CC BY
17
_ © А.В. Ковалев, С.Я. Рябчиков,
А.В. Веревкин, Е.Д. Исаев, Ф.Р. Алиев, 2015
УДК 622.243.95
А.В. Ковалев, С.Я. Рябчиков, А.В. Веревкин, Е.Д. Исаев, Ф.Р. Алиев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ МАССЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОРЦИИ ШАРОВ ПРИ ШАРОСТРУЙНОМ БУРЕНИИ
Одним из самых перспективных способов разрушения твердых и крепких горных пород является гидродинамический, реализуемый с помощью шароструйно-эжек-торного бурового снаряда. В основе его конструкции лежит струйный аппарат, осуществляющий непрерывную циркуляцию шаров в призабойной зоне скважины. Цель работы: на основе результатов экспериментальных исследований разработать методику расчета оптимальной технологической порции шаров, необходимой для эффективного разрушения горной породы на забое скважины. Методы исследований: экспериментальные исследования процессов шароструйного бурения проводились на специально разработанном масштабированном лабораторном стенде. Установлено, что при шароструйном бурении скважины существует оптимальная масса порции шаров, значение которой растет с увеличением длины камеры смешения. При критической порции шаров происходит заклинивание шаров в затрубном пространстве под задерживающим устройством. С помощью высокоскоростной съемки была определена причина заклинивания шаров. Полученные результаты экспериментальных исследований позволили вывести формулу расчета оптимальной массы порции шаров, а также условия для предупреждения заклинивания шаров под задерживающим устройством.
Ключевые слова: разрушение горных пород, гидродинамические способы бурения, породоразрушающий инструмент, шароструйное бурение, шароструйно-эжектор-ный буровой снаряд, твердые и крепкие горные породы.
Введение
В мировой практике бурения скважин прослеживается тенденция к возрастанию объема бурения скважин различного назначения в твердых и крепких горных породах. Бурение в таких породах характеризуется низкой механической скоростью бурения и проходкой на долото. Повышение эффективности бурения в твердых и крепких горных породах может быть реализовано за счет создания новых материалов и новых конструктивных решений для поро-доразрушающего инструмента (ПРИ). Однако, несмотря на их постоянное совершенствование, бурение механи-
ческими способами в твердых и крепких горных породах остается не достаточно эффективным.
Поэтому актуальность приобретает разработка альтернативных способов разрушения горных пород. По мнению ряда авторов [1-3] одним из наиболее перспективных является гидродинамический способ разрушения горных пород, осуществляемый высокоскоростной струей жидкости. Данным способом на забой скважины можно передавать значительные мощности, при этом скорость бурения и проходка на долото могут возрастать в кратное число раз. Кроме того, этот способ легко вписывается в существу-
ющую технологию бурения механическими способами, при которой для очистки скважины от шлама на забой подается промывочная жидкость. Однако гидродинамический способ в неизменном виде мало перспективен для бурения скважин в крепких горных породах.
Шароструйный способ бурения скважин, заключающийся в разрушении горных пород ударами высокоскоростных шаров, непрерывно циркулирующих в призабойной зоне скважины, позволит решить ряд технических и технологических проблем при реализации гидродинамического способа разрушения горных пород.
При шароструйном бурении существует оптимальное значение веса порции шаров, при котором скорость бурения максимальна [4-7]. Когда количество шаров меньше оптимального, порода разрушается при недостаточном числе ударов по забою. Если количество шаров в скважине больше оптимального, то на пути шаров, поступающих с оптимальной скоростью на забой, могут оказаться шары, отскочившие от забоя скважины, что приведет к снижению скорости бурения. А.Б. Уваков и В.В. Штрассер утверждали, что определить оптимальный вес порции шаров аналитическим путем очень сложно, поэтому для каждого конкретного случая необходимо устанавливать эту характеристику опытным путем [6, 7].
Известно [4-7], что процесс бурения шароструйным способом складывается из нескольких последовательных этапов: 1) спуск в скважину шаров; 2) спуск в скважину бурового снаряда; 3) процесс бурения; 4) подъем снаряда из скважины; 5) извлечение шаров с забоя скважины. Неправильный расчет оптимальной массы порции шаров или ее определение опытным путем приведет к необходимости улавливания спущенных на за-
бой шаров с последующей их заменой на новую порцию, тем самым, к снижению рейсовой скорости бурения. Таким образом, разработка методики расчета оптимальной массы порции шаров является важной исследовательской задачей.
Методика проведения экспериментальных исследований
Для проведения экспериментальных исследований был сконструирован и изготовлен стенд [8] в масштабированном варианте.
