>
>
2024-10-09
يعد الحفر بمطرقة الهواء ذات الدوران العكسي (RC-DTH) طريقة سريعة وفعالة من حيث التكلفة لحفر الصخور الصلبة. نظرًا لأن لقمة الحفر RC الهوائية هي قلب نظام الحفر بمطرقة الهواء RC-DTH لتشكيل الدوران العكسي، فقد تم تصميم لقمة الحفر RC ذات القطر الكبير بشكل مبتكر وتحسينها رقميًا فيما يتعلق بقدرة الشفط. أظهرت النتائج أن زيادة زاوية ارتفاع فوهة الشفط وزاوية الانحراف يمكن أن تحسن من قدرة الشفط لقمة الحفر. يصل أداء لقمة الحفر إلى حالته المثالية عندما يكون معدل تدفق الهواء حوالي 1.205 كجم/ثانية، وبعد ذلك يُظهر اتجاهًا عكسيًا للتباين مع زيادة معدل تدفق كتلة الهواء. القطر الأمثل لفوهات الشفط هو 20 ملم لقمة الحفر التي تمت دراستها في هذا العمل. تم تصنيع لقمة الحفر RC ذات القطر الخارجي 665 مم والمطرقة الهوائية RC-DTH بقطر خارجي 400 مم وتم إجراء تجربة ميدانية. تظهر نتائج الاختبار الميداني أن معدل الاختراق باستخدام طريقة الحفر بمطرقة الهواء RC-DTH هو أكثر من ضعف طريقة الحفر الدوارة التقليدية. يشكل أسلوب الحفر هذا إمكانات كبيرة لحفر الصخور الصلبة ذات القطر الكبير المطبق في الأجزاء العلوية من حفرة البئر فوق تكوين الخزان المنتج المحتمل لحفر النفط والغاز الأرضي، والحفر بالطاقة الحرارية الأرضية وعمليات الحفر الميدانية ذات الصلة.
1 مقدمة
يعتبر الحفر بمطرقة الهواء (DTH) أحد أكثر طرق الحفر كفاءة لحفر الصخور الصلبة. 1-3 في الحفر بمطرقة الهواء DTH، يتم تحقيق ثقوب أكثر استقامة وتكاليف منخفضة لكل متر من خلال إجراء القرع المتكرر وأحمال عالية التأثير عند إدخالات لقمة الحفر.4، 5 يكون وقت ملامسة إدخالات لقمة الحفر مع التكوينات الصخرية عادةً حوالي 2% من إجمالي وقت التشغيل، مما يؤدي إلى زيادة الوزن الفوري على لقمة الحفر (WOB)، على الرغم من أن يعني الحفاظ على WOB عند مستوى أقل.6-8 وقد أظهر أيضًا إمكانية لأغراض الزلزالية أثناء الحفر (SWD) وتحديد ظروف الحفر.9، 10 بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع طرق الحفر الطينية التقليدية، باستخدام الهواء نظرًا لأن مائع التدوير يؤدي إلى ارتفاع معدل الاختراق (ROP) بسبب انخفاض ضغوط ثقب قاع الحلقة. 11 علاوة على ذلك، فإن حفر التكوينات المنتجة المحتملة باستخدام ضغوط ثقب قاع الحلقة التي تكون أقل من ضغط مسام التكوين يمكن أن يزيل تلف التكوين الذي قد يؤثر على المتابعة -على الإنتاج.11 نظرًا للمزايا المذكورة أعلاه، فقد تم استخدام الحفر بمطرقة الهواء DTH على نطاق واسع في التعدين وتوسع أيضًا ليشمل عمليات حفر النفط والغاز نظرًا لوجود المزيد والمزيد من خزانات النفط والغاز تحت التكوينات الصخرية الصلبة.
