CC BY
39
УДК 622. 243 П-С.Пушмин1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
фАКТОРЫ регулирования гидродинамических показателей
ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ
Рассмотрены некоторые возможные варианты оптимизации процесса алмазного бурения с позиции регулирования показателей, связанных с циркуляцией промывочной жидкости по стволу скважины. Проанализировано влияние гидродинамических показателей на эффективность бурения алмазным инструментом.
Ключевые слова: алмазное бурение, гидродинамика, технология бурения, промывочная жидкость, механическая скорость Библиогр. - 4 назв. Ил. - 3
P.S. Pushmin
Nathaniel Scientifically Irkutsk State Technical University; 664074, Irkutsk, Lermontov st. 83.
FACTORS OF REGULATION OF HYDRODYNAMIC INDICATORS FOR OPTIMIZATION OF PROCESS OF DIAMOND DRILLING
Some possible variants of optimisation of process of diamond drilling from a position of regulation of the indicators connected with circulation of a clearing liquid on a trunk of a chink are considered. Influence of hydrodynamic indicators on efficiency of drilling is analysed by the diamond tool.
Keywords:diamond drilling, hydrodynamics, technology of drilling, a clearing liquid, mechanical speed Bibliogr. 4 title. Illustr. 3
Прямая циркуляция промывочного агента по стволу скважины предусматривает последовательное движение жидкости от устья скважины до забоя; работу жидкости в области забоя скважины; восхождение потока жидкости в кольцевом пространстве.
Оптимальное количество подаваемой в скважину промывочной жидкости Q (л/мин) должно находиться в прямой зависимости от частоты вращения буровой коронки п (мин-1) и углубки за один оборот инструмента h (м). Выразив величину h как отношение прогнозируемой механической скорости бурения Ум (м/мин) к реализуемой частоте вращения инструмента п, получим:
б = Ч ■ Ь ■ п = д-Гм, (1)
где ^ - расход промывочной жидкости на 1 м проходки (удельный расход), л/м.
Один из методов оптимизации режима промывки скважины при алмазном бурении заключается в пропорциональном увеличении количества подаваемой на забой промывочной жидкости по мере роста механической скорости бурения.
Отклонения от оптимальной величины Q, рассчитанной по формуле (1), допустимы в случае сложности строения стенок скважины, возможности нарушения структуры кернового материала, разрушающегося под воздействием потока жидкости, повышенного расхода
:Пушмин П.С., кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected], тел.: 40-57-37. Pushmin P.S., Cand.Tech.Sci., the senior lecturer, е-mail: [email protected], тел.: 40-57-37.
истирающих материалов, а также вероятности прижога алмазной коронки на забое скважины.
Известно [1], что увеличение подачи промывочной жидкости в 2 раза приводит к возрастанию давления в 4 раза, а мощность на привод насоса повышается в 8 раз. Вместе с тем, происходит рост пульсаций давления жидкости в колонне бурильных труб, вызывая дополнительные вибрации, значительно повышающие энергоемкость процесса бурения. Следовательно, уменьшение подачи жидкости до оптимальной для данных условий бурения величины, позволит снизить энергоемкость без значимого ущерба для эффективности процесса бурения скважины, охлаждения алмазной коронки и условий очистки забоя от шлама. При этом снижается возможность эрозии матрицы алмазной коронки и размыва формируемого керна. Последнее может быть вызвано динамическим воздействием потока промывочной жидкости, которое можно оценить силой удара струи жидкости F (Н) в месте ее контакта с керном (Ю.Е. Будюков, 2003):
F = b ■ l -p-V2 -(l - cos p) , (2) где b и l - соответственно ширина и глубина промывочного канала, м;
V - скорость потока жидкости, м/с;
р - плотность жидкости, кг/м3;
в - угол встречи струи жидкости с поверхностью керна, град.
Если струя жидкости встречается с поверхностью керна не под прямым углом, а имеет отклонение от перпендикулярного направления на некоторый угол в и распределяется между каналами коронки, то полная сила удара струи распадается на силу удара о керн и силу удара о забой. Таким образом, ограничивая площадь контакта керна со струей промывочной жидкости, например, за счет особого исполнения промывочных каналов алмазной коронки, можно значительно уменьшить силу удара о керн, предохранив его от разрушения. Неко-
торые из возможных вариантов оптимизации параметров промывочных систем алмазного породоразрушающего инструмента приведены в работе [3].