Экспериментальные исследования проводились по следующей методике:
Забурка скважины. Бурение проводилось на образцах модельного материала, в качестве которого использовалась керамическая плитка или мрамор. При этом бурение в течение определенного времени производилось без опускания бурового снаряда. Далее замерялись геометрические параметры скважины.
Бурение с расхаживанием бурового снаряда. Бурение проводилось на образцах мрамора. После проходки определенного интервала буровой снаряд кратковременно опускался на забой скважины и поднимался до запланированного расстояния между долотом и забоем. Далее замерялись геометрические параметры скважины.
Высокоскоростная съемка с частотой записи 3600 кадров в секунду для визуализации быстропротекающих процессов шароструйного бурения.
Исследование влияния массы порции шаров на эффективность шароструйного бурения
При прочих равных условиях было проведено исследование влияния массы порции шаров на эффективность разрушения керамической плитки при забурке скважины.
Установлено, что при увеличении массы порции шаров диаметр сква-
Масса шаров.
Рис. 1. Зависимость диаметра (1) и объема (2) скважины от массы порции шаров
жины слабо зависит от массы порции шаров (рис. 1). При увеличении массы порции шаров объем скважины вначале увеличивается, а потом уменьшается, что говорит о наличии оптимального значения массы порции шаров для конкретных условий бурения. Вследствие малого количества ударов шаров о забой скважины в начале эксперимента наблюдается незначительный объем скважины. При увеличении массы порции шаров до оптимального значения наблюдается увеличение объема скважины до определенного предела. Дальнейшее повышение массы порции шаров при-
водит к снижению объема скважины, а при достижении критической массы порции шаров бурение вовсе прекращается в связи с заклиниванием шаров в затрубном пространстве под задерживающим устройством.
С помощью высокоскоростной съемки проведено исследование причин заклинивания шаров в затрубном пространстве при их критическом количестве. Под заклиниванием шаров подразумевается скопление шаров перед впускными окнами, приводящее к прекращению их циркуляции, следовательно, остановке процесса бурения. Заклинка происходит в начальный
Рис. 2. Кадры, характеризующие этапы, предшествующие заклиниванию шаров в начале бурения
момент бурения при критической массе порции шаров, реже - в процессе бурения. Стоит отметить, что причина заклинки связана с применением задерживающего устройства. На рис. 2 представлены кадры, характеризующие этапы, предшествующие заклиниванию шаров.
Ниже приводится описание этапов, предшествующих заклиниванию шаров.
В начальный момент времени шары поднимаются в затрубном пространстве за счет взаимодействия с восходящим потоком жидкости.
Шары поднимаются к задерживающему устройству, взаимодействуя с которым, направляются к технологическим окнам.
Пришедшие первыми к задерживающему устройству шары подсасываются через впускные окна в камеру смешения.
Количество шаров, проходящих через впускные окна, меньше количества шаров, подходящих к задерживающему устройству. В результате у впускных окон наблюдается скопление шаров.
При определенных условиях перед задерживающим устройством скапливается критическое количество шаров, когда нижерасположенные ряды шаров оказывают давление на вышележащие с силой, направленной вертикально вверх. В результате этого процесса
шары, находящиеся перед впускными окнами, располагаются таким образом, что не имеют возможности проходить через них. Происходит заклинивание шаров.
Существенное влияние на величину оптимальной технологической порции шаров оказывает длина камеры смешения струйного аппарата.
Для определения оптимальной длины камеры смешения в ряду длин 5 • d ; 7,5 • d ; 10 • d ; 12,5 • d ; 15 • ¿КС;
' кс' кс' ' кс' кс'
17,5 • dкс предварительно были выявлены значения оптимальных масс порции шаров при забурке скважины. Стоит отметить, что оптимальная масса порции шаров при увеличении длины камеры смешения увеличивается, что связано с большим объемом бурового снаряда и затрубного пространства.
Экспериментальные исследования влияния длины камеры смешения на эффективность разрушения проводились при бурении скважин в образцах мрамора с расхаживанием снаряда. Полученные результаты исследований представлены в таблице. Анализ таблицы показывает, что с увеличением длины камеры смешения уменьшается диаметр скважины и ее объем. Максимальная глубина скважины зафиксирована при бурении буровыми снарядами с длиной камеры смешения, равной 40 и 60 мм.