المطرقة الهوائية ذات الدوران العكسي (RC-DTH) هي أداة حفر مطرقة DTH مبتكرة مدفوعة بالهواء. 12 تختلف عن نظام المطرقة الهوائية DTH التقليدي، فإن لقمة الحفر ذات الهيكل المصمم خصيصًا هي الأجزاء الرئيسية من RC- يعمل نظام مطرقة الهواء DTH وأنابيب الحفر مزدوجة الجدار على بناء ممرات النقل لكل من الهواء المضغوط وقطع الحفر. 13 أثناء الحفر، يتم حقن الهواء المضغوط في حلقة الأنابيب مزدوجة الجدار ويقوم بتشغيل مطرقة الهواء RC-DTH لتنفيذ ضربات عالية التردد تعمل على لقمة الحفر ذات التدوير العكسي (RC) حيث يتم تشكيل التدوير العكسي. 14 من السمات البارزة لطريقة الحفر هذه الجمع بين الحفر الإيقاعي وتقنية الحفر بالهواء RC.
تقليديًا، في الحفر بتدوير الهواء المباشر، يتم إدخال الهواء المضغوط إلى قاع البئر من خلال الممر المركزي لأنابيب الحفر، ثم يقوم هواء العادم بإخراج قطع الحفر من ثقب البئر عبر المساحة الحلقية التي تتكون من أنابيب الحفر وجدار الثقب.15 وحيث أنه، في حفر RC الهوائي، يدخل الهواء المضغوط إلى المساحة الحلقية لأنابيب الحفر مزدوجة الجدار عبر محور الجدار المزدوج؛ يعود هواء العادم الذي يحمل قطع الحفر إلى السطح من خلال الممر المركزي لأنابيب الحفر الداخلية بدلاً من المساحة الحلقية التي يشكلها أنبوب الحفر الخارجي وجدار البئر. كما هو موضح في الشكل 1، فإن مساحة المقطع العرضي للممر المركزي (الدائرة الصفراء ب) لنظام الحفر الهوائي RC أصغر بكثير من مساحة المقطع العرضي الحلقي (الحلقة الخضراء أ). وفقًا للحد الأدنى لمتطلبات الحجم لحفر الهواء، فمن المؤكد أن الحد الأدنى لسرعة انتقال الهواء (الحالة القياسية) تبلغ حوالي 15.2 م/ث لتلبية احتياجات نقل قطع الحفر. أشارت الدراسة التي أجراها شارما وشودري16 أيضًا إلى أن الحفاظ على الهواء بسرعة انتقال معقولة هو وحده القادر على نقل قطع الحفر بكفاءة. من الواضح أن حفر الهواء RC أسهل بكثير للوصول إلى سرعة التحرك العتبية حيث يتدفق الهواء الذي يحمل قطع الحفر في الممر المركزي بدلاً من المساحة الحلقية بين كومة الحفر وجدار البئر.17-20 لذلك، انخفاض استهلاك الهواء والقدرة المترتبة على ذلك في يعد الحفر ذو القطر الكبير ميزة واضحة للحفر الهوائي RC، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة التوسيع ووقت التشغيل. بالإضافة إلى ذلك، بما أن قطع الهواء والحفر المنبعثة من أنبوب التفريغ يمكن توجيهها مباشرة إلى القطع ووحدة تجميع الغبار الموضوعة بعيدًا عن موقع الحفر، فقد تم تحسين بيئة التشغيل وأصبح الجو خاليًا من الزيت، مما يعيق عمال الحفر و المعدات من خطر غبار الحفر.14،21
الشكل 1
رسم تخطيطي لطريقة الحفر بتدوير الهواء العكسي
في نظام الحفر بمطرقة الهواء RC-DTH، فإن لقمة الحفر RC هي الجزء الرئيسي لتشكيل الدوران العكسي للهواء. ركزت معظم الجهود السابقة في مجال الحفر بالمطرقة الهوائية RC-DTH على أداء لقم الثقب ذات الدوران العكسي التي تهدف إلى الحصول على تصميم أفضل لتعزيز قدرة الدوران العكسي. تشمل الجهود التمثيلية مثقاب RC مع فوهات شفط مثبتة على الأضلاع؛ أداء التحكم في الغبار لقمة مثقاب RC التي تم فحصها بواسطة Luo et al؛ تحليل أداء مثقاب RC مع مولد دوار؛ وريشة الحفر RC مع فوهات متعددة الأسرع من الصوت. 14، 20، 22، 23 تراوحت أقطار لقم الثقب RC هذه التي تمت دراستها في هذه الأعمال السابقة من 80 إلى 200 ملم. يظل التقييم المحتمل للتطبيق وتحليل الأداء لقم الثقب RC ذات القطر الكبير (أكثر من 300 مم) غير مستكشف في المقام الأول. من أجل تحسين قدرة RC لقمة الحفر ذات القطر الكبير، تمت دراسة تأثيرات معلمات فوهة الشفط على أداء لقمة الحفر حسابيًا وتم إجراء تجربة ميدانية للتحقق من جدواها.
