Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение эффективности промывки скважин за счет использования пульсирующего потока

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности промывки скважин за счет использования пульсирующего потока"

На правах рукописи

Тунгусов Сергей Александрович

Повышение эффективности промывки скважин за счет использования пульсирующего потока

Специальность: 25.00.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003471601

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре разведочного бурения имени проф. Б.И. Воздвиженского в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе» (РГГРУ).

кандидат технических наук, доцент Куликов Владимир Владиславович доктор технических наук, профессор Лачинян Леонид Артемьевич; кандидат технических наук Ганин Игорь Павлович ОАО «Центргеология»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится 24 июня 2009 г. в 16® часов в ауд. 4-15Б на заседании диссертационного совета Д 212.121.05 при Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе. Адрес: 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 23, РГГРУ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГГРУ.

Автореферат разослан 22 мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук

Назаров А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время бурение наклонно направленных разведочных скважин успешно применяется в большинстве стран, таких как Канада, Австралия, ЮАР, США, Германия, Франция и др. В России на сегодняшний день пробурено достаточное количество таких скважин, что обусловлено необходимостью получения более достоверной геологической информации, особенно на месторождениях со сложной геологической структурой залегания полезного ископаемого.

Однако, при бурении скважин такого профиля часто возникают проблемы, связанные с выносом шлама по наклонному и горизонтальному участкам. При этом нежелательно увеличивать расход очистного агента, т.к. это иногда приводит к ухудшению качества кернового материала, увеличению затрат энергии и износу бурового оборудования. До настоящего времени нет должного теоретического обоснования расхода промывочной жидкости при промывке наклонно направленных скважин. Рекомендуемые в литературе расходы промывочной жидкости на наш взгляд являются необоснованно завышенными.

Исходя из вышесказанного, исследование процесса промывки наклонно направленных скважин является актуальной задачей, решение которой позволит увеличить эффективность бурения разведочных скважин за счет уменьшения аварийности из-за скопления шлама в местах локального искривления ствола и на горизонтальных участках скважины, получения более достоверной геологической информации за счет лучшей сохранности керна, сокращения расхода очистного агента при использовании пульсирующей промывки, под которой понимается целенаправленное создание неравномерного движения потока промывочной жидкости (пульсации) по стволу скважины за счет использования забойного пульсатора.

Использование пульсирующей промывки позволит уменьшить расход промывочной жидкости и увеличить эффективность очистки забоя и выноса шлама.

Цель работы

Повышение эффективности бурения разведочных наклонно направленных скважин за счет изменения параметров потока промывочной жидкости.

Идея работы заключается в использовании пульсирующего потока промывочной жидкости для более эффективного выноса шлама с забоя и по стволу наклонно направленных скважин.

Основные задачи исследований

Для достижения поставленной цели в процессе научных исследований необходимо было решить следующие задачи;

• проанализировать существующие технологические схемы, методы и оборудование для промывки скважин;

• установить наиболее совершенную технологическую схему промывки скважин с использованием пульсирующего потока;

• разработать и опробовать модель выноса шлама при пульсирующем потоке промывочной жидкости;

• разработать конструкцию пульсатора для создания пульсирующего потока промывочной жидкости;

• провести исследования процесса удаления шлама при различных технологических параметрах и различных условиях бурения;

• создать компьютерную модель поведения частиц шлама на участках локального искривления ствола скважины;

• разработать методику определения расхода и рациональной частоты пульсации потока промывочной жидкости, позволяющего эффективно удалять разрушенную породу по стволу скважины и из-под торца коронки;

• провести сравнительные испытания при бурении скважин с использованием традиционного и пульсирующего потока промывочной жидкости в условиях, приближенным к натурным.

Методика исследований включает в себя анализ и обобщение литературных источников, проведение теоретических и экспериментальных исследований в области удаления шлама при бурении с пульсирующей промывкой. Использовались методики научных исследований и фундаментальные законы гидравлики. Обработка результатов исследований проводилась с использованием ПЭВМ. Статистическая обработка проводилась с применением пакета Excel, а расчеты проводились с использованием MATCAD, интерпретация экспериментальных данных осуществлялась в пакете MATLAB. Создание

компьютерной модели осуществлялось в среде разработки Microsoft Visual Studio на языке С++.

Научная новизна диссертации

• Установлена зависимость силы прижатия частиц шлама к стенке скважины в месте се локального искривления от скорости потока очистного агента, позволяющая оценить силы сопротивления перемещению шлама.

• Установлена зависимость рациональной частоты пульсационных колебаний от длины колонны бурильных труб и частоты вращения породоразрушающего инструмента.

• Выявлен характер влияния пульсирующей промывки на механическую скорость бурения в зависимости от частоты колебаний промывочной жидкости.

Практическое значение

• Предложена экономически более совершенная технологическая схема очистки скважины.

• Разработаны рекомендации по определению оптимальной частоты пульсации потока промывочной жидкости.

• Обоснованы рациональные значения величин углов наклона скважины, для которых пульсирующая промывка является наиболее эффективной.

• Предложена конструкция забойного пульсатора.

• Результаты исследований используются в учебном процессе в рамках курсов «Гидравлика и гидропривод», «Бурение разведочных скважин».

• Приведенные в диссертационной работе аналитические и экспериментальные зависимости рекомендуются к практическому применению в производственных условиях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций Практические рекомендации и защищаемые научные положения обоснованы достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, а также проверкой положений, выводов и рекомендаций в экспериментальных условиях, максимально приближенных к натурным, и достаточной сходимостью опытных данных с результатами проведенных теоретических исследований.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на научных заседаниях IV Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых» (МГТРУ, 2004 г.), VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (РГГРУ, 2007 г.), «Молодые наукам о земле» (РГГРУ, 2008 г.), «Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы» (РГТРУ, 2008 г.), IX Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (РГГРУ, 2009 г.), на семинарах кафедры разведочного бурения им. проф. Б.И.Воздвиженского (РГГРУ, 2007 - 2009 гг.)

