Гидродинамическая кавитация в энергосберегающих технологических процессах горнодобывающей отрасли

Гидродинамическая кавитация в энергосберегающих технологических процессах горнодобывающей отрасли

Гидродинамическая кавитация в энергосберегающих технологических процессах горнодобывающей отрасли

Ю.А. Жулай, ИТТС НАНУ

г. Днепропетровск, Украина

В.В. Зберовский ИГТМ НАНУ

г. Днепропетровск, Украина

А. А. Ангеловский, ПАО «Краснодонуголь»

г. Краснодон, Украина

И.Ф. Чугунков, ПАО «Краснодонуголь»

г. Краснодон, Украина

Выполнена оценка эффективности применения способов и средств, реализующих режим периодически срывной кавитации при бурении скважин, расширении диаметра обсадных труб, раскольматации водяных скважин и гидроимпульсного рыхления угольных пластов. Отмечено, что интенсификация технологических процессов и снижение энергопотребления достигается за счет преобразования стационарного течения жидкости в дискретно-импульсный поток и передачей высокочастотной гидроимпульсной вибрации непосредственно инструменту или массиву горных пород на поверхности скважины.

Виконано оцінку ефективності застосування способів і засобів, що реалізують режим періодично зривної кавітації при бурінні свердловини, розширенні діаметра обсадних труб, раскольматації водяних свердловин і гідроімпульсного розпушування вугільних шарів. Відзначено, що інтенсифікація технологічних процесів і зниження енергоспоживання досягається за рахунок перетворення стаціонарної течії рідини в дискретно-імпульсний потік і передачею високочастотної гідроімпульсної вібрації безпосередньо інструменту або масиву гірських порід на поверхні свердловини.

The estimation of efficiency of application of the ways and methods realising the eriodically stalling cavitation mode at well-drilling, expansion of casing pipes diameter, demudding of the water wells and hydropulse loosening of the coal layers is ecarried out. It is noticed that stimulation of technological processes and decrease of energy consumption are achieved through the transformation of a stationary fluid flow in a discrete-pulse flow and transfer of the high-frequency hydropulse vibrations directly to a tool or a rock mass at the surface of a well.

Внедрение энергосберегающих технологий, особенно в горнодобывающей отрасли, в настоящее время и в ближайшем обозримом будущем имеет решающее значение в хозяйственной деятельности предприятий. Перспективным технологическим процессом в этом направлении является получение и реализация дискретно-импульсной энергии большой мощности в потоке жидкости. Устройством, преобразующим стационарный поток течения жидкости в режим периодически срывной кавитации, является кавитационный генератор. Эти устройства позволяют изменять характер течения жидкости только за счет геометрических и режимных параметров, без использования каких-либо движущихся частей и дополнительных источников энергии. Генераторы типа трубки Вентури создают импульсы давления жидкости, в несколько раз превышающие давление на выходе насосной установки.

Примеры практического применения кавитационных генераторов по интенсификации и энергосбережению различных технологических процессов приведены в работе [1]. В металлурги для удаления окалины при горячей прокатке металла. в машиностроении для очистки поверхностей от заусениц, ржавчины и других загрязнений. в этих случаях энергопотребление снижается до 30%. В химической промышленности при эмульгировании жидкостей и производстве тонкодисперсных систем энергопотребление снижается более чем на 50%.

Целью данной работы является описание концептуальных подходов по использованию режимов гидродинамической кавитации и оценка эффективности технических средств гидроимпульсного воздействия в горнодобывающей отрасли.

Одним из таких направлений является применение режима периодически срывной кавитации в потоке технологической жидкости с преобразованием пульсаций давления в вибронагрузку рабочего инструмента.

Вторым направлением является гидроимпульсное воздействие непосредственно на горную породу в фильтрационной части шпура или скважины.

Технические средства, реализующие эти подходы, прошли полный комплекс исследований от лабораторных до опытно-промышленных испытаний.

1. БУРЕНИЕ СКВАЖИН

При сооружении скважин в твердых породах наиболее эффективен ударно-вращателъный способ бурения. Главным недостатком этого способа является наличие движущихся деталей, пружин и резиновых манжет, которые быстро изнашиваются в процессе эксплуатации. При этом эффективность бурения зависит от точности регулировки движущихся деталей, а период контроля и ревизии оборудования не превышает 25 часов.

