Научная статья на тему 'Исследование истечения струи из насадок с асимметричным поперечным сечением'

Исследование истечения струи из насадок с асимметричным поперечным сечением Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
79
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ШАРОШЕЧНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО / CONE DRILLING BIT / ГИДРОМОНИТОРНАЯ НАСАДКА / JET NOZZLE / ТУРБУЛЕНТНАЯ КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ / TURBULENCE KINETIC ENERGY

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Сериков Д.Ю., Исаев В.И., Сморкалов Д.В.

Представлены результаты исследования истечения струи из гидромониторных насадок с асимметричным поперечным сечением. На основе анализа основных требований, предъявляемых к промывочной системе бурового инструмента, обеспечивающих качественную работу системы промывки скважины, было установлено, что: промывочная жидкость должна обеспечивать условия для эффективного механического разрушения породы забоя путем создания отрицательного, равновесного или избыточного гидродинамического давления на разрушаемые участки забоя; поток промывочной жидкости должен при наименьших затратах обеспечивать отделение частиц выбуренной породы от забоя, их захват и удаление таким образом, чтобы исключить повторное перемалывание зубьями вооружения долота, забивание ими опор шарошек и интенсивное изнашивание козырьков лап; при бурении гидромониторными долотами промывочная жидкость должна эффективно разрушать породу, особенно в зоне предразрушения, так как сложение механического воздействия зубьев долота с гидродинамическим действием потока способствует успешному отрыву ядра, слабо связанного с массивом, и даже кусков породы, не со всех сторон отделяемых от массива трещинами при чисто механическом воздействии. С целью улучшения гидравлического совершенствования гидромониторных насадок были проведены исследования истечения струи из насадок с асимметричным поперечным сечением. В результате проведенных исследований было установлено, что использование фасонных гидромониторных насадок позволяет придавать струе промывочной жидкости определенную форму в горизонтальном сечении, которая сохраняется на значительном расстоянии после выхода из насадки. Данный эффект может быть использован при создании новых гидромониторных узлов для систем промывки, долот различных типов, так как форма истекающей струи играет немаловажную роль в создании и распределении основных потоков промывочной жидкости как в зоне работы вооружения, так и в призабойной зоне в целом. Так, придание струе, истекающей из боковой гидромониторной насадки конфузорноготипа, формы многоугольника позволит изначально направить угловые части потока в межшарошечное пространство и в сторону периферийных венцов сопредельных шарошек, тем самым очищая основные и периферийные венцы сразу двух смежных шарошек. Это позволит существенно улучшить качество очистки вооружения, особенно самоочищающегося, в условиях работы по глинистым породам, склонным к сальникообразованию. Наиболее значимым результатом проведенных исследований является выявление возможности за счет изменения геометрических характеристик поперечного сечения насадки увеличивать скоростные характеристики струи, что позволяет значительно повысить эффективность работы как самих гидромониторных насадок, так и всей промывочной системы в целом.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

