Эрлифтные снаряды

В настоящее время процесс бурения  скважин занимает значительный отрезок  времени (от нескольких месяцев до нескольких лет), причем около 50% времени занимают операции, связанные с ликвидацией  аварий. Наиболее распространенными  авариями являются: прихваты бурового снаряда осевшим шламом, прижоги коронок, затягивание бурового инструмента в "желоба" и т.д. Основая причина их возникновения – геологические осложнения (тектонические нарушения), которые приводят к различным степеням поглощения очистного агента, которое в свою очередь приводит к вышеперечисленным авариям. Для предупреждения и борьбы с этим явлением в настоящее время применяют различные способы: цементирование, тампонаж глиной, быстро-схватывающимся составом (БСС), промывка аэрированным раствором – однако эти действия не дают эффективного результата.

Обобщение причин поглощения жидкости и способов борьбы с ними позволило  сделать вывод, что одним из эффективных  средств бурения скважин в  условиях поглощения является использование  эрлифтных установок, обеспечивающих надежную промывку и очистку скважины от шлама. 
Кроме того, такой способ бурения, кроме экономии промывочной жидкости обладает еще рядом достоинств :

• повышает процент выхода керна;
• облегчает заклинивание керна в керноприемной трубе, что достигается отключением насоса и оседанием шлама;
• снижает затраты мощности насосного оборудования, т.к. при обратной промывке требуется меньшее количество промывочной жидкости.

Помимо вышеприведенных достоинств использование эрлифта дает ещё  ряд преимуществ: простота конструкции  позволяет изготовить эрлифтный насос в условиях геологоразведочных экспедиций, применение обычного породоразрушающего инструмента не требует специального режима бурения.

                                    ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК

Эрлифтные подъемники впервые были предложены в 1846 году Кокфордом в Пенсильвании и почти одновременно Сименсом в Англии. Но практическое применение эрлифт получил только с 1891 года. Эрлифт является одним из наиболее простых способов подъема жидкости. Принцип действия эрлифта основан на том, что в двух сообщающихся сосудах соотношение уровней жидкостей обратно пропорционально их удельным весам. При подаче воздуха по воздушным трубам в смеситель, расположенный ниже динамического уровня жидкости в скважине на 40-70 метров, образуется водовоздушная смесь (пульпа) удельный вес которой значительно ниже удельного веса воды. Водовоздушная смесь, из-за разности удельных весов поднимается по водоподъемным трубам к устью скважины и изливается в водосборник. Эрлифтная установка состоит из компрессора, воздушных труб, водоподъемных труб и смесителя.

В настоящее время существует 3 системы эрлифтов (рис. 1), отличающихся по взаимному расположению воздушных  и водоподъемных труб в скважине:

• 1) концентрически, когда воздух подается по воздушным трубам расположенным внутри водоподъемных, а пульпа поднимается по кольцевому зазору между трубами (центральная система или система Поле) (рис.1а);
• 2) воздушные и водоподъемные трубы располагаются в скважине параллельно друг другу ("рядом" или система Мамут) (рис. 1б);
• 3) концентрически, но воздух подается по кольцевому зазору между трубами, а пульпа поднимается по центральной водоподъемной трубе (система Сандерса).

Достаточно широкое применение нашли эрлифтные насосы для создания внутрискважинной циркуляции жидкости. Поскольку при спускоподъёмных операциях с двойной колонной труб эрлифта применяется обычный буровой инструмент, то разработаны конструкции соединений двойной колонны труб замками.Такой способ крепления эрлифтных труб позволяет ускорить спуско-подьемные операции, а также дает возможность при необходимости легко вынимать центральные трубки.

Всесоюзным научно-исследовательским  институтом методики и техники разведки (ВИТР) Министерства геологии разработаны  две конструкции эрлифтных снарядов, принципиально отличающихся выполнением внутренней воздухоподводящей трубы, которая может быть как металлической, так и гибкой полиэтиленовой. Снаряд эрлифтный СЭ-63,5 представляет собой колонну водоподъемных труб, внутри которой размещены металлические воздухоподающие трубки. Эрлифтные трубы собраны в секции (свечи). Внутренняя трубка предназначается для прохода сжатого воздуха и представляет собой собственно трубку (длина подгоняется при сборке свечи), с одной стороны которой вварена опорная втулка, а с другой - нарезана внутренняя резьба. С помощью втулки, имеющей наружную резьбу, внутренняя трубка закрепляется в переходнике. Снизу (в ниппеле) трубка закрепляется с помощью натяжного винта. Опорная втулка, трубка внутренняя и натяжной винт образуют единый канал для прохода потока воздуха. Герметизация внутренних трубок достигается за счет сжатия медных прокладок при сборке. Для предотвращения отжатия винта и для создания более надежной герметизации нижнего конца трубки , натяжной винт можно зажать круглой гайкой с наружной резьбой. В корпусе и в муфте равномерно по окружности положены цилиндрические каналы, предназначенные для прохода водовоздушной смеси через замковое соединение.

