Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Интенсификация разрушения горных пород при использовании кавитационных колебаний жидкости в буровых долотах

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации по теме "Интенсификация разрушения горных пород при использовании кавитационных колебаний жидкости в буровых долотах"

На правах рукописи

МИНАКОВ Сергей Иванович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КАВИТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТИ В

БУРОВЫХ ДОЛОТАХ

Специальность: 25.00.14 -Технология и техника геологоразведочных работ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре разведочного бурения Московского государственного геологоразведочного университета имени С. Орджоникидзе

Научный руководитель:

к.т.н., чл. корр. РАЕН, доцент Н.И. Сердюк

Научный консультант: Официальные оппоненты:

к.т.н., доц. В.В. Куликов

д.т.н., профессор В.В.Алексеев д.т.н., профессор А.В.Панков

Ведущая организация:

ЗАО "Русбурмаш'

Защита состоится 23 июня 2004 г. в 1300 часов в аудитории № 4-15а на заседании Совета Д 212.121.05 при Московском государственном геологоразведочном университете по адресу: 117997, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 23, МГГРУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГРУ

Автореферат разослан "_

2004 г.

Ученый секретарь диссерташюн: кандидат технических наук, советник РАЕН,

А.П. Назаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Скважины, проходимые в верхнем осадочном чехле земной коры и имеющие длину ствола не превышающую ста или несколько сотен метров, обычно относят к неглубоким (условное название) скважинам. Большинство неглубоких скважин сооружают вращательным способом, без отбора кернового материала - лопастными и шарошечными долотами. К числу таких скважин относятся скважины как эксплуатационного (водозаборные, геотехнологические) так и технического назначения (строительные, водопонизительные и др.). В настоящее время в связи с постоянным ростом объемов строительных работ и нужд в источниках водоснабжения увеличивается доля сооружаемых вращательным способом с промывкой неглубоких скважин. Разбуриваемые толщи при проходке неглубоких скважин, как правило, относятся к горным породам, имеющим сравнительно невысокие категории по буримости. Такие породы успешно разрушаются не только вооружением долот, но и потоками жидкости, имеющими высокие скорости (гидромониторными струями), а особенно эффективно - при совместном механическом воздействии долота и гидромониторных струй. Вопросы интенсификации процесса разрушения горных пород долотами шарошечного типа при вращательном бурении освещены в известных работах отечественных и зарубежных исследователей: B.C. Федорова, Б.И. Воздвиженского, П.А. Палия, B.C. Владиславлева, P.M. Эйгелеса, B.C. Травкина, П.И. Букреева, В.П. Дверия, В.Г. Беликова, Ю.Е. Владиславлева.

Существенно более высокие технико-экономические показатели бурения достигаются при использовании гидромониторных долот, особенно в мягких и средних по твердости горных породах. Однако данная технология при сооружении неглубоких (до 100 - 150 м) гидрогеологических и других типов скважин не оправдана из-за необходимости переоснащения передвижных буровых установок БА - 15В, УРБ — ЗА - 2 и др. насосами с более высокими напорами, что в свою очередь сопряжено с известными организационными трудностями и дополнительными денежными затратами.

К числу перспективных нетрадиционных решений в области бурения неглубоких скважин можно отнести разрушение забоя кавитационными струями жидкости (Гидромониторными струями, в которых происходит фазовый переход жидкости в пар, а пара снова в жидкость - кавитация).

Оценке возможности применения при вращательном бурении неглубоких скважин долот, оснащенных гидродинамическими генераторами кавитационных колебаний жидкости, позволяющими создавать кавитационные струи с целью повышения эффективности бурения, посвяшена настоящая работа. ________

НАЦИОНАЛЬНАЯ I библиотека 1

С.ПетерС»

оэ тоо 7

Степень изученности рассматриваемого в работе вопроса следует признать недостаточной. В этом смысле изучение воздействия кавитационных струй на горную породу и разработка стратегии поддержания явления кавитационной эрозии забоя по мере углубления скважины является актуальным направлением исследований.

Цель работы

Повышение эффективности вращательного бурения неглубоких скважин за счет использования эффекта кавитационных колебаний жидкости.

Объект исследований

Конструкция промывочной системы долота для вращательного бурения, позволяющая создавать кавитационные колебания промывочной жидкости.

Предмет исследований

Характеристики воздействия кавитационных струй жидкости на горную породу забоя, стратегия управления скоростью кавитационной струи жидкости и способы достижения необходимой скорости струи по мере углубления скважины.

Основные задачи исследований

Для достижения поставленной цели - повышения эффективности вращательного бурения неглубоких скважин - в процессе научных исследований нужно было решить следующие задачи:

• провести анализ существующих технико-технологических решений в области бурения скважин с использованием гидромеханического разрушения пород напорными струями жидкости непрерывного и импульсного действия, эрозионного разрушения абразивными струями и эрозионного разрушения кавитационными струями;

• произвести оценку возможности применения явления кавитации в процессе углубления скважины;

• изучить и проанализировать результаты экспериментальных исследований интенсивности кавитационного разрушения;

• выявить основные факторы, определяющие эффективность воздействия струй на забой скважины;

• разработать энергетический критерий разрушения горных пород при бурении скважин с использованием мощности струй жидкости;

• разработать методику и подготовить экспериментальную базу для изучения эффективности применения явления кавитации с целью разрушения забоя скважины;

• провести экспериментальные исследования и проанализировать результаты разрушения горных пород кавитационными струями жидкости и долотами, оснащенными генераторами кавитационных колебаний жидкости;

• разработать гидравлическую программу процесса промывки (схему проектирования процесса промывки, направленную на- повышение эффективности бурового процесса) при бурении долотами, реализующими кавитационное истечение жидкости;

• разработать стратегию управления ростом скорости кавитационной струи жидкости в процессе углубления скважины.