2 وصف لقمة الحفر RC
ويبين الشكل 2 الهيكل التخطيطي لقمة الحفر RC. يتدفق الهواء المضغوط إلى الممر المركزي لأداة الحفر من خلال فوهات الشفط وفوهات التنظيف. يدخل الهواء إلى فوهات الشفط، حيث يشكل نفاثات ذات سرعة تدفق عالية؛ سيتم احتجاز بعض الهواء المجاور داخل النفاثات بسبب تأثير المضخة النفاثة، مما يؤدي إلى منطقة ضغط سلبي بالقرب من النفاثات. يمكن أن يؤدي فرق الضغط بين قاع البئر ومنطقة الضغط السلبي داخل الممر المركزي إلى إنتاج قوة رفع تعمل على الهواء وقطع الحفر تحتها. في هذه الأثناء، يتم امتصاص الهواء المختلط بقصاصات الحفر إلى الممر المركزي لأداة الحفر بشكل مستمر بمساعدة التدفقات النفاثة الصادرة من فوهات الشطف، والتي تجرف قطع الحفر إلى الممر المركزي. تعتبر قدرة الشفط هذه ذات أهمية حاسمة لتقييم أداء لقمة الحفر RC، ويمكن تمثيلها من خلال النسبة بين معدل التدفق الشامل للهواء المحصور في المساحة الحلقية بين أنابيب الحفر وجدار البئر وإجمالي معدل تدفق الكتلة المدخلة .
الشكل 2
الهيكل التخطيطي لقمة الحفر ذات الدوران العكسي للهواء ذات القطر الكبير
3 نهج المحاكاة الحاسوبية
3.1 المجال الحسابي والشبكة
تمت دراسة لقمة الحفر ذات الدوران العكسي بقطر خارجي 665 ملم. يتطابق هذا الحجم من لقمة الحفر مع مطرقة الهواء RC-DTH بقطر خارجي يبلغ 400 مم. تم إنشاء المجالات الحسابية بواسطة برنامج Altair HyperWorks. يظهر الشكل 3 مجالًا حسابيًا نموذجيًا متشابكًا. تتكون المجالات الحسابية بشكل أساسي من خمسة أجزاء، بما في ذلك فوهات الشفط، وفوهات التنظيف، والمساحة الحلقية بين الجدران الداخلية والخارجية لقمة الحفر، والمساحة الحلقية التي تشكلها لقمة الحفر والبئر الجدار والممر الأوسط لأداة الحفر. تم ربط جميع المجالات الحسابية بشبكات رباعية السطوح غير منظمة بسبب الهندسة المعقدة للمجالات. تم استخدام ثلاث كثافات من خلايا الشبكة لتحليل حساسية الشبكة لنماذج لقمة الحفر. تظهر النتائج في الجدول 1 أن الحد الأقصى للفرق هو <5%. تم استخدام الشبكات المتوسطة في حساباتنا لتحقيق التوازن بين تكلفة الوقت ودقة النموذج.
