Entwurf und numerische Analyse eines Luftumlaufbohrers mit großem Durchmesser für das Rückwärtsumlauf-Lufthammerbohren im Bohrloch
 

 

Das Lufthammerbohren mit umgekehrter Zirkulation im Bohrloch (RC-DTH) ist eine schnelle und kostengünstige Methode zum Hartgesteinsbohren. Da der Luft-RC-Bohrer das Herzstück des RC-DTH-Lufthammerbohrsystems zur Bildung der Rückwärtszirkulation ist, wurde ein RC-Bohrer mit großem Durchmesser innovativ entwickelt und hinsichtlich der Saugfähigkeit numerisch optimiert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Vergrößerung des Höhen- und Ablenkwinkels der Saugdüse die Saugfähigkeit des Bohrers verbessern kann. Die Leistung des Bohrers erreicht ihren optimalen Zustand, wenn die Luftströmungsrate etwa 1,205 kg/s beträgt. Danach zeigt sie einen umgekehrten Schwankungstrend mit zunehmender Luftmassenströmungsrate. Der optimale Durchmesser der Saugdüsen beträgt für den in dieser Arbeit untersuchten Bohrer 20 mm. Der RC-Bohrer mit einem Außendurchmesser von 665 mm und der RC-DTH-Lufthammer mit einem Außendurchmesser von 400 mm wurden hergestellt und ein Feldversuch durchgeführt. Feldtestergebnisse zeigen, dass die Durchdringungsrate beim RC-DTH-Lufthammerbohrverfahren mehr als doppelt so hoch ist wie bei der herkömmlichen Drehbohrmethode. Dieser Bohransatz bietet ein großes Potenzial für Hartgesteinsbohrungen mit großem Durchmesser, die in den oberen Teilen eines Bohrlochs über der potenziell produzierenden Lagerstättenformation für Erdöl- und Gasbohrungen an Land, geothermische Bohrungen und relevante Feldbohrarbeiten angewendet werden.

 

 

1 EINFÜHRUNG

Das Down-the-hole (DTH)-Lufthammerbohren gilt als eine der effizientesten Bohrmethoden für Hartgesteinsbohrungen.1-3 Beim DTH-Lufthammerbohren werden durch die häufige Schlagwirkung geradere Löcher und niedrige Kosten pro Meter erreicht und hohe Stoßbelastungen an den Bohrereinsätzen.4, 5 Die Kontaktzeit der Bohrereinsätze mit den Gesteinsformationen beträgt typischerweise etwa 2 % der gesamten Betriebszeit, was zu einem höheren Momentangewicht auf den Bohrer (WOB) führt, obwohl die Der mittlere WOB wird auf einem niedrigeren Niveau gehalten.6-8 Es hat sich auch gezeigt, dass es Potenzial für seismische Zwecke während des Bohrens (SWD) und zur Charakterisierung der Bohrbedingungen bietet.9, 10 Darüber hinaus wird es im Vergleich zu den herkömmlichen Schlammbohrmethoden unter Verwendung von Luft genutzt da die Zirkulationsflüssigkeit aufgrund der niedrigen Drücke im Ringlochboden zu einer höheren Penetrationsrate (ROP) führt.11 Darüber hinaus kann das Bohren potenziell produzierender Formationen unter Verwendung von Ringlochbodendrücken, die unter dem Porendruck der Formation liegen, Formationsschäden vermeiden, die sich auf die Folge auswirken könnten -auf die Produktion.11 Aufgrund der oben genannten Vorteile wird DTH-Lufthammerbohren häufig im Bergbau eingesetzt und hat sich auch auf Öl- und Gasbohrvorgänge ausgeweitet, da sich immer mehr Öl- und Gaslagerstätten unter harten Gesteinsformationen befinden.