Публикации

Основные положения диссертации содержатся в 8 публикациях, 2 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАКом, в 1 учебном пособии, в 1 патенте на полезную модель, а также в I заявке на изобретение.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, 6 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной в работе литературы, включающего 71 наименование. Диссертация содержит 106 страниц машинописного текста, 37 рисунков и 3 таблицы.

Во введении обоснованы актуальность работы, цели и задачи исследований.

В первой главе проведен анализ современного состояния технологических разработок в области промывки скважин. Показано, что преимущественно используется прямая промывка, которая для ряда случаев не является оптимальной. Разработана классификация способов промывки скважин по степени неравномерности подачи очистного агента. На основе этого анализа сделан вывод о возможности использования промывки пульсирующим потоком.

Во второй главе рассмотрена механика движения и накопления шлама в местах локального искривления скважин. Проведен анализ сил, действующих на частицу шлама. Установлена зависимость коэффициента лобового сопротивления движению частиц шлама от величины числа Рейнольдса при обтекании частиц, позволяющая определить и обосновать среднюю скорость восходящего движения пульсирующего потока.

Третья глава диссертационной работы посвящена построению математической модели поведения частиц шлама и потока промывочной жидкости в местах искривления ствола скважины.

В четвертой главе рассматриваются силы, действующие на частицу шлама, находящуюся под торцом коронки, и влияние пульсирующей промывки на вынос шлама из-под торца коронки и, как следствие, на ее износ.

В пятой главе обоснована оптимальная частота пульсации промывочной жидкости в зависимости от длины колонны или частоты вращения породоразрушающего инструмента. Разработана конструкция пульсатора.

Шестая глава посвящена экспериментальным исследованиям по воздействию пульсирующего потока при промывке скважины на удаление шлама. Приведена методика проведения исследований и их результаты. Получено экспериментальное подтверждение основных теоретических зависимостей.

В заключении диссертационной работы приведены основные выводы и рекомендации.

Автор выражает благодарность коллективу кафедры разведочного бурения имени Б.И. Воздвиженского РГТРУ и лично научному руководителю к.т.н., доц. В.В. Куликову за консультации и поддержку в процессе подготовки и выполнения диссертационной работы. Автор признателен за консультации сотрудникам кафедры компьютерных методов физики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова к.т.н. Е.А. Грачеву и A.A. Сумину.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Краткие сведения по изучаемому вопросу

Существенный вклад в разработку теории и технологии промывки скважин с целью повышения эффективности выноса шлама, уменьшения износа прородоразрушающего инструмента, получения более достоверных результатов опробования внесли такие ученые как В.В. Алексеев, Л.Д. Базанов, Д.Н. Башкатов, К.А. Боголюбский, О.С. Брюховецкий, А.И. Булатов, В.И. Власюк, Б.И. Воздвиженский, С.А. Волков, Л.К. Горшков, H.A. Гукасов, В.П. Дробаденко, Б.И. Есьман, Л.М. Ивачев, А.Г. Калинин, В.Г. Кардыш, А.Т. Киселев, Е.А. Козловский, В.В. Куликов, Л.А. Лачинян, Н.Г. Малухин, С.И. Минаков, Н.И. Николаев, А.И. Осецкий, A.B. Панков, Б.М. Ребрик, Н.И. Сердюк, Н.В. Соловьев, С.С. Сулакшин,

АЛ. Третьяк, Б.С. Филатов, Р.И. Шищенко, H.N. Hall, N. Macovei, P.L. Moore, H.U. Zeidler и многие другие.

Ранее высказывались предположения о возможности использования пульсирующей промывки для увеличения эффективности бурения в работах В.Г. Гейера, B.C. Дулйна, А.Н. Зари, А.И. Бажутина, С.С. Сулакшина, Н.Г. Егорова и др.

В настоящее время ряд статей, посвященных пульсирующей промывке, опубликованы Н.Т. Филимоненко и A.C. Юшковым.

Однако в этих работах использование пульсирующей промывки рассматривается как средство создания призабойной циркуляции очистного агента при бурении в зонах поглощения промывочной жидкости.

Анализ состояния рассматриваемого вопроса дал возможность конкретизировать задачи исследований и позволил в результате их теоретического решения и обработки экспериментальных данных сформулировать следующие защищаемые положения:

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Первое защищаемое научное положение

Использование пульсирующего потока приводит к более эффективному выносу шлама в местах локального искривления скважины.

При движении жидкости в местах локальных искривлений возникает неравномерность скоростей в сечениях потока, которая увеличивает потери давления на трение и, кроме того, может приводить к отрыву потока от стенок. На участке локального искривления (рис. 1) центробежные силы инерции частиц жидкости, движущихся по искривленным траекториям, вызывают перераспределение скоростей и давлений в сечениях потока: по направлению к центру кривизны (внутренней стенке канала) давление уменьшается, а скорость возрастает (Д.А. Бутаев, З.А. Калмыкова, И.И. Куколевский, Л.Г. Подвидз и др., МВТУ Н.Э. Баумана, 1972 г.).

Поэтому переход потока из прямого канала в изогнутый сопровождается на участке 1-3 внутренней стенки конфузорным эффектом (возрастанием скорости и снижением давления), а на участке 2-4 внешней стенки - диффузорным эффектом (уменьшением скорости и повышением давления). Переходу потока после

поворота на прямой участок, при котором скорости снова постепенно выравниваются, отвечает обратное явление - конфузорный эффект на участке 4-6 внешней стенки и диффузорный эффект на участке 3-5 внутренней стенки.