Изменение энергоемкости процесса бурения находится в непосредственной зависимости от изменения механической скорости и углубки скважины за один оборот инструмента. Это связано с изменением коэффициента сопротивления вращению алмазной коронки в зависимости от интенсивности выноса шлама с забоя и трения алмазных резцов о породу. Следовательно, основной задачей оптимизации промывки скважины при алмазном бурении является поиск оптимального количества подаваемой в скважину промывочной жидкости, соответствующего максимальным значениям механической скорости бурения, углубки за один оборот инструмента и минимальным удельным затратам энергии.
Результаты стендовых исследований показали (рис. 1), что минимальные затраты мощности (8,5-9,0 кВт), соответствующие максимальным значениям механической скорости бурения доле-рита (5,5-6,0 м/ч) коронкой 01А3-59, получены при подаче водного раствора сульфонола 20-25 л/мин.
При оптимизации режима промывки скважины необходимо учитывать количество разрушенной за единицу времени горной породы, крупность частиц шлама, и, как следствие, своевременность износа матрицы алмазной коронки, так как наличие шлама на забое оказывает существенное влияние на характер распределения осевой нагрузки между алмазами и матрицей коронки, что непосредственно связано с их износом [3].
По Ю.Е. Бурдякову (2003) в результате отработки однослойных алмазных коронок МВС-2Р, максимальные значения механической скорости бурения песчаника (2,3-2,5 м/ч) достигнуты при сравнительно небольших расходах
Ю.О
9.5
N1 = 9,0 кВт
осевая нагрузка, дан
Рис. 1. Результаты стендового бурения долерита при постоянной частоте вращения, равной 710 мин-1: а) зависимость механической скорости от параметров режима бурения; б) зависимость затрачиваемой мощности от параметров режима бурения
промывочной жидкости (1-1,5 л/мин •см ).
Дальнейшее увеличение подачи жидкости стало приводить к снижению механической скорости бурения вследствие недостаточного износа матрицы коронки. В свою очередь, при бурении коронками 17А4 благодаря образованию забоя ступенчатой формы, эффективность разрушения песчаника и количество шлама значительно увеличились, что потребовало более высокого расхода промывочной жидкости (2,5-3 л/мин-см2) при увеличившихся скоростях углубки (на 10-30%).
Таким образом, увеличение размера частиц и общего объема образующегося шлама, в том числе при снижении твердости горной породы, приводит к необходимости увеличения подачи промывочной жидкости. Следует пред-
положить, что при бурении перемежающихся по твердости горных пород оптимальная подача жидкости должна быть величиной постоянно изменяющейся.
Условия очистки забоя от частиц разрушенной породы улучшаются с повышением величины выпуска алмазных резцов из матрицы коронки. В этом случае появляется резерв для повышения осевого усилия на забой с целью увеличения углубки за один оборот коронки. При этом, для своевременного выноса шлама, необходимо повысить подачу промывочной жидкости. Вместе с тем, чрезмерное увеличение подачи жидкости при алмазном бурении является причиной роста перепада давления в области забоя и значительных гидравлических сопротивлений при движении потока жидкости (в турбулентном режиме течения) в кольцевом пространстве скважины, снижающих эффективность разрушения горной породы и механическую скорость бурения. Последнее вызвано уменьшением контактного давления на забой и соответствующим ухудшением условий отрыва шлама от забоя. Суммарные потери давления линейно увеличиваются с повышением частоты вращения, что вызывает интенсивный рост угнетающего давления на забой скважины [2].
Результаты стендового бурения долерита коронкой 01А3-59, показали, что повышение подачи водного раствора сульфонола приводит к увеличению механической скорости бурения, однако, интенсивность прироста механической скорости бурения не большая (см. рис. 1а). Вместе с тем, по мере повышения подачи жидкости наблюдается (см. рис. 16) увеличение мощности, затрачиваемой на бурение, что, очевидно, связано с ростом угнетающего давления на забой.
Таким образом, уменьшение подачи жидкости до оптимальной для данных условий бурения величины, позволит снизить энергоемкость процесса бу-
рения и угнетающее давление на забой скважины.