Перспективным направлением, в котором эти недостатки исключены, является создание гидродинамических буровых снарядов (БС), схемы которых для кернового - а) и безкернового - б) бурения приведены на рис.1.

Рисунок 1. Принципиальная схема гидродинамического бурового снаряда: (а - бурение с отбором керна; б - безкерновое бурение):1 - буровая колонна; 2 - кавитационный генератор; 3 - разрушающий инструмент; 4 - скважина.    Рисунок 2. Копия осциллограммы записи параметров при испытаниях экспериментального образца гидравлического бурового снаряда на гидравлическом стенде: Р1 » 10 МПа, Р2/Р1 » 0,123.

В технологическом процессе генератор 2 преобразует стационарный поток в дискретно-импульсный, а энергия пульсаций промывочной жидкости в высокочастотные продольные виброускорения разрушающего инструмента 3. Указанные БС прошли исследования в экспериментальных условиях [2] и в условиях сооружения гидрогеологических и геологоразведочных скважин.

На рисунке 2 приведена копия участка осциллограммы с записью гидродинамических параметров экспериментального образца БС при его испытаниях на гидравлическом стенде. К параметрам относятся: Р1 - давление на входе в кавитационный генератор; Р2 - давление в трубопроводе за кавитационным генератором; а1, а2 - виброускорения в сечениях до и после кавитационного генератора; а3 - виброускорение на корпусе имитатора разрушающего инструмента.

Результаты этих испытаний показали, что в трубопроводе БС за генератором реализуется режим периодически срывной кавитации с частотами в диапазоне 70…3000 Гц и размахом колебаний давления жидкости DР2 до 2,7 Р1. Под размахом кавитационных колебаний давления жидкости понимается разница максимального и минимального значения давления в импульсе DР=Pmax-Pmin. Максимальные значения виброускорений на корпусе имитатора разрушающего инструмента составили 1600 g (при Р1»5 МПа) и 2700 g (при Р1»10 МПа). Установлено, что повышение давления подачи промывочной жидкости приводит к росту виброускорений и их частоты на разрушающем инструменте.

Эффективность бурения с вибронагрузкой на разрушающий инструмент была подтверждена при сооружении гидрогеологических скважин большого диаметра. Анализ бурения скважины диаметром 190 мм показал, что при работе БС скорость бурения по сравнению с роторным способом возрастает до 71,5 %. При этом износ разрушающего инструмента и энергозатраты снижаются до 30 %.

На основании полученных результатов были созданы гидродинамические БС для бурения геологоразведочных скважин диаметром 76 мм. Сопоставление данных испытаний показало, что по сравнению с гидроударником Г76ВО, гидродинамический БС с коронкой 02ИЗ обеспечил на 15,8% рост скорости бурения и на 13,2% рост ресурса работы коронки. При использовании алмазных коронок типа А4ДП рост скорости бурения составил 26,7 %, а ресурс коронки увеличился на 11,8%. Анализ затрат мощности на вращение бурового инструмента показал их снижение при работе гидродинамического БС до 20 % на всех режимах бурения. Сравнительный анализ надежности работы гидродинамического БС и гидроударника Г76ВО показал следующее. За период испытаний было отмечено 4 отказа гидроударника и проведено 10 сборок-разборок для регулировки и замены его деталей. В то же время, за весь период испытаний гидродинамического БС не произошло ни одного отказа в работе. Осмотром основных деталей БС установлено отсутствие их износа. Ресурс работы гидродинамического БС значительно превысил ресурс гидроударника. Кроме этого БС обеспечил стабилизацию и устойчивость буровой колонны при бурении скважин до глубины 522,5 м.

. РАСШИРЕНИЕ ДИАМЕТРА ОБСАДНЫХ ТРУБ

Фирма «Weatherfopd» традиционно использует гидравлический способ расширения обсадных труб путем подачи высоконапорного потока жидкости под расширительный кон (конус - инструмент для расширения труб). Из практики известно, что на саму операцию расширения труб расходуется около 50 % энергии жидкости. Остальная часть энергии расходуется на преодоление сопротивления трения. Для снижения сил трения при перемещении кона используется дорогостоящая смазка MSDS с молибденовыми присадками, что приводит к значительным экономическим затратам. Одним из путей уменьшения сопротивления трению является применение гидродинамического вибратора (ГДВ) для наложения вибронагрузки на расширяющий кон.