 

Der Reverse-Circulation-Down-the-Hole-Lufthammer (RC-DTH) ist ein innovatives DTH-Hammerbohrwerkzeug, das mit Luft angetrieben wird.12 Anders als beim herkömmlichen DTH-Lufthammersystem ist der Bohrer mit seiner speziell entwickelten Struktur das Schlüsselelement des RC- Das DTH-Lufthammersystem und die doppelwandigen Bohrrohre bilden die Transportkanäle sowohl für die Druckluft als auch für das Bohrklein.13 Während des Bohrens wird Druckluft in den Ringraum der doppelwandigen Rohre injiziert und treibt den RC-DTH-Lufthammer an um hochfrequente Schläge auf einen RC-Bohrer (Reverse Circulation) auszuüben, wo die Umkehrzirkulation entsteht.14 Ein herausragendes Merkmal dieser Bohrmethode ist die Kombination von Schlagbohren mit der Luft-RC-Bohrtechnik.

 

Herkömmlicherweise wird beim Bohren mit direkter Luftzirkulation Druckluft durch den zentralen Durchgang der Bohrrohre in den Bohrlochboden eingeleitet, dann befördert die Abluft das Bohrklein durch den Ringraum, der durch Bohrrohre und Bohrlochwand gebildet wird, aus dem Bohrloch.15 Beim Luft-RC-Bohren hingegen gelangt die Druckluft über das Doppelwand-Drehgelenk in den Ringraum der Doppelwand-Bohrgestänge; Die das Bohrklein transportierende Abluft kehrt durch den zentralen Durchgang der inneren Bohrrohre an die Oberfläche zurück und nicht durch den Ringraum, der durch das äußere Bohrrohr und die Bohrlochwand gebildet wird. Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die Querschnittsfläche des zentralen Durchgangs (gelber Kreis b) des Luft-RC-Bohrsystems viel kleiner als die Querschnittsfläche des Ringraums (grüner Ring a). Gemäß der Mindestvolumenanforderung für Luftbohrungen wird davon ausgegangen, dass die Mindestgeschwindigkeit der Luft (Standardbedingung) etwa 15,2 m/s beträgt, um den Bohrkleintransport zu gewährleisten. Die von Sharma und Chowdhry16 durchgeführte Studie zeigte auch, dass das Bohrklein nur effizient transportiert werden kann, wenn die Luft mit einer angemessenen Strömungsgeschwindigkeit gehalten wird. Beim Luft-RC-Bohren ist es offensichtlich viel einfacher, die Grenzgeschwindigkeit zu erreichen, da die Luft, die das Bohrklein transportiert, im Mittelkanal und nicht im Ringraum zwischen Bohrpfahl und Bohrlochwand strömt.17-20 Daher ist der Luftverbrauch gering und die daraus resultierende Fähigkeit in Das Bohren von Löchern mit großem Durchmesser ist ein deutlicher Vorteil des Luft-RC-Bohrens, das die Reibkosten und die Operationszeit erheblich reduziert. Da außerdem die Luft und das Bohrklein, das aus dem Auslassrohr abgesaugt wird, direkt in die Bohrklein- und Staubabscheidereinheit geleitet werden können, die weit vom Bohrstandort entfernt ist, wird die Betriebsumgebung verbessert und die Atmosphäre ist ölfrei, wodurch die Bohrarbeiter und Bohrarbeiter behindert werden Schutzausrüstung vor der Gefahr von Bohrstaub.14, 21

 

 

 

 

 

Abbildung 1

Schematische Darstellung der Bohrmethode mit umgekehrter Luftzirkulation

 

 