Рис. 1. Распределение скоростей внутри потока в локальном месте искривления.

Эксперименты проведены в лабораторных условиях с использованием стенда, имитирующего ствол наклонно направленной скважины с применением промывочной жидкости - воды. В качестве критериев подобия были выбраны два наиболее важных при транспортировании потоком частиц - число Рейнольдса и число Фруда.

Проведенные эксперименты подтвердили, что в области локального искривления действительно происходит падение скорости потока жидкости при равномерной ее подаче, которое ведет к накоплению частиц шлама (рис. 2).

Если использовать для промывки пульсирующий поток жидкости, то внутри потока в месте локального искривления возникает перераспределение местных скоростей, приводящее к выравниванию эпюр последних, вследствие чего происходит более эффективное удаление шлама (рис. 3).

Поскольку строгое решение уравнений, описывающих данный процесс, представляет собой крайне сложную задачу, его было решено описать с помощью математической модели. Реализацией данной модели явилась компьютерная программа, позволившая визуализировать этот процесс.

Рис. 2. Распределение шлама в месте локального искривления при использовании стационарного потока.

Рис. 3. Распределение шлама в месте локального искривления при использовании пульсирующего потока.

Модель также позволила показать векторные диаграммы распределения скоростей (рис. 4, 5), давлений и других параметров в потоке.

Рис. 4. Распределение векторов скоростей в месте локального искривления при стационарном потоке (математическая модель).

Рис. 5. Распределение векторов скоростей в месте локального искривления при пульсирующем потоке (математическая модель).

Из рис. 4 видно, что при стационарном движении жидкость движется в основном по внутренней стороне локального искривления, а на внешней стороне вследствие незначительного движения жидкости возникает застойная зона. При пульсирующем потоке (рис. 5) в некоторый момент времени происходит перераспределение скоростей в потоке, что позволяет удалять шлам из застойной зоны.

Результаты математического моделирования полностью совпадают с результатами лабораторных экспериментов.

Второе защищаемое научное положение

Средняя скорость восходящего движения пульсирующего потока, обеспечивающая надежное транспортирование шлама по стволу наклонно направленной скважины, ниже скорости стационарного потока.

Одной из важнейших задач промывки скважин является транспортирование и вынос шлама по стволу скважины. Как видно из приведенных выше данных, пульсирующая промывка позволяет эффективно удалять шлам из мест локального искривления. Необходимо было также показать, что при использовании пульсирующей промывки не ухудшатся условия выноса шлама по всему стволу скважины.

В общем случае сопротивления при обтекании тела складываются из сопротивления трения и сопротивления давления, причем последнее играет основную роль. Суммарное (лобовое) сопротивление определяется по формуле, предложенной Ньютоном:

где F - сила лобового сопротивления; Слс — коэффициент лобового сопротивления; р - плотность жидкости; V - скорость тела относительно жидкости; /-площадь поперечного сечения тела.

Известно, что чем больше коэффициент лобового сопротивления, при неизменной скорости, тем выше сила лобового сопротивления и эффективнее происходит вынос частиц. Значения коэффициентов лобового сопротивления движению частиц шлама в равномерном и пульсирующем потоках рассчитывались по известной формуле (А.Д. Альтшуль, МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1982 г.):

V2

2 '

(1)

(2)

где - число Рейнольдса при обтекании шара потоком жидкости;

с1 - диаметр шара; V - кинематическая вязкость жидкости. Полученные решения представлены на рис. 6.

С.

1,6 -

1,4

1Д -

1,0 -

0,8 -

0,6 -

■ш»_о

0,4 -

0,2 -

0

100

200

300 400 500 600

700

800

Рис. 6. График зависимости коэффициента лобового сопротивления от числа Рейнольдса при обтекания потоком частицы шлама. 1 - равномерный поток; 2 - пульсирующий поток.

Это объясняется следующим. При задаваемом равномерном потоке режим

обтекания шара жидкостью почти в любой момент времени является турбулентным. При таком виде обтекания коэффициент лобового сопротивления сравнительно мал, что приводит к ухудшению выноса шлама. При переходе к пульсирующему режиму потока в некоторый момент времени скорость потока снижается практически до 0 м/с. Следовательно, обтекание переходит из турбулентного режима в ламинарный, при этом увеличивается коэффициент , лобового сопротивления, и вынос шлама улучшается.

Так, например, в равномерном потоке жидкости при Ие=50 С,с=0,8 (рис. 6), а в пульсирующем, при том же среднем значении числа Рейнольдса при обтекании, значение Спс существенно (на 50%) выше и равно 1,2. Кроме того, проведенные экспериментальные исследования позволили установить область значений чисел Рейнольдса при обтекании шлама потоком, при которых разница величин коэффициентов лобового сопротивления при равномерном и пульсирующем задаваемых потоках существенна, а именно, на интервале Яе=0-300.

С целью подтверждения выдвинутых предположений были проведены экспериментальные исследования. Было установлено, что при пульсирующей промывке расход промывочной жидкости, необходимой для выноса шлама по

стволу скважины, уменьшается по сравнению с равномерным потоком, особенно ярко это выражено при углах наклона скважины от 0° до 30° (рис.7).

Рис. 7. Экспериментальные зависимости расхода восходящего потока воды при витании частиц от угла наклона скважины при равномерном и Пульсирующем режимах течения жидкости: а - угол наклона скважины, измеренный между горизонталью и касательной к оси скважины (модели скважины); 2 - объемный расход жидкости; 1 - равномерный поток; 2 - пульсирующий поток.

