Интенсификация разрушения горных пород при использовании кавитационных колебаний жидкости в Буровых долотах :



  • Название:
  • Интенсификация разрушения горных пород при использовании кавитационных колебаний жидкости в Буровых долотах
  • Кол-во страниц:
  • 88
  • ВУЗ:
  • МГИУ
  • Год защиты:
  • 2010
  • Краткое описание:
  • Содержание
    ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ... 3

    ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ БЕСКЕРНОВОГО ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ... 5

    1.1. Анализ технологических разработок в области бурения скважин

    с использованием гидромеханического разрушения горных пород напорными струями жидкости... 5

    1.2. Анализ технологических разработок в области бурения скважин с использованием гидромеханического эрозионного разрушения горных пород струями жидкости с наполнителями... 17

    1.3. Анализ технологических разработок в области бурения скважин

    с использованием гидромеханического разрушения горных пород кавитационными струями жидкости... 21

    1.4. Выводы... 25

    ГЛАВА 2. КАВИТАЦИОННОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ

    БУРЕНИИ СКВАЖИН... 27

    2.1. Сущность явления кавитации жидкости и кавитационного разрушения горных пород... 27

    2.2. Экспериментальные исследования интенсивности кавитационного разрушения... 32

    2.3. Выводы и рекомендации... 34

    ГЛАВА 3. БУРЕНИЕ СКВАЖИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД КАВИТАЦИОННЫМИ СТРУЯМИ ЖИДКОСТИ... 35

    1

    3.1. Гидромониторное разрушение горных пород в процессе бурения... 35

    3.2. Энергетический критерий оценки эффективности разрушения горных пород при бурении скважин с использованием мощности струи жидкости... 47

    3.3. Экспериментальные исследования разрушения горных пород с использованием кавитациоиных струй жидкости... 51

    3.4. Выводы и рекомендации... 61

    ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА ПРОМЫВКИ ПРИ ВРАЩАТЕЛЬНОМ БУРЕНИИ НЕГЛУБОКИХ СКВАЖИН ДОЛОТАМИ С ГЕНЕРАТОРАМИ КАВИТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТИ... 62

    4.1. Гидравлическая программа процесса промывки при вращательном бурении неглубоких скважин долотами, оснащёнными генераторами кавитацнонных колебаний жидкости... 62

    4.2. Стратегия управления ростом скорости кавитациоинон струи жидкости... 76

    4.3. Выводы и рекомендации... 84

    ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 86

    СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 88

    Введение



    ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

    Для достижения поставленной цели - разработки технологии бурения - в процессе научных исследований были решены следующие задачи:

    произведен анализ существующих технико-технологических решений в

    области бурения скважин с использованием гидромеханического разрушения

    пород напорными струями жидкости непрерывного и импульсного действия,

    эрозионного разрушения абразивными струями и эрозионного разрушения

    кавитационными струями;

    дана оценка возможности применения явления кавитации в процессе

    углубления скважины;

    изучены и проанализированы результаты экспериментальных исследований

    интенсивности кавитационного разрушения;

    выявлены основные факторы, определяющие эффективность воздействия

    струй на забой скважины;

    разработан энергетический критерий разрушения горных пород при бурении

    скважин с использованием мощности струй жидкости;

    разработана методика и подготовлена экспериментальная база для изучения

    эффективности применения явления кавитации с целью разрушения забоя

    скважины;

    проведены экспериментальные исследования и проанализированы результаты

    разрушения горных пород кавитационными струями жидкости и долотами,

    оснащенными генераторами кавитационных колебаний жидкости;

    разработана гидравлическая программа' процесса промывки при бурении

    долотами, реализующими кавитационное истечение жидкости;

    разработана стратегия управления ростом скорости кавитационной струи

    жидкости в процессе углубления.

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

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

    Автор выражает благодарность научному руководителю к.т.н., чл.-корр. РАЕН Н.И. Сердюку за всестороннюю помощь, оказанную при проведении исследований и составлении диссертации.

    Автор глубоко признателен д.т.н., проф., академику РАЕН Д.Н. Башкатову за методическую, практическую и организационную помощь при выполнении диссертационной работы.