Im RC-DTH-Lufthammerbohrsystem ist der RC-Bohrer das Schlüsselelement für die Luftumkehrzirkulation. Die meisten früheren Bemühungen zum RC-DTH-Lufthammerbohren konzentrierten sich auf die Leistung von Umkehrzirkulationsbohrern mit dem Ziel, ein besseres Design zu erhalten, um die Fähigkeit der Umkehrzirkulation zu verbessern. Zu den Repräsentationsbemühungen gehört ein RC-Bohrer mit an den Rippen angebrachten Saugdüsen; Staubkontrollleistung eines RC-Bohrers, untersucht von Luo et al.; Leistungsanalyse einer RC-Bohrkrone mit Wirbelgenerator; und der RC-Bohrer mit Multi-Überschalldüsen.14, 20, 22, 23 Die Durchmesser dieser RC-Bohrer, die in diesen früheren Arbeiten untersucht wurden, lagen zwischen 80 und 200 mm. Die Anwendungspotentialbewertung und Leistungsanalyse der RC-Bohrkronen mit großem Durchmesser (mehr als 300 mm) bleibt weitgehend unerforscht. Um die RC-Fähigkeit des Bohrmeißels mit großem Durchmesser zu verbessern, wurden die Auswirkungen der Saugdüsenparameter auf die Leistung des Bohrmeißels rechnerisch untersucht und ein Feldversuch durchgeführt, um seine Machbarkeit zu validieren.

 

2 BESCHREIBUNG DES RC-BOHRERS

Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau des RC-Bohrers. Die Druckluft strömt durch die Saugdüsen und die Spüldüsen in den Mittelkanal des Bohrwerkzeugs. Die Luft gelangt in die Saugdüsen und bildet dort Strahlen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit; Aufgrund des Strahlpumpeneffekts wird etwas angrenzende Luft in die Düsen mitgerissen, was zu einer Unterdruckzone in der Nähe der Düsen führt. Dieser Druckunterschied zwischen dem Bohrlochboden und der Unterdruckzone innerhalb des Mittelkanals kann eine Auftriebskraft erzeugen, die auf die Luft und das Bohrklein darunter wirkt. Währenddessen wird mit Bohrklein vermischte Luft mithilfe der aus den Spüldüsen austretenden Strahlströme, die Bohrklein in den Mittelkanal spülen, kontinuierlich in den Mittelkanal des Bohrwerkzeugs gesaugt. Diese Saugfähigkeit ist von entscheidender Bedeutung für die Bewertung der Leistung eines RC-Bohrmeißels und kann durch das Verhältnis zwischen dem Massendurchsatz der in den Ringraum zwischen den Bohrrohren und der Bohrlochwand mitgerissenen Luft und dem gesamten Eingangsmassendurchsatz dargestellt werden .

 

 

 

 

 

Abbildung 2

Schematischer Aufbau des Luftumwälzbohrers mit großem Durchmesser

 

 

3 COMPUTATIONAL-SIMULATION-ANSATZ

3.1 Rechendomäne und Gitter

Untersucht wurde der Umlaufbohrmeißel mit einem Außendurchmesser von 665 mm. Diese Größe des Bohrers passt zum Lufthammer RC-DTH mit einem Außendurchmesser von 400 mm. Die Rechendomänen wurden mit der Altair HyperWorks-Software erstellt. Ein typischer vernetzter Rechenbereich ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Rechenbereiche bestehen hauptsächlich aus fünf Teilen, einschließlich der Saugdüsen, der Spüldüsen, des Ringraums zwischen Innen- und Außenwänden der Bohrkrone, des durch die Bohrkrone gebildeten Ringraums und des Bohrlochs Wand und Mitteldurchgang des Bohrwerkzeugs. Aufgrund der komplexen Geometrie der Domänen wurden alle Rechendomänen mit tetraedrischen unstrukturierten Gittern vernetzt. Zur Analyse der Gitterempfindlichkeit der Bohrmeißelmodelle wurden drei Dichten von Gitterzellen verwendet. Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, dass die maximale Differenz <5 % beträgt. Die mittleren Gitter wurden in unseren Berechnungen verwendet, um den Zeitaufwand und die Modellgenauigkeit auszugleichen.