الشكل 3
نموذج شبكي نموذجي لمجال التدفق الداخلي لقمة الحفر ذات الدوران العكسي وأنواع الحالات الحدودية
| شبكة | عدد الخلايا | معدل تدفق الكتلة المحبوسة (كجم/ثانية) |
| شبكة دقيقة | 4870311 | 0.41897 |
| شبكة متوسطة | 3 010 521 | 0.42015 |
| شبكة خشنة | 1546375 | 0.43732 |
| ٪ اختلاف | 4.4 |
الجدول 1. تحليل حساسية الشبكة للمجالات الحسابية
3.2 المعادلات الحاكمة والشروط الحدودية
تعتبر تدفقات الهواء الداخلية تتبع مبادئ الحفاظ على الكتلة والزخم والطاقة. المعادلة الحاكمة العامة هي [24]:
حيث تشير ϕ إلى المتغير التابع، وتشير u إلى ناقل السرعة، وتشير Γ إلى معامل الانتشار، وS هو مصطلح المصدر العام.
كما هو موضح في الشكل 3، يتم تعريف مدخل الهواء على أنه حالة حدود Mass_flow_inlet. يتراوح معدل التدفق الحجمي لأداة المطرقة الهوائية RC-DTH (قطرها 400 مم) من 30 إلى 92 م3/دقيقة (الحالة القياسية)، وهو ما يتوافق مع معدل التدفق الكتلي الذي يتراوح من 0.6025 إلى 1.848 كجم/ثانية. يتم فتح مخرج الممر المركزي ومخرج الحلقة بين جدار البئر وأداة الحفر للجو. ومن ثم يتم تعريف هذين المنفذين على أنهما شروط حدود مخرج الضغط ويتم ضبط ضغط المقياس على الصفر. تم تعيين الحدود الأخرى للمجال الحسابي كشروط لحدود الجدار الثابتة غير القابلة للانزلاق.
تم حل معادلتي الاستمرارية والزخم ومعادلة حفظ الطاقة باستخدام برنامج Ansys Fluent. تم اعتماد معادلات Navier-Stokes للتدفقات القابلة للانضغاط مع نماذج الاضطراب المناسبة للتنبؤ بتدفق الهواء الداخلي. تم إجراء محاكاة التدفق باستخدام محلل ثلاثي الأبعاد قائم على الكثافة. في هذا النهج، يتم حل معادلات نافييه-ستوكس الحاكمة بشكل تسلسلي باستخدام الطرق التكرارية حتى تحقق القيم المحددة التقارب. للتعامل مع اقتران السرعة والضغط، تم اعتماد نظام خوارزمية المعادلات المرتبطة بالضغط شبه الضمني (SIMPLE)، والتي تربط معادلات الاستمرارية والزخم بمعادلة الضغط، نظراً لدقتها الكبيرة وسهولة تلبية التقارب. علاوة على ذلك، تم استخدام النموذج المضطرب k-ε القياسي المعتمد على معادلات النقل النموذجية. تم حساب حدود الحمل الحراري، بدلالة طاقة الحركة المضطربة ومعدل التبدد المضطرب، من خلال التقسيم العكسي للرياح من الدرجة الثانية، في حين تم حل حدود الانتشار عن طريق الفرق المركزي.
4 نتائج المحاكاة والمناقشة
يوضح الشكل 4 تباين الضغط الثابت على الخط الأوسط للممر المركزي. يكون الضغط الساكن بالقرب من منافذ فوهة الشفط في الاتجاه النفاث أقل بكثير من الضغط الموجود في قاع البئر. يصل الضغط المختلف إلى 20 كيلو باسكال، مما يشكل قوة رفع مميزة تضخ قطع الحفر من قاع البئر بكفاءة. من أجل تشكيل دوران عكسي فعال، يجب أن يكون هيكل فوهات الشفط مصممًا خصيصًا. لذلك، تم إنشاء ودراسة أربعة عشر مجالًا حسابيًا بمعلمات مختلفة لفوهة الشفط. تمت دراسة تأثير معدل تدفق كتلة الهواء الداخل، والقطر، وزاوية الارتفاع وزاوية الانحراف لفوهات الشفط على قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر RC. يوضح الشكل 5 محيط السرعة النموذجي لقمة الحفر RC. كما لوحظ، مع تدفق الهواء المضغوط إلى الممر المركزي، تحدث عدة دوامات بالقرب من مخرج فوهات الشفط وقاع البئر. تعمل الدوامات التي تتشكل بالقرب من مخرج فوهات الشفط على توسيع مساحة منطقة الضغط المنخفض، إلا أن هذه الدوامات تؤدي أيضًا إلى هدر الطاقة الحركية للنفاثات الصادرة من فوهات الشفط، مما يضعف تأثير احتجاز النفاثات ، مما يعيق حتما قطع الحفر التي تمر عبر الممر المركزي. في حين أن الدوامات التي تحركها النفاثات تتدفق من فوهات الشطف في قاع البئر يمكن أن تثير قصاصات الحفر وتساعد في رفعها إلى الممر المركزي.
