Progettazione e analisi numerica di una punta da trapano a circolazione inversa di aria di grande diametro per la perforazione con martello pneumatico fondo foro a circolazione inversa
 

 

La perforazione con martello pneumatico a circolazione inversa fondo foro (RC-DTH) è un metodo rapido ed economico per la perforazione di rocce dure. Poiché la punta da trapano RC è il cuore del sistema di perforazione a martello pneumatico RC-DTH per formare la circolazione inversa, una punta da trapano RC di grande diametro è stata progettata in modo innovativo e ottimizzata numericamente rispetto alla capacità di aspirazione. I risultati mostrano che l’aumento dell’angolo di elevazione e di deflessione dell’ugello di aspirazione può migliorare la capacità di aspirazione della punta del trapano. Le prestazioni della punta raggiungono il loro stato ottimale quando la portata d'aria era di circa 1.205 kg/s, successivamente mostra un andamento di variazione inverso con l'aumento della portata d'aria. Il diametro ottimale degli ugelli di aspirazione è di 20 mm per la punta studiata in questo lavoro. Sono stati prodotti la punta da trapano RC con diametro esterno di 665 mm e il martello pneumatico RC-DTH con diametro esterno di 400 mm ed è stata condotta una prova sul campo. I risultati dei test sul campo mostrano che il tasso di penetrazione utilizzando il metodo di perforazione a martello pneumatico RC-DTH è più del doppio del metodo di perforazione a rotazione convenzionale. Questo approccio di perforazione rappresenta un grande potenziale per la perforazione di rocce dure di grande diametro applicata nelle porzioni superiori di un pozzo al di sopra della potenziale formazione di serbatoi per la perforazione terrestre di petrolio e gas, perforazione geotermica e relative operazioni di perforazione sul campo.

 

 

1 INTRODUZIONE

La perforazione con martello pneumatico down-the-hole (DTH) è considerata uno dei metodi di perforazione più efficienti per la perforazione di rocce dure.1-3 Nella perforazione con martello pneumatico DTH, si ottengono fori più dritti e bassi costi per metro grazie all'azione frequente di percussione e carichi di impatto elevati sugli inserti della punta.4, 5 Il tempo di contatto degli inserti della punta con le formazioni rocciose è tipicamente circa il 2% del tempo operativo totale, con conseguente maggiore peso istantaneo sulla punta (WOB), anche se il il WOB medio è mantenuto a un livello inferiore.6-8 Ha anche dimostrato potenziale per scopi sismici durante la perforazione (SWD) e per caratterizzare le condizioni di perforazione.9, 10 In aggiunta a questi, rispetto ai metodi convenzionali di perforazione nel fango, utilizzando l'aria poiché il fluido di circolazione determina un tasso di penetrazione (ROP) più elevato a causa delle basse pressioni del foro sul fondo dell'anello.11 Inoltre, la perforazione di formazioni potenzialmente produttrici utilizzando pressioni del foro sul fondo dell'anello inferiori alla pressione dei pori della formazione può eliminare i danni alla formazione che potrebbero influenzare il successivo -sulla produzione.11 Grazie ai vantaggi sopra menzionati, la perforazione con martello pneumatico DTH è stata ampiamente utilizzata nel settore minerario e si è estesa anche alle operazioni di trivellazione di petrolio e gas poiché sempre più giacimenti di petrolio e gas si trovano sotto formazioni rocciose dure.

 

Il martello pneumatico a circolazione inversa fondo foro (RC-DTH) è un innovativo strumento di perforazione a percussione DTH azionato dall'aria.12 Diversamente dal tradizionale sistema di martello pneumatico DTH, la punta da trapano con struttura appositamente progettata è la parte fondamentale del martello pneumatico RC- Il sistema di martello pneumatico DTH e i tubi di perforazione a doppia parete creano i passaggi di trasporto sia per l'aria compressa che per i detriti di perforazione.13 Durante la perforazione, l'aria compressa viene iniettata nell'anello dei tubi a doppia parete e aziona il martello pneumatico RC-DTH per implementare colpi ad alta frequenza che agiscono su una punta a circolazione inversa (RC) dove si forma la circolazione inversa.14 Una caratteristica sorprendente di questo metodo di perforazione è la combinazione della perforazione a percussione con la tecnica di perforazione ad aria RC.

