طراحی و تجزیه و تحلیل عددی مته چرخش معکوس هوا با قطر بزرگ برای حفاری چکش هوا با گردش معکوس
 

 

حفاری چکشی هوا با گردش معکوس (RC-DTH) یک روش سریع و مقرون به صرفه برای حفاری سنگ سخت است. از آنجایی که مته RC هوا قلب سیستم حفاری چکشی هوا RC-DTH برای تشکیل گردش معکوس است، یک مته RC با قطر بزرگ با توجه به توانایی مکش به طور ابتکاری طراحی شده و از نظر عددی بهینه شده است. نتایج نشان می دهد که افزایش زاویه ارتفاع مکش-نازل و زاویه انحراف می تواند توانایی مکش مته را بهبود بخشد. عملکرد مته زمانی که نرخ جریان هوا حدود 1.205 کیلوگرم بر ثانیه بود به حالت بهینه خود می رسد، پس از آن با افزایش نرخ جریان جرم هوا، روند تغییر معکوس را نشان می دهد. قطر بهینه نازل های مکنده برای مته مورد مطالعه در این کار 20 میلی متر است. مته RC با قطر بیرونی 665 میلی متر و چکش بادی RC-DTH با قطر بیرونی 400 میلی متر ساخته شد و یک آزمایش صحرایی انجام شد. نتایج آزمایش میدانی نشان می‌دهد که میزان نفوذ با استفاده از روش حفاری چکش هوایی RC-DTH بیش از دو برابر روش حفاری چرخشی معمولی است. این رویکرد حفاری پتانسیل بزرگی را برای حفاری سنگ سخت با قطر بزرگ اعمال می‌کند که در بخش‌های بالایی چاه بالای تشکیل مخزن تولید پتانسیل برای حفاری نفت و گاز زمینی، حفاری زمین گرمایی و عملیات حفاری میدانی مربوطه اعمال می‌شود.

 

 

1 مقدمه

حفاری چکشی هوای پایین سوراخ (DTH) به عنوان یکی از کارآمدترین روش‌های حفاری برای حفاری سنگ سخت در نظر گرفته می‌شود. 1-3 در حفاری چکشی هوای DTH، سوراخ‌های مستقیم‌تر و هزینه‌های پایین در هر متر با عمل ضربه‌ای مکرر حاصل می‌شود. و بارهای ضربه ای بالا در درج های بیت. 4، 5 زمان تماس درج مته با سازندهای سنگی معمولاً حدود 2٪ از کل زمان عملیاتی است که منجر به وزن لحظه ای بالاتر (WOB) می شود، حتی اگر میانگین WOB در سطح پایین تری حفظ می شود. 6-8 همچنین پتانسیل را برای اهداف حفاری لرزه ای (SWD) و مشخص کردن شرایط حفاری نشان داده است. از آنجایی که سیال گردشی به دلیل فشارهای پایین حفره پایین حلقوی منجر به نرخ نفوذ بالاتر (ROP) می شود. همچنین، حفاری سازندهای پتانسیل تولید کننده با استفاده از فشار سوراخ پایین حلقوی که زیر فشار منفذ سازند است، می تواند آسیب سازند را که می تواند بر موارد زیر تأثیر بگذارد، از بین ببرد. با توجه به مزایای ذکر شده، حفاری چکشی هوایی DTH به طور گسترده در معدن استفاده شده است و همچنین به عملیات حفاری نفت و گاز گسترش یافته است، زیرا مخازن نفت و گاز بیشتر و بیشتر در زیر سازندهای سنگ سخت قرار دارند.

