ПРИГОТОВЛЕНИЕ ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ
Глинистые растворы приготовляют в специальных устройствах — глиномешалках механическим или гидравлическим способами. Глиномешалки соответственно подразделяются на механические и гидравлические.
Механические глиномешалки делятся: по характеру действия — прерывного (циклового) и непрерывного; по конструктивному исполнению — лопастные, роторные, шаровые; по расположению валов — с горизонтальным и вертикальным расположением. Лопастные глиномешалки делятся по числу валов — на одновальные и двухвальные.
Механическое приготовление глинистых растворов
Механические глиномешалки Используются для приготовления глинистых растворов как из комовых, так и из порошковых глин. Привод глиномешалок осуществляется от индивидуальных двигателей или через трансмиссию.
Механическая лопастная глиномешалка с горизонтальным валом (рис. 41) состоит из металлической емкости-корпуса 1, в которой вращается вал 4 С укрепленными на нем поперечными лопастями 6 Для измельчения и перемешивания глины с водой. Лопасти расположены одна относительно другой под углом 90°. Между внутренней поверхностью корпуса и лопастями имеется просвет в 30—35 мм.
Глину загружают через загрузочный люк 5, который закрывается крышкой. Приготовленный раствор выпускают через спускной люк 7. Вращение с рабочего шкива 2 На горизонтальный вал передается с помощью зубчатого редуктора 3. Как правило, глиномешалка устанавливается на полозьях.
Для приготовления глинистого раствора лопастную глиномешалку заполняют водой примерно на 1/3 объема и загружают в нее необходимое количество глины, периодически проворачивая вал с помощью электродвигателя. Затем доливают воду до верха глиномешалки, закрывают люк крышкой и включают электродвигатель.
Рис. 41. Горизонтальная одновальная глиномешалка
Оптимальное время приготовления глинистого раствора из данной глины можно определить путем периодического отбора и исследования проб раствора. Первую пробу берут примерно через 30 мин, а последующие с интервалом 15 мин. Процесс приготовления глинистого раствора считается законченным, когда его основные параметры стабилизируются. Время приготовления порции глинистого раствора из сухих комовых глин колеблется от 40 мин до 2 ч. Чем выше качество глины и меньше влажность, тем больше требуется времени для приготовления раствора. Таким образом, производительность лопастной глиномешалки зависит от объема барабана, вида глины и ее состояния (размера комков, влажности и др.)
Механические лопастные глиномешалки отличаются простотой конструкции, но имеют и ряд существенных недостатков: сравнительно невысокую производительность; трудность доступа внутрь глиномешалки для выполнения ремонта и чистки; частые заклинивания и поломки лопастей при попадании в глину твердых включений большого размера; уменьшение рабочего объема глиномешалки при налипании глины к внутренним стенкам.
Характеристика лопастных глиномешалок, применяемых при разведочном бурении, приведена в табл. 2.
Разновидность механических глиномешалок — фрезерно-струйные мельницы (ФСМ), разработанные Воронежским инженерно-строительным институтом для приготовления и утяжеления промывочных растворов. ФСМ — машины непрерывного действия, используются для приготовления глинистых растворов из комовых глин и глинопорошков.
Фрезерно-струйная мельница (рис. 42) состоит из следующих основных узлов: лопастного ротора 2, Приемного бункера 9, Предохранительной шарнирной плиты 13, Диспергирующей рифленой плиты 1, ловушки 16 И лотка 4 Для отвода готового глинистого раствора.
Комовые или порошкообразные материалы подаются в приемный бункер 9, Вода — по перфорированной трубе 11. Подвижной щиток 10 Ограничивает предельный размер комьев, попадающих из бункера во внутреннюю часть корпуса. Исходные материалы попадают по предохранительной плите 13 На вращающийся на валу 3 Ротор 2. Большие камни или куски металла, имеющиеся в глинистом материале, заклиниваются между лопастями ротора и предохранительной плитой. Значительные усилия, возникающие при ударе лопастей 7 ротора о крупные твердые включения, приводят к срезыванию специальных сменных штифтов 15. При этом предохранительная плита, поворачиваясь вокруг шарнира 12, Отходит к задней стенке корпуса мельницы, а посторонние включения проваливаются в ловушку 16, Закрытую снизу специальной откидной крышкой 18 с Резиновой прокладкой 17. Из ловушки они периодически удаляются путем открывания крышки с помощью механизма 19.