RESEARCH INTO JET DISCHARGE FROM THE NOZZLES WITH AN ASYMMETRIC CROSS SECTION

The results of research into jet discharge from jet nozzles with an asymmetric cross section are shown. The following was identified based on the analysis of the main requirements for the drilling tool flushing system, ensuring high-quality operation of the well flushing system: flushing liquid shall ensure the conditions for efficient mechanical fracturing of the borehole rock by creating negative, balanced or excessive hydrodynamic pressure on the borehole fractured sections; flushing liquid flow shall ensure segregation of the drilled rock parts from the borehole at minimum losses, as well as parts capture and removal so as to exclude repeated grinding with the bit cutting structure teeth, plugging of cone legs with them and intense wear of shirttails; when drilling with jet bits flushing liquid has to fracture rock efficiently, especially in the zone of preliminary fracture, since combination of the drill teeth mechanical effect with the jet hydrodynamic action facilitates successful core separation poorly connected with mass, and even of rock parts not separated from the mass on all sides with fractures in case of pure mechanical effect. To improve hydraulic characteristics of jet nozzles, research into jet discharge from nozzles with an asymmetric cross section were performed. As a result of research it was established that use of formed jet nozzles allows shaping of flushing liquid in a certain way in the horizontal section preserved at a significant distance downstream the nozzle. This effect can be used during development of new jet units for the flushing systems, various types of bits, since the shape of discharged jet has a significant role in creation and distribution of main flushing liquid flows both in the area of the cutting structure operation, and in the borehole zone in general. Thus, shaping the jet discharged from the lateral jet nozzle of reducing type as a polygon will allow for initial direction of the flow angular parts to the space between cones and towards the peripheral rows of adjacent cones, cleaning main and peripheral rows of two adjacent cones at the same time. This will allow significant quality improvement for the cutting structure cleaning, especially for the self-cleaning one, when operating in shale rocks liable to packing. The most important result of the research carried out is identification of the possibility to increase the jet speed characteristics due to modification of geometric characteristics at the nozzle cross section, allowing for significant enhancement of operational efficiency for both jet nozzles themselves and the entire flushing system in general.

Текст научной работы на тему «Исследование истечения струи из насадок с асимметричным поперечным сечением»

УДК 622.24.05

Д.Ю. Сериков1, e-mail: serrico@rambler.ru; В.И. Исаев1; Д.В. Сморкалов2

1 Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва, Россия).

2 Самарский государственный технический университет (Самара, Россия).

Исследование истечения струи из насадок с асимметричным поперечным сечением

Представлены результаты исследования истечения струи из гидромониторных насадок с асимметричным поперечным сечением. На основе анализа основных требований, предъявляемых к промывочной системе бурового инструмента, обеспечивающих качественную работу системы промывки скважины, было установлено, что: промывочная жидкость должна обеспечивать условия для эффективного механического разрушения породы забоя путем создания отрицательного, равновесного или избыточного гидродинамического давления на разрушаемые участки забоя; поток промывочной жидкости должен при наименьших затратах обеспечивать отделение частиц выбуренной породы от забоя, их захват и удаление таким образом, чтобы исключить повторное перемалывание зубьями вооружения долота, забивание ими опор шарошек и интенсивное изнашивание козырьков лап; при бурении гидромониторными долотами промывочная жидкость должна эффективно разрушать породу, особенно в зоне предразрушения, так как сложение механического воздействия зубьев долота с гидродинамическим действием потока способствует успешному отрыву ядра, слабо связанного с массивом, и даже кусков породы, не со всех сторон отделяемых от массива трещинами при чисто механическом воздействии.

С целью улучшения гидравлического совершенствования гидромониторных насадок были проведены исследования истечения струи из насадок с асимметричным поперечным сечением. В результате проведенных исследований было установлено, что использование фасонных гидромониторных насадок позволяет придавать струе промывочной жидкости определенную форму в горизонтальном сечении, которая сохраняется на значительном расстоянии после выхода из насадки. Данный эффект может быть использован при создании новых гидромониторных узлов для систем промывки, долот различных типов, так как форма истекающей струи играет немаловажную роль в создании и распределении основных потоков промывочной жидкости как в зоне работы вооружения, так и в призабойной зоне в целом. Так, придание струе, истекающей из боковой гидромониторной насадки конфузорного типа, формы многоугольника позволит изначально направить угловые части потока в межшарошечное пространство и в сторону периферийных венцов сопредельных шарошек, тем самым очищая основные и периферийные венцы сразу двух смежных шарошек. Это позволит существенно улучшить качество очистки вооружения, особенно самоочищающегося, в условиях работы по глинистым породам, склонным к сальникообразованию.

Наиболее значимым результатом проведенных исследований является выявление возможности за счет изменения геометрических характеристик поперечного сечения насадки увеличивать скоростные характеристики струи, что позволяет значительно повысить эффективность работы как самих гидромониторных насадок, так и всей промывочной системы в целом.

Ключевые слова: шарошечное буровое долото, гидромониторная насадка, турбулентная кинетическая энергия.

D.Yu. Serikov1, e-mail: serrico@rambler.ru; V.I. Isayev1; D.V. Smorkalov2

1 Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia).

2 Samara State Technical University (Samara, Russia).

Research into jet discharge from the nozzles with an asymmetric cross section

The results of research into jet discharge from jet nozzles with an asymmetric cross section are shown. The following was identified based on the analysis of the main requirements for the drilling tool flushing system, ensuring high-quality operation of the well flushing system: flushing liquid shall ensure the conditions for efficient mechanical fracturing of

DRILLING

the borehole rock by creating negative, balanced or excessive hydrodynamic pressure on the borehole fractured sections; flushing liquid flow shall ensure segregation of the drilled rock parts from the borehole at minimum losses, as well as parts capture and removal so as to exclude repeated grinding with the bit cutting structure teeth, plugging of cone legs with them and intense wear of shirttails; when drilling with jet bits flushing liquid has to fracture rock efficiently, especially in the zone of preliminary fracture, since combination of the drill teeth mechanical effect with the jet hydrodynamic action facilitates successful core separation poorly connected with mass, and even of rock parts not separated from the mass on all sides with fractures in case of pure mechanical effect.

To improve hydraulic characteristics of jet nozzles, research into jet discharge from nozzles with an asymmetric cross section were performed. As a result of research it was established that use of formed jet nozzles allows shaping of flushing liquid in a certain way in the horizontal section preserved at a significant distance downstream the nozzle. This effect can be used during development of new jet units for the flushing systems, various types of bits, since the shape of discharged jet has a significant role in creation and distribution of main flushing liquid flows both in the area of the cutting structure operation, and in the borehole zone in general. Thus, shaping the jet discharged from the lateral jet nozzle of reducing type as a polygon will allow for initial direction of the flow angular parts to the space between cones and towards the peripheral rows of adjacent cones, cleaning main and peripheral rows of two adjacent cones at the same time. This will allow significant quality improvement for the cutting structure cleaning, especially for the self-cleaning one, when operating in shale rocks liable to packing.

The most important result of the research carried out is identification of the possibility to increase the jet speed characteristics due to modification of geometric characteristics at the nozzle cross section, allowing for significant enhancement of operational efficiency for both jet nozzles themselves and the entire flushing system in general.

Keywords: cone drilling bit, jet nozzle, turbulence kinetic energy.

Как показывает практика бурения нефтяных и газовых скважин, затраты на промывку составляют примерно 10-30% от общей стоимости строительства скважины, при этом задей-ствуется примерно половина мощности привода буровых установок. В связи с этим одной из актуальных задач технологии бурения является повышение эффективности работы промывочных систем бурового инструмента.

ОСНОВНЫМИ ТРЕБОВАНИЯМИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОЙ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ ЯВЛЯЮТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ:

• промывочная жидкость должна обеспечивать условия для эффективного механического разрушения породы забоя путем создания отрицательного, равновесного или избыточного гидродинамического давления на разрушаемые участки забоя;

• поток промывочной жидкости должен при наименьших затратах обеспечи-

вать отделение частиц выбуренной породы от забоя, их захват и удаление таким образом,чтобы исключить повторное перемалывание зубьями вооружения долота, забивание ими опор

шарошек и интенсивное изнашивание козырьков лап;

• при бурении гидромониторными долотами промывочная жидкость должна эффективно разрушать по-

Рис. 1. Геометрия асимметричной щелевой гидромониторной насадки Fig. 1. Geometry of the asymmetric narrow jet nozzle

Ссылка для цитирования (for references):

Сериков Д.Ю., Исаев В.И., Сморкалов Д.В. Исследование истечения струи из насадок с асимметричным поперечным сечением // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 12. С. 56-63.

Serikov D.Yu., Isayev V.I., Smorkalov D.V. Research into jet discharge from the nozzles with an asymmetric cross section (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 12. P. 56-63.