Третье защищаемое научное положение

При пульсирующей промывке создаются более благоприятные условия для работы породоразрушающего инструмента.

Ранее автором было показано преимущество пульсирующей промывки при удалении шлама из застойных зон и по всему стволу скважины [3, б]. Необходимо было также убедиться, что при использовании пульсирующей промывки не ухудшатся условия выноса шлама из-под торца коронки, и не снизится механическая скорость бурения.

В соответствии с данными, приведенными в литературе, считается, что процесс разрушения породы и выноса шлама из-под торца коронки происходит следующим образом. Из-под торца коронки шлам, в основном, удаляется по концентрическим окружностям до промывочного окна и лишь потом уносится потоком очистного агента в затрубное пространство. При этом происходит накопление шлама под всем сектором коронки, что, в свою очередь, приводит к образованию шламовой подушки, повторному перетиранию шлама, увеличению износа алмазов и расходованию мощности на повторное измельчение породы и, как следствие, к снижению механической скорости бурения. В процессе работы

алмазной коронки, на секторах последней, как правило, появляются три характерные зоны износа. Передняя кромка сектора коронки участвует в разрушении породы, а две другие зоны сектора перемалывают частицы породы, образованные первой зоной, т.е. дальнейшего разрушения породы забоя не происходит до того момента, пока шлам не будет удален через промывочное окно коронки. При бурении с использованием традиционной промывки складывается именно такая ситуация. Первая зона находится на набегающем краю сектора. Эта зона представлена сильно изношенными алмазными резцами и изношенной матрицей. Такой износ можно объяснить тем, что этот участок сектора матрицы постоянно контактирует с неразрушенной породой, испытывая сопротивления своему перемещению по породе, при этом деформируя породу с хрупким разрушением. Вторая зона сектора представлена равномерно изношенными алмазными резцами и матрицей, что свидетельствует о возникновении в этой зоне благоприятных условий для работы породоразрушающего инструмента. В этой зоне алмазные резцы движутся по предразрушенной породе, т.е. испытывая меньшие сопротивления своему перемещению со стороны породы, что позволяет избежать сколов резца. Наличие продуктов разрушения во второй зоне способствует своевременному и достаточному истиранию матрицы, что приводит к достаточному обнажению алмазных резцов. Третья зона сектора алмазной коронки движется по шламовой подушке, при этом резцы не контактируют с породой, а переизмельчают шлам, тонут в нем, вследствие этого возникает чрезмерный износ матрицы, который приводит к выпадению резцов из нее.

При такой схеме работы породоразрушающего инструмента только часть резцов участвует в разрушении породы и еще меньшее число работает в благоприятных условиях. Все это приводит к уменьшению углубки за оборот и к преждевременному износу коронки, вследствие чего снижается механическая скорость бурения и увеличивается время на спуско-подьемные операции, проводимые с целью замены изношенного инструмента.

При бурении с применением пульсирующей промывки возникает иная картина разрушения породы на забое и ее удаления. Пульсирующая промывка создается с помощью забойного пульсатора (рис. 8). Поток жидкости при движении оказывает давление на площадку (1), вследствие этого происходит сжатие пружины (2). При этом перекрывается отверстие (3), через которое

очистной агент движется по колонне бурильных труб, происходит резкая остановка потока жидкости, возникает явление гидравлического удара и резкое повышение давления до максимального. Это возросшее давление называют ударным - Руй. Давление воздействует на шары (4), что приводит к сжатию пружин (5) и открытию боковых отверстий (6), после чего давление уравнивается и пружина (2) возвращает площадку (1) в исходное положение. Затем процесс повторяется.

Рис. 8. Модель забойного пульсатора.

Ударное давление, распространяемое по жидкости со скоростью перемещения фронта ударной волны (в воде у^~1500 м/с), действует во все стороны, в том числе, в направлении забоя скважины, формируя удар на породоразрушающий инструмент, и в противоположном направлении, приводя к импульсному снижению усилия прижатия породоразрушающего инструмента к забою скважины. Снижение осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент в результате гидравлического удара назовем импульсным гидравлическим подпором (по аналогии с известным эффектом гидроподпора, возникающим из-за разницы давлений, в основном, вследствие потери давления на трение).

Тогда осевую нагрузку в момент удара волны о торец керна можно найти из следующего соотношения:

С = в + Ск-Р„-8, (3)

где б - вес бурового снаряда с учетом его положения в скважине и силы Архимеда; Сос- постоянная осевая нагрузка; площадь проекции торца керна на плоскость, перпендикулярную оси колонковой трубы.

Таким образом, возникает импульсное увеличение осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент (в момент перекрытия клапана), называемое ударом, и, практически одновременное (с небольшим запаздыванием), снижение осевого усилия за счет импульсного гидроподпора. Удар способствует образованию трещин (предразрушение хрупких пород) и увеличению глубины внедрения резцов, а гидроподпор - динамическому характеру приложения задаваемой осевой нагрузки путем частичного снижения последней. В момент снижения осевого усилия происходит удаление разрушенной породы из-под резцов и матрицы коронки импульсным потоком промывочной жидкости и разрушение породы, находящейся под резцами в напряженном состоянии. Таким образом, в отличие от промывки равномерным потоком, при пульсирующей промывке прородоразрущающий инструмент постоянно движется по предразрушенной породе, при этом снижается воздействие на набегающий край сектора матрицы.

Наряду с динамическим воздействием на породу происходит и лучшая очистка забоя. Вследствие возникновения давления Руд, на основании законов гидравлики, в узких зазорах между торцом коронки и породой на забое происходит резкое увеличение скорости потока, т.к. расход промывочной жидкости постоянен во времени.