Потери напора в алмазной коронке в основном зависят от числа каналов на ее торце и боковой поверхности, их размеров, а также скорости потока (скорости подачи) жидкости. В работе [1] предлагается вариант исполнения промывочных каналов криволинейной формы, что позволит снизить угнетающее давление в области забоя за счет эффекта откачивания промывочной жидкости коронкой «турбинного» типа, в которой промывочные каналы выполняют функцию лопастей роторного насоса. При этом, эффективность данного технического решения с увеличением частоты вращения будет повышаться. Существенного снижения угнетающего давления можно добиться дополнительным применением лопастных расширителей, центраторов или стабилизаторов, выполненных в форме винтовой поверхности или шнека.
В случае, когда скорость потока жидкости недостаточно высока, может произойти преждевременный износ матрицы коронки вследствие абразивного воздействия частицами разрушенной горной породы. Вместе с тем, при бурении импрегнированными коронками, с целью увеличения эрозионного изнашивания матрицы для обнажения очередного слоя алмазов, в очень крепких, мелкозернистых, малоабразивных породах скорость потока жидкости уменьшают.
Перспективными путями повышения скорости потока, отличающимися меньшими затратами энергии на ее подачу, а также меньшим эрозионным воздействием потока на формирующийся керн, являются: увеличение числа и сокращения размеров промывочных каналов алмазной коронки при сниженном расходе промывочной жидкости; изменение геометрических характеристик промывочных каналов и создание ускорителей потока промывочной жидкости.
Одним из возможных путей повышения скорости потока промывочной жидкости без увеличения ее подачи, является создание эффекта пульсации потока, в частности, за счет применения забойного пульсатора, устанавливаемого над колонковым набором [4]. Использование энергии, накопленной за время перекрытия отверстия клапана пульсатора, в случае применения пульсирующей промывки, способствует снижению возможности зашламования забоя скважины и переизмельчения частиц шлама, вследствие чего возможно сокращение энергоемкости процесса разрушения и повышение механической скорости бурения.
К наиболее вероятным параметрам варьирования силой удара струи жидкости о забой скважины можно отнести ширину Ь (м) промывочного канала и его высоту hк (м), сокращающуюся по мере износа матрицы коронки. Снижение указанных параметров приводит к уменьшению площади потока жидкости, что может способствовать возрастанию скорости потока У (м/с), согласно следующей зависимости:
е
V =
к ■ Ь ■ Ь
(3)
где к - число каналов коронки.
Вместе с тем, с учетом конструктивного исполнения алмазных коронок, глубину промывочного канала можно считать постоянной величиной.
Струя промывочной жидкости, проходя через промывочные каналы алмазной коронки, взаимодействует с забоем скважины, затем растекается в радиальном направлении. Разрушенная горная порода удаляется с забоя как вследствие прямого удара струй, так и в результате выносящего действия радиальных потоков жидкости.
Сила эвакуации частицы шлама с забоя скважины практически прямо пропорциональна квадрату скорости течения струи промывочной жидкости. Если задаваться рекомендуемыми скоростями потока жидкости в каналах ко-
ронки, равными 7-10 м/с, то пропорционально снижению высоты промывочного канала можно определить оптимальный для выноса шлама расход жидкости, который будет снижаться по мере износа матрицы алмазной коронки.
В процессе стендового исследования произведено сравнение значений оптимального расхода раствора сульфо-нола при бурении алмазными коронками с разными характеристиками промывочных систем: коронкой 01А3Н-59 с уменьшенными секторами и, соответственно, увеличенными промывочными каналами на торце; модифицированной коронкой 01А3Н-59 с уменьшенными площадями промывочных каналов (методом запайки) с целью активизации поступления промывочной жидкости на забой; коронкой 01А3 со стандартной промывочной системой. В процессе экспериментов поддерживалось постоянное осевое усилие на забой скважины, составляющее 800 даН.
Результаты исследования показали (рис. 2), что каждому из исследуемых типов алмазных коронок при одинаковой, например, 5 м/ч, механической скорости бурения, соответствует собственное значение оптимального расхода раствора сульфонола, которое снижается по мере уменьшения площади промывочных каналов.