 

چکش هوا با گردش معکوس پایین سوراخ (RC-DTH) یک ابزار نوآورانه حفاری چکشی DTH است که توسط هوا هدایت می شود. 12 مته مته با ساختار مخصوص طراحی شده، متفاوت از سیستم چکش هوایی معمولی DTH، بخش های کلیدی RC- است. سیستم چکش هوای DTH، و لوله های مته دو جداره، گذرگاه های حمل و نقل را برای هوای فشرده و برش های مته ایجاد می کنند. 13 در حین حفاری، هوای فشرده به حلق لوله های دو جداره تزریق می شود و چکش هوای RC-DTH را به حرکت در می آورد. برای اجرای ضربات با فرکانس بالا بر روی مته با گردش معکوس (RC) که در آن گردش معکوس تشکیل می شود. 14 ویژگی بارز این روش حفاری ترکیبی از حفاری ضربه ای با تکنیک حفاری RC هوا است.

 

به طور معمول، در یک حفاری با گردش مستقیم هوا، هوای فشرده از طریق گذرگاه مرکزی لوله‌های مته به کف چاه وارد می‌شود، سپس هوای خروجی، برش‌های مته را از طریق فضای حلقوی که توسط لوله‌های مته و دیواره سوراخ تشکیل شده است، به بیرون می‌آورد. در حالی که در حفاری RC هوا، هوای فشرده از طریق چرخاننده دو جداره وارد فضای حلقوی لوله های مته دو جداره می شود. هوای خروجی که قلمه های مته را حمل می کند به جای فضای حلقوی تشکیل شده توسط لوله مته بیرونی و دیواره گمانه از طریق گذرگاه مرکزی لوله های مته داخلی به سطح باز می گردد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، سطح مقطع گذرگاه مرکزی (دایره زرد b) سیستم حفاری RC هوا بسیار کوچکتر از سطح مقطع آنولوس (حلقه سبز a) است. با توجه به حداقل حجم مورد نیاز برای حفاری هوا، متقاعد شده است که حداقل سرعت حرکت هوا (شرایط استاندارد) حدود 15.2 متر بر ثانیه برای برآوردن حمل و نقل قلمه های مته است. مطالعه انجام شده توسط Sharma و Chowdhry16 همچنین نشان داد که تنها نگه داشتن هوا با سرعت حرکت معقول می تواند قلمه های مته را به طور موثر منتقل کند. بدیهی است که حفاری RC هوا برای رسیدن به سرعت حرکت آستانه بسیار آسان تر است زیرا برش های مته حامل هوا در گذرگاه مرکزی جریان دارد تا فضای حلقوی بین شمع حفاری و دیواره گمانه. حفاری سوراخ با قطر بزرگ یک مزیت متمایز برای حفاری RC هوا است که به طور قابل توجهی هزینه و زمان عملیات را کاهش می دهد. علاوه بر این، از آنجایی که هوا و برش های حفاری خارج شده از لوله تخلیه را می توان مستقیماً به داخل برش ها و واحد جمع کننده گرد و غبار که دور از محل مته قرار دارد هدایت کرد، محیط عملیاتی بهبود می یابد و جو عاری از روغن است، بنابراین کارگران مته را با مشکل مواجه می کند. تجهیزات از تهدید گرد و غبار حفاری.14، 21

 

 

 

 

 

شکل 1

شماتیک روش حفاری با گردش معکوس هوا

 

 

در سیستم حفاری چکشی هوا RC-DTH، مته RC بخش کلیدی برای تشکیل گردش معکوس هوا است. بیشتر تلاش‌های قبلی در حفاری چکشی هوایی RC-DTH بر عملکرد مته‌های با گردش معکوس با هدف دستیابی به طراحی بهتر برای افزایش قابلیت گردش معکوس متمرکز بود. تلاش‌های نشان‌دهنده شامل یک مته RC با نازل‌های مکنده بر روی دنده‌ها است. عملکرد کنترل گرد و غبار یک مته RC که توسط لو و همکاران بررسی شده است. تجزیه و تحلیل عملکرد یک مته RC با یک ژنراتور چرخشی. و مته RC با نازل های چند مافوق صوت. 14، 20، 22، 23 قطر این مته های RC مورد مطالعه در این کار قبلی بین 80 تا 200 میلی متر بود. ارزیابی پتانسیل کاربرد و تجزیه و تحلیل عملکرد مته های RC با قطر بزرگ (بیش از 300 میلی متر) عمدتا ناشناخته باقی می ماند. به منظور بهبود توانایی RC مته با قطر بزرگ، اثرات پارامترهای نازل مکش بر عملکرد مته به صورت محاسباتی مورد مطالعه قرار گرفت و یک آزمایش میدانی برای اعتبارسنجی امکان‌سنجی آن انجام شد.