Рис. 2. Сеточная модель асимметричной щелевой гидромониторной насадки Fig. 2. Grid model of the asymmetric narrow jet nozzle

роду, особенно в зоне предразруше-ния, так как сложение механического воздействия зубьев долота с гидродинамическим действием потока способствует успешному отрыву ядра, слабо связанного с массивом, и даже кусков породы, не со всех сторон отделяемых от массива трещинами при чисто механическом воздействии. Как известно, в насадке пьезометрический напор преобразуется в

скоростной. Истекающая из насадки (цилиндрической) высокоскоростная струя имеет цилиндрическую форму, равномерное поле скоростей и относительно низкий пьезометрический напор. По мере удаления от выходных кромок насадки струя расширяется, быстро захватывая жидкость из примыкающих к ней областей, и приобретает коническую форму. На периферии конуса в области захвата

velocity

г.еэба-кки

— О.ОООа-ЧЮО [Ш4*-1]

1

Рис. 3. Поля распределения скоростей в вертикальной плоскости Fig. 3. Velocity distribution fields in a vertical plane

жидкости из соседних областей скорости низкие, в центре конуса скорости остаются высокими на расстоянии, равном нескольким диаметрам насадки.

На расстоянии от насадки в десять и более диаметров скорость струи мала,частично восстанавливается пьезометрический напор. Чем дальше насадка, тем больше сечение струи, меньше скорость и выше статическое давление. Таким образом,при удалении насадок от забоя возрастает площадь воздействия струи и дифференциальное давление, ухудшающее отрыв частиц породы от забоя [1]. При больших диаметрах промывочных отверстий и большом удалении от забоя струя не достигает забоя, однако создает избыточное давление на забой, ухудшающее не только отрыв частиц от массива, но и затрудняющее вынос шлама с забоя. Попытка решить вопрос совершенствования промывки забоя только путем увеличения расхода жидкости, без совершенствования геометрических характеристик промывочных узлов, т.е. без оптимизации их размера, формы и места расположения, может лишь ухудшить промывку, поскольку приводит к возрастанию дифференциального давления на забой вследствие увеличения потерь напора в кольцевом пространстве и долоте из-за больших площадей, подвергаемых воздействию избыточного давления и большого изнашивающего действия жидкости, содержащей абразивные частицы и имеющей большие скорости во всем объеме работы долота. Более перспективным направлением, очевидно, следует признать подведение к насадке лишь строго необходимого расхода, а рациональный перепад давления в насадках должен определяться скоростью истечения, выбираемой из условия эффективной очистки, которая способствует интенсивному механическому разрушению породы на забое струями (в гидромониторных долотах). Чем ближе насадка к забою, тем больше скорость истечения,тем меньше дифференциальное давление. Кроме того, необходимо учитывать, что при

направлении струи под углом к забою возможны: дополнительное снижение давления на отдельных участках забоя; увеличение гидродинамического давления струи на неровности забоя; возрастание растягивающих напряжений и деформаций сдвига. Из последнего следует возможность полезного использования гидродинамического давления для разрушения пород [2]. Одной из важных задач при создании гидромониторных долот является правильный выбор расстояния насадок от забоя, геометрических параметров насадок и направления распространения струи, при этом основной трудностью является конструктивное размещение насадок в долоте. С целью приближения насадок к забою их приходится устанавливать в пространстве между шарошками, что неминуемо приводит к необходимости уменьшения размеров шарошек, их опор и вооружения, что отрицательно сказывается на их прочности и работоспособности.