 

Convenzionalmente, in una perforazione a circolazione diretta dell'aria, l'aria compressa viene immessa nel fondo del foro attraverso il passaggio centrale dei tubi di perforazione, quindi l'aria di scarico porta i frammenti di perforazione fuori dal foro attraverso lo spazio anulare formato dai tubi di perforazione e dalla parete del foro.15 Considerando che, in una perforazione aerea in RC, l'aria compressa entra nello spazio anulare dei tubi di perforazione a doppia parete attraverso il giunto girevole a doppia parete; l'aria di scarico che trasporta i detriti di perforazione ritorna in superficie attraverso il passaggio centrale dei tubi di perforazione interni invece dello spazio anulare formato dal tubo di perforazione esterno e dalla parete del foro. Come mostrato nella Figura 1, l'area della sezione trasversale del passaggio centrale (cerchio giallo b) del sistema di perforazione ad aria RC è molto più piccola di quella dell'area della sezione trasversale dell'anello (anello verde a). Secondo il requisito di volume minimo per la perforazione ad aria, si ritiene che la velocità minima di spostamento dell'aria (condizione standard) sia di circa 15,2 m/s per soddisfare il trasporto dei detriti di perforazione. Lo studio condotto da Sharma e Chowdhry16 ha inoltre indicato che solo mantenendo l'aria ad una velocità di viaggio ragionevole è possibile trasportare i detriti di perforazione in modo efficiente. Nella perforazione ad aria RC è ovviamente molto più facile raggiungere la velocità di spostamento soglia poiché l'aria che trasporta i detriti di perforazione scorre nel passaggio centrale piuttosto che nello spazio anulare tra il palo di perforazione e la parete del foro.17-20 Pertanto, un basso consumo d'aria e la conseguente capacità di La perforazione di fori di grande diametro rappresenta un netto vantaggio per la perforazione aerea RC, che riduce significativamente i costi di alesatura e i tempi operativi. Inoltre, poiché l'aria e i detriti di perforazione scaricati dal tubo di scarico possono essere guidati direttamente nell'unità di raccolta dei detriti e delle polveri posizionata lontano dal sito di perforazione, l'ambiente operativo risulta migliorato e l'atmosfera è priva di olio, ostacolando così gli addetti alla perforazione e attrezzature dalla minaccia di polvere di perforazione.14, 21

 

 

 

 

 

Figura 1

Schema del metodo di perforazione a circolazione inversa dell'aria

 

 

Nel sistema di perforazione a martello pneumatico RC-DTH, la punta del trapano RC è la parte fondamentale per formare la circolazione inversa dell'aria. La maggior parte degli sforzi precedenti sulla perforazione con martello pneumatico RC-DTH si sono concentrati sulle prestazioni delle punte a circolazione inversa volte a ottenere una progettazione migliore per migliorare la capacità di circolazione inversa. Gli sforzi rappresentati includono una punta da trapano RC con ugelli di aspirazione posizionati sulle nervature; prestazioni di controllo della polvere di una punta da trapano RC studiata da Luo et al; analisi delle prestazioni di una punta da trapano RC con generatore vorticoso; e la punta da trapano RC con ugelli multi-supersonici.14, 20, 22, 23 I diametri di queste punte da trapano RC studiate in questi lavori precedenti variavano da 80 a 200 mm. La valutazione del potenziale applicativo e l'analisi delle prestazioni delle punte per trapano RC di grande diametro (oltre 300 mm) rimangono per lo più inesplorate. Al fine di migliorare la capacità RC della punta di grande diametro, sono stati studiati computazionalmente gli effetti dei parametri dell'ugello di aspirazione sulle prestazioni della punta ed è stata condotta una prova sul campo per convalidarne la fattibilità.

