Тандем - 2, шлакоблочные станки, бетоносмесители


Производство оборудования и технологии
Рубрики

Бурение горных пород контактным плавлением

По буримости методом плавления все горные породы можно разделить на низкотемпературные (лед, сера, каменная соль) и высокотемпературные (гранит, глина), плотные и пористые, связ­ные и рыхлые [63]. Отдельно могут быть выделены породы мало­эффективные для бурения плавлением, при нагреве которых про­исходит выделение газообразных и тугоплавких элементов (изве­стняк, доломит).

В зависимости от способа удаления расплава из зоны забоя все разнообразные конструкции буровых устройств для плавления скважин могут быть разделены на два основных типа: уплотняю­щие— для плавления в пористых породах; экструзионные (выдав­ливающие) — для плавления в плотных породах (рис. 5.1). Уплот­няющие буровые устройства, расплавляя пористые породы или грунты, обеспечивают затвердевание всего расплава в уплотнен­ном и остеклованном слое на стенках скважины (керна). Для кон­тактного бурения плавлением с отбором керна должны применять­ся специальные колонковые буровые снаряды как уплотняющего, так и выдавливающего типа, конструкции которых характери­зуются наличием кольцевого нагревателя, керноприемной трубы и системы охлаждения, обеспечивающей затвердевание расплава как на стенках скважины, так и на поверхности керна.

Многие технологические процессы сопровождаются плавле­нием твердых тел при контакте с поверхностью, разогретой до тем­пературы, превышающей температуру плавления. Образующийся при этом расплав течет под действием внешней силы со стороны греющей поверхности или плавящегося образца. Такие явления сопровождают плавление в контактных плавильных аппаратах,

Бурение горных пород контактным плавлением

2 1

Рис. 5.1. Схемы конструкций основных типов пенетраторов.

I — сплошные уплотняющие; II—сплошные экструзионные; III — кольцевые уплотняющие;

IV — кольцевые экструзионные.

1 — расплав горной породы; 2 — горная порода; 5 —пеиетратор; 4—остеклованный слой; 5—керн

сварку плавлением, пайку и др. Несмотря на распространенность, этот сложный многопараметровый процесс остается теоретически и экспериментально слабоизученным. Опубликованные исследования зачастую основаны на простейших балансовых соотношениях, что не позволяет учесть влияние многих важных в практических при­ложениях факторов. Экспериментальное изучение закономерностей процесса контактного плавления, его математическое моделирова­ние становятся особенно актуальными при решении различных технических проблем, возникающих в ходе новых разработок, а также при совершенствовании созданных ранее конструкций и тех­нологий. Это непосредственно относится и к новому способу буре­ния горных пород плавлением [63, 64].

Исследование и разработка технических средств и технологии бурения плавлением является одним из перспективных направле­ний повышения эффективности проходки скважин в сложных гео­логических и горно-технических условиях на основе нетрадицион­ных способов разрушения и крепления горных пород. В основе технологии бурения скважин способом плавления лежат чисто фи­зические процессы разрушения горных пород, связанные с измене­нием агрегатного состояния последних в результате интенсивного теплового воздействия в зоне забоя скважины. Процесс бурения плавлением определяется в основном температурой и теплофизиче­скими свойствами проходимых пород и мало зависит от их меха­нических свойств. Последнее обстоятельство обусловливает уни­версальность рассматриваемого метода бурения для большинства горных пород, представляющих собой обычно полиминеральные многокомпонентные системы, преимущественно силикатного со­става (75 % земной коры по данным А. Е. Ферсмана), температур­ный интервал плавления которых находится в пределах 1200— 1700 К при атмосферном давлении. В отличие от механического бурения рассматриваемый способ с увеличением глубины сква­жины и соответствующим ростом естественной температуры по­роды повышает свою эффективность. Этот новый способ бурения скважин позволяет решать задачу поддержания устойчивости • и закрепления стенок скважины и керна непосредственно в процессе бурения путем создания за счет застывающего расплава прочного водонепроницаемого стекловидного слоя. Так как при бурении плавлением отпадает необходимость во вращательном или ко­лебательном движениях бурового инструмента, существенно сни­жаются потери энергии при передаче ее к забою, появляется воз­можность точнее выдерживать заданное направление сква­жины.