Известна конструкция эрлифтного насоса с резьбовым соединением, разработанная в ДонГТУ Неудачиным Г.И. и Пилипцом В.И. В конструктивном отношении эрлифтный насос состоит из муфты , переходника , удлинителя , внутренних водоподъемных труб , наружных воздухоподающих труб , патрубка для соединения внутренних труб в колонну длиной 9 м, ограничителей для фиксирования внутренних труб , штока с тремя уплотнительными резиновыми кольцами , цилиндра , смесителя .

Для предотвращения изгиба и поломок  внутренних труб на соединительном патрубке установлены три центрирующие планки. Наружные воздухоподающие трубы соединяются между собой в свечи муфтами, а свечи свинчиваются муфтами и ниппелями. При свинчивании двух свечей (длиной по 9,6 м) между собой, шток с резиновыми уплотнителями одной из внутренних труб, входит в цилиндр с другой трубы и , таким образом, осуществляется герметическое уплотнение внутренних водоподъемных труб. Смеситель представляет собой трубку диаметром 42 мм, в которой просверлено 200 отверстий диаметром 4 мм. Сборка и разборка двойной колонны труб производится в мастерских после изготовления или на буровой при необходимости замены труб или их соединений. Сборка и разборка осуществляются обычными буровыми ключами.В эрлифтном насосе Г.И.Неудачина и В.И.Пилипца использованы стандартные замковые соединения труб.

Насос состоит из водоподъемных  труб и воздушных трубок, ниппеля  замка с гильзой и муфты  замка с гильзой. Уплотнение воздушного канала достигается резиновой прокладкой , а также замковой резьбой. Воздух подается в смеситель по воздухо-подводящим трубкам через продольные канавки в замках. Сброс пульпы осуществляется через отводной шланг.

Данный эрлифтный насос разработан для труб диаметром 114 мм с высаженными внутрь концами и воздушных труб диаметром 25 мм. Для нормальной работы эрлифта необходимо использовать компрессор с давлением 0.6 - 0.8 МПа и производительностью 7 - 9 м³/мин. При таком давлении сжатого воздуха эрлифт обеспечит перепад давления промывочной жидкости 0.4 - 0.5 МПа при глубине опускания смесителя 70 - 80 м. Эрлифтные насосы с металлическими воздухоподводящими трубами имеют некоторые существенные недостатки, к которым следует отнести:

• сложность в сборке, которую предварительно необходимо осуществлять только на поверхности;
• невозможность применения водоподъемных труб диаметром менее 63,5 мм;
• невысокую надежность в эксплуатации, в виду частой поломки внутренних труб и нарушения герметичности соединений;
• уменьшенные сечения проходных каналов в замковых соединениях, которые снижают производительность эрлифта, вследствие значительных гидравлических сопротивлений в этих местах.

Эрлифт относится к одному из наиболее простых способов подъема  воды из скважин, однако ввиду того, что для работы эрлифта используется дорогой вид энергии - сжатый воздух, в стационарном водоснабжении эрлифт применяют преимущественно для  артезианских установок небольших  подач. Благодаря преимуществам  эрлифта, его широко применяют для  прокачки геолого-разведочных, артезианских и водопонижающих скважин с использованием передвижных компрессоров. Имеются примеры эффективного применения эрлифта для водопонижения при проходке вертикальных стволов. К другим недостаткам эрлифтов можно отнести:

• низкий к.п.д., который не превышает 20-22%;
• большую металлоемкость;
• сложное компрессорное хозяйство;
• необходимость в большом погружении смесителя под динамический уровень жидкости в скважине;
• резкое возрастание потребного расхода воздуха, мощности компрессора и снижение к.п.д. при увеличении глубины уровня откачиваемой жидкости;
• трудность создания нескольких понижений в процессе опытных откачек;
• для замера дебита скважины необходимы специальные устройства с целью дегазации.