 

2 DESCRIZIONE DELLA PUNTA DA TRAPANO RC

La Figura 2 mostra la struttura schematica della punta da trapano RC. L'aria compressa fluisce nel passaggio centrale dell'utensile di perforazione attraverso gli ugelli di aspirazione e gli ugelli di lavaggio. L'aria entra nelle bocchette di aspirazione, dove forma getti ad elevata velocità di flusso; una parte dell'aria adiacente verrà trascinata nei getti a causa dell'effetto della pompa a getto, determinando una zona di pressione negativa in prossimità dei getti. Questa differenza di pressione tra il fondo del foro e la zona di pressione negativa all'interno del passaggio centrale può produrre una forza di sollevamento che agisce sull'aria e perfora i detriti sottostanti. Nel frattempo, l'aria miscelata con i residui di perforazione viene aspirata continuamente nel passaggio centrale dell'utensile di perforazione con l'aiuto dei getti emessi dagli ugelli di lavaggio, che spazzano i residui di perforazione nel passaggio centrale. Questa capacità di aspirazione è di fondamentale importanza per valutare le prestazioni di una punta di perforazione in RC e può essere rappresentata dal rapporto tra la portata massica dell'aria trascinata nello spazio dell'anello tra le aste di perforazione e la parete del foro e la portata massica totale in ingresso .

 

 

 

 

 

Figura 2

Struttura schematica della punta da trapano a circolazione inversa dell'aria di grande diametro

 

 

3 APPROCCIO ALLA SIMULAZIONE COMPUTAZIONALE

3.1 Dominio computazionale e griglia

Sono state studiate le punte a circolazione inversa con un diametro esterno di 665 mm. Questa dimensione della punta è adatta al martello pneumatico RC-DTH con diametro esterno di 400 mm. I domini computazionali sono stati stabiliti dal software Altair HyperWorks. Un tipico dominio computazionale a maglie è mostrato nella Figura 3. I domini computazionali sono costituiti principalmente da cinque parti, inclusi gli ugelli di aspirazione, gli ugelli di lavaggio, lo spazio anulare tra le pareti interne ed esterne della punta del trapano, lo spazio anulare formato dalla punta del trapano e il foro di trivellazione. parete e passaggio centrale dell'utensile di perforazione. Tutti i domini computazionali sono stati meshati con griglie tetraedriche non strutturate a causa della complessa geometria dei domini. Tre densità di celle della griglia sono state utilizzate per analizzare la sensibilità della griglia dei modelli di punte da trapano. I risultati nella Tabella 1 mostrano che la differenza massima è <5%. Le griglie medie sono state utilizzate nei nostri calcoli per bilanciare il costo in termini di tempo e l'accuratezza del modello.

 

 

 

 

 

 

Figura 3

Un tipico modello di griglia del campo di flusso interno della punta di perforazione a circolazione inversa e i tipi di condizioni al contorno

 

 

Griglia	Numero di celle	Portata massica trascinata (kg/s)
Griglia fine	4 870 311	0,41897
Griglia media	3 010 521	0.42015
Griglia grossolana	1 546 375	0,43732
% Differenza		4.4

Tabella 1. Analisi della sensibilità della griglia per domini computazionali

 

 

3.2 Equazioni governanti e condizioni al contorno

Si ritiene che i flussi d'aria interni seguano i principi di conservazione della massa, della quantità di moto e dell'energia. L’equazione generale che governa è [24]:

 

 

 

dove ϕ denota la variabile dipendente, u denota il vettore velocità, Γ denota il coefficiente di diffusione e S è il termine sorgente generale.

 

Come mostrato nella Figura 3, l'ingresso dell'aria è definito come condizione al contorno Mass_flow_inlet. La portata volumetrica del martello pneumatico RC-DTH (400 mm di diametro) varia da 30 a 92 m3/min (condizione standard), corrispondente alla portata massica da 0,6025 a 1,848 kg/s. L'uscita del passaggio centrale e l'uscita dell'anello tra la parete del foro e l'utensile di perforazione sono aperti all'atmosfera. Pertanto queste due uscite sono definite come condizioni al contorno Pressure_outlet e la pressione relativa è impostata su zero. Altri confini del dominio computazionale sono stati impostati come condizioni al contorno della parete stazionaria antiscivolo.