На основании проведенного исследования можно сделать следующий вывод: использование методов активизации воздействия промывочной жидкости на забой скважины, в частности, уменьшением площади промывочных каналов, способствует снижению оптимального расхода промывочной жидкости.
Эффективность выноса частиц разрушенной породы с забоя скважины определяется скоростью восходящего потока промывочной жидкости V (в пределах 0,5-1,2 м/с), зависящей, среди прочих факторов, от количества подаваемой жидкости Q и площади кольцевого пространства скважины
6.5
15,5
I 5 > . -л
8 4
г з
го
5:5
Я!-"
15
2«
25
30
.15
й - - опытная коронка 01АЗ-59 Подача жидкости,
" —коронка" 1Л311-59сумо.......синими прок.....ионными каналами
— стандартная коронка 01АЗ-59
Рис. 2. Зависимости механической скорости бурения долерита от количества подаваемой промывочной жидкости разными типами породоразрушающего ин-
V =
е к ■ г3
, (4)
К 1 К
где ¥3 - площадь забоя скважины, м2;
к - коэффициент очистки забоя (охлаждения коронки), характеризующий расход жидкости на площадь 1 см2 за 1 мин, к=1,2-2,4 л/мин.м2.
В результате экспериментального исследования буримости долерита в стендовых условиях, получены зависимости площади рабочей части торца алмазного породоразрушающего инструмента и рационального расхода водного раствора сульфонола (рис. 3). Следует иметь в виду, что снижение рабочей площади торца, при одинаковом наружном диаметре инструмента, способствует увеличению площади промывочных каналов.
В качестве сравнительной базы использован следующий тип породо-разрушающего инструмента наружным диаметром 0,059 м (в скобках указана площадь торца): алмазное долото («20 см2); стандартная коронка 01А3-59 (12,86 см2); коронка с уменьшенной площадью торцевой рабочей части торца 01А3Н-59 (6,43 см2).
Проведенные исследования показали, что по мере увеличения рабочей части торца инструмента возникает
Пп/мм
Рис. 3. Зависимости механической скорости бурения от подачи промывочной жидкости для инструментов с разной рабочей
необходимость в повышении подачи жидкости для достижения оптимальных характеристик процесса бурения.
Коэффициент к в формуле (4), характеризующий выносную способность промывочной жидкости учитывает, помимо прочих факторов, плотность рШ (кг/м3) и размер выносимых с забоя частиц шлама. Согласно закону Эри, диаметр ё (м) перемещаемой частицы пропорционален квадрату, а ее масса - шестой степени скорости потока жидкости относительно частицы шлама. В первом случае, зависимость для расчета скорости потока V (м/с) относительно частицы горной породы имеет следующий вид:
V =
а
3к
_с
4g /
1
ТР
р
Рш-р
, (5)
где кС - коэффициент лобового сопротивления;
/ТР - коэффициент трения; g - гравитационная постоянная, м/с2.
Анализ зависимости (5) показывает, что даже незначительное увеличение скорости потока промывочной жидкости позволит удалять частицы шлама большего размера и большей плотности (массы). С повышением твердости горных пород размер частиц шлама, как
правило, уменьшается, следовательно, увеличение скорости потока промывочной жидкости следует производить пропорционально снижению прочностных характеристик горных пород, и, соответственно, пропорционально повышению механической скорости бурения, если отсутствуют дополнительные факторы, ограничивающие подачу промывочной жидкости.
Библиографический список
1. Нескоромных В.В. Проектирование скважин на твердые полезные ископаемые: учебное пособие / В.В. Нескоромных. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 294 с.
2. Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учеб. пособие / В.В. Нескоромных. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - 298 с.
3. Пушмин П.С. Задачи оптимизации параметров промывочных систем породоразрушающего инструмента / П.С. Пушмин, А.А. Рожков // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований: сб. науч. тр. / Иркутский гос. техн. ун-т. - 2008. - Вып. 8. - С. 233 - 240.
4. Тунгусов А.А. Изучение влияния пульсирующей промывки на механическую скорость бурения / А.А. Тунгусов, С.А. Тунгусов / Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин: сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 55-летию кафедры «Бурение скважин» / под ред. В.Г. Храменкова; Томский политехнический университет. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 242 с.
Рецензент: доктор технических наук, профессор НИ ИрГТУ П.Я.Зельцер