 

2 شرح مته RC

شکل 2 ساختار شماتیک مته RC را نشان می دهد. هوای فشرده از طریق نازل های مکش و نازل های فلاشینگ به گذرگاه مرکزی ابزار مته جریان می یابد. هوا وارد نازل های مکش می شود، جایی که جت هایی با سرعت جریان بالا تشکیل می دهد. مقداری از هوای مجاور به دلیل اثر پمپ جت به داخل جت ها وارد می شود و در نتیجه یک ناحیه فشار منفی در مجاورت جت ها ایجاد می شود. این اختلاف فشار بین پایین گمانه و ناحیه فشار منفی در داخل گذرگاه مرکزی می‌تواند نیروی بالابری را ایجاد کند که بر روی هوا و برش‌های حفاری زیر آن تأثیر می‌گذارد. در همین حال، هوای مخلوط با قلمه های مته به کمک جریان های جت خروجی از نازل های فلاشینگ که قلمه های مته را به داخل گذرگاه مرکزی می کشند، به طور مداوم به گذرگاه مرکزی ابزار مته مکیده می شود. این توانایی مکش برای ارزیابی عملکرد یک مته RC از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است و می‌تواند با نسبت بین نرخ جریان جرمی هوای وارد شده به فضای حلقوی بین لوله‌های مته و دیواره گمانه و نرخ کل جریان جرم ورودی نشان داده شود. .

 

 

 

 

 

شکل 2

ساختار شماتیک مته گردش معکوس هوا با قطر بزرگ

 

 

3 رویکرد شبیه سازی محاسباتی

3.1 دامنه و شبکه محاسباتی

مته گردش معکوس با قطر بیرونی 665 میلی متر مورد مطالعه قرار گرفت. این اندازه از مته با چکش بادی RC-DTH با قطر بیرونی 400 میلی متر مطابقت دارد. دامنه های محاسباتی توسط نرم افزار Altair HyperWorks ایجاد شده است. یک حوزه محاسباتی مشبک معمولی در شکل 3 نشان داده شده است. حوزه های محاسباتی عمدتاً از پنج بخش شامل نازل های مکش، نازل های فلاشینگ، فضای حلقوی بین دیواره های داخلی و خارجی مته، فضای حلقوی تشکیل شده توسط مته و گمانه تشکیل شده اند. دیوار و گذرگاه مرکزی ابزار مته. همه حوزه‌های محاسباتی به دلیل هندسه پیچیده حوزه‌ها با شبکه‌های بدون ساختار چهار وجهی مشبک شدند. سه تراکم سلول های شبکه برای تجزیه و تحلیل حساسیت شبکه مدل های مته استفاده شد. نتایج جدول 1 نشان می دهد که حداکثر اختلاف کمتر از 5 درصد است. از شبکه های متوسط ​​در محاسبات ما برای متعادل کردن هزینه زمان و دقت مدل استفاده شد.

 

 

 

 

 

 

شکل 3

یک مدل شبکه معمولی از میدان جریان داخلی مته با گردش معکوس و انواع شرایط مرزی

 

 

شبکه	تعداد سلول ها	سرعت جریان جرمی (کیلوگرم در ثانیه)
شبکه ریز	4 870 311	0.41897
شبکه متوسط	3 010 521	0.42015
شبکه درشت	1 546 375	0.43732
درصد تفاوت		4.4

جدول 1. تحلیل حساسیت شبکه برای حوزه های محاسباتی

 

 

3.2 معادلات حاکم و شرایط مرزی

در نظر گرفته می شود که جریان های داخلی هوا از اصول بقای جرم، تکانه و انرژی پیروی می کنند. معادله کلی حاکم [24] است:

 

 

 

جایی که ϕ نشان دهنده متغیر وابسته، u نشان دهنده بردار سرعت، Γ نشان دهنده ضریب انتشار، و S عبارت منبع کلی است.

 

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، ورودی هوا به عنوان شرایط مرزی Mass_flow_inlet تعریف شده است. سرعت جریان حجمی ابزار چکش هوا RC-DTH (قطر 400 میلی متر) از 30 تا 92 متر مکعب در دقیقه (شرایط استاندارد) متغیر است که مربوط به دبی جرمی 0.6025 تا 1.848 کیلوگرم بر ثانیه است. خروجی گذرگاه مرکزی و خروجی حلقه بین دیواره گمانه و ابزار مته به جو باز می شود. از این رو این دو خروجی به عنوان شرایط مرزی Pressure_outlet تعریف می شوند و فشار گیج روی صفر تنظیم می شود. سایر مرزهای حوزه محاسباتی به عنوان شرایط مرزی دیوار ثابت بدون لغزش تعیین شدند.

 

معادلات بقای پیوستگی و تکانه و معادله بقای انرژی با استفاده از Ansys Fluent حل شد. معادلات ناویر-استوکس برای جریان‌های تراکم‌پذیر همراه با مدل‌های آشفتگی مناسب برای پیش‌بینی جریان هوای داخلی اتخاذ شد. شبیه سازی جریان با استفاده از یک حل کننده مبتنی بر چگالی سه بعدی انجام شد. در این رویکرد، معادلات ناویر-استوکس حاکم به صورت متوالی با استفاده از روش‌های تکراری حل می‌شوند تا زمانی که مقادیر تعریف‌شده به همگرایی برسند. برای مقابله با جفت شدن سرعت و فشار، طرح الگوریتم معادلات مرتبط با فشار نیمه ضمنی (SIMPLE) که معادلات پیوستگی و تکانه را به معادله فشار مرتبط می‌کند، به دلیل دقت قابل‌توجه و برآورده کردن هم‌گرایی آسان اتخاذ شد. همچنین از مدل متلاطم استاندارد k-ε بر اساس معادلات انتقال مدل استفاده شد. شرایط همرفتی بر حسب انرژی جنبشی آشفته و نرخ اتلاف آشفته با گسسته سازی مرتبه دوم در جهت باد محاسبه شد، در حالی که شرایط انتشار با اختلاف مرکزی حل شد.

 

4 نتایج شبیه سازی و بحث

شکل 4 تغییرات فشار استاتیکی را در خط مرکزی گذرگاه مرکزی نشان می دهد. فشار استاتیک نزدیک خروجی های نازل مکش در جهت جت به طور قابل توجهی کمتر از فشار پایین گمانه است. فشار متفاوت به 20 کیلو پاسکال می رسد و نیروی بالابر مشخصی را ایجاد می کند که برش های مته را به طور موثر از کف گمانه خارج می کند. به منظور ایجاد یک گردش معکوس موثر، ساختار نازل های مکش باید به طور خاص طراحی شود. بنابراین، چهارده حوزه محاسباتی با پارامترهای مختلف نازل مکش ایجاد و مورد بررسی قرار گرفت. تأثیر نرخ جریان جرم هوای ورودی، قطر، زاویه ارتفاع و زاویه انحراف نازل‌های مکش بر توانایی گردش معکوس مته RC مورد مطالعه قرار گرفت. شکل 5 یک کانتور سرعت معمولی مته RC را نشان می دهد. همانطور که مشاهده شد، با جریان هوای فشرده به گذرگاه مرکزی، چندین گرداب در نزدیکی خروجی نازل‌های مکش و پایین گمانه رخ می‌دهد. گرداب های تشکیل شده در مجاورت خروجی نازل های مکنده، ناحیه ناحیه کم فشار را گسترش می دهند، با این حال، این گرداب ها همچنین منجر به هدر رفتن انرژی جنبشی جت های خروجی از نازل های مکش می شوند و در نتیجه اثر جابجایی جت ها تضعیف می شود. ، و به ناچار مانع عبور قلمه های مته از گذرگاه مرکزی می شود. در حالی که گرداب‌هایی که توسط جت‌ها از نازل‌های فلاشینگ در پایین گمانه خارج می‌شوند، می‌توانند قلمه‌های مته را تحریک کرده و به بلند کردن آنها به داخل گذرگاه مرکزی کمک کنند.

 

 

 

 

 

 

 

شکل 4

توزیع فشار استاتیک معمولی در خط مرکزی گذرگاه مرکزی مته

 

 

 

 

 

 

 

شکل 5

کانتور سرعت معمولی میدان جریان در داخل مته

 

 

4.1 تأثیر نرخ جریان جرم هوای ورودی بر توانایی مکش

نرخ جریان جرم هوای ورودی تنها پارامتری است که می توان در هنگام ساخت ابزار مته تنظیم کرد. علاوه بر این، با توجه به این واقعیت که یک چکش هوای DTH در بالای مته RC مونتاژ شده است، سرعت جریان جرم هوای عبوری از مته در طول زمان تغییر می کند. به طور کلی، نرخ جریان جرم هوا به دلیل حرکت پیستون چکش هوای DTH تغییر می کند. بررسی تأثیر نرخ جریان جرم هوای ورودی بر توانایی مکش مته می تواند راهنمایی هایی برای فرآیند حفاری ارائه دهد. شکل 6 تأثیر نرخ جریان جرم هوای ورودی را بر توانایی گردش معکوس نشان می دهد. در این گروه از شبیه سازی ها، برخی از پارامترهای ساختاری نازل های مکش شامل زاویه ارتفاع 60 درجه، قطر نازل مکش 18 میلی متر و زاویه انحراف 15 درجه ارائه شد. علاوه بر این، نازل‌های مکنده به صورت متقارن و محیطی بر روی دیواره گذر مرکزی توزیع می‌شوند و تعداد نازل‌های مکنده هر شش است. دبی جرم هوای مکیده شده از فضای حلقوی بین لوله‌های مته و دیواره گمانه با افزایش دبی جرم هوای ورودی افزایش می‌یابد و زمانی که دبی جرم هوای ورودی 1.205 کیلوگرم بر ثانیه باشد، به حداکثر خود می‌رسد و سپس هوای مکیده می‌شود. جرم حلقوی تشکیل شده توسط لوله های مته و دیواره گمانه با افزایش سرعت جریان توده هوای ورودی به سرعت کاهش می یابد. هنگامی که نرخ جریان توده هوای ورودی <1.205 کیلوگرم بر ثانیه است، افزایش سرعت جریان جرم هوای ورودی هوای ورودی می‌تواند سرعت تزریق جریان هوا از نازل‌های مکش را بهبود بخشد، که می‌تواند سرعت جریان جرم هوای مکیده را بهبود بخشد. در حالی که سطح مقطع گذرگاه مرکزی مته محدود است، هوای ورودی بیش از حد باعث افزایش مقاومت جریان هوا می شود و در نتیجه توانایی مکش مته را تضعیف می کند. همانطور که مشاهده شد، توانایی مکش (نسبت بین سرعت جریان جرم هوای مکش شده و ورودی) با افزایش دبی جرم هوای ورودی کاهش یافت. این ممکن است به تراکم پذیری هوا نسبت داده شود که انرژی بیشتری برای فشرده سازی هوا مصرف شده است.