 

 

 

 

 

 

Abbildung 3

Ein typisches Gittermodell des internen Strömungsfeldes der Umkehrzirkulationsbohrkrone und der Randbedingungstypen

 

 

Netz	Anzahl der Zellen	Mitgeführter Massenstrom (kg/s)
Feines Gitter	4 870 311	0,41897
Mittleres Raster	3 010 521	0,42015
Grobes Gitter	1 546 375	0,43732
% Unterschied		4.4

Tabelle 1. Gittersensitivitätsanalyse für Rechendomänen

 

 

3.2 Maßgebliche Gleichungen und Randbedingungen

Man geht davon aus, dass die internen Luftströme den Prinzipien der Erhaltung von Masse, Impuls und Energie folgen. Die allgemeine maßgebliche Gleichung lautet [24]:

 

 

 

Dabei bezeichnet ϕ die abhängige Variable, u den Geschwindigkeitsvektor, Γ den Diffusionskoeffizienten und S den allgemeinen Quellterm.

 

Wie in Abbildung 3 dargestellt, ist der Lufteinlass als Mass_flow_inlet-Randbedingung definiert. Der Volumenstrom des RC-DTH-Drucklufthammerwerkzeugs (400 mm Durchmesser) variiert zwischen 30 und 92 m3/min (Standardzustand), was einem Massenstrom von 0,6025 bis 1,848 kg/s entspricht. Der Auslass des zentralen Durchgangs und der Auslass des Ringraums zwischen der Bohrlochwand und dem Bohrwerkzeug sind zur Atmosphäre hin geöffnet. Daher werden diese beiden Auslässe als Randbedingungen „Druck_Auslass“ definiert und der Manometerdruck auf Null gesetzt. Andere Grenzen des Rechenbereichs wurden als Randbedingungen für rutschfeste stationäre Wände festgelegt.

 

Die Kontinuitäts- und Impulserhaltungsgleichungen sowie die Energieerhaltungsgleichung wurden mit Ansys Fluent gelöst. Navier-Stokes-Gleichungen für kompressible Strömungen sowie geeignete Turbulenzmodelle wurden für die Vorhersage der internen Luftströmung übernommen. Die Strömungssimulation wurde mit einem 3D-Dichte-basierten Solver durchgeführt. Bei diesem Ansatz werden die maßgeblichen Navier-Stokes-Gleichungen nacheinander mithilfe iterativer Methoden gelöst, bis definierte Werte die Konvergenz erfüllen. Um die Kopplung von Geschwindigkeit und Druck zu bewältigen, wurde aufgrund der beträchtlichen Genauigkeit und der einfachen Einhaltung der Konvergenz das Algorithmusschema „Semi-implicit Pressure Linked Equations“ (SIMPLE) übernommen, das die Kontinuitäts- und Impulsgleichungen mit einer Gleichung für den Druck verknüpft. Außerdem wurde das Standard-k-ε-Turbulenzmodell basierend auf Modelltransportgleichungen verwendet. Die konvektiven Terme in Bezug auf turbulente kinetische Energie und turbulente Dissipationsrate wurden durch Aufwinddiskretisierung zweiter Ordnung berechnet, während die Diffusionsterme durch zentrale Differenz gelöst wurden.

 

4 SIMULATIONSERGEBNISSE UND DISKUSSION

Abbildung 4 zeigt die statische Druckschwankung auf der Mittellinie des Mittelkanals. Der statische Druck in der Nähe der Saugdüsenaustritte ist in Strahlrichtung deutlich geringer als an der Bohrlochsohle. Der Druckunterschied erreicht 20 kPa und stellt eine deutliche Hubkraft dar, die das Bohrklein effizient aus dem Bohrlochboden pumpt. Um eine effektive Rückzirkulation zu erreichen, muss die Struktur der Saugdüsen speziell gestaltet sein. Daher wurden vierzehn Rechenbereiche mit unterschiedlichen Saugdüsenparametern erstellt und untersucht. Der Einfluss des Eingangsluftmassenstroms, des Durchmessers, des Höhenwinkels und des Ablenkwinkels der Saugdüsen auf die Rückwärtszirkulationsfähigkeit des RC-Bohrmeißels wurde untersucht. Abbildung 5 zeigt eine typische Geschwindigkeitskontur des RC-Bohrers. Wie beobachtet, treten beim Einströmen der Druckluft in den Mittelkanal mehrere Wirbel in der Nähe des Auslasses der Saugdüsen und des Bohrlochbodens auf. Die in der Nähe des Auslasses der Saugdüsen gebildeten Wirbel erweitern den Bereich der Niederdruckzone, führen jedoch auch zu einer Verschwendung kinetischer Energie der aus den Saugdüsen austretenden Strahlen, wodurch der Mitnahmeeffekt der Strahlen geschwächt wird Dies führt zwangsläufig dazu, dass die Bohrspäne den Durchgang durch den Mittelkanal behindern. Während die von den Strahlen angetriebenen Wirbel aus den Spüldüsen am Bohrlochboden ausströmen, können sie Bohrklein aufwirbeln und dabei helfen, es in den Mittelkanal zu heben.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 4