Методика исследований

Для решения поставленных задач применялись общие принципы методологии научных исследований, включающие в себя анализ и обобщение литературных источников, проведение экспериментальных и теоретических исследований. Использовались методики научных исследований и фундаментальные результаты технической гидромеханики и термодинамики. Расчеты проводились на ПЭВМ в системе MATHCAD.

Научная новизна диссертации

• Установлены закономерности изменения скорости, расхода жидкости, диаметра и площади внутреннего поперечного сечения кавитационного устройства долота, а также количества кавитаторов, обеспечивающие реализацию явления кавитации с ростом глубины скважины.

• Получены зависимости для определения предельной глубины скважины, позволяющей осуществлять кавитацию и для расчета давления, развиваемого насосом при изменении параметров промывки, поддерживающих явление кавитации;

• Разработана энергетически наиболее выгодная стратегия управления ростом скорости кавитационной струи, жидкости в процессе углубления скважины.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

Практические рекомендации и защищаемые положения обоснованы достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, а также проверкой положений, выводов и рекомендаций в экспериментальных

условиях, максимально приближенных к производственным и достаточной сходимостью результатов.

Практическое значение

Практическое значение работы заключается в разработке перспективного направления вращательного бурения неглубоких скважин -бурение долотами, оснащенными гидродинамическими генераторами кавитационных колебаний жидкости.

Экспериментально установлено влияние: воздействия кавитационной струи на эффективность разрушения забоя скважины долотами при бурении горных пород вплоть до IX категории по буримости.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено минимальное значение скорости струи жидкости, обеспечивающей начало кавитации - около 30 м/с.

Разработана, гидравлическая программа процесса промывки и предложена энергетически наиболее выгодная стратегия управления скоростью струи жидкости, заключающаяся в уменьшении внутреннего-диаметра кавитационного устройства по мере углубления скважины.

Приведенные в работе аналитические и графические зависимости, а также расчетный материал в табличной форме представления, рекомендуются к практическому применению в производственных условиях.

Апробация работы

Основные, положения; диссертации докладывались на научных заседаниях IV и VI международных конференций "Новые идеи в науках о Земле" (МГГА) в 1999 г. и 2003 г., а также на семинаре кафедры разведочного бурения- МГГРУ и на производственных совещаниях ЗАО "Концерн Союзгеопром", "Гидроинжстрой", Московский' опытный завод буровой техники.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи. Издано учебное пособие.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 54 наименований, содержит 33 рисунка и 11 таблиц.

Во введении обосновывается актуальность работы,, цели и задачи исследований.

В первой главе диссертации проведен анализ современного состояния технологических разработок в области бескернового вращательного бурения скважин с использованием гидравлической энергии потока промывочной жидкости. Сделан вывод о преимуществах использования энергии кавитационных струй жидкости. Отмечена необходимость разработки гидравлической программы промывки при бурении долотами, оснащенными кавитационными устройствами, включающей в себя стратегию управления параметрами промывки по мере углубления скважины.

Вторая глава диссертации посвящена кавитационному разрушению горных пород при бурении скважин. Отмечено, что основной управляемой величиной, определяющей интенсивность кавитационной эрозии, является скорость жидкости, протекающей через кавитационное устройство долота.

Третья глава посвящена возможностям применения при бурении скважин гидромеханического разрушения горных пород. кавитационными струями жидкости. Исследовано изменение удельной работы разрушения с ростом глубины скважины и сделан вывод о ее росте при бурении долотами, оснащенными генераторами кавитационных колебаний жидкости. Приведены описание экспериментального стенда, методики проведения опытов и результаты экспериментальных исследований эффективности разрушения горных пород исключительно кавитационными струями и в процессе бурения долотами, оснащенными кавитационными устройствами. Установлено, что удельная работа разрушения пород при бурении долотом с кавитационным устройством в поверхностных условиях ниже, чем при бурении без него.

В четвертой главе разработаны основные положения технологии процесса промывки при использовании генераторов кавитационных колебаний жидкости, включающая в себя гидравлическую программу процесса промывки и энергетически наиболее выгодную стратегию управления ростом скорости кавитационных струй жидкости. Даны рекомендации по области применения долот с кавитаторами.

В заключении приведены основные выводы по диссертационной работе, практические рекомендации, сформулированы защищаемые положения.

Автор глубоко признателен научному руководителю к.т.н., чл.-корр. РАЕН Н.И. Сердюку за методическую, практическую и организационную помощь при выполнении диссертационной работы.

Автор выражает благодарность научному консультанту доц. В.В. Куликову за помощь, оказанную при проведение исследований, к.т.н., профессору А.А. Тунгусову.

Автор благодарит коллективы кафедры разведочного бурения МГГРУ, НИЛ "Комплексных технологических процессов недропользования" НИИП МГГРУ и ЗАО "Гидройнжстрой" за помощь, поддержку и содействие.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Краткие сведения по изучаемому вопросу

Большинство неглубоких скважин сооружают вращательным способом, без отбора кернового материала - лопастными и шарошечными долотами. Разбуриваемые толщи при проходке неглубоких скважин, как правило, относятся к горным породам, имеющим сравнительно невысокие категории по буримости. Такие породы успешно разрушаются не только вооружением долот, но и потоками жидкости, имеющими высокие скорости. Кроме того, струи жидкости могут способствовать очистке поверхности долот от налипающего шлама.

Разработке технологии бурения скважин с использованием гидравлической энергии струй жидкости на выходе из промывочной системы долота и использованию явления кавитации посвящены многочисленные исследования Есьмана Б.Т., Габузова Г.Г., Кожевникова А.А., Давиденко А.Н., Сердюка Н.И., Алексеева В.В., Рябчинского А.С., Чихоткина В.Ф., Ганина И.П., Меламеда ЮА, Кисилева А.Т. Палия П.А., Корнеева К.Е., Осипова П.Ф., Беликова В.Г., Хорюшина И.Г., Шищенко Р.И., Федорова B.C., Букреева П.И., Козодоя А.К., Зубарева А.В., Босенко А.А., Муравленко В.И., Халилова А.А., Шавловского С.С., Мительмана Б.И., Соболевского В.В., Саламатина Ю.В., Орлова А.В., Панова А.А., Карлова Р.Г., Леонова Е.Г., Исаева В.И., Эстрина Ю.Я., Дашевского А.С., Ткаченко В.И. и многих других как в нашей стране, так и за рубежом.

Перспективному направлению бурения с использованием гидравлической энергии кавитационных струй жидкости на выходе из кавитационных устройств долот посвящена настоящая диссертация. Наиболее простым в конструктивном отношении является исполнение* "кавитационного устройства в виде сменной кавитационной трубки Вентури (рис. 1), устанавливаемой либо в центральном промывочном канале долота, либо вместо гидромониторной насадки - у долот с боковой

схемой промывочной системы. Под кавитацией следует понимать фазовый переход жидкости в парообразное состояние при понижении давления струи, проходящей через кавитационное устройство, с последующей конденсацией кавитационных пузырьков в жидкое состояние при повышением давления на выходе из кавитатора. Давление, возникающее при конденсации одного кавитационного пузырька - десятки мегапаскалей. Смыкание сносимых потоком жидкости кавитационных пузырьков вблизи поверхности забоя скважины в определенных условиях приводит к кавитационной эрозии забоя. Явление кавитации можно искусственным образом создавать в скважине, поддерживать по мере ее углубления и направлять на принудительное,

совместное с долотом, разрушение забоя и на очистку поверхности долота от налипающего шлама.

Возможность осуществления явления кавитации существенно зависит от глубины скважины, т.к. с ростом последней увеличивается давление промывочной жидкости. Для осуществления фазового перехода необходимо понизить давление внутри кавитатора путем увеличения скорости жидкости. Следовательно, скорость жидкости внутри кавитационного устройства является основным параметром управления, позволяющим поддерживать явление кавитации по мере углубления скважины.

Чувствительность явления кавитации к внешнему давлению требует разработки соответствующей гидравлической программы промывки скважины и энергетически наиболее выгодной стратегии управления скоростью жидкости.

Сравнительная оценка эффективности разрушения горных пород забоя скважины при бурении долотами, оснащенными кавитационными устройствами и обычными долотами вызывает необходимость разработки энергетического критерия оценки эффективности разрушения.

Рис. 1. Генератор кавитационных колебаний жидкости.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие защищаемые научные положения:

Первое защищаемое положение

Энергетическим критерием оценки эффективности работы долота, оснащенного кавитационным устройством, должна служить величина удельной работы разрушения горной породы забоя скважины.

При бурении скважин с использованием энергии кавитационных струй жидкости на забой через колонну бурильных труб поступает мощность, расходуемая на разрушение породы- долотом, а от бурового насоса гидравлическая мощность, которая расходуется на разрушение породы жидкостью, очистку долота и забоя скважины от шлама, а также на охлаждение породоразрушающего инструмента. В результате поступления этих потоков мощности происходит разрушение забоя скважины.

Тогда Мш=Ы(,+Мг (1)

где - мощность, расходуемая на образование шлама;

- мощность, расходуемая долотом на процесс разрушения;

- гидравлическая мощность кавитационных струй жидкости на выходе из кавитационного устройства долота..

С другой стороны

(2)

где

N =М •/

' ш ш р

массовый расход образуемого шлама, кг/с; 1р - удельная работа разрушения горной породы забоя, Дж/кг.

где АР - перепад давлений в долоте; ()•- объемный расход жидкости;.

(3)

-

<1.

- скорость струи жидкости внутри кавитационного устройства; количество струй (кавитаторов);

- внутренний диаметр кавитационного устройства (диаметр

струи).

При истечении через местное сопротивление:

(4)

где ¡Л0 - коэффициент расхода жидкости через насадку; р - плотность жидкости.

где Р(« — плотность частиц шлама;

Ос -диаметр скважины;

— механическая скорость бурения.

Решая совместно (1) - (5) получим

Выражение (6) представляет собой зависимость, предназначенную для определения удельной работы разрушения. Величина / служит энергетическим критерием оценки эффективности разрушения.

С глубиной скважины эффект кавитации затухает из-за увеличения статического напора столба промывочной жидкости в стволе скважины. Поэтому необходимая удельная работа разрушения пород с глубиной бурения увеличивается по линейному закону (табл. 1, рис. 2). Пример рассчитан для-

исходных условий

9.81 Н/кг; рш = 3000кг/м3; К„ = 10м/ч; п = 1; с!с=12.8мм;р0=0.82; Ид = 1.24

кВт.

Таблица 1

Изменение удельной работы разрушения горной породы сростом глубины скважины при использовании механической энергии долота и энергии кавитационных струй жидкости

Рис. 2. Изменение удельной работы разрушения горной породы с ростом глубины скважины

Результаты экспериментального бурения гранита IX категории по буримос/ги шарошечным долотом в стендовых условиях, представленные в таблице 3, на рис. 3 и в виде уравнений регрессии (8) и (9), свидетельствуют о том, что чем выше энергия, передаваемая на породу забоя, тем выше механическая скорость, что можно объяснить более высокой эффективностью разрушения, особенно при бурении с кавитатором.

При бурении без кавитатора

Таблица 3

Сравнительные опытные данные бурения гранита IX категории по буримости долотом, оснащенным кавитатором и долотом без

кавитатора

Частота вращения п«р, об/мин Бурение без кавитатора Бурение с кавитатором

Механическая скорость бурения V„, м/ч Удельная работа разрушения 10, Дж/кг Механическая скорость бурения Ум, м/ч Удельная работа разрушения 10, Дж/кг

90 0.28 7.18-106 0.4 5.03-106

155 0.64 3.18-106 0.58 3.51-106

228 0.72 2.87-106 0.92 2.24-106

280 1.16 1.8-106 1.2 1.74-106

390 1.64 1.29-106 2.0 1.07-106

435 2.0 1.07-106 2.57 0.83-106

640 2.77 0.8-106 7.2 0.31-106

710 3.6 0.62-106 7.2 0.31-Ю6

Рис. 3. Зависимость удельной работы разрушения породы забоя от механической скорости бурения:

1. 1\р - при бурении без кавитатора;

2. 12р - при бурении с кавитатором.

Второвзащищаемое положение

При бурении скважин долотами, оснащенными генераторами кавитационных колебаний жидкости, гидравлической программой должен • быть предусмотрен степенной закон изменения скорости жидкости-с ростом глубины скважины

Под гидравлической программой процесса промывки следует понимать обоснованный выбор регулируемых параметров процесса промывки скважины и закономерностей их изменения с целью повышения эффективности бурового процесса.

Гидравлическая программа процесса промывки, предусматривающая интенсификацию разрушения- породы забоя скважины и очистки породоразрушающего инструмента от шлама при бурении долотами, оснащенными кавитационными устройствами, должна быть направлена на поддержание по мере углубления скважины кавитационных колебаний жидкости, создаваемых в кавитаторе бурового долота. При этом параметры промывки должны обеспечивать гарантированный вынос шлама, достаточное охлаждение долота и очистку забоя скважины от породы и не разрушать буровое долото.

Для поддержания явления кавитации по мере углубления скважины закон изменения скорости должен иметь степенной вид

где Р0 - атмосферное давление; Н - глубина скважины;

Рс - абсолютное давление внутри кавитатора, при уменьшении

которого в струе жидкости могут появиться кавитационные пузырьки, Рс -0,2- 105 Па;

Так как кавитационный поток жидкости внутри кавитатора не является сплошной средой, то к нему не применимы классические уравнения гидромеханики. Поэтому при составлении гидравлической программы процесса промывки рассматривается докавитаиионная струя жидкости, имеющая такую скорость, при превышении которой сплошность жидкости нарушится, начнется ее фазовый переход в парообразное состояние и обратно, т.е. процесс кавитации. К такой докавитационной струе вполне применимы классические уравнения гидромеханики.

(9)

% - удельная сила тяжести, Н/кг.

Решая уравнение Бернулли и уравнение сплошности для стационарного истечения затопленной турбулентной докавитационной струи жидкости из кавитатора долота (рис. 1) после некоторых упрощений получим степенной закон изменения скорости (9), а также

4 с 'V 0.095-р

/ = ■

0.095-р

\п-п \ 0.095• р )

п = ■

4-0

(10)

(11)

(12) (13)

п-сЦ

0.095-р

где / - минимальная площадь внутреннего поперечного сечения кавитатора.

Графики полученных функций представлены на рис. 4-6.

гоа-

15С'

250

Рис. 4. Зависимость скорости воды внутри кавитатора, обеспечивающей явление кавитации, от глубины скважины

0 06Г

С^Н.Йд.п^ООЗ'

ом-

Рис. 5/Зависимость объемного расхода жидкости, обеспечивающего явления кавитации, от глубины скважины при:

1. <//с = 5- 10° м, п1 = I;

2. сИс = 5- 10'3 м, п2 2;

с!2с = 10 • 10° м, п1 = 1

4. с12с = 10 • 10° м, п2 = 2

5. 15 ■ 10° м, п! = 1

6. 15 • 10"3 м, п2 = 2

0 02Г

<WH.QI.nO

<yH.Q3.nl)

drfH.Ql.n2)

сун^гш)

О

30

100

150

200

25(

Н

Рис. 6. Зависимость внутреннего диаметра цилиндрической камеры кавитатора, обеспечивающего явление кавитации, от глубины скважины при:

1. (?/ = 3.75 • Ю'3 м3/с, и/ = 1;

2. 0/ = 3.75 • 10"3 м3/с, п2 = 2;

3. 02 = 5- 103м3/с,/7/ = 1;

4. 02 = 5- 10"3 м3/с, «2 = 2;

5. 01 = 6.5- 10-3м3/с, п! = 1;

6. = 6.5 • 10"3 м3/с, п2 = 2;

Если промывка ведется водой, то при забуривании скважины (Я = 0) степенной закон (9) приводит к величине Ус = 29 м/с. Т.е., при скорости жидкости внутри кавитатора, большей, чем 29 м/с при забуривании скважины может начаться процесс кавитации жидкости. Это теоретическое значение хорошо согласуется с полученным экспериментальным путем.