 

Le equazioni di conservazione della continuità e della quantità di moto e l'equazione di conservazione dell'energia sono state risolte utilizzando Ansys Fluent. Per la previsione del flusso d'aria interno sono state adottate le equazioni di Navier-Stokes per i flussi comprimibili insieme ad appropriati modelli di turbolenza. La simulazione del flusso è stata effettuata utilizzando un solutore 3D basato sulla densità. In questo approccio, le equazioni di Navier-Stokes che governano vengono risolte in sequenza utilizzando metodi iterativi finché i valori definiti non raggiungono la convergenza. Per gestire l'accoppiamento di velocità e pressione, è stato adottato lo schema dell'algoritmo delle equazioni semi-implicite legate alla pressione (SIMPLE), che collega le equazioni di continuità e della quantità di moto a un'equazione per la pressione, grazie alla notevole precisione e alla facilità di soddisfare la convergenza. Inoltre, è stato utilizzato il modello turbolento standard k-ε basato sulle equazioni modello di trasporto. I termini convettivi, in termini di energia cinetica turbolenta e velocità di dissipazione turbolenta, sono stati calcolati mediante discretizzazione controvento del secondo ordine, mentre i termini di diffusione sono stati risolti mediante differenza centrale.

 

4 RISULTATI DELLA SIMULAZIONE E DISCUSSIONE

La Figura 4 mostra la variazione della pressione statica sulla linea centrale del passaggio centrale. La pressione statica in prossimità delle bocchette di aspirazione nella direzione del getto è notevolmente inferiore a quella del fondo del pozzo. La differenza di pressione raggiunge i 20 kpa, determinando una forza di sollevamento distinta che pompa in modo efficiente i detriti di trivellazione dal fondo del pozzo. Per formare un'efficace circolazione inversa, la struttura degli ugelli di aspirazione deve essere appositamente progettata. Pertanto, sono stati stabiliti e studiati quattordici domini computazionali con diversi parametri dell'ugello di aspirazione. Sono stati studiati l'influenza della portata massica dell'aria in ingresso, del diametro, dell'angolo di elevazione e dell'angolo di deflessione degli ugelli di aspirazione sulla capacità di circolazione inversa della punta da trapano RC. La Figura 5 mostra un tipico profilo di velocità della punta da trapano RC. Come osservato, quando l'aria compressa fluisce nel passaggio centrale, si verificano numerosi vortici in prossimità dell'uscita degli ugelli di aspirazione e del fondo del foro. I vortici che si formano in prossimità dell'uscita delle bocchette di aspirazione espandono l'area della zona di bassa pressione, tuttavia tali vortici determinano anche uno spreco di energia cinetica dei getti uscenti dalle bocchette di aspirazione, indebolendo così l'effetto di trascinamento dei getti , e inevitabilmente ostacolando il passaggio dei residui di perforazione attraverso il passaggio centrale. Mentre i vortici guidati dai getti escono dagli ugelli di lavaggio sul fondo del pozzo possono sollevare i residui di perforazione e contribuire a sollevarli nel passaggio centrale.

 

 

 

 

 

 

 

Figura 4

Distribuzione tipica della pressione statica sulla linea centrale del passaggio centrale della punta da trapano

 

 

 

 

 

 

 

Figura 5

Tipico contorno della velocità del campo di flusso all'interno della punta del trapano

 

 

4.1 Influenza della portata massica dell'aria in ingresso sulla capacità di aspirazione

La portata della massa d'aria in ingresso è l'unico parametro che può essere regolato durante la produzione dell'utensile di perforazione. Inoltre, poiché un martello pneumatico DTH è montato sulla parte superiore della punta RC, la portata della massa d'aria che passa attraverso la punta cambia nel tempo. Generalmente, la portata della massa d'aria viene modificata a causa del movimento del pistone del martello pneumatico DTH. L'indagine sull'effetto della portata massica dell'aria in ingresso sulla capacità di aspirazione della punta del trapano può fornire alcune indicazioni per il processo di perforazione. La Figura 6 mostra l'effetto della portata massica dell'aria in ingresso sulla capacità di circolazione inversa. In questo gruppo di simulazioni sono stati forniti alcuni parametri strutturali delle bocchette di aspirazione, tra cui l'angolo di elevazione di 60°, il diametro delle bocchette di aspirazione di 18 mm e l'angolo di deflessione di 15°. Inoltre, le bocchette di aspirazione sono distribuite simmetricamente e circonferenzialmente sulla parete del passaggio centrale, e il numero delle bocchette di aspirazione è in tutto sei. La portata massica dell'aria aspirata dallo spazio anulare tra i tubi di perforazione e la parete del foro aumenta con l'aumentare della portata massica dell'aria in ingresso e raggiunge il suo massimo quando la portata massica dell'aria in ingresso è 1.205 kg/s, quindi la portata in massa dell'aria aspirata La massa dell'anello formato dalle aste di perforazione e dalla parete del foro diminuisce rapidamente con l'aumento della portata massica dell'aria in ingresso. Quando la portata massica dell'aria in ingresso è <1,205 kg/s, l'aumento della portata massica dell'aria in ingresso può migliorare la velocità di iniezione del flusso d'aria dagli ugelli di aspirazione, che può migliorare la portata massica dell'aria aspirata. Considerando che l'area della sezione trasversale del passaggio centrale della punta del trapano è limitata, troppa aria in ingresso causerebbe una crescente resistenza dei flussi d'aria, indebolendo così la capacità di aspirazione della punta del trapano. Come osservato, la capacità di aspirazione (rapporto tra portata massica d'aria aspirata e immessa) diminuisce all'aumentare della portata massica d'aria in ingresso. Ciò può essere attribuito alla comprimibilità dell'aria in quanto è stata consumata più energia per la compressione dell'aria.