Typische statische Druckverteilung auf der Mittellinie des Bohrerdurchgangs

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 5

Typische Geschwindigkeitskontur des Strömungsfeldes innerhalb der Bohrkrone

 

 

4.1 Einfluss des Zuluftmassenstroms auf die Saugfähigkeit

Der zugeführte Luftmassenstrom ist der einzige Parameter, der bei der Herstellung des Bohrwerkzeugs angepasst werden kann. Darüber hinaus ändert sich aufgrund der Tatsache, dass ein DTH-Lufthammer oben am RC-Bohrer montiert ist, der Luftmassendurchsatz, der durch den Bohrer strömt, mit der Zeit. Im Allgemeinen wird der Luftmassendurchsatz aufgrund der Kolbenbewegung des DTH-Lufthammers verändert. Die Untersuchung der Auswirkung des Massenstroms der zugeführten Luft auf die Saugfähigkeit des Bohrers kann einige Hinweise für den Bohrprozess liefern. Abbildung 6 zeigt die Auswirkung des Eingangsluftmassendurchsatzes auf die Fähigkeit zur Umkehrzirkulation. In dieser Gruppe von Simulationen wurden einige Strukturparameter von Saugdüsen angegeben, darunter ein Höhenwinkel von 60°, ein Durchmesser der Saugdüsen von 18 mm und ein Ablenkwinkel von 15°. Darüber hinaus sind die Saugdüsen symmetrisch und umlaufend über die mittlere Kanalwand verteilt, und die Anzahl der Saugdüsen beträgt insgesamt sechs. Die angesaugte Luftmassenströmungsrate aus dem Ringraum zwischen den Bohrrohren und der Bohrlochwand nimmt mit zunehmender Eingangsluftmassenströmungsrate zu und erreicht ihr Maximum, wenn die Eingangsluftmassenströmungsrate 1,205 kg/s beträgt, also die angesaugte Luft Die Masse aus dem Ringraum, der durch die Bohrrohre und die Bohrlochwand gebildet wird, nimmt mit zunehmendem Massenstrom der zugeführten Luft schnell ab. Wenn der Massendurchsatz der Eingangsluft < 1,205 kg/s beträgt, kann durch Erhöhen des Massendurchsatzes der Eingangsluft die Einspritzgeschwindigkeit des Luftstroms aus den Saugdüsen verbessert werden, was wiederum den Massendurchsatz der angesaugten Luft verbessern kann. Während die Querschnittsfläche des Mittelkanals des Bohrmeißels begrenzt ist, würde zu viel zugeführte Luft zu einem zunehmenden Widerstand der Luftströme führen und dadurch die Saugfähigkeit des Bohrmeißels schwächen. Wie beobachtet, nahm die Saugfähigkeit (Verhältnis zwischen angesaugter und zugeführter Luftmassenströmungsrate) mit zunehmender zugeführter Luftmassenströmungsrate ab. Dies kann auf die Kompressibilität der Luft zurückgeführt werden, da für die Komprimierung der Luft mehr Energie verbraucht wurde.