К достоинствам эрлифта относится:

• простота оборудования скважины;
• возможность откачки жидкости с большим содержанием твердой фазы;
• отсутствие движущихся частей;
• возможность использования в искривленных и направленных скважинах.

Подача и напор эрлифтных установок зависит от типа применяемого компрессора, глубины залегания динамического уровня жидкости и диаметра водоподъемных труб. Подача эрлифтов, при применении передвижных установок типа ДК-9М, составляет до 100 м³/ч, а напор до 120 м. При откачке воды из скважины дебит регулируется путем увеличения или уменьшения количества подаваемого в эрлифтный насос воздуха или глубины погружения смесителя эрлифта. Для мелких скважин и для скважин с низким динамическим уровнем эрлифт мало эффективен.

ПЕРЕЧЕНЬ РЕШАЕМЫХ В РАБОТЕ ЗАДАЧ

В соответствии с вышеприведенными проблемами предусматривается разработка эрлифтного снаряда, который бы совмещал в себе все преимущества своих "собратьев" и по возможности исключал их недостатки. Таким образом, для достижения поставленной цели, существует необходимость в улучшении узла крепления внутренних трубок и их герметизацию, увеличить проходные каналы труб.

Кроме того, целесообразно предусмотреть  возможность подачи водовоздушной смеси через гладкие внутренние трубы, а в качестве воздухоподающего канала использовать зазор между трубами. Такая конструкция позволит облегчить работу и повысить эффективность эрлифта. Данные задачи, в какой-то степени, уже были решены в эрлифтной установке, разработанной на кафедре ТТГР ДонНТУ, но данный снаряд ещё имеет ряд недостатков.

На основании уже достигнутых  успехов предусматривается устранить  недостатки эрлифтного снаряда кафедры ТТГР и разработать новый эрлифтный снаряд для бурения скважин технического назначения. За аналог проектируемого снаряда взята эрлифтная установка кафедры.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Перед непосредственной разработкой  эрлифтного снаряда были написаны две программы для установления экспресс оценки основных параметров эрлифтных установок. Данные программы написаны на языке программирования DELPHI и включают в себя две методики расчета.

Первая программа выполняет расчет по методике Гейера В.Г. [4], согласно которой давление компрессора, необходимое для пуска эрлифта в работу должно быть (формула 2.11):

где Рпуск – давление компрессора, необходимое для пуска эрлифта, Па; 
ρ – плотность рабочей жидкости, кг/м³; 
g – ускорение свободного падения, м/с²; 
h – геометрическое погружение смесителя, м ; 
dв – внутренний диаметр воздухопровода, м ; 
Dп – диаметр подъемной трубы, м .

·  Рабочее давление эрлифта определяется по формуле 3.2:

где Рраб – рабочее давление эрлифта, Па; 
ρп – плотность пульпы, кг/м³; 
Hm – высота столба жидкости, м; 
ΔРподв – потери давления в соединениях и трубах, Па.

Данный рисунок аниммирован, для его  просмотра необходимо обновить страницу !

·  Удельный расход воздуха определяется по формуле 2.32:

где q – удельный расход воздуха, м³/м³; 
α – относительное погружение смесителя, м; 
Ра – атмосферное давление, Па (Ра=101325 Па).

·  Подача эрлифта определяется по формуле 2.41:

где Qэ – подача эрлифта, м³/с; 
φ – коэффициент сопротивления; 
Dп – диаметр подъемной трубы эрлифта, м; 
qп – удельный расход воздуха, приведенный к среднему манометрическому давлению по длине подъемной трубы эрлифта, м³/м³.

·  Расход воздуха определяется по формуле 4.3:

где Qв – расход воздуха, м³/с.

·  Возможная высота подъема жидкости определяется по формуле 3.1:

где Н – Возможная высота подъема  жидкости, м.

·  Скорость движения гидросмеси в подъемной трубе определяется по формуле 4.15:

где Un – скорость движения гидросмеси в подъемной трубе, м/с; 
Uн – начальная скорость движения гидросмеси, м/с; 
Кз – коэффициент запаса; 
dm – максимальный размер твердой фазы, м; 
Dn – диаметр подъемной трубы, м; 
Cтр – коэффициент сопротивления движению твердого тела при транспортной скорости гидросмеси; 
ρт – плотность твердого материала (породы), кг/м³;

 

·  Cкорость в подводящем трубопроводе определяется формулой 4.18: