Ученые Томского политехнического университета разработали технологию энергоэффективной безбойковой гидроимпульсной машины, которая поможет сделать механизмы бурения более дешевыми и выносливыми. Исследования опубликованы в журнале "Известия ТПУ".
Буровые и породоразрушающие работы ведутся в различных отраслях (добыча полезных ископаемых, прокладка подземных коммуникаций, строительство, космические программы). Тем не менее в процессе горизонтально-направленного бурения скважин часто возникают проблемы, связанные с необходимостью преодоления включений или горных пород высокой твердости. Это требует использования рационального способа их разрушения.
Ударные механизмы современных буровых установок формируют силовые импульсы нерациональной формы, которая не учитывает свойства горной породы к сопротивлению для ее разрушения. Такая форма силовых импульсов и кратковременность их воздействия на горную породу снижает глубину внедрения в нее коронки и формирует волну растяжения, разрушающую буровой инструмент.
В связи с этим возникла необходимость в разработке принципиально нового формирователя силовых импульсов, соответствующих процессу сопротивления горной породы.
"При бестраншейной прокладке трубопроводов неизвестно, что встретится на пути, - пояснил один из авторов изобретения профессор отделения нефтегазового дела ТПУ Лев Саруев. - В городе может попасться все, что угодно, даже бетонная плита. Вращательным бурением ее никак не пробуришь, будет износ коронки вращения, как на наждаке. А нужен удар, потому что удар создает усилие в сотни раз больше. И этот удар в виде импульса. У нас безударная система, но импульс получается как при ударе. И этой силы достаточно для того, чтобы разрушить твердые включения".
Если твердого включения нет, то достаточно вращения, и тогда гидроимпульсный механизм почти отключается, импульсы гаснут, потому что нет жесткости, нет сопротивления. А когда есть препятствие, он сам включается и разрушает его, потому что ему некуда деваться. То есть происходит автоматическое регулирование в зависимости от жесткости встречающейся породы.
"Двигатель приводит в действие пульсатор, поршневой насос, - рассказывает Лев Саруев. - Он качает жидкость - масло - в замкнутую полость и создает в этой полости давление. Давление передается на инерционную массу, которая двигается, подпружиненная, туда-сюда. В буровом инструменте создается силовой импульс".
Исследователи определили, что частота импульсов должна быть в два раза меньше, чем частота двигателя, который приводит в движение буровую установку. Двигатель, который создает вращение, дает три тысячи оборотов в минуту, а удары будут наноситься в два раза реже, то есть с частотой полторы тысячи оборотов.
"Это соотношение было получено случайно, без расчета, - рассказывает Лев Саруев. - Как говорится, Бог послал, параметры сошлись удачно, они обеспечили эту частоту, которая в два раза меньше частоты двигателя с гидропульсатором. И это основная особенность технологии".
По словам Льва Саруева, запаздывание массы объясняется параметрами механизма. В экспериментальной установке гидроимпульсный механизм выталкивает замкнутую гидравлическую систему, около 18 кубических сантиметров, и, выталкивая, создает давление, которое отталкивает подпружиненную массу - килограммов 100-200, она уходит в сторону пружины и накапливает энергию.
"По сравнению с массой поршня гидропульсатора, - продолжает ученый, - это масса большая, поэтому за счет инерционности она не может быстро двигаться и не успевает за частотой пульсатора, а встраивается на кратную частоту, в так называемую субгармонику. Субгармоника - это частота, кратная основной, вынужденной частоте. И вот масса, накапливая энергию, создает импульсы давления, а давление действует на площадь поршня, и, умножая давление на площадь, мы получаем силу, которая в виде импульса, то есть волны деформации, распространяется со скоростью звука по бурильной колонне к породоразрушающему инструменту".
Разработка обладает неоспоримыми преимуществами: массогабаритные характеристики, энергоэффективность, взрывобезопасность. Как считают ее авторы, технология позволит уменьшить стоимость буровых работ и увеличить межремонтные периоды (за счет отсутствия соударяющихся частей в приводе механизма). Мобильность установки обеспечивается за счет отсутствия компрессора или маслостанции.
На установку получен патент, ее аналогов нет ни в России, ни в мире. Ученые будут продолжать испытания, чтобы оптимизировать параметры. Серия практических экспериментов будет направлена на создание промышленного образца принципиально нового класса породоразрушающих машин.
Источник:
энергоинновация.рф