Таким образом, с ростом глубины скважины скорость жидкости для поддержания явления кавитации следует увеличивать по степенному закону (9). Добиться увеличения скорости жидкости при росте глубины скважины можно либо путем увеличения расхода (10), либо путем замены кавитаторов -уменьшением их внутреннего диаметра (12) и, соответственно, площади поперечного сечения (11) и уменьшением количества кавитаторов в долоте (13) при сохранении постоянства расхода промывочной жидкости.

Третье защищаемое поюжение

Энергетически наиболее выгодной стратегией управления ростом скорости струи жидкости внутри кавитационного устройства при-увеличении глубины скважины является уменьшение внутреннего диаметра кавитатора или уменьшение количества кавитаторов.

Стратегия управления скоростью жидкости, при следовании которой прирост давления на насосе будет наименьшим является энергетически наиболее выгодной с позиции рационального использования и минимизации затрат мощности бурового насоса. Переменными по глубине скважины могут выступать либо расход жидкости, либо характеристики кавитаторов -внутренний диаметр, площадь поперечного сечения и их количество.

Решая уравнение Бернулли и уравнение сплошности для стационарного докавитационного турбулентного течения промывочной жидкости на ее пути от бурового насоса до выхода из скважины получим

с11 - внутренний диаметр бурильных труб;

Л - коэффициент линейных сопротивлений; - наружный диаметр бурильных труб.

Пример решения уравнений (7), (10)-(14) приведен в табл. 4, на рис. 7 и представлен в виде уравнений квадратических регрессий: при изменении расхода Q (15), при изменении внутреннего диаметра dc, площади сечения f и количества кавитаторов п - (16).

(14)

где - давление, развиваемое насосом;

Ря = 0.634+ 0.078-Я + 1.009-КГ4-Я2 ,МПа Р„ = 0.628 + 0.0787 • Я-2.768-10"6 - Я2, МПа

(15)

(16)

Рис.7. Гидравлическая программа изменения параметров промывки, обеспечивающих реализацию явления кавитации в процессе углубления скважины.

Р1„ - при изменении п, ¿/0/, Р2„ - при изменении

Таблнца 4.

Расчетные значения давления, развиваемого насосом при изменении параметров промывки, обеспечивающих реализацию явления кавитации на

забое скважины.

Глубина H, м

скважины 0 10 50 100 150 200

Параметры

Гс, м/с 29.02 43.30 77.49 105.68 127.80 146.61

О, м-'/с 3.75-10"' 5.57-10-' 9.97-10"' 13.60-10° 16.44-10"' 18.87-10"'

п = const.

dc = const,

/»const,

P., МПа 0.636 1.421 4.787 9.450 14.60 20.276

n 1.00 0.673 0.376 0.276 0.228 0.199

О »const,

4 = const,

f- const, P., МПа 0.636 1.414 4.543 8.466 12.391 16.249

йс.м 12.80 10° 10.5-10"Л 7.85-10"' 6.72-10' 6.11-10"' 5.71 10"'

л = const, Q = const

Pm, МПа 0.636 1.414 4.543 8.466- 12.391 16.249

12.87-10'* 8.66-10-' 4.84-10"J 3.55 lO"5 2.93-10'5 2.56-10"5

n = const.

Q = const.

Ль МПа 0.636 1.414 4.543 8.466 12.391 16.249

Пример рассчитан для исходных условий

0 = 3.75-5 °с= 151 мм = 0.151 м; О = 73 мм = 0.073 м; = 59 мм = с

0.059 м; р = 1000 кг/м3; X = 0.05;и = 1; Рс = 0.2-105Па; Рй = Ю5 Па.

Представленные результаты свидетельствуют о том, что минимальным прирост давления будет наблюдаться при изменении параметров кавитационного устройства с глубиной скважины. Следовательно, энергетически более рационально по мере углубления скважины уменьшать внутренний диаметр кавитатора (в идеале - непрерывно, в реальности -допустимо дискретное изменение).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представляемая диссертационная работа направлена на решение актуальной научно-практической задачи - повышение эффективности вращательного бурения неглубоких скважин за счет использования эффекта гидродинамических кавитационных колебаний жидкости в буровых долотах.

Основные выводы н рекомендации.

1. При использовании долот, оснащенных гидродинамическими генераторами кавитационных колебаний жидкости (кавитационными насадками) удельная энергия, необходимая для разрушения породы ниже, чем при бурении в тех же породах с использованием обычных гидромониторных насадок.

2. Кавитационная струя жидкости в сравнении с гидромониторной струей обладает большей разрушающей способностью.

3. Для данной горной породы, данной промывочной жидкости и

конструкции системы "долото - генератор кавитационных колебаний" основной переменной управляемой величиной, определяющей интенсивность кавитационной эрозии, является скорость жидкости, протекающей через кавитатор

4. Энергетическим критерием оценки эффективности разрушения должна служить величина удельной работы разрушения горных пород.

5. При разрушении забоя скважины кавитационными струями, а также долотами, оснащенными кавитаторами, величина удельной работы разрушения растет с увеличением глубины скважины.

6. При совместном воздействии на забой и вооружения долота, и кавитационной струи влияние последней на эффективность разрушения сказывается при бурении пород вплоть до IX категории по буримости.