 

 

 

 

 

Abbildung 6

Einfluss des zugeführten Luftmassenstroms auf die Umkehrzirkulationsleistung des Bohrmeißels

 

 

4.2 Einfluss des Saugdüsendurchmessers auf die Saugleistung

Die zugeführte Luft muss über zwei Kanäle aus dem Ringraum der doppelwandigen Bohrrohre austreten: die Saugdüsen und die Spüldüsen. Bei gegebenem einströmenden Luftmassenstrom steigt das Verhältnis zwischen dem Luftmassenstrom an Saugdüsen und Spüldüsen mit zunehmendem Saugdüsendurchmesser. Die Saugfähigkeit des RC-Bohrers erhöht sich, wenn die Strahlgeschwindigkeit auf einem bestimmten Niveau gehalten wird. Abbildung 7 zeigt die Auswirkung des Saugdüsendurchmessers auf die Umkehrzirkulationsfähigkeit. In dieser Gruppe von Simulationen wurden einige Strukturparameter von Saugdüsen angegeben, darunter ein Elevationswinkel von 60°, ein Ablenkwinkel von 15° und ein Eingangsluftmassendurchsatz von 70 m3/min. Wenn der Durchmesser der Saugdüsen <20 mm beträgt, führt eine Vergrößerung des Saugdüsendurchmessers zu einer Verbesserung der Saugfähigkeit des Bohrers. Wenn der Durchmesser größer als 20 mm ist, wird die Saugfähigkeit des Bohrers deutlich geschwächt. Der Impuls der aus den Saugdüsen austretenden Luftstrahlen hat einen entscheidenden Einfluss auf die Rückwärtszirkulationsfähigkeit des Bohrers. Wenn der Durchmesser der Saugdüsen größer als 20 mm ist, überwiegt die abnehmende Amplitude der Strahlgeschwindigkeit die zunehmende Amplitude des Massenstroms an den Saugdüsen, wodurch die Saugfähigkeit der Bohrkrone geschwächt wird.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 7

Einfluss des Saugdüsendurchmessers auf die Bohrleistung der Bohrkrone

 

 

4.3 Einfluss des Elevationswinkels der Saugdüse auf die Saugleistung

Der Elevationswinkel der Saugdüse ist definiert als der Winkel zwischen dem Querschnitt des Mittelkanals und der Mittellinie der Saugdüse. Abbildung 8 zeigt, dass eine Vergrößerung des Elevationswinkels die Rückwärtszirkulationsfähigkeit des Bohrers verbessern kann. Bei allen in der Bohrkronenwand geneigten Saugdüsen würden sich die Strahlströme der Saugdüsen gegenseitig stören. Diese Kollisionen zwischen den Strahlen würden zu einem Energieverbrauch führen und den axialen Impuls der Strahlströme verringern, wodurch die Rückwärtszirkulationsfähigkeit des Bohrmeißels beeinträchtigt würde. Die Interferenz zwischen den Strahlströmen ist umso intensiver, je kleiner der Elevationswinkel der Saugdüsen ist.

 

 

 

Abbildung 8

Einfluss des Saugdüsen-Elevationswinkels auf die Rückwärtszirkulationskapazität des Bohrers

 

4.4 Einfluss des Ablenkwinkels der Saugdüse auf die Rückzirkulationsfähigkeit

Der Ablenkwinkel der Saugdüsen stellt den Winkel zwischen der Projektion der Mittellinie einer Saugdüse auf den Querschnitt des Mittelkanals und der Normalenrichtung der Mittelkanalwand am Auslass der Saugdüse dar. Abbildung 9 zeigt den Einfluss des Ablenkwinkels der Saugdüse auf die Saugleistung. Mit zunehmendem Ablenkwinkel der Saugdüsen verbessert sich die Saugleistung des Bohrers erheblich. Luftströme aus Saugdüsen mit Ablenkwinkel können im Mittelkanal Wirbelströmungen bilden, die die Saugfähigkeit des Bohrers verbessern. Darüber hinaus können die abgelenkten Strahlen die gegenseitige Beeinflussung unterdrücken. Allerdings ist der maximale Wert für den Ablenkwinkel durch den Bohrerdurchmesser begrenzt und kann nicht stufenlos erhöht werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 9