Частично решить эту задачу можно за счет совершенствования геометрии самих насадок. Путем улучшения гидравлического совершенства сопел насадок можно существенно увеличить зону постоянных скоростей истекающих из них струй промывочной жидкости, что, соответственно, даст возможность размещать гидромониторные узлы на большем удалении от забоя без потери эффективности разрушения породы. Известно,что геометрические параметры выходного поперечного сечения гидромониторной насадки оказывают существенное влияние на размеры, мощность и направление распространения струи [1-3]. В связи с этим с целью определения этого влияния на основные характеристики струи в программном модуле Ansys была построена математическая модель гидромониторной насадки щелевого типа с асимметричным поперечным сечением (рис. 1). Данная конструкция насадки была обусловлена необходимостью определения поведения струи при истечении из щели, ограниченной двумя сторонами, представляющими собой

DRILLING

Velocity

Vector 4

г-ж 5.81Se+M1

\ / /

4,361 е+001

2 907е+001

1.454е+(Ю1

™ 7.Б90е-013 [m SA1]

1

Turbulence Kinetic Energy Cwirour 4 _^H

5.378e+001

4.S40e+001

4302e+001 i"

3.765e+001 к

3 227e+001 2.&B9e+001

2 152e+D01

1 614e+001

1 076e+C01

5 3876*000

9 997e-003 [Jkf-1] 2

Рис. 4. Поля распределения скоростей в зоне перехода от конфузорной к диффузорной части насадки

Fig. 4. Velocity distribution fields in the zone of transition from the reducing to the diffuser nozzle

несимметричные угловые поверхности [3].

Для проведения CFD-расчета (CFD - структурно-жидкостная динамика) использовался комплекс ANSYS Fluent. По рассчитанной ранее геометрии была создана сеточная модель гидромониторной насадки диффузор-ного типа (рис. 2).

Конечно-элементная сетка была наложена с помощью сеточного генератора Ansys Meshing с конечными элементами в виде тетраэдров, при этом на стенках был наложен пограничный слой из призматических элементов. Параметр сеточной модели, отвечаю-

щий за качество - максимальная скошенность ячеек, - не превышает 0,82 (как правило, находится в диапазоне от 0 до 0,85) [4,5].

В качестве модели турбулентности для расчета была использована стандартная модель «к-е», описание которой приведено ниже. Основное соотношение для определения рт в «к-е» модели определяется связкой Колмогорова - Прандтля [5]:

где рт - коэффициент турбулентной вязкости; С =1,44 - эмпирическая

Ме+Об

1,2е+0б

1е+0б

£ £

J = 800000

£ й Я Q.

600000

400 000

200000

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

мм mm

ч

** 1___-- %

\

» \

Рис. 5. Распределение давления на выходе из гидромониторных насадок: 1 - асимметричная щелевая насадка; 2 - асимметричная шестигранная насадка Fig. 5. Pressure distribution at the jet nozzles outlet: 1 - asymmetric narrow nozzle; 2 - asymmetric hexagonal nozzle

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 12 december 2015

59

БУРЕНИЕ

Рис. 6. Принципиальная схема наложения поперечных сечений Fig. 6. Circuit diagram of cross sections application

константа; р - плотность жидкости, кг/м3; к - турбулентная кинетическая энергия. Этот параметр отвечает за генерацию турбулентных образований:

к =

u'2+v'2+w'

где и, V,уу - проекции пульсацион-ной скорости на оси координат, е -скорость диссипации турбулентной кинетической энергии.Этот параметр отвечает за рассеивание турбулентных образований:

e-ä

[du'

Idx

•те

Для изотропной турбулентности:

где ц - вязкость жидкости, Па.с. При определении параметров турбулентности к и е используются два дифференциальных уравнения в частных производных. Уравнение переноса турбулентной кинетической энергии имеет вид:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ь(рк)^(рик)^(рук)^(руук)_

dt

dx

dy dk

dz d f|j dk

dx|oTdxJ dy\aTdyJTdz^aTdz

+u ^wwn T pE+ aT [dxdy^7 '*

dx

dz

Уравнение переноса скорости диссипации турбулентной кинетической энергии имеет вид:

d(pe) | d(pue) | d(pvs) | d(pwe)

dt

dx dy

dz

+

dx^oEdx^ dy^a dy^ d fn.dE ] - Е_ - Е2

Сц(1-урркЫТ+^Т+НП ат \ dx dy dzj

В этих уравнениях обозначения такие же, как и в уравнениях, приведенных

ранее: а, От, о , р, Си, С2, Сз, С4 -

эмпирические постоянные.Значение этих констант определено из анализа экспериментальных данных и подходит для большого количества задач по моделированию течений. При вы-