Исследования [4] показали, что на выходе генератора наблюдаются ударные колебания давления жидкости Р2 (рис. 3). Такой вид колебаний обусловлен возникновением в проточной части гидровибратора режима периодически срывной кавитации. На расширяющем коне реализуются виброускорения (рис. 4).

Рисунок 3. Копия осциллограммы записи параметров работы ГДВ. Р1=40 МПа, Р2=8,2 МПа       

Рисунок 4. Зависимость вибронагрузки на корпусе кона от режима работы ГДВ

Вибронагрузки, как в осевом, так и в радиальном направлении, реализуются в диапазоне изменения параметра кавитации t=0,15…0,6. На этом же рисунке приведена зависимость вибронагрузки кона при расширении трубопровода под давлением Р1=21 МПа.

Оценка эффективности применения ГДВ в технологическом процессе проводилась на образцах сертифицированных стальных труб с наружным диаметром 133 мм и толщиной стенки 6 мм при следующих условиях:

опыт 1 - статическое воздействие без смазки;

опыт 2 - статическое воздействие со смазкой MSDS;

опыт 3 - гидроимпульсный способ, при котором реализуются пульсации давления жидкости на выходе генератора;

опыт 4 - гидроимпульсный способ, при котором реализуются вибронагрузки на коне [5].

На рисунке 5 представлены совмещенные копии участков осциллограмм средних значений давления перед коном при различных условиях проведения эксперимента. Наружный диаметр труб после расширения составил от 150,18 мм до 150,62 мм с толщиной стенки 5,7 мм, при эллипсности труб в пределах 0,09…0,44.

Рисунок 5. Совмещенные копии участков осциллограмм

Результаты исследований показали, что гидроимпульсное расширение труб с реализацией вибронагрузки на коне, по сравнению с расширением статическим воздействием, до 93 % снижает сопротивление трения. Значение давления, при котором происходит начало движения кона с последующим расширением трубы, уменьшается с 26,9 МПа до 14,4 МПа. В отличие от статического воздействия гидроимпульсный способ предотвращает заклинивание кона, появление задиров и наклепов, снижает энергопотребление до 40%.

3 Восстановление ПРОДУКТИВНОСТИ ВОДЯНЫХ СКВАЖИН

В процессе функционирования скважины происходит кольматация её продуктивной части. Для увеличения дебита скважины или восстановления её работы необходимо проведение комплекса мер по раскольматации прискважинной зоны. Для этого применяются различные способы и средства воздействия на скважину или вмещающие породы. Это - чистка стенок скважин шарошечными долотами, откачки эрлифтом, механическое воздействие вибраторами на колонну с фильтром, создание гидравлических ударов при использовании пневматических (низкочастотных) устройств, кислотное воздействие на фильтр, взрыв в районе фильтра или в зоне водоносного горизонта. В последние годы начали применяться гидравлические свистки и магнитострикционные генераторы ультразвуковых колебаний.

Не вдаваясь в анализ перечисленных способов и средств раскольматации скважин, отметим, что их недостатки определяют преимущества генератора колебаний давления жидкости. В генераторе нет подвижных частей, ему не требуется дополнительный источник энергии, при этом он имеет более длительный ресурс работы.

На рисунках 6 и 7 показаны схемы размещения наземного оборудования и установки кавитационного генератора (КГ) в скважинах [6]. Для контроля проницаемости пластов водоносного горизонта использовался технический параметр - дебит скважины.

По технологической схеме с запиткой от погружного насоса (рис. 6) была восстановлена работоспособность двух скважин диаметром 406 мм и глубиной около 25 м. В процессе работы проводилось сравнение эффективности раскольматации скважин. Изменение дебита фиксировалось при каждом замере до и после обработки. Вначале скважины были обработаны в режиме поступления всей воды через генератор при закрытом вентиле 3 и открытом 4. Дебит был повышен на 40%. Затем откачкой погружным насосом воды на слив обеспечивалась очистка скважины от частиц шлама. Далее, при одновременно открытых вентилях 3 и 4, насос работал на генератор и отбор воды в течение 68 часов. Общее повышение дебита составило 200%.