7. Для поддержания явления кавитации на забое скважины увеличение глубины последней должно сопровождаться ростом скорости струи жидкости в кавитаторе. Добиться повышения скорости струи жидкости в кавитаторе при увеличении глубины скважины можно либо путем увеличения объемного расхода, либо уменьшением внутреннего диаметра кавитатора или уменьшением количества работающих кавитаторов.

8. Основная область применения долот, оснащенных генераторами кавитационных колебаний жидкости - бурение неглубоких гидрогеологических, нисходящих технических, а также горизонтальных и слабонаклонных скважин.

9. Гидравлическая программа процесса промывки при бурении скважин долотами, оснащенными генераторами кавитационных колебаний- жидкости, заключается в разработке стратегии управления ростом скорости струи жидкости внутри кавитатора при- увеличении глубины скважины.

10.' Энергетически наиболее выгодной стратегией управления ростом скорости струи жидкости внутри генератора кавитационных колебаний при росте глубины скважины является уменьшение внутреннего диаметра кавитатора или уменьшение количества кавитаторов.

Список работ по теме диссертации

1. Расчетная оценка условий очистки ствола скважины от шлама. Геология и разведка. № 1 2004 г. /соавторы Куликов В.В, Сердюк Н.И., Шибанов Б.В.

2.Применение кавитационной эрозии при бурении скважин. Геология и разведка. № 3 2004 г. /соавторы Куликов В.В, Сердюк Н.И., Шибанов Б.В.

3.Технология проектирования разведочно-эксплуатационных скважин на воду. Уч. пособие по курсовому проектированию. Допущено УМО по образованию в области прикладной геологии для студентов ВУЗов /Соавторы Сердюк Н.И., Кравченко А.Е. и др. М.: МГГРУ, 2003 г.

4. Способы бурения инженерно- геологических скважин. Тезисы четвертой международной научно-практическая' конференцияЛ факультета 'Техника разведки и разработки" МИРУ/ соавторы Д.В. Куранов, Н.И. Сердюк, СВ. Гуляк, В.М. Митровка. М.: МГГРУ, 2004 г.

Подписано в печать 18.05.2004. Формат 60x90/16. Бумага офсетная Пл. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 335

ИЗДАТЕЛЬСТВО

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельностьЛР №062809 Код издательства 5X7( 03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

119991Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (095)236-97-80; факс (095) 956-90-40

»12854

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Минаков, Сергей Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ БЕСКЕРНОВОГО ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ.

1.1. Анализ технологических разработок в области бурения скважин с использованием гидромеханического разрушения горных пород напорными струями жидкости.

1.2. Анализ технологических разработок в области бурения скважин с использованием гидромеханического эрозионного разрушения горных пород струями жидкости с наполнителями.

1.3. Анализ технологических разработок в области бурения скважин с использованием гидромеханического разрушения горных пород кавитационными струями жидкости.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. КАВИТАЦИОННОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН.

2.1. Сущность явления кавитации жидкости и кавитационного разрушения горных пород.

2.2. Экспериментальные исследования интенсивности кавитационного разрушения.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Интенсификация разрушения горных пород при использовании кавитационных колебаний жидкости в буровых долотах"

Скважины, проходимые в верхнем осадочном чехле земной коры и имеющие длину ствола, не превышающую ста или несколько сотен метров, обычно относят к неглубоким условное название) скважинам. Большинство неглубоких скважин сооружают вращательным способом, без отбора кернового материала - лопастными и шарошечными долотами. К числу таких скважин относятся скважины как эксплуатационного водозаборные, геотехнологические) так и технического назначения (строительные, водопонизительные и др.). В настоящее время в связи с постоянным ростом объемов строительных работ и нужд в источниках водоснабжения увеличивается доля сооружаемых вращательным способом с промывкой неглубоких скважин. Разбуриваемые толщи при проходке неглубоких скважин, как правило, относятся к горным породам, имеющим сравнительно невысокие категории по буримости. Такие породы успешно разрушаются не только вооружением долот, но и потоками жидкости, имеющими высокие скорости - гидромониторными струями, а особенно эффективно - при совместном механическом воздействии долота и гидромеханическом давлении гидромониторной струи. Долота, позволяющие реализовать наряду с механическим разрушением пород резцами (лопастями) гидравлическое - струями жидкости, оснащаются гидромониторными насадками (соплами) и называются гидромониторными долотами. Такие долота широко используются как в отечественной, так и зарубежной практике буровых работ. Однако полагать вполне достаточными и исчерпывающими существующие технико-технологические разработки в области бурения гидромониторными долотами вряд ли было бы верным. По этой причине как в нашей стране, так и в зарубежье специалисты по бурению скважин разрабатывают, испытывают и внедряют в производство новые, более эффективные конструкции породоразрушающих инструментов и способы бурения. Новым конструкциям инструментов и новым способам бурения требуются соответствующие технологические разработки. К числу перспективных нетрадиционных решений в области бурения неглубоких скважин можно отнести гидромеханическое разрушение пород высоконапорными гидромониторными струями жидкости непрерывного и импульсного действия, эрозионное разрушение абразивными струями (гидромониторными струями, несущими абразивный твердый, а также жидкий или газообразный материал), эрозионное разрушение забоя кавитационными струями жидкости (гидромониторными струями, в которых происходит фазовый переход жидкости в пар, а затем снова в жидкость - кавитация).

Разработке технологии вращательного бурения неглубоких скважин долотами, оснащенными гидродинамическими генераторами кавитационных колебаний жидкости, позволяющими создавать кавитационные струи, посвящена настоящая работа.