60

№ 12 декабрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DRILLING

Рис. 7. Геометрические параметры сечений двух насадок: 1 - круглое поперечное сечение; 2 - асимметричное шестиугольное сечение Fig. 7. Geometric parameters of two nozzles sections: 1 - circular cross section; 2 - asymmetric hexagonal section

Рис. 8. Расчетная 3D-модель гидромониторной насадки конфузорного типа с асимметричным шестиугольным поперечным сечением

Fig. 8. Design 3D-mode1 for the jet nozzle of reducing type with an asymmetric hexagonal cross section

боре моделей турбулентности следует руководствоваться следующими критериями:

• модель должна быть апробирована для рассматриваемого класса задач, для того чтобы иметь уверенность в удовлетворительном качественном и количественном описании турбулентных эффектов;

• модель должна быть относительно простой и удобной в вычислительном плане, легко алгоритмизироваться и опираться на параметры, которые определяются точно и однозначно;

• модель должна характеризоваться высокой вычислительной эффективностью, т.е. она не должна существенно увеличивать время счета.

При исследовании течения газов наиболее часто на входе задаются граничные условия Pressure inlet или Mass flow inlet, а на выходе - Pressure outlet. В данном случае на входной границе задано условие Mass flow inlet, в котором был задан массовый расход 10 кг/с, температура - 265 К. На выходной границе задано условие Pressure outlet, в котором задано давление 101325 Па. Остальные зоны определены как Wall. В результате выполненных расчетов были получены картины течения промывочной жидкости из насадки данной конструкции. Определены поля распределения параметров и их величины в каждой точке потока (рис. 3).

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что при прохождении потока жидкости через фасонную насадку с поперечным сечением, представленным на рисунке 2,происходит отклонение струи от вертикали в сторону большего угла. Вероятно, это обусловлено тем, что пограничный слой жидкости, образующийся между стенками насадки и основным потоком, в районе острого угла имеет большие значения, чем в зоне тупого, в результате чего центр масс живого сечения потока смещается в сторону большего из углов. Это предположение подтверждается результатами, представленными на рисунке 3, где продемонстрированы направления, величины скоростей и

распределение их векторов в вертикальном сечении насадки. Как видно из рисунка 4.1, в сечении перед окончанием конфузорной части большие векторы расположены ближе к тупому углу. При этом в диффузорной части насадки, в остром углу происходит частичный отрыв пограничного слоя от стенки насадки с образованием ламинарно-турбулентного перехода и обратно-вихревого течения струи. В результате происходит отклонение струи в сторону большего из углов. Отрывное течение потока объясняется следующими причинами. Течение в пограничном слое существенно зависит от градиента давления,

воздействующего на этот слой. Напряжение трения на стенке насадки положительно. С другой стороны, неблагоприятный (положительный) градиент давления (давление растет в направлении потока на внешней границе пограничного слоя) приводит к быстрому торможению частиц жидкости в пристеночной части пограничного слоя. Напряжение трения на поверхности уменьшается и обращается в ноль в некоторой точке, которая называется точкой отрыва пограничного слоя. При подходе потока к точке отрыва резко возрастает поперечная составляющая его вектора скорости. Нулевая линия тока, которая до точки

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 12 december 2015

61

■ 1.Ю0в«002

6.000е*001 7.000е-001 е.СЮ0е->001 5МЮе-001 J-OOOe-tOOl 3,С*Юе*001 2 000е*«01

Ёишмт

О ОООечОМ

Рис. 9. Поля распределения скоростей в вертикальной плоскости: 1 - круглое сечение; 2 - асимметричное шестигранное сечение Fig. 9. Velocity distribution fields in a vertical plane: 1 - circular section; 2 - asymmetric hexagonal section

1

отрыва располагается на обтекаемой поверхности, за точкой отрыва отходит от поверхности на конечное расстояние и отделяет основной поток от области возвратно-вихревого течения. За точкой отрыва напряжение трения отрицательное. Данное явление сопровождается появлением ламинарно-турбулентного перехода согласно контурам распределения турбулентной кинетической энергии потока.