Einfluss des Ablenkwinkels der Saugdüse auf die Rückzirkulationsleistung des Bohrers

 

 

 

5 FELDVERSUCH
 

Um die Eindringrate mithilfe des RC-DTH-Lufthammers in der Hartgesteinsformation zu überprüfen, wurden der Bohrer mit einem Außendurchmesser von 665 mm und der RC-DTH-Lufthammer mit einem Außendurchmesser von 400 mm (RC-DTH 400) verwendet hergestellt. Simulationsergebnisse zeigen, dass die optimalen Werte der Saugdüsenparameter für den RC-Bohrer mit einem Außendurchmesser von 665 mm, einschließlich Saugdüsendurchmesser, Höhenwinkel und Ablenkwinkel, jeweils 20 mm, 60° und 20° betrugen. Allerdings würde der zu große Saugdüsenparameter die Bohrkronenfestigkeit schwächen. Die sechs Saugdüsen mit einem Durchmesser von 18 mm, einem Elevationswinkel von 45° und einem Ablenkwinkel von 10° wurden letztendlich ausgewählt, um die Lebensdauer der Bohrkrone zu gewährleisten. Die Konstruktionsstruktur des RC-DTH-Lufthammers und das fotografische Bild des hergestellten Prototyps des RC-DTH-Lufthammerwerkzeugs sind in Abbildung 10 dargestellt. Wenn der RC-DTH-Lufthammer arbeitet, kann die Bewegung des Kolbens aufgeteilt werden in zwei Phasen: die Backhaul-Phase und die Hubphase, und jede Phase durchläuft die Stufen Lufteinlass, Luftexpansion, Luftkomprimierung und Luftauslass. Der Nennluftdruck und der Nennluftvolumenstrom des RC-DTH400 betragen 1,8 MPa bzw. 92 m3/min; Die nominale Aufprallfrequenz und Aufprallgeschwindigkeit des Kolbens betragen 14,35 Hz bzw. 8,01 m/s. Weitere Zubehörkomponenten, darunter doppelwandige Bohrgestänge mit einem Außendurchmesser von 140 mm, doppelwandiges Kellyrohr und doppelwandiges Drehgelenk, wurden ebenfalls hergestellt.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 10

Konstruktionsstruktur und fotografisches Bild des Lufthammerwerkzeugs mit umgekehrter Zirkulation im Bohrloch

 

Der Feldversuchsstandort befindet sich in Foshan, Guangdong, China. Die Formation des Testgeländes besteht aus lockerem Boden mit einer Mächtigkeit von 3,99 m, verwittertem tonigem Schluffstein mit einer Mächtigkeit von 17 m und unverwittertem rotem tonigem Schluffstein unter dem verwitterten tonigen Schluffstein. Die lockere Bodenschicht und die verwitterte Ton-Schluffstein-Schicht lassen sich problemlos mit dem herkömmlichen Drehbohrverfahren durchbohren. Allerdings ist die Bohrgeschwindigkeit im unverwitterten roten Tonschluffstein relativ gering, sie kann <2 m/h erreichen. Und die sinkende Schlacke ist schwer zu reinigen.

 

Zur Durchführung des RC-DTH-Lufthammerbohrtests werden die lockere Bodenschicht und die verwitterte tonige Schluffsteinschicht mit einem konventionellen Drehbohrverfahren durchbohrt. Dann wurde das Lufthammerbohrsystem RC-DTH eingesetzt, um die unverwitterte rote Tonschluffsteinformation zu bohren. Der Aufbau des Feldtestsystems ist in Abbildung 11 dargestellt. Ein Luftkompressor von Atlas Copco mit einem maximalen Luftvolumenstrom von 34 m3/min und einem Nennluftdruck von 30 bar sowie ein Luftkompressor von Ingersoll Rand mit maximalem Luftvolumen Zur Bereitstellung der Druckluft wurden ein Durchfluss von 25,5 m3/min und ein Nennluftdruck von 24 bar eingesetzt. Zur Schmierung des Kolbens wurde ein Schmierstoffgeber eingesetzt. Das Drehbohrgerät SD20E der Guangxi Liugong Group Co., Ltd. wurde eingesetzt, um die Drehkraft und den WOB im Bohrprozess bereitzustellen.