Конечной целью данной технологической разработки является повышение эффективности бурения. В этом смысле изучение воздействия кавитационных струй на горную породу и разработка стратегии поддержания явления кавитационной эрозии забоя по мере углубления скважины является актуальным направлением исследований.

Для достижения поставленной цели - разработки технологии бурения - в процессе научных исследований были решены следующие задачи: произведен анализ существующих технико-технологических решений в области бурения скважин с использованием гидромеханического разрушения пород напорными струями жидкости непрерывного и импульсного действия, эрозио/шого разрушения абразивными струями и эрозионного разрушения кавитационными струями; дана оценка возможности применения явления кавитации в процессе углубления скважины; изучены и проанализированы результаты экспериментальных исследований интенсивности кавитационного разрушения; выявлены основные факторы, определяющие эффективность воздействия струй на забой скважины; разработан энергетический критерий разрушения горных пород при бурении скважин с использованием мощности струй жидкости; разработана методика и подготовлена экспериментальная база для изучения эффективности применения явления кавитации с целью разрушения забоя скважины; проведены экспериментальные исследования и проанализированы результаты разрушения горных пород кавитационными струями жидкости и долотами, оснащенными генераторами кавитационных колебаний жидкости; разработана гидравлическая программа' процесса промывки при бурении долотами, реализующими кавитационное истечение жидкости; разработана стратегия управления ростом скорости кавитационной струи жидкости в процессе углубления.

Экспериментальные исследования осуществлялись на стендах кафедры разведочного бурения МГГРУ им. Серго Орджоникидзе. Диссертационная работа выполнилась в рамках организационно-технологических инновационных работ, проводимых ЗАО "Концерн

Союзгеопром" совместно с МГГРУ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 54 наименования. Содержит 91 страницу машинописного текста, 33 рисунка, 11 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Минаков, Сергей Иванович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

При использовании долот, оснащенных гидродинамическими генераторами кавитационных колебаний жидкости (кавитационными насадками) удельная энергия, необходимая для разрушения породы ниже, чем при бурении в ie\ же породах с использованием обычных гидромониторных насадок. Кавитационная струя жидкости в сравнении с гидромониторной струей обладает большей разрушающей способностью.

Для данной горной породы, данной промывочной жидкости и конструкции системы "долото - генератор кавитационных колебаний" основной переменной управляемой величиной, определяющей интенсивность кавитационной эрозии, является скорость жидкости, протекающей мере; кавитатор

Энергетическим критерием оценки эффективности разрушения должна служить величина удельной работы разрушения горных пород. При разрушении забоя скважины кавитационными струями, а та кил-долотами, оснащенными кавитаторами, величина удельной работы разрушения расчет с увеличением глубины скважины.

При совместном воздействии на забой и вооружения долота, и кавитационной струи влияние последней на эффективность разрушении сказывается при бурении пород вплоть до IX категории по буримости. Для поддержания явления кавитации на забое скважины увеличение глубины последней должно сопровождаться ростом скорости струп жидкости в кавитаторе. Добиться повышения скорости струи жидкости в кавитаторе при увеличении глубины скважины можно либо путем увеличения объемного расхода, либо уменьшением внутреннего диаметра кавитатора или уменьшением количества работающих кавитаторов. Основная область применения долот, оснащенных генераторами кавитационных колебаний жидкости - бурение неглубоких гидрогеологических, нисходящих технических, а также горизонтальных и ел абонакл он н их с к важи н.

Гидравлическая программа процесса промывки при бурении скважин долотами, оснащенными генераторами кавитационных колебаний

86 жидкости, заключается в разработке стратегии управления ростом скорост струи жидкости ни утр и кавитатора мри увеличении глубины скважины. Энергетически наиболее выгодной стратегией управления ростом скорое и; струи жидкости внутри генератора кавитационных колебаний при pociv глубины скважины является уменьшение внутреннего диаметра кавитатор:: или уменьшение количества кавитаторов.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие защищаемые положения:

Первое защищаемое положение

Энергетическим критерием оценки эффективности работы долот», оснащенного кавитационным устройством, должна служить величина удельной работы разрушения горной породы забоя скважины.

Второе защищаемое положение

При бурении скважин долотами, оснащенными генераторами кавитациоиных колебаний жидкости, гидравлической программой должен быть предусмотрен степенной чакон изменения скорости жидкости с ростом глубины скважины

Третье защищаемое положение

Энергетически наиболее выгодной стратегией управления ростом скорости струи жидкости внутри кавитационного устройства при увеличении глубины скважины является уменьшение внутреннего диаметра кавитатора или уменьшение кол и чества кавитаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Минаков, Сергей Иванович, Москва

1. Альтшуль А.Д. и др. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат. 1987.

2. Башкатов А.Д. Сооружение высокодебптпых скважин. М.: Недра, 1992.

3. Башкатов Д.Н. Планирование эксперимента в разведочном бурении. М. Недра. 1985.

4. Беликов В.Г. Поеташ С.А. Рациональная отработка и изностойкоси шарошечных долот. М.: Недра. 1972.

5. Беляков В.М. и др. Справочник мастера по бурению скважин на воду. М. Колос, 1984.

6. Бугаков Ю.Д. Современные шарошечные долота ведущих зарубежных фир\ для геологоразведочного бурения. М.: 1987. (техника и технология ГРР ВИЭМС).

7. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах Том 2-М.: Недра, 1985.

8. Бурение и оборудование геотсхполон iwcckhx скважин. / Сергиенко И.Л. i др./- М.: Недра. 1<Ш.