Влияние длины камеры смешения на эффективность шароструйного бурения
Длина камеры смешения, мм Оптимальная масса порции шаров, г Объем скважины, мм3 Диаметр скважины, мм Длина цилиндрической части скважины, мм Глубина скважины до точки соприкосновения долота с забоем, мм Общая глубина скважины, мм
40 20 32 000 25,6 57 65,7 70,3
60 25 30 800 25 57,2 65,8 70,8
80 30 29 200 24,6 53,3 62,2 66,8
100 30 28 600 24,2 52,7 62,4 66
120 35 27 600 24,2 51,9 62,6 65,5
140 35 24 500 23,8 47 56,7 61,2
Вывод формулы расчета оптимальной массы технологической порции шаров
Схема устройства шароструйно-эжекторного бурового снаряда представлена на рис. 3, по которому видно, что при работе бурового снаряда шары движутся в трех зонах: 1) в за-трубном пространстве; 2) в буровом снаряде; 3) в призабойной зоне. Причем в затрубном пространстве наблюдается максимальная концентрация шаров.
Для предупреждения заклинивания шаров под задерживающим устройством необходимо соблюдать условие:
О < О , (1)
зп кс' у '
где Окс - расход шаров в камере смешения; Озп - расход шаров в затруб-ном пространстве.
Экспериментальные исследования показали, что формула (1) справедлива при коэффициентах эжекции, равных 2-4.
Анализ результатов бурения скважин, а также высокоскоростной съемки процессов циркуляции шаров показывает, что величина оптимальной массы порции шаров зависит от размеров шаров, размеров бурового снаряда и скважины.
Нами было выявлено, что для разработки скважины до требуемого диаметра при минимально возможном расстоянии между долотом и забоем должны соблюдаться следующие соотношения:
6 = 2,2 ■ 6 , (2)
кс ' ш' 4 '
О - 6бс = 2 ■ 1,1- 6, (3)
скв бс ' ш' у '
где - диаметр шаров; 6кс - диаметр камеры смешения; Оскв - диаметр скважины; - наружный диаметр бурового снаряда.
Для бурового снаряда с выше представленными соотношениями геометрических параметров максимальное количество шаров, движущихся в за-
Рис. 3. Схема работы шароструйно-эжекторного бурового снаряда: 1 - сопло; 2 - задерживающее устройство; 3 - камера смешения; 4 - диффузор; - расход потока бурового раствора; Окс - расход шаров в камере смешения; Озп - расход шаров в за-трубном пространстве; - диаметр шаров; 6бс - наружный диаметр бурового снаряда; - диаметр скважины; 1б - длина камеры
скв
смешения
трубном пространстве, определяется по формуле, исходя из условия непрерывного движения шаров. Предполагается, что шары при этом выстраиваются в несколько рядов.
(
N
4С ^
(
¿бс + оскв)
Л
2 • 6„
(4)
где 16с - длина бурового снаряда.
Анализ результатов высокоскоростной съемки показал, что при оптимальном количестве шаров в технологической порции при их движении
между ними в пределах ряда и между рядами существуют зазоры, следовательно, количество шаров будет определяться по формуле:
N„ =
Г L
л Г
ч d • C ,
V ш 1 у
d6c + Dckb ) 2 • d • C
л
(5)
где С1 - коэффициент, учитывающий зазор между рядами, С = 1,5; С2 -коэффициент, учитывающий зазор между шарами в ряду, С2 = 1,5.
Формулу (5) необходимо применять для расчета оптимальной массы порции шаров:
Г i
Л
бс
v ^ • ci у
dfe + Dckb )
2•d • C
(6)
где m, - масса одного шара.
О справедливости данной формулы свидетельствуют результаты, полученные при экспериментальном исследовании влияния длины камеры смешения на эффективность шаро-струйного бурения. При увеличении длины камеры смешения оптимальное количество шаров увеличивается.
Основные выводы
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили:
• выявить зависимости влияния массы порции шаров и длины камеры смешения на эффективность шаро-струйного бурения;
• установить причину заклинивания шаров в затрубном пространстве под задерживающим устройством и выявить условия для его предупреждения;
• вывести формулу расчета оптимальной массы порции шаров.
X
1. Давиденко А.Н., Игнатов А.А. Абразивно-механическое ударное бурение скважин: монография. - Днепропетровск: НГУ, 2013. - 110 с.
2. Кожевников А.А., Давиденко А.Н. Гидромеханический и эрозионный способы разрушения горных пород при бурении скважин. - М., 1987. - 45 с.
3. Максимов В.И. Новые способы бурения скважин - М.: ВИЭМС, 1971. - 55 с.
4. Заурбеков С.А. Повышение эффективности призабойных гидродинамических процессов при шароструйном бурении скважин: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Алматы, 1995. -18 с.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Уваков А.Б. Шароструйное бурение. -М.: Недра, 1969. - 207 с.