Согласно литературным данным, диаметр перемещаемой частицы пропорционален квадрату, а ее масса - шестой степени скорости потока (закон Эри):

4 =

Г3-С„ 1

V. /щ, Рш-Р)

V ,

"■р.

3-е, 1 Р

4-я Л», РК~Р

(4)

(5)

где тш - масса частицы шлама; с1 - диаметр частицы шлама; Слс - коэффициент лобового сопротивления; V - скорость жидкости относительно частицы;/тр - коэффициент трения; рш - плотность шлама; р - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения.

Следовательно, даже незначительное увеличение скорости потока промывочной жидкости позволит удалять частицы большего размера и большей

массы без увеличения расхода промывочной жидкости только за счет энергии, накопленной за время перекрытия отверстия клапана.

Для подтверждения аналитического вывода о преимуществе пульсирующей промывки в условиях, близких к натурным, проводилось бурение по блоку породы с использованием традиционного способа и пульсирующей подачи промывочной жидкости.

По результатам эксперимента были построены графики зависимости углубки за оборот от частоты вращения породоразрушающего инструмента с использованием равномерного и пульсирующего потоков промывочной жидкости. Из приведенных на рисунке 9 графиков видно, что углубка за оборот при использовании пульсирующей промывки в среднем на 40 % выше, чем при равномерной.

' И, мм/об 0,025 -

0,02

0,015

0.01

0,005

ш п, об/мин

155 280 390 435 "

Рис. 9. График зависимости углубки за оборот от частоты вращения при использовании пульсирующего и равномерного потока промывочной жидкости. 1 - равномерный поток; 2 - пульсирующий поток.

На представленной микрофотографии сектора алмазной коронки наглядно видны три области (описанные ранее), возникшие вследствие неравномерного удаления шлама из-под торца при использовании традиционной промывки (рис. 10). При использовании пульсирующей промывки, напротив, наблюдается равномерный износ алмазной коронки (рис. 11).

Рис. 10. Неравномерный износ коронки Рис Л1. Равномерный износ при использовании равномерного коронки при использовании

потока. пульсирующего потока.

Четвертое защищаемое научное положение

Для эффективного удаления шлама необходим выбор рациональной частоты пульсаций потока в зависимости от длины ствола скважины и частоты вращения породоразрушающего инструмента.

Перед закрытым клапаном забойного пульсатора поток останавливается, и происходит гидравлический удар. При этом в колонне бурильных труб за счет упругих деформаций жидкости и материала труб происходит накопление потенциальной энергии. Накопленную упругую энергию можно направить на повышение качества процесса очистки скважин от шлама. Для накопления максимальной потенциальной энергии упругой деформации необходимо установить рациональное значение времени

I

А= — > (6)

где Ь - длина колонны бурильных труб (длина ствола скважины); \фр -скорость движения фронта ударной (упругой) волны в колонне бурильных труб.

Для того, чтобы реализация накопленной потенциальной энергии была наиболее полной, необходимо за время (} (время, в течение которого клапан открыт) дать возможность накопленной потенциальной энергии перейти в кинетическую энергию движения жидкости. В первом приближении можно принять //= ¡2.

Высокая скорость потока в течение времени приведет к увеличению относительной скорости движения (скорости проскальзывания шлама) и, несмотря на соответствующее некоторое снижение значения коэффициента

18

лобового сопротивления, в конечном итоге, к росту силы /V и скорейшему выносу шлама на поверхность.

Тогда рациональный период пульсационных колебаний жидкости (время между соседними актами закрытия клапана):

Т =», + /,, (7)

Следовательно, рациональная частота пульсации <р/ равна:

(8)

Обозначим среднее взвешенное значение скорости движения шлама относительно стенок скважины за один период пульсационных колебаний ушср.

Тогда

V ./+у -Г

-= ' 2- (9)

I'.

где уш/ и уш2 - средние скорости движения шлама относительно стенок скважины при закрытом и открытом положениях клапана соответственно.

Или

№> (10)

где Г„ и ¡к - начальное и конечное время одного периода пульсации соответственно.

Тогда при неизменной подаче жидкости и выполнении неравенства

УщСр>чш, (11)

пульсирующее движение обеспечит более быстрый и эффективный на участках искривления скважины подъем шлама на поверхность в сравнении с задаваемым равномерным течением. Способствовать этому эффекту будут удар о частицу шлама потока жидкости, накопившего потенциальную энергию упругой деформации, и выравнивание местных скоростей жидкости по поперечному сечению потока за счет его продольных колебаний.

Следовательно, для более эффективного удаления шлама по стволу скважины и из застойных зон необходимо выбирать частоту пульсационных колебаний, используя соотношение (8).

Кроме задачи эффективного удаления шлама по стволу скважины и из застойных зон, может стоять задача и обеспечения лучшего удаления шлама с

забоя. В этом случае необходимо подбирать частоту пульсаций из других соображений.

Как отмечалось ранее, шлам из-под торца коронки удаляется в основном через промывочные окна. Для исключения данного явления, необходимо на очень короткие промежутки времени снижать осевую нагрузку и увеличивать скорость протекания промывочной жидкости в зазорах между коронкой и породой. Этого можно достичь при правильном подборе времени импульса и его периодичности. Желательно, чтобы время импульса приходилось примерно на середину времени прохождения длины сектора коронки. Это позволит снизить осевую нагрузку примерно в то время, когда под сектором накапливается количество шлама, способное помешать процессу внедрения резца, а, следовательно, и разрушению породы.