 

 

 

 

 

شکل 6

تأثیر نرخ جریان جرم هوای ورودی بر ظرفیت گردش معکوس مته

 

 

4.2 تأثیر قطر نازل مکش بر توانایی مکش

هوای ورودی دارای دو مسیر برای تخلیه از فضای حلقوی لوله های مته دو جداره، نازل های مکش و نازل های فلاشینگ است. هنگامی که نرخ جریان جرم هوای ورودی داده می شود، نسبت بین سرعت جریان جرم هوا در نازل های مکش و نازل های شستشو با افزایش قطر نازل مکش افزایش می یابد. توانایی مکش مته RC زمانی افزایش می یابد که سرعت جت در سطح معینی حفظ شود. شکل 7 تأثیر قطر نازل مکش را بر توانایی گردش معکوس نشان می دهد. در این گروه از شبیه‌سازی‌ها، برخی پارامترهای ساختاری نازل‌های مکش شامل زاویه ارتفاع 60 درجه، زاویه انحراف 15 درجه و سرعت جریان جرم هوای ورودی 70 متر مکعب در دقیقه ارائه شد. هنگامی که قطر نازل های مکش کمتر از 20 میلی متر است، افزایش قطر نازل مکش باعث افزایش توانایی مکش مته می شود. هنگامی که قطر بزرگتر از 20 میلی متر باشد، توانایی مکش مته به طور قابل توجهی ضعیف می شود. تکانه جت‌های هوا که از نازل‌های مکنده منتشر می‌شوند، تأثیر غالب بر توانایی گردش معکوس مته را نشان می‌دهند. هنگامی که قطر نازل های مکش بزرگتر از 20 میلی متر باشد، دامنه کاهشی سرعت جت بر افزایش دامنه سرعت جریان جرمی در نازل های مکش غالب می شود و در نتیجه توانایی مکش مته را تضعیف می کند.

 

 

 

 

 

 

 

شکل 7

تأثیر قطر نازل مکش بر ظرفیت گردش معکوس مته

 

 

4.3 تأثیر زاویه ارتفاع نازل مکش بر توانایی مکش

زاویه ارتفاع نازل مکش به عنوان زاویه بین سطح مقطع گذرگاه مرکزی و خط مرکزی نازل مکش تعریف می شود. شکل 8 نشان می دهد که افزایش زاویه ارتفاع می تواند توانایی گردش معکوس مته را بهبود بخشد. جریان جت از نازل های مکنده برای همه نازل های مکش که در دیواره مته کج شده اند با یکدیگر تداخل دارند. این برخوردها بین جت ها منجر به مصرف انرژی و کاهش تکانه محوری جریان جت می شود و در نتیجه توانایی گردش معکوس مته را مختل می کند. هنگامی که زاویه ارتفاع نازل های مکش کوچکتر باشد، تداخل بین جریان های جت شدیدتر است.

 

 

 

شکل 8

تأثیر زاویه ارتفاع نازل مکش بر ظرفیت گردش معکوس مته

 

4.4 تأثیر زاویه انحراف نازل مکش بر توانایی گردش معکوس

زاویه انحراف نازل‌های مکنده نشان‌دهنده زاویه بین برآمدگی خط مرکزی یک نازل مکش در سطح مقطع گذرگاه مرکزی و جهت عادی دیواره گذر مرکزی در خروجی نازل مکش است. شکل 9 تأثیر زاویه انحراف نازل مکش را بر توانایی مکش نشان می دهد، با افزایش زاویه انحراف نازل های مکش، توانایی مکش مته به طور قابل توجهی افزایش می یابد. جریان هوا از نازل های مکش با زاویه انحراف می تواند جریان های چرخشی را در گذرگاه مرکزی ایجاد کند که توانایی مکش مته را بهبود می بخشد. علاوه بر این، جت های منحرف شده می توانند تداخل بین آنها را سرکوب کنند. با این حال، حداکثر مقدار برای زاویه انحراف توسط قطر مته محدود می شود و نمی توان آن را بی نهایت افزایش داد.