الشكل 4
توزيع الضغط الساكن النموذجي على الخط المركزي للممر المركزي لقمة الحفر
الشكل 5
محيط السرعة النموذجي لمجال التدفق داخل لقمة الحفر
4.1 تأثير معدل تدفق كتلة الهواء المدخل على قدرة الشفط
إن معدل تدفق كتلة الهواء الداخل هو المعامل الوحيد الذي يمكن تعديله عند تصنيع أداة الحفر. علاوة على ذلك، نظرًا لحقيقة أن مطرقة الهواء DTH يتم تجميعها في الجزء العلوي من لقمة الحفر RC، فإن معدل تدفق كتلة الهواء الذي يمر عبر لقمة الحفر يتغير بمرور الوقت. بشكل عام، يتم تعديل معدل تدفق كتلة الهواء بسبب حركة المكبس لمطرقة الهواء DTH. إن التحقيق في تأثير معدل تدفق كتلة الهواء الداخل على قدرة الشفط لقمة الحفر يمكن أن يوفر بعض التوجيه لعملية الحفر. يوضح الشكل 6 تأثير معدل تدفق كتلة الهواء المدخل على قدرة الدوران العكسي. في هذه المجموعة من عمليات المحاكاة، تم تقديم بعض المعلمات الهيكلية لفوهات الشفط، بما في ذلك زاوية الارتفاع 60 درجة، وقطر فوهات الشفط 18 مم، وزاوية انحراف 15 درجة. بالإضافة إلى ذلك، يتم توزيع فوهات الشفط بشكل متماثل ومحيطي على جدار الممر المركزي، ويبلغ عدد فوهات الشفط ستة. يزداد معدل تدفق كتلة الهواء الممتص من الحيز الحلقي بين أنابيب الحفر وجدار البئر مع زيادة معدل تدفق كتلة الهواء الداخل، ويصل إلى الحد الأقصى عندما يكون معدل تدفق كتلة الهواء الداخل 1.205 كجم/ث، ثم الهواء الممتص. تتناقص الكتلة من الحلقة التي تتكون من أنابيب الحفر وجدار البئر بسرعة مع زيادة معدل تدفق كتلة الهواء الداخل. عندما يكون معدل تدفق كتلة الهواء المدخل <1.205 كجم/ثانية، فإن زيادة معدل تدفق كتلة الهواء المدخل للهواء المدخل يمكن أن يحسن سرعة حقن تدفق الهواء من فوهات الشفط، مما يمكن أن يحسن معدل تدفق كتلة الهواء الممتص. وحيث أن مساحة المقطع العرضي للممر المركزي لقمة الحفر محدودة، فإن وجود الكثير من الهواء الداخل قد يتسبب في زيادة مقاومة تدفقات الهواء، وبالتالي إضعاف قدرة الشفط لقمة الحفر. كما لوحظ، انخفضت قدرة الشفط (النسبة بين معدل تدفق كتلة الهواء الممتص والمدخل) مع زيادة معدل تدفق كتلة الهواء الداخل. يمكن أن يعزى ذلك إلى انضغاطية الهواء حيث تم استهلاك المزيد من الطاقة لضغط الهواء.