Расстояние между лопастным ротором и предохранительной плитой изменяется путем перестановки штифтов в регулирующей планке 14. В нижней части корпуса мельницы расположена сменная диспергирующая рифленая плита 1, огибающая с небольшим зазором четверть ротора. В боковой части корпуса укреплена решетка 6. Размер отверстий ее обусловлен требованиями, предъявляемыми к приготовляемому раствору. Сверху решетка закрыта отражательным щитком 5, Который может быть откинут поворотом вокруг шарнира 8.
Готовый раствор стекает по внешней поверхности решетки и по лотку 4 Отводится в сторону. Корпус мельницы укреплен на раме 20. Предусмотрен разъем корпуса по горизонтальной плоскости, проходящей через ось вала лопастного ротора.
Принцип работы ФСМ заключается в следующем. Глина и вода, подаваемые в приемный бункер мельницы, захватываются лопастями ротора. При перемещении вдоль диспергирующей плиты происходит первичное измельчение глины. Дополнительное более тонкое измельчение их осуществляется при ударе струй, выбрасываемых лопастями ротора, о выходную решетку а также при последующем перемещении суспензии вдоль решетки и прохождении раствора через ее отверстия. Частицы, не успевшие измельчиться в мельнице, вследствие циркуляции раствора вновь попадают под лопасти ротора.
Имеется ряд типов ФСМ: ФСМ-3, ФСМ-7, ФСМ-12, отличающихся друг от друга несущественными конструктивными изменениями.
Техническая характеристика фрезерно-струйной мельницы ФСМ-7
Производительность, т/ч
По комовой глине…………………………………………………………………………………..8 – 10
По глинопорошку……………………………………………………………………….. ……..20 – 25
Диаметр ротора, мм…………………………………………………………………………………….400
Частота вращения ротора, об/мин……………………………………………………………………. 500
Мощность приводного электродвигателя, кВт………………………………………….……………..28
Габариты, мм………………………………………………………………………. ……1950x1530x1410
Масса, кг……………………………………………………………………………………………….1400
Бесперебойная работа фрезерно-струйной мельницы может быть обеспечена только при наличии механизированной загрузки исходных материалов.
К преимуществам ФСМ относятся: высокая производительность как по комовым глинам, так и по глинопорошку; простота конструкции и небольшие габариты; высокая экономичность.
Недостатками являются: низкое качество раствора, так как он содержит много нераспустившихся частиц глины относительна высокая приводная мощность, исключающая применение ФСМ в отдаленных партиях с ограниченными энергетическими ресурсами.
Первый недостаток устраняется многократной циркуляцией раствора по схеме ФСМ — емкость — насос — ФСМ. При приготовлении глинистого раствора по такой схеме производительность ФСМ остается более высокой, чем у лопастных глиномешалок.
Шаровые глиномешалки выпускали несколько последних лет. В качестве истирающих элементов в них применялись металлические шары. Барабан таких глиномешалок вращается, что приводит к перекатыванию шаров и истиранию твердой фазы. При более сложной конструкции производительность шаровых глиномешалок остается низкой, что и обусловило их снятие с производства.
Невысокая производительность лопастных и шаровых глиномешалок и высокая энергоемкость ФСМ вынуждают искать более приемлемые конструкции устройства, которые бы в большей мере учитывали конкретные условия работ. Так, имеются глиномешалки вихревого типа (в которых перемешивание осуществляется по принципу, заложенному в стиральной машине), комбинированного типа (в которых совмещены процесс предварительной пластической деформации и измельчения глины и перемешивание ее с жидкостью) и др.
Гидравлическое приготовление глинистых растворов
В разведочном бурении подчиненное значение имеет гидравлический способ приготовления глинистых растворов, при котором для разрушения части твердой фазы используется толь-ко кинетическая энергия струи. Устройства для гидравлического способа приготовления глинистых растворов получили название гидравлических смесителей или гидромешалок. Различают гидромониторные и эжекторные гидросмесители.
Гидромониторные глиномешалки ГСТ, ГВФТ, Папировского, Резниченко и другие используют при бурении глубоких скважин. Производительность таких гидромешалок 40—120 м3/ч, давление жидкости перед насадками гидромониторов 4—10 МПа. Для условий разведочного колонкового бурения наиболее приемлем гидромониторный смеситель ГСТ (рис. 43).
Смеситель состоит из резервуара 2 И загрузочного трапа 1, По которому бульдозером подаются в резервуар исходные материалы. Резервуар разделен перегородкой на два сообщающихся отсека А И Б. В Отсек А Встроены шесть мониторов, направленных под углом к оси резервуара. Такое расположение гидромониторов обеспечивает создание в отсеке А Мощного потока, интенсивно размывающего глину.
В отсек Б Встроены три гидромонитора. Образовавшаяся в отсеке А Суспензия движется в отсек Б, Который разделен перегородками на четыре полости. Проходя между перегородками, жидкость теряет нераспустившиеся комки глины, которые под действием трех гидромониторов возвращаются в отсек А. Освобожденная от комков суспензия поступает в барабанный фильтр 3, А оттуда через сливную трубу в приемный или запасной резервуар. Смеситель очищается через люк 4.
За один цикл нельзя получить высококачественный глинистый раствор, поэтому в процессе приготовления суспензия несколько раз циркулирует по замкнутому циклу буровой насос— смеситель — запасной резервуар — буровой насос до полной диспергации твердой фазы.
Производительность гидромониторного смесителя ГСТ 40 м3/ч, объем резервуара 14 м3, рабочее давление при работе одного насоса 4—5 МПа, двух насосов 7,5—9,5 МПа, масса 8390 кг.
Гидравлические мешалки эжекторного типа (гидроворонки) используются для приготовления раствора из глинопорошка. Это — устройство непрерывного действия, наиболее распространена гидравлическая мешалка ГДМ-1 (рис. 44). Она состоит из воронки 2 Для загрузки глинопорошков, сопла 1, Камеры смешения 3 И бака 5, Смонтированных на общей раме 6.
К соплу 1 под давлением подводится вода; при истечении ее в камере смешения образуется вакуум, благодаря чему туда засасывается порошок из воронки 2. Образовавшаяся пульпа поступает в бак и ударяется о специальный башмак, что способствует измельчению комочков глины и более интенсивному их перемешиванию с водой. Готовый глинистый раствор сливается через выходную трубу 4 В верхней части бака. Поднимаясь вверх, раствор теряет скорость, и из него выпадают на дно нераспустившиеся комочки глины.
Имея относительно небольшие массу и габариты, гидроворонки отличаются высокой производительностью. Так, производительность гидравлической мешалки ГДМ-1 составляет по готовому раствору 70—90 м3/ч при объеме воронки 0,175 м3 и объеме бака 1 м3. Масса гидроворонки 1120 кг.
Следует отметить, что качество глинистого раствора, приготовленного в гидроворонках, довольно низкое. Несмотря на тонкий помол, частицы глинопорошка в процессе перемешивания с водой должны пройти дальнейшее диспергирование. Однако такое диспергирование происходит недостаточно интенсивно. За счет броуновского движения происходит частичная диспергация глины, но качество раствора остается хуже, чем при приготовлении в лопастных глиномешалках.
Качество раствора может быть существенно улучшено его многократным пропуском через гидроворонку без добавления твердой фазы.
Необходимое количество глины (в кг/м3) при прерывном приготовлении раствора заданной плотности можно определить по формуле
P = PГ(Pp — PВ)/(PГ — PВ),
Где рр, рв, рг—плотности соответственно глинистого раствора, воды, глины, кг/м3.
В формуле не учитывается влажность глины.
В глиномешалках непрерывного действия расход глины в процессе приготовления раствора регулируется приближенно, исходя из опыта исполнителя. Поэтому получить глинистый раствор заданной плотности трудно. Там, где необходима строго заданная плотность, приготовление раствора ведут по замкнутому на определенную емкость циклу и общее требуемое количество глины вычисляют по приведенной выше формуле.
Наибольшую точность получения заданной плотности обеспечивает способ приготовления в лопастных глиномешалках, наименьшую — в ФСМ при работе по незамкнутому циклу.