 

 

 

 

 

Figura 6

Influenza della portata massica dell'aria in ingresso sulla capacità di circolazione inversa della punta

 

 

4.2 Influenza del diametro della bocca di aspirazione sulla capacità di aspirazione

L'aria in ingresso ha due passaggi per scaricare dallo spazio anulare dei tubi di perforazione a doppia parete, dagli ugelli di aspirazione e dagli ugelli di lavaggio. Quando viene data la portata in massa d'aria in ingresso, il rapporto tra la portata in massa d'aria alle bocchette di aspirazione e alle bocchette di lavaggio aumenta con l'aumentare dei diametri delle bocchette di aspirazione. La capacità di aspirazione della punta da trapano RC aumenterà quando la velocità del getto viene mantenuta a un certo livello. La Figura 7 mostra l'effetto del diametro dell'ugello di aspirazione sulla capacità di circolazione inversa. In questo gruppo di simulazioni sono stati forniti alcuni parametri strutturali delle bocchette di aspirazione, tra cui un angolo di elevazione di 60°, un angolo di deflessione di 15° e una portata di massa d'aria in ingresso di 70 m3/min. Quando il diametro degli ugelli di aspirazione è <20 mm, l'aumento del diametro degli ugelli di aspirazione migliora la capacità di aspirazione della punta del trapano. Quando il diametro è maggiore di 20 mm, la capacità di aspirazione della punta del trapano si indebolisce notevolmente. La quantità di moto dei getti d'aria emessi dagli ugelli di aspirazione ha un effetto dominante sulla capacità di circolazione inversa della punta del trapano. Quando il diametro degli ugelli di aspirazione è maggiore di 20 mm, l'ampiezza decrescente della velocità del getto prevale sull'ampiezza crescente della portata di massa sugli ugelli di aspirazione, indebolendo così la capacità di aspirazione della punta del trapano.

 

 

 

 

 

 

 

Figura 7

Influenza del diametro della bocca di aspirazione sulla capacità di circolazione inversa della punta

 

 

4.3 Influenza dell'angolo di elevazione della bocchetta di aspirazione sulla capacità di aspirazione

L'angolo di elevazione dell'ugello di aspirazione è definito come l'angolo tra la sezione trasversale del passaggio centrale e la linea centrale dell'ugello di aspirazione. La Figura 8 indica che l'aumento dell'angolo di elevazione può migliorare la capacità di circolazione inversa della punta del trapano. I getti delle bocchette di aspirazione interferirebbero tra loro per tutte le bocchette di aspirazione inclinate nella parete della punta. Queste collisioni tra i getti comporterebbero il consumo di energia e diminuirebbero il momento assiale dei flussi del getto, compromettendo così la capacità di circolazione inversa della punta del trapano. L'interferenza tra i flussi del getto è tanto più intensa quanto più piccolo è l'angolo di elevazione delle bocchette di aspirazione.