Как видно на рисунке 4, в районе острого угла возникают силы, отклоняющие струю в сторону противоположного угла, одновременно смещая центральную часть струи в том же направлении. Как известно из теории гидрогазодинамики, основным фактором воздействия на жидкую среду является перепад давлений, заставляющий жидкость двигаться из области с повышенным давлением в область с пониженным.

На рисунке 5 представлен график, характеризующий изменение давления в критическом сечении насадки. Из графика видно, что давление со стороны острого угла выше, чем со стороны тупого, отсюда можно сделать вывод о том, что при истечении жидкости из щелевой насадки, противоположные стороны которой

представляют собой углы различной величины, возникают условия, отклоняющие поток в сторону более тупого угла. При этом любое сжатие потока автоматически приводит кувеличе-нию скорости его истекания. Таким образом, можно предположить, что, если совместить в единое целое три или более одинаковых асимметричных насадки, каждая из которых обеспечивает отклонение струи от вертикали с силой FОТ, и равномерно расположить их в рамках описанной вокруг них окружности, то, поскольку FОТ=F2ОТ=F3ОТ, произойдет взаимное уравновешивание отклоняющихся потоков. При этом отклонения суммарной струи от вертикали наблюдаться не будет, а дополнительное равномерное поджатие струи повлечет за собой увеличение скорости в центральной части потока F (рис. 6). С целью проверки этого предположения в программном модуле Ansys были созданы модели гидромониторных насадок конфузорного типа с двумя формами поперечного сечения - круглым и асимметричным шестигранным (рис. 7 и 8).

При этом было выполнено следующее условие: площадь внутреннего отверстия одноименного сечения, для каждой из насадок должна быть оди-

наковой. То есть, исходя из формул равенства площадей данных фигур:

Б =5 • жг2 I?

•'к Аб'ш 1 2 2 2 ,

где SK - площадь сечения цилиндрической насадки, мм2; БД6 - площадь сечения асимметричной шестигранной насадки, мм2; гг - радиус круглого сечения, мм; г2 и R2 - радиусы описанных окружностей вокруг тупых и острых углов асимметричного шестигранного сечения, мм.

Для корректного сравнения двух типов гидромониторных насадок при проведении моделирования скорость потока промывочной жидкости на входе задавалась одинаковой для обоих видов насадок. Соответственно, и массовый расход через цилиндрическую насадку был равен массовому расходу через асимметричную шестиугольную.

В результате выполненных расчетов были получены картины течения промывочной жидкости из двух типов насадок - с круглым и асимметричным шестигранным поперечным сечением. Определены поля распределения параметров и их величины в каждой точке потока (рис. 9 и 10). На рисунке 10 показаны значения скорости потока в продольном сечении исследуемой области, расположенной за насадкой. Каждая из девяти линий соответствующей насадки характеризует изменение скорости поперек оси струи и отвечает за свою координату по оси Z, расположенной вдоль течения потока. Верхняя линия отвечает за сечение непосредственно на выходе из насадки, а нижняя описывает скорость потока в непосредственной близости к забою.

Анализ геометрий истекающих струй свидетельствует о том,что в отличие от насадки с классической круглой формой поперечного сечения асимметричная шестигранная насадка характеризуется большей зоной постоянных скоростей и большим углом расширения струи. Так, зона постоянных скоростей для цилиндрической насадки составила 10d0 с углом расширения струи 180, а для асимметричной шестигранной - соответственно