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 9

تاثیر زاویه انحراف نازل مکش بر ظرفیت گردش معکوس مته

 

 

 

5 آزمایش میدانی
 

به منظور بررسی میزان نفوذ با استفاده از چکش هوای RC-DTH در سازند سنگ سخت، مته با قطر خارجی 665 میلی متر و چکش هوای RC-DTH با قطر خارجی 400 میلی متر (RC-DTH 400) مورد بررسی قرار گرفت. ساخته شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که مقادیر بهینه پارامترهای نازل مکش برای مته RC با قطر بیرونی 665 میلی متر شامل قطر نازل مکش، زاویه ارتفاع و زاویه انحراف به ترتیب 20 میلی متر، 60 درجه و 20 درجه بود. با این وجود، پارامتر نازل مکش بیش از حد استحکام مته را تضعیف می کند. شش نازل مکش با قطر 18 میلی متر، زاویه ارتفاع 45 درجه و زاویه انحراف 10 درجه در نهایت برای اطمینان از عمر مفید مته انتخاب شدند. ساختار طراحی چکش بادی RC-DTH و تصویر عکاسی نمونه اولیه ساخته شده از ابزار چکش بادی RC-DTH در شکل 10 نشان داده شده است. هنگامی که چکش بادی RC-DTH کار می کند، حرکت پیستون را می توان تقسیم کرد. به دو فاز: فاز بک هاول و فاز استروک، و هر فاز مراحل ورودی هوا، انبساط هوا، فشرده سازی هوا و خروجی هوا را تجربه می کند. فشار اسمی هوا و دبی حجم اسمی هوا RC-DTH400 به ترتیب 1.8 مگاپاسکال و 92 متر مکعب در دقیقه است. فرکانس اسمی ضربه و سرعت ضربه پیستون به ترتیب 14.35 هرتز و 8.01 متر بر ثانیه است. سایر قطعات جانبی شامل لوله های مته دو جداره با قطر بیرونی 140 میلی متر، کیلی دو جداره، چرخان دو جداره نیز ساخته شد.

 

 

 

 

 

 

 

شکل 10

ساختار طراحی و تصویر عکاسی از ابزار چکش هوا با گردش معکوس

 

سایت آزمایش میدانی در فوشان، گوانگدونگ، چین واقع شده است. تشكيل محل آزمايش شامل خاك سست به ضخامت 99/3 متر، سيلتسنگ آرژيلاسه هوازده با ضخامت 17 متر و سيلت سنگ آرژيلاسه قرمز هوازده نشده در زير سيلت سنگ آرژيلاسه هوازده شده است. لایه سست خاک و لایه سیلتسنگ آرژیلوس هوازده به راحتی با استفاده از روش حفاری دوار معمولی حفاری می شوند. با این حال، نرخ نفوذ حفاری در سیلت سنگ آرژیلاس قرمز غیرقابل آب و هوا نسبتا کم است، <2 متر در ساعت می توان به آن رسید. و سرباره غرق شده به سختی تمیز می شود.

 

به منظور انجام آزمایش حفاری چکشی هوایی RC-DTH، لایه خاک سست و لایه سیلتستون آرژیلوس هوازده شده با روش حفاری دوار معمولی حفاری می شوند. سپس از سیستم حفاری چکشی هوایی RC-DTH برای حفاری سازند سیلتسنگ آرژیلاس قرمز غیرقابل آب و هوا استفاده شد. طرح سیستم آزمایش میدانی در شکل 11 نشان داده شده است. یک کمپرسور هوا ساخت اطلس کوپکو با حداکثر دبی حجمی هوا 34 متر مکعب در دقیقه و فشار اسمی هوا 30 بار و یک کمپرسور هوا ساخت اینگرسول رند با حداکثر حجم هوا. دبی 5/25 متر مکعب بر دقیقه و فشار اسمی هوا 24 بار برای تامین هوای فشرده استفاده شد. برای روانکاری پیستون از یک روانکار استفاده شد. دکل حفاری دوار SD20E ساخته شده توسط Guangxi Liugong Group Co., Ltd. برای تامین نیروی چرخشی و WOB در فرآیند حفاری استفاده شد.