Рассмотрим процесс движения сектора по забою скважипы более подробно. Нас будет интересовать за какое время сектор проходит отрезок пути, равный своей длине при заданной частоте вращения.

За один оборот точка на коронке проходит путь, равный длине окружности коронки. Следовательно, если знать частоту вращения, то несложно подсчитать в течении какого времени будет пройден этот путь.

'.=-• (12) п

где п - частота вращения коронки.

Зная число секторов коронки и пренебрегая расстояниями между ними (промывочными окнами), легко найти время, за которое сектор пройдет путь, равный своей длине.

'с= —. (13)

П-2

где г - количество секторов коронки.

Тогда период пульсационных колебаний может быть найден из следующего соотношения:

(рг=П-2. (14)

Для выбора рациональной частоты пульсационных колебаний при использовании пульсирующей промывки возможно использовать следующую систему:

i при необходимости эффективной

очистки ствола скважины ^^

п при необходимости эффективной очистки забоя скважины При выборе любой из частот пульсации будет выполняться как очистка ствола

скважины, так и ее забоя, но с большей или меньшой эффективностью. Так, при

появлении застойных зон в стволе скважины, его зашламовании рекомендуется

выбирать значение rp=<pi. При благоприятных условиях выноса шлама по стволу

скважины рекомендуется выбирать значение <р=<р2 с целью обеспечения большей

механической скорости бурения и меньшего износа породоразрушающего

инструмента.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Пульсирующая промывка более эффективно удаляет шлам в местах локальных искривлений скважин, а расход промывочной жидкости зачастую может быть снижен.

2. Использование пульсирующей промывки особенно эффективно на участке ствола скважины с углом наклона от 0° до 30°.

3. Пульсирующая промывка увеличивает динамическое воздействие потока на породу, позволяет улучшить вынос шлама из-под торца коронки и, как следствие, приводит к росту механической скорости бурения.

4. Определены рациональные частоты пульсаций, которые могут выбираться в зависимости от необходимости эффективного удаления шлама по стволу скважины или из-под торца коронки.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ СОДЕРЖАТСЯ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ Научные статьи, доклады и тезисы докладов:

1. Куликов В.В., Тунгусов A.A., Тунгусов С.А. Вопросы гидравлики безнасосного бурения скважин. // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. - 2007, №4. - с.75-^-78.

2. Тунгусов СЛ. Экспериментальное изучение процесса промывки скважин пульсирующим потоком. // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. - 2008, №4. - с.78-80.

3. Тунгусов С.А. Изучение влияния пульсирующей промывки на вынос шлама при бурении наклонно направленных скважин. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -2008, № 5. - с. 18-^-21.

4. Куликов В.В., Тунгусов С.А. Компьютерные технологии при решении задач буровой гидроаэромеханики. // Материалы V Международной конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых». Материалы конференции. - М.: РГГРУ, 2006. - с.44.

5. Тунгусов С.А. Экспериментальное изучение процесса промывки буровых скважин. // Межвузовская научная конференция «Молодые наукам о земле». Материалы конференции. -М.: РГГРУ, 2008. - с.312.

6. Тунгусов С.А. Экспериментальное изучение процесса промывки скважин направленного бурения. // «Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы». Материалы научно-практической конференции. -М.: РГГРУ, 2008. -с.120+121.

7. Тунгусов С.А. Выбор рационального режима работы забойного пульсатора. // Инженер-нефтяник. - 2008, №3. - с.26+27.

8. Тунгусов С.А. Изучение влияния пульсирующей промывки на удаление шлама из призабойной зоны //VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» Материалы конференции. - М.: РГГРУ, 2009. - с.323.

Учебные пособия:

9. Куликов В.В., Тунгусов А.А., Тунгусов С.А., Кравченко А.Е. Проектирование разведочных скважин. Учебное пособие. - М.: РГГРУ, 2008. -31с.

Патенты на полезную модель и изобретение:

10. Патент 78255, Россия, МПК Е 21 В 21/00 Колонковый снаряд для бурения с внутренней циркуляцией жидкости. 1 Куликов В.В., Соловьев Н.В., Тунгусов С.А. и др.

11. Куликов В.В., Соловьев Н.В., Тунгусов С.А. и др. Колонковый снаряд для вращательного бурения с внутренней призабойной циркуляцией жидкости. // Уведомление ФГУ ФИПС о рассмотрении ходатайства о проведении экспертизы заявки на изобретение по существу. Заявка на изобретение № 2008127493/03(033727) от 09.07.2008.

Подписано в печать 18». о 5.2009г. Объем 1,5 п.л. Тираж ЮО экз. Заказ № -I &

Редакционно-издательский отдел РГТРУ Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Тунгусов, Сергей Александрович

Введение.

Глава 1 Обзор современных методов и способов промывки скважин, цели и задачи исследований.

1.1 Общие сведения об исследуемом процессе.

1.2 Определение оптимального расхода очистного агента.

1.2.1 Определение оптимального расхода очистного агента, исходя из условия очистки забоя.

1.2.2 Определение оптимального расхода очистного агента с учетом транспортирования шлама по стволу скважины.

1.3 Основные схемы циркуляции очистного агента.

1.4 Классификация схем циркуляции очистного агента.

1.5 Способы реализации призабойной пульсирующей. циркуляции очистного агента.

1.6 Использование гидроударных машин.

1.7 Цели и задачи исследований.

Глава 2 Исследование характера движения частиц шлама и потока промывочной жидкости в местах локального искривления ствола скважины

Глава 3 Математическая модель поведения частиц шлама и промывочной жидкости в местах локального искривления ствола скважины.

3.1 Физическая постановка задачи.

3.1.1 Уравнения движения жидкости.