الشكل 6
تأثير معدل تدفق كتلة الهواء الداخل على قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر
4.2 تأثير قطر فوهة الشفط على قدرة الشفط
يحتوي الهواء الداخل على ممرين للتفريغ من المساحة الحلقية لأنابيب الحفر ذات الجدار المزدوج، وفوهات الشفط وفوهات التنظيف. عندما يتم إعطاء معدل تدفق كتلة الهواء المدخل، فإن النسبة بين معدل تدفق كتلة الهواء عند فوهات الشفط وفوهات التنظيف تزداد مع زيادة أقطار فوهة الشفط. ستزداد قدرة الشفط لقمة الحفر RC عندما يتم الحفاظ على سرعة النفث عند مستوى معين. ويبين الشكل 7 تأثير قطر فوهة الشفط على قدرة الدوران العكسي. في هذه المجموعة من عمليات المحاكاة، تم تقديم بعض المعلمات الهيكلية لفوهات الشفط، بما في ذلك زاوية الارتفاع 60 درجة، وزاوية الانحراف 15 درجة، ومعدل تدفق كتلة الهواء الداخلة 70 م3/دقيقة. عندما يكون قطر فوهات الشفط أقل من 20 مم، فإن زيادة قطر فوهة الشفط تفيد في تعزيز قدرة الشفط لقمة الحفر. عندما يكون القطر أكبر من 20 مم، تضعف قدرة الشفط لقمة الحفر بشكل كبير. يُظهر زخم نفاثات الهواء الصادرة من فوهات الشفط تأثيرًا مهيمنًا على قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر. عندما يكون قطر فوهات الشفط أكبر من 20 مم، فإن السعة المتناقصة لسرعة النفاثة تسود على السعة المتزايدة لمعدل تدفق الكتلة عند فوهات الشفط، مما يضعف قدرة الشفط لقمة الحفر.
الشكل 7
تأثير قطر فوهة الشفط على قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر
4.3 تأثير زاوية ارتفاع فوهة الشفط على قدرة الشفط
يتم تعريف زاوية ارتفاع فوهة الشفط على أنها الزاوية بين المقطع العرضي للممر المركزي والخط المركزي لفوهة الشفط. يشير الشكل 8 إلى أن زيادة زاوية الارتفاع يمكن أن تحسن قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر. سوف تتداخل التدفقات النفاثة من فوهات الشفط مع بعضها البعض بالنسبة لجميع فوهات الشفط المائلة في جدار لقمة الحفر. قد تؤدي هذه الاصطدامات بين النفاثات إلى استهلاك الطاقة وتقليل الزخم المحوري للتدفقات النفاثة، وبالتالي إضعاف قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر. ويكون التداخل بين التدفقات النفاثة أكثر كثافة عندما تكون زاوية ارتفاع فوهات الشفط أصغر.
الشكل 8
تأثير زاوية ارتفاع فوهة الشفط على قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر
4.4 تأثير زاوية انحراف فوهة الشفط على قدرة الدوران العكسي
تمثل زاوية انحراف فوهات الشفط الزاوية بين إسقاط الخط المركزي لفوهة شفط واحدة على المقطع العرضي للممر المركزي والاتجاه الطبيعي لجدار المرور المركزي عند مخرج فوهة الشفط. يوضح الشكل 9 تأثير زاوية انحراف فوهة الشفط على قدرة الشفط، مع زيادة زاوية انحراف فوهات الشفط، تتعزز قدرة الشفط لقمة الحفر بشكل كبير. يمكن لتدفقات الهواء من فوهات الشفط ذات زاوية انحراف أن تشكل تدفقات دوامية في الممر المركزي، مما يحسن قدرة الشفط لقمة الحفر. علاوة على ذلك، يمكن للنفاثات المنحرفة أن تمنع التداخل فيما بينها. ومع ذلك، فإن القيمة القصوى لزاوية الانحراف محدودة بقطر لقمة الحفر ولا يمكن زيادتها إلى ما لا نهاية.