 

 

 

Figura 8

Influenza dell'angolo di elevazione dell'ugello di aspirazione sulla capacità di circolazione inversa della punta

 

4.4 Effetto dell'angolo di deflessione dell'ugello di aspirazione sulla capacità di circolazione inversa

L'angolo di deflessione delle bocchette di aspirazione rappresenta l'angolo tra la proiezione della linea centrale di una bocchetta di aspirazione sulla sezione trasversale del passaggio centrale e la direzione normale della parete del passaggio centrale all'uscita della bocchetta di aspirazione. La Figura 9 mostra l'influenza dell'angolo di deflessione dell'ugello di aspirazione sulla capacità di aspirazione, con l'aumento dell'angolo di deflessione degli ugelli di aspirazione, la capacità di aspirazione della punta del trapano aumenta in modo significativo. I flussi d'aria provenienti dagli ugelli di aspirazione con angolo di deviazione possono formare flussi vorticosi nel passaggio centrale, che migliorano la capacità di aspirazione della punta. Inoltre, i getti deflessi possono sopprimere le interferenze tra di loro. Tuttavia, il valore massimo dell'angolo di deflessione è limitato dal diametro della punta e non può essere aumentato all'infinito.

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 9

Influenza dell'angolo di deflessione dell'ugello di aspirazione sulla capacità di circolazione inversa della punta

 

 

 

5 PROVA SUL CAMPO
 

Per verificare la velocità di penetrazione utilizzando il martello pneumatico RC-DTH nella formazione rocciosa dura, sono stati utilizzati la punta da trapano con diametro esterno di 665 mm e il martello pneumatico RC-DTH con diametro esterno di 400 mm (RC-DTH 400). fabbricato. I risultati della simulazione mostrano che i valori ottimali dei parametri dell'ugello di aspirazione per la punta da trapano RC con diametro esterno di 665 mm, compreso il diametro dell'ugello di aspirazione, l'angolo di elevazione e l'angolo di deflessione, erano rispettivamente di 20 mm, 60° e 20°. Tuttavia, il parametro dell'ugello di aspirazione troppo grande indebolirebbe la resistenza della punta del trapano. Alla fine sono stati scelti i sei ugelli di aspirazione con diametro di 18 mm, angolo di elevazione di 45° e angolo di deviazione di 10° per garantire la durata della punta. La struttura di progettazione del martello pneumatico RC-DTH e l'immagine fotografica del prototipo prodotto dello strumento martello pneumatico RC-DTH sono mostrati nella Figura 10. Quando il martello pneumatico RC-DTH è in funzione, il movimento del pistone può essere suddiviso in due fasi: la fase di backhaul e la fase di corsa, e ciascuna fase presenta le fasi di aspirazione dell'aria, espansione dell'aria, compressione dell'aria e scarico dell'aria. La pressione dell'aria nominale e la portata volumetrica dell'aria nominale dell'RC-DTH400 sono rispettivamente 1,8 MPa e 92 m3/min; la frequenza nominale di impatto e la velocità di impatto del pistone sono rispettivamente 14,35 Hz e 8,01 m/s. Sono stati prodotti anche altri componenti accessori, tra cui aste di perforazione a doppia parete con diametro esterno di 140 mm, Kelly a doppia parete e girella a doppia parete.

 

 

 

 

 

 

 

Figura 10

Struttura progettuale e immagine fotografica del martello pneumatico fondo foro a circolazione inversa

 

Il sito di prova sul campo si trova a Foshan, Guangdong, Cina. La formazione del sito di prova è costituita da terreno sciolto con uno spessore di 3,99 m, siltite argillosa esposta agli agenti atmosferici con uno spessore di 17 m e siltite argillosa rossa non esposta agli agenti atmosferici sotto la siltite argillosa esposta agli agenti atmosferici. Lo strato di terreno sciolto e lo strato di siltite argilloso esposto agli agenti atmosferici possono essere facilmente perforati utilizzando il metodo di perforazione rotativa convenzionale. Tuttavia, la velocità di penetrazione della perforazione nel siltite rosso argilloso non esposto agli agenti atmosferici è relativamente bassa, è possibile raggiungere <2 m/h. E le scorie che affondano sono difficili da pulire.