6. Штрассер В.В. Исследование процессов разрушения горных пород ударами шаров (к теории шароструйного бурения): дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Алма-Ата, 1966. - 217 с.
7. Eckel 1Е., Dеilу F.H., Ledgerwооd L.W. Development and testing of jet ритр pellet impact drill bits // Transaction AIME. - Dallas, 1956. - Vol. 207. - p. 15.
8. Ковалев А.В., Рябчиков С.Я. и др. Патент № 43090, E 21 B 7/18. Стенд для исследования технологических процессов шаро-струйного бурения. № 2014106459/03; Заявлено 20.02.2014; Опубл. 10.07.2014. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Ковалев Артем Владимирович - ассистент кафедры, e-mail: arteka011287@mail.ru, Рябчиков Сергей Яковлевич - доктор технических наук, e-mail: kafedrabs@mail.ru, Веревкин Алексей Валерьевич - доцент, e-mail: verevkin@tpu.ru, Исаев Евгений Дмитриевич - студент, e-mail: pelletdrilling@gmail.com, Алиев Фарух Рамизович - студент, e-mail: faruhaliev@mail.ru, ИПР НИ ТПУ.
UDC 622.243.95
ESTIMATION OF PELLET OPTIMAL TECHNOLOGICAL PORTION DURING PELLET IMPACT DRILLING
Kovalyov A.V.1, Assistant of Chair, e-mail: arteka011287@mail.ru,
Ryabchikov S.Ya.1, Doctor of Technical Science, e-mail: kafedrabs@mail.ru,
Verevkin A.V.1, Assistant Professor, e-mail: verevkin@tpu.ru,
Isaev E.D.1, Student, e-mail: pelletdrilling@gmail.com,
Aliev F.R.1, Student, e-mail: faruhaliev@mail.ru,
1 National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia.
One of the most perspective methods of solid and hard rocks destruction is a hydrodynamic method that could be realized by implementation of pellet impact drill bit. The construction of this bit bases on jet apparatus that provide continuous circulation of rock-destroying pellets on well bottom zone. The main aim of the study: to develop a methodology for calculating optimal pellets portion for effective rock destruction. Research methods: experimental studies were carried out on specially designed laboratory bench. The results: It was found that there is an optimal mass of pellets, which value rises with the length of the mixing chamber. When the mass of balls becomes critical value, there would be jamming. With high-speed shooting was to determine the cause of jamming pellets. The obtained experimental results allow to derive a formula for calculating the optimal weight portions of the pellets as well as the conditions to prevent jamming of the pellets under the delay device. Utilization of high-speed video filming of bottom-hole processes allowed detecting the cause of jamming. Obtained experimental results allow deriving a formula for calculating the optimal weight portions of the pellets as well as the conditions to prevent jamming under the club.
Key words: rock failure, hydrodynamic methods of well drilling, rock destruction tool, pellet impact drilling, pellet impact apparatus, hard and tough rock.
REFERENCES
1. Davidenko A.N., Ignatov A.A. Abrazivno-mekhanicheskoe udarnoe burenie skvazhin: monografiya (Abrasive-mechanical percussion drilling, monograph), Dnepropetrovsk, NGU, 2013, 110 p.
2. Kozhevnikov A.A., Davidenko A.N. Gidromekhanicheskii i erozionnyi sposoby razrusheniya gornykh porod pri burenii skvazhin (Hydromechanical and erosional methods of rock destruction during drilling), Moscow, 1987, 45 p.
3. Maksimov V.I. Novye sposoby bureniya skvazhin (New methods of well drilling), Moscow, VIEMS, 1971, 55 p.
4. Zaurbekov S.A. Povyshenie effektivnosti prizaboinykh gidrodinamicheskikh protsessov pri sharostru-inom burenii skvazhin (Improving the efficiency of hydrodynamic bottomhole processes in the pellet impact drilling), Candidate's thesis, Almaty, 1995, 18 p.
5. Uvakov A.B. Sharostruinoe burenie (Pellet impact drilling), Moscow, Nedra, 1969, 207 p.
6. Shtrasser V.V. Issledovanie protsessov razrusheniya gornykh porod udarami sharov (k teorii sharostru-inogo bureniya) (Investigation of the processes of rock destruction hit balls (the theory pellet impact drilling)), Candidate's thesis, Alma-Ata, 1966, 217 p.
7. Eckel I.E., Deily F.H., Ledgerwood L.W. Development and testing of jet pump pellet impact drill bits. Transaction AIME. Dallas, 1956. Vol. 207. p. 15.
8. Kovalev A.V., Ryabchikov S.Ya. Patent RU 43090, E 21 B 7/18, 10.07.2014.
A