الشكل 9
تأثير زاوية انحراف فوهة الشفط على قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر
5 المحاكمة الميدانية
من أجل التحقق من معدل الاختراق باستخدام مطرقة الهواء RC-DTH في تكوين الصخور الصلبة، تم استخدام لقمة الحفر ذات القطر الخارجي 665 مم، والمطرقة الهوائية RC-DTH ذات القطر الخارجي 400 مم (RC-DTH 400). المصنعة. تظهر نتائج المحاكاة أن القيم المثلى لمعلمات فوهة الشفط لقمة الحفر RC ذات القطر الخارجي 665 مم بما في ذلك قطر فوهة الشفط، وزاوية الارتفاع، وزاوية الانحراف، كانت 20 مم، و60 درجة، و20 درجة، على التوالي. ومع ذلك، فإن معلمة فوهة الشفط الكبيرة جدًا من شأنها أن تضعف قوة لقمة الحفر. تم اختيار فوهات الشفط الست التي يبلغ قطرها 18 ملم وزاوية الارتفاع 45 درجة وزاوية الانحراف 10 درجات في النهاية لضمان عمر خدمة لقمة الحفر. يظهر في الشكل 10 هيكل تصميم المطرقة الهوائية RC-DTH والصورة الفوتوغرافية للنموذج الأولي المُصنع لأداة المطرقة الهوائية RC-DTH. عندما تعمل المطرقة الهوائية RC-DTH، يمكن تقسيم حركة المكبس إلى مرحلتين: مرحلة التوصيل ومرحلة الشوط، وتشهد كل مرحلة مراحل سحب الهواء وتمدد الهواء وضغط الهواء وإخراج الهواء. يبلغ ضغط الهواء الاسمي ومعدل تدفق حجم الهواء الاسمي لـ RC-DTH400 1.8 ميجا باسكال و92 م3/دقيقة، على التوالي؛ تردد التأثير الاسمي وسرعة التأثير للمكبس هي 14.35 هرتز و 8.01 م / ث، على التوالي. تم أيضًا تصنيع مكونات الملحقات الأخرى بما في ذلك أنابيب الحفر ذات الجدار المزدوج بقطر خارجي يبلغ 140 مم، وقضيب مزدوج الجدار، ومحور دوار مزدوج الجدار.
الشكل 10
هيكل التصميم والصورة الفوتوغرافية لأداة المطرقة الهوائية ذات الدوران العكسي أسفل الحفرة
يقع موقع التجربة الميدانية في فوشان، قوانغدونغ، الصين. يتكون تكوين موقع الاختبار من تربة فضفاضة بسمك 3.99 مترًا، وحجر غريني طيني متعرض للتجوية بسمك 17 مترًا، وحجر غريني طيني أحمر غير متأثر بالعوامل الجوية تحت حجر الغرين الطيني المتعرض للعوامل الجوية. يتم حفر طبقة التربة الرخوة وطبقة الحجر الغريني المتجمدة بسهولة باستخدام طريقة الحفر الدوارة التقليدية. ومع ذلك، فإن معدل اختراق الحفر في حجر الغرين الطيني الأحمر غير المتأثر بالعوامل الجوية منخفض نسبيًا، ويمكن الوصول إلى <2 م / ساعة. ومن الصعب تنظيف الخبث الغارق.
من أجل تنفيذ اختبار الحفر بمطرقة الهواء RC-DTH، يتم حفر طبقة التربة الرخوة وطبقة الحجر الغريني الطينية المتعرضة للعوامل الجوية بواسطة طريقة الحفر الدوارة التقليدية. ثم تم استخدام نظام الحفر بمطرقة الهواء RC-DTH لحفر تكوين حجر الغرين الطيني الأحمر غير المتأثر بالعوامل الجوية. يظهر الشكل 11 تخطيط نظام الاختبار الميداني. ضاغط هواء واحد من صنع شركة Atlas Copco بأقصى تدفق لحجم الهواء يبلغ 34 م3/دقيقة وضغط هواء اسمي يبلغ 30 بار، وضاغط هواء من صنع شركة Ingersoll Rand بأقصى حجم للهواء تم استخدام تدفق قدره 25.5 م3/دقيقة وضغط هواء اسمي قدره 24 بار لتوفير الهواء المضغوط. تم استخدام مادة التشحيم لتليين المكبس. تم استخدام جهاز الحفر الدوار SD20E المصنوع من قبل شركة Guangxi Liugong Group Co., Ltd. لتوفير القوة الدوارة وWOB في عملية الحفر.