Рисунок 6. Схема раскольматации скважин с приводом кавитационного генератора от погружного насоса

Рисунок 7. Схема раскольматации скважин с приводом кавитационного генератора от автономного насоса

В скважинах диаметром 160 мм и глубиной 100 м (рис. 7) водоносный горизонт был перекрыт фильтровыми колоннами, выполненными в виде перфорированной трубы. Раскольматация обеспечивалось поинтервальным перемещением кавитационного генератора на высоту водоносного горизонта. Это связано с тем, что амплитуда колебаний давления по мере удаления от выхода из генератора и демпфированием в перфорациях фильтра падает.

После обработки скважин в течение 4 часов гидродинамическим способом их дебит увеличился до 110%.

4. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ гидрорыхления УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

До настоящего времени основным направлением по снижению пылеобразования и предотвращению внезапных выбросов угля и газа является нагнетание жидкости в угольные пласты. Практика ведения работ позволяет отметить, что применение в условиях больших глубин способов, основанных на статическом нагнетании жидкости малоэффективно. Широко применяемый способ гидрорыхления угольных пластов становится не технологичным и не обеспечивает увлажнение угля по всей мощности пласта.

Основным недостатком этого способа можно считать неуправляемый процесс трещинообразования и фильтрации жидкости по всей мощности слоев и пропластков, слагающих пласт. При расположении фильтрационной камеры в разгруженной зоне жидкость свободно фильтруется по трещинам в выработанное пространство. При расположении камеры в зоне или за зоной опорного давления происходит гидроразрыв и прорыв воды по одному из прослоев угольной пачки или гидроотжим краевой части пласта.

Одним из перспективных направлений, позволяющим исключить эти недостатки, является импульсное нагнетание жидкости в режиме периодически срывной кавитации. В настоящее время Институтом геотехнической механики НАН Украины совместно с ПАО «Краснодонуголь» ведутся горно-экспериментальные работы по исследованию параметров гидроимпульсного рыхления выбросоопасных угольных пластов k2н, k2+k2в, i31. Пласты имеют сложное многопачечное строение (рис. 8) и отнесены к опасным по внезапным выбросам угля и газа.

угольный пласт бурение скважина

1 - кровля пласта; 2 - верхняя пачка пласта; 3 - прослой углистого сланца; 4 - нижняя пачка пласта; 5 - прослой углистого сланца; 6 - прослой угольного пласта; 7 - прослой углистого сланца; 8 - прослой угольного пласта; 9 - почва пласта

Рисунок 8. Строение пласта k2н гор. 617м СП «Шахтоуправление «Молодогвардейское» ПАО «Краснодонуголь»

Кроме этого, угольные прослои имеют различные характеристики, строение и структуру (табл. 1). Гидрорыхление этих пластов по нормативной методике не дало ожидаемых результатов, поэтому при проведении выработок комбайнами в опасных зонах применяются буровзрывные работы в режиме сотрясательного взрывания.

Таблица 1 - Краткая характеристика угля в слоях и прослоях, слагающих пласт k2+k2В

Анализ сложного строения и свойств угольных пластов, например k2+k2В, подтверждает, что по нормативной схеме гидрорыхления эффективная обработка пласта по всей его мощности практически не возможна. Для повышения эффективности гидрорыхления было разработано устройство гидроимпульсного воздействия (далее устройство) [7].

Гидродинамические параметры устройства были исследованы на модели скважины при давлении жидкости на входе кавитационного генератора от 5,0 МПа до 30,0 МПа с расходом жидкости 40…60 л/мин [8]. Установлено, что режим периодически срывной кавитации обеспечивает рабочий диапазон устройства по параметру кавитации t от 0,02 до 0,8. Непосредственно за генератором размах автоколебаний составляет 1,8…2,4 давления жидкости на входе в устройство, а частота - до 12,0 кГц. При удалении от диффузора генератора размах автоколебаний в фильтрационной части скважины снижается и на расстоянии 1,5…2,0 м составляет 1,1…1,6 давления подпора.

Горно-экспериментальные работы позволили оценить эффективность применения устройства при гидрорыхлении выбросоопасных угольных пластов сложного строения. Установлено, что при скорости нагнетания жидкости от 40 до 60 л/мин рациональное давление гидроимпульсного воздействия составляет 10…20 МПа. При технологической схеме гидроимпульсного рыхления через скважины диаметром 43 мм и длиной от 6,0 до 7,0 м с глубиной герметизации от 4,0 до 5,0 м проявление признаков гидроразрыва и газодинамических явлений не наблюдается. Зона разгрузки краевой части пласта достигает 10 метров.