3.1.2 Уравнения движения частиц.

3.1.3 Уравнения взаимодействия частиц с жидкостью.

3.2 Метод расщепления.

3.3 Разностная схема.

3.4 Реализация.

3.5 Выполнение расчетов.

Глава 4 Исследование призабойных процессов при применении пульсирующей промывки.

Глава 5 Обоснование рациональной частоты пульсационных колебаний.

Глава 6 Методика проведения экспериментов и обработки результатов.

6.1 Лабораторные исследования процесса удаления шлама.

6.2 Исследования призабойных процессов на экспериментальном стенде Сергиево-Посадского полигона.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Повышение эффективности промывки скважин за счет использования пульсирующего потока"

В настоящее время бурение наклонно направленных разведочных скважин успешно применяется в большинстве стран, таких как Канада, Австралия, ЮАР, США, Германия, Франция и др. В России на сегодняшний день пробурено достаточное количество таких скважин, что обусловлено необходимостью получения более достоверной геологической информации, особенно на месторождениях со сложной геологической структурой залегания полезного ископаемого.

Однако при бурении скважин такого профиля часто возникают проблемы, связанные с выносом шлама по горизонтальному и наклонным участкам [1]. При этом нежелательно увеличивать расход очистного агента, т.к. это иногда приводит к ухудшению качества кернового материала, увеличению затрат энергии и износу бурового оборудования. До настоящего времени нет должного теоретического обоснования расхода промывочной жидкости при промывке наклонно направленных скважин. Рекомендуемые в литературе расходы промывочной жидкости на наш взгляд являются необоснованно завышенными.

Исходя из вышесказанного, исследование процесса промывки горизонтальных и наклонно направленных скважин является актуальной задачей, решение которой позволит увеличить эффективность бурения разведочных скважин за счет уменьшения аварийности из-за скопления шлама на горизонтальных участках и в местах локального искривления ствола скважины, получения более достоверной геологической информации благодаря лучшей сохранности керна, сокращения расхода очистного агента при использовании пульсирующей промывки, под которой понимается целенаправленное создание неравномерного движения потока промывочной жидкости (пульсации) по стволу скважины за счет использования забойного пульсатора.

Использование пульсирующей промывки позволит уменьшить расход промывочной жидкости и увеличить эффективность очистки забоя и выноса шлама.

Автор выражает благодарность коллективу кафедры разведочного бурения имени Б.И. Воздвиженского РГТРУ и лично научному руководителю к.т.н., доц. В.В. Куликову за консультации и поддержку в процессе подготовки и выполнения диссертационной работы. Автор признателен за консультации сотрудникам кафедры компьютерных методов физики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова к.т.н. Е.А. Грачеву и A.A. Сумину.

Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Тунгусов, Сергей Александрович

Заключение

Пульсирующая промывка более эффективно удаляет шлам в местах локальных искривлений скважин, а расход промывочной жидкости зачастую может быть снижен.

Использование пульсирующей промывки особенно эффективно на участке ствола скважины с углом наклона от 0° до 30°.

Пульсирующая промывка увеличивает динамическое воздействие на породу, позволяет улучшить вынос шлама из-под торца коронки и, как следствие, приводит к росту механической скорости бурения.

Определены рациональные частоты пульсаций, которые могут выбираться в зависимости от необходимости удаления шлама по стволу скважины или из-под торца коронки.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Тунгусов, Сергей Александрович, Москва

1. Иванников В.И., Иванников И.В., Вопросы промывки горизонтальных скважин при бурении. //Инженер-нефтяник. — 2009, №1. С.8-ИЗ.

2. Копылов Е.В. Бурение?. Интересно М., Недра, 1981

3. Рожков В.П. История и закономерности развития техники и технологии бурения скважин. Красноярск, ГУЦМиЗ, 2004.,

4. Некоторые вопросы технологии алмазного бурения (по данным зарубежной печати) Под редакцией Волосюка Г.К. ОНТИ ВИ'ГР. 1965.

5. Будюков Ю.Е., Власюк В .И., Спирин В.И., Алмазный породоразрушающий инструмент. ИПП "Граф и К", Тула, 2005

6. Волков С.А., Макушкин Д.О., Овчар ИЛ. Влияние количества промывочной жидкости на эффективность мелкоалмазного бурения. "Бюл.Н.Т.И. Мин.Геологии и ОН СССР", № 9, 1962.

7. Макушкин Д.О. Исследования по усовершенствованию: технологии мелкоалмазного бурения разведочных скважит Автореферат диссертации. 1963.

8. Большаков И.Ф. Исследования и усовершенствования технологии алмазного бурения горизонтальных скважин в; трещиноватых: и неоднородных породах по крепости: породах. Автореферат диссертации. 1964.

9. Сергиенко И.А. Исследование и оценка буримости горных пород алмазными коронками в условиях Целинного Горно-Химического комбината. Автореферат диссертации, МГРИ, 1970.

10. Андреянов Н.И., Бубнов Е.С. и др. Алмазное бурение. 1961.

11. Волков С.А., Волков A.C. Справочник по разведочному бурению. 1963.

12. Технология и техника разведочного бурения. Учебник для вузов/ Шамшев Ф.А., Тараканов С.Н., Кудряшов Б.Б. и др., М., Недра, 1983.