الشكل 11
تخطيط نظام الاختبار الميداني
تم حفر بئرين تجريبيين، ويبلغ الحد الأقصى لعمق البئر 50.8 مترًا. وقد لوحظ الحد الأقصى لمعدل الاختراق 6.0 م/ساعة في عملية الحفر، ومتوسط معدل الاختراق 4.5 م/ساعة في حالة معدل تدفق حجم الهواء وضغط الهواء أقل من القيم الاسمية. أظهرت الاختبارات الميدانية أن لقمة الحفر RC يمكن أن تصل إلى حالة دوران عكسي جيدة على الرغم من أن معلمات فوهة الشفط لم تكن الأمثل. لم يتم العثور على خبث غارق في عملية تنظيف البئر. كما هو موضح في الشكل 12، كان هناك القليل من الهواء والغبار المتسرب من المساحة الحلقية لأداة الحفر وجدار البئر. إن قصاصات الحفر التي يتم إرجاعها إلى السطح تكون في الغالب عبارة عن جزيئات متوسطة إلى كبيرة الحجم. علاوة على ذلك، لم يتم العثور على خبث غارق في عملية تنظيف البئر، ويمكن لقطع الحفر أن تعود بشكل مستمر إلى السطح. يمكن أن نستنتج أن نظام الحفر بمطرقة الهواء RC-DTH كان في حالة عمل جيدة ويظهر أداءً متميزًا في حفر الآبار ذات القطر الكبير.
الشكل 12
صور فوتوغرافية للتجربة الميدانية. أ، الدوران العكسي المتكون في عملية الحفر؛ ب، قصاصات الحفر؛ ج، عملية تنظيف البئر؛ د، فم أنبوب التفريغ مع تدفقات رش
6 استنتاجات
من أجل تحسين معدل الاختراق والحصول على عمليات حفر صديقة للبيئة، تم اقتراح طريقة الحفر بمطرقة الهواء RC-DTH لحفر التكوينات الصلبة العلوية فوق تكوين الخزان المنتج المحتمل. لقمة الحفر RC باعتبارها الجزء الرئيسي من نظام الحفر بمطرقة الهواء RC-DTH لتحقيق الدوران العكسي، تم إجراء دراسة حدودية على لقمة الحفر RC بقطر 665 مم. أظهرت النتائج أن الزيادة في زاوية الارتفاع وزاوية الانحراف لفوهة الشفط يمكن أن تحسن من قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر. تصل قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر إلى الحد الأقصى عندما يكون معدل تدفق كتلة الهواء الداخل 1.205 كجم/ثانية، وبعد ذلك يتدهور مع زيادة معدل تدفق كتلة الهواء الداخل. تم تصنيع لقمة الحفر بقطر خارجي 665 مم ومطرقة هوائية RC-DTH بقطر خارجي 400 مم وتم إجراء اختبار ميداني. أظهرت نتائج الاختبار الميداني أن قدرة الدوران العكسي لقمة الحفر RC ذات القطر الكبير المصممة بشكل جيد، وكان الحد الأقصى لمعدل الاختراق في التجربة الميدانية 6.0 م/ساعة، مما يمكن أن يقلل بشكل كبير من وقت وتكلفة عملية الحفر.
شكر وتقدير
تم تمويل هذا العمل من قبل برنامج الدولة لتطوير البحوث الرئيسية في الصين (المنحة رقم 2016YFC0801402 و2016YFC0801404)، المشروع الوطني الرئيسي للعلوم والتكنولوجيا في الصين (المنحة رقم 2016ZX05043005)، المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 51674050) ). نود أن نشكر المراجعين المجهولين على نصائحهم الاستثنائية.