Сравнение эффективности применения статического и импульсного режимов нагнетания жидкости показало, что при гидроимпульсном воздействии продолжительность гидрообработки пласта снижается до 50 %, расход жидкости до 60%, безопасная зона выемки угля возрастает с 6 до 10 метров, снижение энергозатрат на проведение мероприятий достигает 70 %.

ВЫВОДЫ

Явление кавитации, исследуемое в гидравлических системах как негативный и неуправляемый процесс, эффективно используется при интенсификации технологических процессов в других отраслях науки и техники. Примеры реализации дискретно импульсной энергии большой мощности в потоке жидкости, рассмотренные в данной работе, позволяют отметить следующее.

Эффективность технологических процессов достигается за счет применения кавитационных генераторов, которые позволяют с минимальными затратами передавать энергию импульса от источника непосредственно объекту разрушения. При этом не требуется дополнительных энергозатрат. Стационарное течение жидкости преобразуется в дискретно-импульсный поток непосредственно в устройстве и в виде высокочастотной гидроимпульсной вибрации передается инструменту или массиву горных пород.

Кавитационный генератор колебаний давления жидкости обладает рядом преимуществ перед другими техническими средствами волнового воздействия:

простота изготовления, отсутствие подвижных частей, дополнительных источников энергии, длительность ресурса, исключение передачи колебаний жидкости на насос;

конструкция кавитационного генератора органично вписывается в различные технологии и позволяет интенсифицировать их при более низких удельных энергозатратах, не требует трудоемкой доработки оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.   Pilipenko V.V.. Cavitation self-oscillations intensify technological processes / V.V.Pilipenko, I.K.Man’ko, V.A.Zadontsev // Proceedings of a Fluid Dynamics Panel Workshop. - Kiev, Ukraine. Report 827, 1998, - P.32-1-4.

2.   Дзоз Н.А. Экспериментальная оценка влияния конструктивных параметров бурового снаряда с кавитационным генератором колебаний жидкости на уровень вибронагрузки на породоразрушающем инструменте / Н.А. Дзоз, Ю.А. Жулай, Л.Г. Запольский // Матер. межд. конф. «Форум горняков-2005», т.2. - Днепропетровск, НГУ, 2005. - С.93-102.

. Дзоз Н.А. Интенсификация процессов бурения с использованием гидродинамической кавитации / Н.А. Дзоз, Ю.А. Жулай. // Горный информационно-аналитический бюллетень / МГГУ - М., 2008. - № 4. - С.290-296.

4.   Жулай Ю.А. Экспериментальное определение вибронагрузки на инструменте для расширения труб/ Жулай Ю.А., Ворошилов А.С. // Геотехническая механика: Межведомственный сб. научн. трудов / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2010. - Вып. 89. - С.34-40.

5.      Дзензерский В.А. Определение эффективности наложения вибронагрузки на инструмент для расширения труб / В.А.Дзензерский, Ю.А. Жулай, Н.М. Хачапуридзе, Д.А. Редчиц, А.С. Ворошилов // Импульсные процессы в механике сплошных сред. Материалы IX Междунар. научной конференции. Николаев 15-19 августа 2011. - C.329-332.

.        Дзоз Н.А. Инициирование водяных скважин путем кавитационного гидродинамического воздействия / Н.А. Дзоз, Ю.А. Жулай. // Горный информационно-аналитический бюллетень / МГГУ - М, 2008. - № 3. - С.345-350.

.        Пат. 87038 Украина, МКИ Е21F 5/02. Устройство для гидроимпульсного воздействия на угольний пласт/ Л.М. Васильев, Ю.А. Жулай, В.В. Зберовський, П.Ю. Моисеенко, Н.Я. Трохимец; заявитель и патентообладатель ИГТМ НАН Украини. -№ а 2007 10209/9822; заявл.13.09.07; опубл.10.06.09, Бюл. № 11.

8.   Жулай Ю.А. Решение концептуальных задач гидроимпульсного рыхления выбросоопасных угольных пластов в режиме периодически срывной кавитации / Жулай Ю.А., Зберовский В.В. // Збірник наукових праць НГУ України. - Дніпропетровськ: РВК НГА, 2010 - № 35, Том 2 - С. 246-253.