13. Васильев В.И., Блинов Г.А., Пономарев П.П, и др., Инструктивные указания по алмазному бурению геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые. JL: ВИТР, 1983

14. Васильев В.И., Блинов Г.А., Пономарев П.П, и др., Инструктивные указания по алмазному бурению геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые. Л.: ВИТР, 1987

15. Васильев В.И., Пономарев П.П., Блинов Г.А., и др., Отраслевая методика по разработке технологии бурения на твердые полезные ископаемые. Л.: ВИТР, 1980

16. Корнилов Н.И., Блинов Г.А., Курочкин П.Н. Технология бурения скважин алмазным инструментом при высоких скоростях вращения. М., Недра, 1978

17. Михайлова Н.Д. Техническое проектирование разведочного бурения. М., Недра, 1975

18. Сулакшин С.С. Способы, средства и технология получения представительных образцов пород и полезных ископаемых при бурении геологоразведочных скважин. ТПУ, Томск. 2000.

19. Соловьев Н.В., Чихоткин В.Ф., Богданов Р.К. Закора А.П. Ресурсосберегающая технология алмазного бурения в сложных геологических условиях. М:. ОАО "ВНИИОЭНГ", 1997

20. Куличихин Н.И., Воздвиженский Б.И., Разведочное бурение М., Недра, 1966

21. Временная инструкция по алмазному бурению. JL, Недра 1969.

22. Пальянов П.Ф., Штейнберг А.М. Бурение скважин. 1964.

23. Солтыш В.М., Меерсон Е.Г., Бубнов Е.С. Руководство по алмазному бурению геологоразведочных скважин. 1963.

24. Камминг Дж.Д. Руководство по алмазному бурению. 1960

25. Шумилов Л.П. О транспорте шлама по стволу скважины. "Нефтяное хозяйство", № 7, 1966.

26. Шумилов Л.П. Некоторые результаты экспериментального исследования транспортирования шлама по стволу скважины. Труды ВНИИБТ,Вып. 15. 1965.

27. Марамзин A.B., Блинов Г.А. Алмазное бурение на твердые полезные ископаемые. М., Недра, 1977, с.224-225.

28. Базанов Л. Д. Исследование гидравлических сопротивлений при промывке геологоразведочных скважин малого диаметра. Автореферат диссертации. 1970.

29. Ивачев Л.М. Промывочные жидкости в разведочном бурении. М., Недра. 1975.

30. Тян П.М. Предупреждение и ликвидация поглощений при геологоразведочном бурении. М., Недра. 1980.

31. Волков С.А., Боголюбский К.А. Безнасосное бурение. / Труды МГРИ. Т. XXX. -М.: Госгеолтехиздат, 1956.

32. Егоров Н. Г. Бурение скважин в сложных геологических условиях. Тула ИПП "Гриф и К", 2006

33. Большаков В.В. а.с. 126826

34. Муравьев А.Ф., Соловьев В.П. а.с. 802512

35. Филимоненко Н.Т., Пилипец В.И. Некоторые результаты производственных испытаний технологии бурения скважин с применением погружного пневмонасоса. -Донецк, ДНИ, 1984. -10с. -Деп. В УкрНИИНТИ 12.10.1984 N1734 Ук.84.

36. Филимоненко Н.Т., Ивачев JI.M., Чистяков В.К. Расчет необходимой скорости восходящего потока промывочной жидкости при промывке скважины пульсационным пневмонасосом. -Донецк, ДНИ, 1985. -7с. -Деп. в УкрНИИНТИ 14.03.85 N1737 Ук.85.

37. Граф Л.Э., Киселев А.Т., Коган Д.И. Техника и технология гидроударного бурения. М., Недра. 1975.

38. Лиманов Е.Л., Страбыкин И.Н., Елизаров М.И., Направленное бурение разведочных скважин М., Недра 1978.

39. Гейер В.Г., Дулин B.C., Заря А.Н., Гидравлика и гидропривод, М., Недра 1991.

40. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач. Бутаев Д.А., Калмыкова З.А., Куколевский И.И., Подвидз Л.Г., и др., М., Машиностроение 1974.

41. Маковей Н., Гидравлика бурения, М., Недра 1986.

42. Альтшуль А.Д., Гидравлические сопротивления М., Недра 1982.

43. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М., Теоретическая физика, т. 6, М., Наука 1988.

44. Родионов В.П., Лось В.М. Энергосберегающие технологии очистки, М., 2003.

45. Емцев Б.Т., Техническая гидромеханика. М., Машиностроение 1974.

46. Adam Т. Bourgoyne Jr., Keith К. Millheim, Martin E. Chenevert, F.S. Yaung Jr. Applied Drilling Engineering, Society of Petroleum Engineers, Richardson, TX, 1991.

47. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Теоретическая физика. T. VI. Гидродинамика.— M.: Физматлит, 1986.

48. Алешкевич В.А., Деденко В.А., Караваев В.А. Механика сплошных сред. Лекции. Издательство Физического факультета МГУ, 1998.

49. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред.-М.: Физматлит, 1984.

50. Иевлев В.М. Численное моделирование турбулентных течений. М.: Наука, 1990.

51. Фабер Т. Е. Гидроаэродинамика / Пер. с англ. В. В. Коляды, под ред. А. А. Павельева. -М.: Постмаркет, 2001.

52. Белоцерковский О.М., Гущин В.А., Щенников В.В. • Метод расщепления в применении к решению задач динамики вязкой несжимаемой жидкости. // ЖВМ и МФ 1975. - Т. 15, №1.

53. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971.

54. Сивухин Д.В. Общий курс физики. T. I. Механика. М.: Физматлит, 2002.

55. Козлов В.В. Физические процессы в потоках. // Соросовский образовательный журнал 1997. - №4.

56. Кляцкин В.И. Диффузия и кластеризация пассивной примеси в случайных гидродинамических потоках. М.: Физматлит, 2005.

57. Волков А.С., Ермакова В.И. Буровые геологоразведочные насосы. М., Недра 1978.63.