 

 

 

 

Abbildung 11

Aufbau des Feldtestsystems

 

 

Es wurden zwei Testbohrungen gebohrt, die maximale Tiefe des Bohrlochs beträgt 50,8 m. Beim Bohrvorgang wurde eine maximale Eindringgeschwindigkeit von 6,0 m/h beobachtet, und die durchschnittliche Eindringgeschwindigkeit beträgt 4,5 m/h, wenn der Luftvolumenstrom und der Luftdruck unter den Nennwerten liegen. Feldtests haben gezeigt, dass der RC-Bohrer einen guten Rückwärtszirkulationszustand erreichen kann, auch wenn die Saugdüsenparameter nicht optimal waren. Bei der Bohrlochspülung wurde keine absinkende Schlacke festgestellt. Wie in Abbildung 12 dargestellt, trat nur wenig Luft und Staub aus dem Ringraum des Bohrwerkzeugs und der Bohrlochwand aus. An die Oberfläche zurückgeführtes Bohrklein besteht meist aus mittelgroßen bis großen Partikeln. Darüber hinaus entsteht bei der Bohrlochspülung keine absinkende Schlacke und das Bohrklein kann kontinuierlich an die Oberfläche zurückkehren. Es lässt sich schlussfolgern, dass sich das Drucklufthammerbohrsystem RC-DTH in einem guten Betriebszustand befand und beim Bohren von Bohrlöchern mit großem Durchmesser eine hervorragende Leistung zeigte.

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 12

Fotografische Bilder des Feldversuchs. A, Rückwärtszirkulation, die beim Bohrvorgang entsteht; B, Bohrspäne; C, Bohrlochspülungsprozess; D, Mündung des Auslassrohrs mit Sprühströmen

 

 

6 SCHLUSSFOLGERUNGEN

Um die Penetrationsrate zu verbessern und umweltfreundliche Bohrvorgänge zu erzielen, wurde der RC-DTH-Lufthammerbohransatz vorgeschlagen, um die oberen harten Formationen über der potenziell produzierenden Lagerstättenformation zu bohren. Da der RC-Bohrer das Schlüsselelement des RC-DTH-Lufthammerbohrsystems zur Realisierung der Rückwärtszirkulation darstellt, wurde eine parametrische Studie an einem RC-Bohrer mit einem Durchmesser von 665 mm durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vergrößerung des Höhenwinkels und des Ablenkwinkels der Saugdüse die Rückwärtszirkulationsfähigkeit des Bohrers verbessern kann. Die Rückwärtszirkulationsfähigkeit des Bohrmeißels erreicht ihr Maximum, wenn der Eingangsluftmassendurchsatz 1,205 kg/s beträgt, danach verschlechtert sie sich mit zunehmendem Eingangsluftmassendurchsatz. Der Bohrer mit einem Außendurchmesser von 665 mm und der RC-DTH-Lufthammer mit einem Außendurchmesser von 400 mm wurden hergestellt und ein Feldtest durchgeführt. Die Feldtestergebnisse zeigen, dass die Rückwärtszirkulationsfähigkeit des konzipierten RC-Bohrmeißels mit großem Durchmesser gut ist und die maximale Eindringgeschwindigkeit im Feldversuch 6,0 m/h betrug, was die Bohrzeit und -kosten drastisch reduzieren könnte.

 

DANKSAGUNGEN
 

Diese Arbeit wurde vom State Key Research Development Program of China (Grant-Nr. 2016YFC0801402 und 2016YFC0801404), dem National Science and Technology Major Project of China (Grant-Nr. 2016ZX05043005) und der National Natural Science Foundation of China (Grant-Nr. 51674050) finanziert ). Wir möchten anonymen Gutachtern für ihre außergewöhnlichen Ratschläge danken.