 

Per eseguire il test di perforazione con martello pneumatico RC-DTH, lo strato di terreno sciolto e lo strato di siltite argilloso esposto agli agenti atmosferici vengono perforati mediante il metodo di perforazione rotativa convenzionale. Quindi è stato impiegato il sistema di perforazione a martello pneumatico RC-DTH per perforare la formazione di siltite rossa argillosa non esposta agli agenti atmosferici. La disposizione del sistema di prova sul campo è mostrata nella Figura 11. Un compressore d'aria prodotto da Atlas Copco con un flusso di volume d'aria massimo di 34 m3/min e una pressione dell'aria nominale di 30 bar e un compressore d'aria prodotto da Ingersoll Rand con un volume d'aria massimo Per fornire aria compressa sono state utilizzate una portata di 25,5 m3/min e una pressione nominale dell'aria di 24 bar. Per lubrificare il pistone è stato utilizzato un lubrificatore. L'impianto di perforazione a rotazione SD20E realizzato da Guangxi Liugong Group Co., Ltd. è stato utilizzato per fornire la forza rotativa e il WOB nel processo di perforazione.

 

 

 

 

Figura 11

Layout del sistema di test sul campo

 

 

Sono stati perforati due pozzi di prova e la profondità massima del pozzo è di 50,8 m. Nel processo di perforazione è stata osservata una velocità di penetrazione massima di 6,0 m/h, mentre la velocità di penetrazione media è di 4,5 m/h in condizioni di portata volumetrica dell'aria e pressione dell'aria inferiore ai valori nominali. I test sul campo hanno dimostrato che la punta da trapano RC può raggiungere una buona condizione di circolazione inversa anche se i parametri dell'ugello di aspirazione non erano ottimali. Non sono state trovate scorie che affondavano nel processo di lavaggio del pozzo. Come mostrato nella Figura 12, dallo spazio anulare dell'utensile di perforazione e dalla parete del foro fuoriesce poca aria e polvere. I detriti restituiti in superficie sono per lo più particelle di dimensioni medio-grandi. Inoltre, nel processo di lavaggio del pozzo non vengono trovate scorie che affondano e i detriti di perforazione possono ritornare continuamente in superficie. Si può concludere che il sistema di perforazione a martello pneumatico RC-DTH era in buone condizioni di funzionamento e mostra prestazioni eccezionali nella perforazione di pozzi di grande diametro.

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 12

Immagini fotografiche della prova sul campo. A, circolazione inversa formata nel processo di perforazione; B, tagli di perforazione; C, processo di lavaggio del pozzo; D, bocca del tubo di scarico con flussi spruzzati

 

 

6 CONCLUSIONI

Al fine di migliorare la velocità di penetrazione e ottenere operazioni di perforazione rispettose dell'ambiente, è stato proposto l'approccio di perforazione con martello pneumatico RC-DTH per perforare le formazioni dure superiori al di sopra della potenziale formazione di giacimento produttivo. La punta da trapano RC come parte fondamentale del sistema di perforazione a martello pneumatico RC-DTH per realizzare la circolazione inversa, è stato eseguito uno studio parametrico su una punta da trapano RC con diametro di 665 mm. I risultati mostrano che l'aumento dell'angolo di elevazione e dell'angolo di deflessione dell'ugello di aspirazione può migliorare la capacità di circolazione inversa della punta del trapano. La capacità di circolazione inversa della punta del trapano raggiunge il suo massimo quando la portata massica dell'aria in ingresso è di 1,205 kg/s, successivamente si deteriora con l'aumento della portata massica dell'aria in ingresso. Sono stati fabbricati la punta da trapano con diametro esterno di 665 mm e il martello pneumatico RC-DTH con diametro esterno di 400 mm ed è stata condotta una prova sul campo. I risultati dei test sul campo mostrano che la capacità di circolazione inversa della punta da trapano RC di grande diametro progettata è buona e la velocità di penetrazione massima nella prova sul campo è stata di 6,0 m/h, il che potrebbe ridurre drasticamente i tempi e i costi delle operazioni di perforazione.

 

RICONOSCIMENTI
 

Questo lavoro è stato finanziato dal Programma statale per lo sviluppo della ricerca chiave della Cina (concessione n. 2016YFC0801402 e 2016YFC0801404), dal National Science and Technology Major Project of China (concessione n. 2016ZX05043005), dalla National Natural Science Foundation of China (concessione n. 51674050 ). Vorremmo riconoscere i revisori anonimi per i loro straordinari consigli.