Отличительными особенностями технологии бурения плавле­нием являются высокая концентрация в зоне забоя скважины теп­ловой энергии, эффективная передача ее породам с целью обеспе­чения заданной скорости плавления, выдавливание расплава из зоны забоя, формирование на стенках скважины монолитного и прочного остеклованного слоя, удаление продуктов расплава из скважины на поверхность или в специальный шламосборник цир­кулирующей промывочной средой.

Передача тепловой энергии к поверхности забоя в общем слу­чае может осуществляться излучением, конвекцией и контактной теплопередачей. Однако необходимость использования в процессе бурения скважины жидкостной или газообразной среды с пара­метрами, определяемыми в основном требованиями очистки сква­жины от продуктов разрушения и поддержания в устойчивом состоянии ее стенок, затрудняют и ограничивают возможности ис­пользования двух первых видов теплообмена. Более широкое при­менение в настоящее время получает метод контактной передачи тепла от поверхности нагревателя к плавящейся поверхности за­боя через образующийся между ними слой жидкого расплава.

Благодаря специфическим особенностям техники и технологии бурение скважин плавлением дает принципиальную возможность реализовать следующие потенциальные преимущества [15, 26, 28, 63].

1. Беструбное бурение скважин с помощью полуавтономных буровых снарядов на грузонесущем кабеле или шлангокабеле по­зволяет исключить трудоемкие и длительные спуско-подъемные операции, устранить потребность в громоздких и тяжелых буро­вых вышках и мачтах, повысить до 90 % КПД передачи энергии с поверхности к забою, скважины, улучшить такие важные эконо­мические показатели бурения, как трудозатраты, металлоемкость, энергоемкость и др., а также успешно решать задачи оптими­зации и комплексной автоматизации как основных, так и вспомо­гательных процессов и операций, связанных с бурением сква­жины.

2. Одновременное с бурением закрепление стенок скважины в слабосвязных и неустойчивых горных породах за счет создания прочного и непроницаемого остеклованного слоя позволяет упро­стить конструкцию скважины, резко снизить расход обсадных труб н тампонажных материалов, затраты времени и средств на тру­доемкие и дорогостоящие работы по креплению скважины обсад­ными колоннами.

3. Сохранение в процессе бурения (за остеклованным слоем) естественных фильтрационных свойств коллекторов позволяет по­высить качество опробования скважин и эффективность эксплуа­тации продуктивных горизонтов в сложных горно-геологических условиях.

4. Отсутствие в скважинах колонн обсадных труб позволяет повысить результативность методов каротажа и скважинной гео­физики.

На современном этапе имеется достаточно оснований считать актуальным проведение аналитических и экспериментальных ис­следований процесса бурения скважин плавлением, направленных на разработку технических средств и технологий в целях быстрей­шей практической реализации преимуществ этого нового перспек­тивного способа бурения скважин.

5.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ПЛАВЛЕНИИ ГОРНОЙ ПОРОДЫ НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ

Большинство теоретических исследований явлений тепломас­сообмена, лежащих в основе технологических процессов, связан­ных с контактным плавлением твердых тел, выполнено при по­стоянных значениях физических и теплофизических параметров этих тел и их расплавов, осредненных для широкого интервала температур [3, 18, 48, 60, 64, 69]. Однако при высоких температу­рах, близких к температурам агрегатного перехода (плавления), свойства горных пород и их расплавов могут существенно зави­сеть от температуры. Особенно это относится к реологическим свойствам расплавов горных пород, где эта зависимость для тем­пературного диапазона плавления пород существенно нелинейна. Все это предопределяет возможные значительные погрешности при исследованиях задач тепломассопереноса в линейной постановке.

С целью анализа эффективности процесса бурения горных по­род плавлением исследуем* рассмотренную в разделе 4.2 матема­тическую модель контактного плавления породы на забое сква­жины, предполагая, что теплофизические параметры среды являются функциями температуры, а слой расплава породы пред­ставляет собой несжимаемую жидкость со сложной реологией.

, Рассмотрим наиболее важный с практической точки зрения установившийся режим бурения с постоянной скоростью углубки скважины v = const. Для контактного плавления породы забоя используются нагревательные устройства с двумя принципиально разными формами контактирующих с забоем поверхностей: 1) по­верхность с осевой симметрией, полученной при вращении обра­зующей вокруг оси скважины, — для бурения скважин сплошным забоем; 2) криволинейная поверхность кольцевого нагреватель­ного устройства, один из размеров которой достаточно велик по сравнению с двумя другими характерными размерами, — для бу­рения скважин кольцевым забоем с отбором керна. —

Полная математическая модель процесса бурения скважин плавлением предполагает совместное решение уравнений, описы­вающих процессы тепломассопереноса в криволинейном слое рас­плава и распределения температуры в нагревательном устройстве и в окружающем массиве.

Так как схемы вывода уравнений для двух типов нагреватель­ных устройств принципиально не отличаются друг от друга, ‘.рас­смотри*! лишь первый тип греющей поверхности — осесимметрич­ный. По аналогии с исследованием задачи тепломассопереноса для постоянных_значений теплофизических и реологических харак­теристик сред, рассмотренной в разделе 4.2, ‘введем, как показано на рис. 5.2, связанные с нагревательным устройством системы ци­линдрических г и 2 и криволинейных s, т] координат. Как и в раз­деле 4.2, обозначим через 60 и w0 неизвестные пока масштабы толщины слоя расплава б и продольной скорости его течения ws

Бурение горных пород контактным плавлением

Рис. 5.2. Схема процесса контактного плавления горных пород при буре­нии скважины.

1 — слой расплава; 2~ корпус нагревательного устройства; 3 — тепловыделяющий эле­

мент; 4 —массив горных по­род.

и введем следующие безразмерные характеристики и независимые переменные:

TOC o "1-5" h z п____ Г. 7__ . о________ .

К 1 , 1 , С> ^ ,

’І б — Аб / ’ б0 ’

р = Л. ^

7 /Г» » > ^Ї1

о ’ я и>0 ’ 1 ю0рт

Л (>к ^агр _ 11 (V. *ж)

*чч)

Подпись: *чч)®ж = 7——- — Г-’ М =

ЮоЦ-ІЇО. ^алр — ^«,)1

К

° — »* ^0 ьж лж

гЬ„ да/

ш.— ■ рР —

0 „ , ч ’ „о

“Ж (^агр ^оо)

2^. . ^ РежД

^жРж ^агр *«)

Здесь / — характерный размер нагревательного устройства; р — давление в слое расплава; С —внешняя нагрузка на нагрева­тельное устройство; Шп — ортогональная составляющая скорости течения расплава; ц — динамический коэффициент вязкости рас­плава; уо’—характерный масштаб у, у=-у/2//, // — второй инва­риант тензора скоростей деформации; т5,ь тп», — касательные составляющие вязких напряжений в слое расплава; с^, Ъ°ж, —

характерные значения коэффициентов теплоемкости, теплопровод­ности и температуропроводности сред; индексы «ж», «т», «агр», «оо» — относятся соответственно к жидкой и твердой фазам, гра­нице фазового перехода и к горному массиву в бесконечно уда­ленных точках.

