 400 mm και πραγματοποιήθηκε δοκιμή πεδίου. Τα αποτελέσματα των δοκιμών πεδίου δείχνουν ότι η ικανότητα αντίστροφης κυκλοφορίας του σχεδιασμένου τρυπανιού RC μεγάλης διαμέτρου είναι καλή και ο μέγιστος ρυθμός διείσδυσης στη δοκιμή πεδίου ήταν 6,0 m/h, γεγονός που θα μπορούσε να μειώσει δραματικά τον χρόνο και το κόστος λειτουργίας της γεώτρησης.

 

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
 

Αυτή η εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Κρατικό Πρόγραμμα Βασικής Ερευνητικής Ανάπτυξης της Κίνας (Αριθ. επιχορήγησης 2016YFC0801402 και 2016YFC0801404), το Εθνικό Μείζον Έργο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (Αριθ. επιχορήγησης 2016ZX05043005), το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας (Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών 5516704. ). Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τους ανώνυμους κριτές για τις εξαιρετικές συμβουλές τους.