 

 

 

 

شکل 11

طرح بندی سیستم آزمون میدانی

 

 

دو گمانه آزمایشی حفر شد و حداکثر عمق گمانه 50.8 متر است. حداکثر ضریب نفوذ 6.0 متر در ساعت در فرآیند حفاری مشاهده شد و میانگین ضریب نفوذ در شرایط دبی حجمی هوا و فشار هوا زیر مقادیر اسمی 4.5 متر در ساعت است. آزمایش‌های میدانی نشان داد که مته RC می‌تواند به وضعیت گردش معکوس خوبی برسد حتی اگر پارامترهای نازل مکش بهینه نبودند. در فرآیند شستشوی گمانه هیچ سرباره غرق شده ای یافت نشد. همانطور که در شکل 12 نشان داده شده است، هوا و گرد و غبار کمی از فضای حلقوی ابزار مته و دیواره گمانه خارج می شد. قلمه‌های مته‌ای که به سطح بازگردانده می‌شوند، عمدتاً ذرات متوسط ​​تا بزرگ هستند. علاوه بر این، در فرآیند شستشوی گمانه، سرباره غرق‌کننده‌ای یافت نمی‌شود و برش‌های مته می‌توانند به طور مداوم به سطح برگردند. می توان نتیجه گرفت که سیستم حفاری چکش هوایی RC-DTH در شرایط کاری خوب بوده و عملکرد فوق العاده ای را در حفاری گمانه با قطر بزرگ نشان می دهد.

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 12

تصاویر عکاسی از محاکمه میدانی. A، گردش معکوس تشکیل شده در فرآیند حفاری؛ ب، قلمه های حفاری؛ ج، فرآیند شستشوی گمانه؛ د، دهانه لوله تخلیه با جریان های پاشیده شده

 

 

6 نتیجه گیری

به منظور بهبود نرخ نفوذ و به دست آوردن عملیات حفاری سازگار با محیط زیست، روش حفاری چکشی هوایی RC-DTH برای حفاری سازندهای سخت فوقانی بالای تشکیل مخزن پتانسیل تولید پیشنهاد شد. مته RC به عنوان بخش کلیدی سیستم حفاری چکش هوایی RC-DTH برای تحقق گردش معکوس، یک مطالعه پارامتریک بر روی مته RC با قطر 665 میلی متر انجام شد. نتایج نشان می دهد که افزایش زاویه ارتفاع و زاویه انحراف نازل مکش می تواند توانایی گردش معکوس مته را بهبود بخشد. توانایی گردش معکوس مته زمانی که نرخ جریان جرم هوای ورودی 1.205 کیلوگرم بر ثانیه باشد به حداکثر خود می رسد، پس از آن با افزایش نرخ جریان توده هوای ورودی بدتر می شود. مته با قطر خارجی 665 میلی‌متر و چکش بادی RC-DTH با قطر بیرونی 400 میلی‌متر ساخته شد و آزمایش میدانی انجام شد. نتایج آزمایش میدانی نشان می دهد که توانایی گردش معکوس مته RC طراحی شده با قطر بزرگ خوب است و حداکثر نرخ نفوذ در آزمایش میدانی 6.0 متر بر ساعت بود که می تواند زمان و هزینه عملیات حفاری را به طور چشمگیری کاهش دهد.

 

قدردانی
 

این کار توسط برنامه توسعه تحقیقات کلیدی دولتی چین (گرنت شماره‌های 2016YFC0801402 و 2016YFC0801404)، پروژه بزرگ ملی علم و فناوری چین (گرنت شماره 2016ZX05043005)، بنیاد ملی علوم طبیعی چین (5016 Grant No704) تأمین مالی شد. ). ما می‌خواهیم از بازبینان ناشناس برای توصیه‌های فوق‌العاده‌شان قدردانی کنیم.