Переходя в общих уравнениях неразрывности и движения к безразмерным координатам и применяя к ним методы теории по­добия и анализа размерностей, находим выражения для опреде­ления масштабов продольной скорости течения расплава в зазоре о>о и толщины слоя расплава 6о

^РтЦ (®о/^о» ^агр) ш/рж

Подпись: ^РтЦ (®о/^о» ^агр) ш/рж Бурение горных пород контактным плавлением(5.1)

(5.2)

Бурение горных пород контактным плавлениемиз которых получаем следующие соотношения, определяющие три основных безразмерных комплекса Ке, Ке, /С6, характеризующие перенос массы и импульса в слое расплава:

к’/ртА’/б

Бурение горных пород контактным плавлением

Бурение горных пород контактным плавлением

РжЮ

Бурение горных пород контактным плавлением

Как показали исследования, выполненные в работе [65], комп­лексы Кв, Ие и К6 для условий бурения плавлением горных пород во многих случаях довольно малы, поэтому в уравнениях пере­носа в слое расплава можно пренебречь всеми величинами по­рядка 0(Ке, Йе, Кь), что позволяет считать в рамках выбранной точности давление в слое расплава функцией только одной коор­динаты 5, т. е. Я == Р(х).

Число Бринкмана Вг, определяющее роль диссипативного ра­зогрева в слое расплава, при контактном плавлении твердых тел с большими энергетическими мощностями также мало (при плав­лении горных пород Вг » 10~4-Ь 10~3), что позволяет существенно упростить и уравнение переноса тепла в слое расплава.

Таким образом, ^истема уравнений, описывающая тепломассо — перенос в слое расплава, может быть представлена в виде

д

Подпись: дди

где у=1 соответствует осесимметричной, а у = 0 — плоской кар­тине течения расплава соответственно для условий работы сплош­ного и кольцевого нагревательных устройств.

Вид граничных условий для системы уравнений (5.3) — (5.5) в общем случае зависит от особенностей конкретной реализации процесса контактного плавления. Однако при этом условия на по­верхности плавления забоя скважины (V — 1) и на рабочей (грею­щей) поверхности нагревательного устройства (V = 0) остаются без изменения и с точностью до величин 0(/(6) могут быть запи­саны в следующем виде:

а) при 1] = 0 (Л = иц — 0;

TOC o "1-5" h z „о = <2» (5.6)

■ч-0 Л’вд С

б) при 11=1; Us— 0; иц = —dRH/dS„;

e»l,., = 0; = + (5.7)

Здесь 0„ — приведенная температура рабочей (греющей) по­верхности нагревательного устройства; QH — приведенная плот­ность теплового потока, подводимого к рабочей поверхности со стороны нагревательного устройства; QT — безразмерная плотность теплового потока, поступающего со стороны забоя в горную по­роду.

Система дифференциальных уравнений (5.3) — (5.5) с гранич­ными условиями (5.6)-(5.7) может служить основой для построе­ния замкнутых математических моделей процессов тепломассопе — реноса с нелинейными теплофизическими (сжДж) и реологическими (jl) свойствами расплава горных пород.

Тепловое взаимодействие слоя расплава с породой забоя оп­ределяется плотностью теплового потока на поверхности плавле­ния со стороны забоя в горную породу QT, а последнее зависит от распределения температуры в горной породе 0Т. Таким обра­зом. задача о температурном поле в горной породе представляет собой одну из основных составляющих общей математической мо­дели контактного плавления.

Если форма поверхности плавления забоя задана, то задачу о температурном поле в твердой фазе можно рассматривать как самостоятельную и исследовать независимо от других задач общей модели.

Введем, как показано на рис. 5.2, для области Q в твердом плавящемся материале декартову систему координат х, у, z и свя­жем ее с поверхностью нагревательного устройства Еи таким об­разом, чтобы ось z была направлена в сторону, противоположную вектору V. Тогда краевая задача о распределении температуры в твердом плавящемся материале tT в области й может быть сфор­мулирована в безразмерной постановке

—Рест (®т)-^т + div [Ят (0Т) grad 0Т] = 0 (5.8)

с граничными условиями

Г 1. (*, ¥> 2)е2агр; НтІ2агр=2. 1 0,, (X, К, г) є 2,;

(5.10)

Подпись: (5.10)Пт ©т(А, к, г) = о, (х,-к, і)єй.

ХІ

,о ’

Подпись: ХІ ,о ’ ХЧУ’ + 2;->0

Бурение горных пород контактным плавлением

В уравнениях (5.8) — (5.10) использованы следующие обозна­чения:

Перейдем в выражениях (5.6) — (5.8) к параболическим коор­динатам (о, т), которые определяются соотношениями

2г == (т2 — а2), г — от.

Пусть поверхность плавления ЕаГр или с точностью 0(Лд) грею­щая поверхность 2н совпадает с координатной поверхностью о — = ао. Тогда краевая задача (5.8) — (5.10) становится одномерной и может быть представлена в виде

Бурение горных пород контактным плавлением

0

(5.11)

с граничными условиями вт|а=(Уо=1, Нтвт —0.

Для решения задачи (5.11) разработан численный алгоритм [65]. Для случая, когда теплофизические параметры твердого тела постоянны, задача (4.14) решена аналитически в замкнутой форме [65]. Найденное решение позволило представить ^безразмерную плотность теплового потока в горную породу фт в виде

Бурение горных пород контактным плавлением

Бурение горных пород контактным плавлением

оо

оо

Бурение горных пород контактным плавлением

а

оо

Бурение горных пород контактным плавлением

Полученные выше дифференциальные уравнения и граничные условия могут служить основой для построения замкнутых мате­
матических моделей процессов тепломассопереноса с нелинейными свойствами теплофизических и реологических сред при сравни­тельно малой толщине слоя расплава в зазоре между нагрева­тельным устройством и поверхностью плавления забоя, т. е. при Кд< 1.

Введем вспомогательную функцию g(x. t) такую, что функция хц(х. t) является обратной к g(x, t). При этом равенство (5.2) можно представить в виде

Рж 6

Тогда, очевидно, что из уравнения (5.4) следует

— т1о)’ 0ж] sign (ч — Чо), (5.13)

где

g(x, вж) = £(Ял, Gx, tJ/glKл, G(tarp — tJ];

r]o— точка, где dUs/di] — 0.

Из уравнений (5.3) и (5.13) с граничными условиями (5.6) и (5.7) получим

»1

Us = b g (—,л||-1ч —Чо1. ©ж) sign (г) — т]0) rfrj; (5.14)

о

u’ = l?~k fA2/?V (-Д S-l ^ “ Чо I, еж)(1 — ч) sign (ч — Чо) dr] j,

(5.15)

где константа rjo определяется из соотношения i

Л7£Г|11 —^ 0ж) sign (ч — Чо) ^Ч = 0. (5.16)

о

Из выражения (5.15) и граничного условия для при i] = 1 после интегрирования по 5 получаем

Rv+’-R:+1 г _/ Л dP

(v+ 1 )A2RV

Подпись: (v+ 1 )A2RVS В (~Л тЬ"1 Ч — Чо I. ©ж) sign (ч — Чо) Ч Л,- (5.17)

Это в общем случае нелинейное дифференциальное уравнение первого порядка для функции /э(5).

Будем считать, что в районе концов образующей рабочей по­верхности (5 = 5], 5 = 52) поддерживаются заданные значения давления /Э(5])=Р1 и Р(5>2) = Р2■ Первое из этих условий опре­деляет константу интегрирования уравнения (5.13), а второе позволяет найти постоянную /?*, которую при А?* е [/?„(5|),/?„(52)] можно интегрировать как координату точки разветвления потока расплава, где

= 0 (ив = 0).

Далее, подставляя выражения (5.14) и (5.15) в уравнение (5.5), получаем интегрально-дифференциальное уравнение для на­хождения ©ж. Граничные условия по координате т] заданы и опре­деляются соотношениями (5.6), (5.7). В точке R = R* уравнение (5.17) вырождается. При этом естественно потребовать ограничен­ности производной двж/dS, что дает граничное условие по коорди­нате s, необходимое для решения уравнения переноса тепла в слое расплава.

Кроме того, очевидно, что осевая нагрузка, приложенная со стороны греющей поверхности нагревательного устройства к слою расплава, уравновешивается силами внутренних напряжений в жидкой фазе, которые с. точностью до слагаемых порядка 0(К&) представлены силами давления. Таким образом, нетрудно записать дополнительное условие

*—— [RP — dS=l. (5.18)

*i(S2)-Si(Si) г dS

Для случая, когда рабочая поверхность нагревательного уст­ройства изотермическая (0Н = const) и имеет форму параболы, а расплав является жидкостью, реологические свойства которой описываются степенным реологическим уравнением, построенная система интегрально-дифференциальных уравнений после преоб­разований приводится к системе конечных уравнений, удобных для инженерных расчетов.

Пусть

ц = [ & (0>К)/ДЕ (5.19)

тогда из выражений (5.14), (5.15) имеем

и*=\ ГШ Гsign (% — ц) rfT)Ale+ 1>/е (~ S’)17′: <5-20>

о

где

° = ~ I тш Г 11 Sign (т|° ~ Т|) dr];

О

•п

Ф(Т1) = Г] ^ | ^°(~J |1/е sign fa — Г]) dr] —

я

Подпись: яf^prisignfa-rOrfri.

о

Точка г)о определяется из соотношения i

|т(0^ |1/е sign (-*1° — — г,) dn = °. (5.22)

Краевая задача для температуры 0Ж в соответствии с уравне­нием (5.5) и граничными условиями (5.7) на поверхности т] = 1 примет вид

СЖФ (т1) Л д РежЛ ёвж ё

{к-к)

(5.23)

(5.24)

D

dr di

при

I _______ (Л.__________ Яж dS

lrj=I и> ^ д

В.

где

Д0 = л|§-; В = Pew + QT;

QT = Qt/’-[s ■

Для вычисления P(S) найдем из уравнения (5.17) выражение 1 г2 Г lflv+I — Rv+l Iе /dR2Ј

Р = — т-сг— ——- (— I sig«1 W — R.) (5-25)

До °S I L (V + D^v J dsj ё *’ ‘

15* 227

0,4 " e*PilB/(W>]. «=0,8. агр

+ Р(<-<агр)"

Л-Яг_ +

0,2 0,4 0,6 О, В 1}

 

Рис. 5.3. Распределение давления Р 1,6 и толщины слоя расплава б вдоль рабочей поверхности нагревателя (а), скоростные профили и& и в слое 4? расплава (б) и распределение темпе­ратуры 0 и суммарного теплового потока N по толщине слоя распла­ва (в).

 

0,8

 

Бурение горных пород контактным плавлением
Бурение горных пород контактным плавлением
Бурение горных пород контактным плавлением

Бурение горных пород контактным плавлением Бурение горных пород контактным плавлением Бурение горных пород контактным плавлением

Константа До определяется из выражения (5.18)

Яг _ I -,г+1 пГ+1 ■ Е, ло ч 2е

(5.26)

Система уравнений (5.13) — (5.22) замкнута и позволяет найти такие характеристики процесса контактного плавления, как 0Н, <Э„, Ре, (}т, <ЭЖ, А, и в, ип, Р.

С этой целью разработан и реализован на ЭВМ алгоритм чис­ленного расчета процесса контактного плавления горных пород при бурении скважин. Результаты выполненных вычислений, ил­люстрирующих зависимость параметров процесса тепломассопере — носа от нелинейности теплофизических и реологических характе­ристик горных пород и их расплавов, представлены на рис. 5.3.

Анализ выполненных расчетов позволяет в каждом конкретном случае для различных типов горных пород выбрать режимы плав­ления, обеспечивающие минимальные потери тепловой энергии, т. е. позволяющие вести процесс с максимальным КПД [39,61,66].

Оставить комментарий