DRILLING

и 220. При этом была выявлена следующая закономерность. Струя, истекающая из шестигранной насадки, на выходе из нее также имеет форму шестиугольника, но по мере удаления от выходного отверстия стремится принять форму круга. В связи с этим на основе проведенных исследований можно сделать вывод о том, что использование фасонных гидромониторных насадок позволяет придавать струе промывочной жидкости определенную форму в горизонтальном сечении, которая сохраняется на значительном расстоянии после выхода из насадки. Данный эффект может быть использован при создании новых гидромониторных узлов для систем промывки долот различных типов, так как форма истекающей струи играет немаловажную роль, в создании и распределении основных потоков промывочной жидкости как в зоне работы вооружения, так и в призабойной зоне в целом. Например, придание струе, истекающей из боковой гидромониторной насадки конфу-зорного типа, формы многоугольника позволит изначально направить угловые части потока в межшарошечное пространство и в сторону периферийных венцов сопредельных шарошек, тем самым очищая основные и периферийные венцы сразу двух смежных шарошек. Это позволит существенно улучшить качество очистки вооружения, особенно самоочищающегося, в

условиях работы по глинистым породам, склонным к сальникообразова-нию. Для долот режущего типа важным моментом может служить возможность гидравлического отклонения струи с целью обеспечения более точной подачи промывочной жидкости в зоны непосредственного разрушения породы забоя режущими элементами вооружения.

Однако наиболее важным результатом проведенных исследований является выявление возможности за счет изменения геометрических характеристик поперечного сечения насадки увеличивать скоростные характеристики струи. Это позволяет значительно повысить эффективность работы как гидромониторных насадок, так и всей промывочной системы в целом.

V,m/c 100

80

60

40

20

V,m/c 100

80

60

40

20

2 -1— Vi у.

1 II 'Ml

If// 1 и

1111/1 vi

F¡ 1

1 ¡

/ i

МГ\

/ i

YNHi 1 J^W

20 10 0 10 20 мм

20 10 0 10 20 мм

Рис. 10. Графики распределения скоростей в вертикальной плоскости: 1 - круглое сечение; 2 - асимметричное шестигранное сечение Fig. 10. Velocity distribution plots in a vertical plane: 1 - circular section; 2 - asymmetric hexagonal section

Литература:

1. Гусман А.М., Мительман Б.И. Экспериментальное исследование влияния схемы и режима промывки забоя на вынос шлама из зоны долота // Труды ВНИИБТ. Гидравлика в бурении. 1979. Вып. 48.

2. Мавлютов М.Р. Разрушение горных пород при бурении скважин. М.: Недра, 1978.

3. Сериков Д.Ю. Повышение эффективности шарошечного бурового инструмента с косозубым вооружением. М.: Нефть и газ, 2015.

4. Гаек Я., Шидак Э. Теория ранговых критериев. М.: Наука, 1971.

5. Сериков Д.Ю., Сморкалов Д.А. Совершенствование центрального промывочного узла трехшарошечного бурового долота // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2014. № 12. С. 20-25.

References:

1. Gusman A.M., Mitelman B.I. Jeksperimental'noe issledovanie vlijanija shemy i rezhima promyvki zaboja na vynos shlama iz zony dolota [Experimental research into the effect of the borehole flushing scheme and mode on slag removal from the bit zone]. Trudy VNIIBT. Gidravlika v burenii = Papers of VNIIBT. Hydraulics in drilling, 1979, Issue 48.

2. Mavlyutov M.R. Razrusheniegornyh porodpri bureniiskvazhin [Rock fracturing during well drilling]. Moscow, Nedra Publ., 1978.

3. Serikov D.Yu. Povyshenie jeffektivnostisharoshechnogo burovogo instrumentas kosozubym vooruzheniem [Enhancing the efficiency of cone drilling tool with helical cutting structure]. Moscow, Oil and Gas, 2015.

4. Gayek Ya., Shidak E. Teorija rangovyh kriteriev [Theory of ranked criteria]. Moscow, Nauka, 1971.

5. Serikov D.Yu., Smorkalov D.A. Sovershenstvovanie central'nogo promyvochnogo uzla trehsharoshechnogo burovogo dolota [Improvement of the central flushing unit at the three-cone drilling bit]. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2014, No. 12. P. 20-25.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.