9. Буровой инструмент для геологоразведочных скважин. Справочник. Корнилов Н.И. и др./ М.: Недра, 1990.

10. Буровые долота. Справочник. Изд. 3-е. / Палий П.А. Корнеев К.П./ М Недра, 1971.

11. Вуколович М.П. Попиков И.И. Термодинамика. М.: Недра, 1972.

12. Ганджумян Р.А. Математическая статистика в разведочном бурении. М Недра, 1990.

13. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Никитин Б.А. Инженерные расчеты npi бурении глубоких скважин. М.: Недра. 2000.

14. Ганин И.П., Сердюк Н.И. Кавитация и возможности ее применения в горно\ деле и геологоразведке. Геология и разведка. №3 ,1996.

15. Гидравлические сопротивления. /Альтшуль А.Д./- М.: Недра, 1970.

16. Гукасов И.А. Механика жидкости и газа. М.: Недра. 1996.

17. Гукасов Н.А., Брюховецкий О.С. Чихогкин В.Ф. Гидродинамика > разведочном бурении. М.: Недра - Бизнесцентр, 1999.

18. Егоров И.Г., Садовников Ю.Н. и др. Искусственная кавитация. Л Судостроение, 1971.

19. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1987.

20. Есьман Б.И. Термогидравлика при бурении скважин. М.: Недра, 1982.

21. Есьман Б.И. Габучов Г.Г. Термогидравлические процессы при бурен ж скважин.-М.: Недра. 1991.

22. Игнатьев В.И. Организация и проведение эксперимента в бурении. М Недра, 1973.

23. Износ абразива при ультразвуковом бурении. ЭИ ВИЭМС. Техника i технология ГРР; Ор> апизация производства. Зарубежный опыт. 1984. вып. 4

24. Иогансен К.В. Спу тник буровика. М.: Недра. 1981.

25. Кнэпп Р., Дейли Дж. Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир. 1974.

26. Кожевников А.А. Давиденко А.И. Гидромеханический и эрозионньп способы разрушения горных пород при бурении скважин. Мл 1987. (Техника и технология ГРР; Организация производства. Обзор ВИЭМС)

27. Маковей Н. Гидравлика бурения. Пер. с румынского - М.: Недра, 1986.

28. Масленников И.К. Буровой инструмент. Справочник. М.: Недра, 1989.

29. Механика жидкости и газа. / Лойцянский Л.Г./ М.: Недра, 1973.

30. Осипов П.Ф. Проектирование оптимальных режимов буропн; гидромониторными шарошечными долотами: проблемы и решения. Авторсф дисс. уч. ст. докт. техн. наук, 2000 г.

31. Перник А.А. Проблемы кавитации. -J1.: судостроение. 1966.

32. Пилипенко В.В. Кавитационные автоколебания. Киев: Наукава думка, 1989.

33. Пирсол И. Кавитация. М.: Мир. 1975.

34. Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин. / Беликов В.1 идр./-М.: Недра. 1974.

35. Ребрик Б.VI. Ьуренпе инженерно-геологических скважин. VI.: Недра, 1 99D.

36. Рождественский В.В. Кавитация, Л.: Судостроение, 1977.

37. Романов А.В. Выбор рациональных типов долот и определение оптимальны-параметров их отработки. М.: 1986 - (Техника и технология ГРР Организация производства. Обзор ВИЭМС).

38. Руководство по применению шарошечных долог для бурен» t. геологоразведочных скважин сплошным забоем. М.: Недра, 1972.

39. Седов Л.И. Механика сплошной среды. 5-е изд., испр. М.: Наука, 1984. Т. 2.

40. Середа Н.Г., Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. М Недра. 1988.

41. Совершенствование режимов бурения долотами уменьшенного диаметра. Бикчурин Т.Н. .Козлов Ф.А./- М.: Недра. 1968.

42. Современное состояние технологии комбинированного разрушения поро.<! резцами и струями воды. ЭИ. ВИЭМС. Техника и технология ГТР Организация производства. Зарубежный опыт. 1987. вып. 4.

43. Справочник по бурению скважин на воду / Башкатов Д.И. и др./ М.: Недр;. 1979.

44. Техническая термодинамика. / Кириллин В.А. и др.' Мл Наука. 1979.

45. Улучшение гидравлической характеристики долот при использовать полимерных промывочных жидкостей. ЭИ. ВИЭМС. Техника и технологи; ГРР; Организация производства. 1982. вып. 15.

46. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979.

47. Успешное бурение скважины фирмой CHEVRON в Западном Техасе использованием гидромониторных шарошечных долот с удлиненным! насадками. ЭИ ВИЭМС. Техника и технология ГРР; Организацн: производства. Зарубежный опыт. 1982. вып. 17.

48. Физические величины. Справочник. / Бабичев Л.П, идр./ У. Энергоатомиздат, 1991.

49. Хорюшин И.Г. Бурение геологоразведочных скважин шарошечным: долотами. М.: Недра. 1977.

50. Черепанов Г.П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения М.: Недра, 1987.

51. Чугаев P.P. Гидравлика. 4-е изд. Л.: Энергоиздат. 1982.

52. Шак.товсктт С.С. Исследования эффективности струи при гидравличссм выемке. М.: Наука. 1966.

53. Шальнев К.К., Козырев С.П. Релаксационная гипотеза кавитационной эрозт. / Доклады АН СССР. 1972. Т. 202. №5. с. 1057 1060.

54. Шищенко Р.И. Есьман Б.И. Практическая гидравлика в бурении. М.: Недр. 1966.