    Автор выражает признательность коллективам кафедры разведочного бурения МГГРУ и ЗАО "Концерн Союзгеопром" за консультации и помощь, оказанные в процессе подготовки и выполнения диссертационной работы.

    ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В

    ОБЛАСТИ БЕСКЕРНОВОГО ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН С

    ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА

    ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ

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

    Гидравлическую энергию, подводимую к забою скважины, можно направить на целенаправленное разрушение горных пород, слагающих забой. Струя жидкости, обладая кинетической энергией и импульсом, при встрече с горной породой меняет свое качественное энергетическое состояние. Кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию давления жидкости, а импульс - в силу давления струи. Разрушение породы происходит в результате воздействия на нее нормального давления, а также касательных напряжений, вызываемых радиальным течением жидкости. На поверхности горной породы всегда существуют трещины, царапины, выступающие зерна. При воздействии на них жидкости с поверхности забоя часть твердых гранул удаляется, т.е. происходит явление известное под названием эрозии (гидромониторной эрозии).

    Гидромеханическое разрушение пород напорными струями при бурении скважин может носить как самостоятельный характер (порода разрушается исключительно

    струями жидкости), так и быть составной частью комбинированного разрушения (бурение скважин гидромониторными долотами). Разрушение пород только струями жидкости на стадии лабораторных и отдельных производственных разработок имеет место при бурении геотехнологических, а также нефтяных и газовых скважин. Бурение скважин напорными струями получило наименование гидродинамического. Поро до разрушающий инструмент называют гидробуром. Гидродинамическое бурение осуществляется с помощью высоконапорных струй жидкости, истекающих из гидромониторных насадок гидробура (рис. 1.1; 1.2). Гидромеханический способ бурения может быть особенно эффективным при бурении абразивных пород, в которых стойкость долот мала. Однако как показывают испытания, такой способ бурения прочных пород является очень энергоемким: скорости жидкости составляют сотни метров в секунду, гидравлическая мощность, передаваемая на забой скважины - до нескольких тысяч киловатт, давления, на которые должно быть рассчитано буровое оборудование - до 100 МПа [27]. Только при проходке рыхлых и слабосвязпых пород при скважинкой гидродобыче укачанные выше гидравлические характеристики не столь высоки [8]. Повысить эффективность гидродинамического бурения возможно путем наложения на струю пульсаций и колебательных движений [26]. Хотя гидродинамическое бурение позволяет разрушать породы всех категорий по буримости, однако проблемы интенсивного износа насадок гидробура и надежности уплотнений при высоком давлении остаются на сегодня во многом нерешенными. "'. /

    Комбинированное разрушение породы - одновременно вооружением вращающегося и прижатого к забою скважины долота и гидравлической энергии струи - требует гораздо меньших затрат энергии па разрушение забоя скважины. Если учесть, что некоторые твердые пропластки очень плохо поддаются разрушению только под действием струй, то наиболее реальным путем повышения эффективности разрушения пород при использовании энергии напорных струй является комбинированное разрушение породы долотами вращательного бурения, оснащенными гидромониторными насадками.

    Комбинированный способ разрушения пород при бурении гидромониторными долотами обеспечивает рост эффективности разрушения горных пород без увеличения мощности бурового оборудования и расхода жидкости, создает лучшие условия труда и безопасность работ.

    Многообразие физико-механических свойств горных пород вызывает необходимость применения гидромониторных долот разных конструкций. Выбор необходимого типа гидромониторного долота, как и обычного, производится в зависимости от геологических

    условий бурения и имеет конечной целью получение высокой скорости бурения при достаточной стойкости долота, качественном и безаварийном сооружении скважины.

    В гидромониторных долотах промывочные устройства изготавливают в виде круглых отверстий, подающих жидкость на периферийную часть забоя, в отличие от долот с центральным каналом (см. ниже - глава 3).

    А

    Рис. 1.1. Схема снаряда для гидродинамического бурения и скважинной добычи:

    1. гидробур; ' 2. гидроэлеватор;

    3. золотник;

    4. гидромонитор;

    5. отсек промежуточный;

    7

    6. корпус снаряда;

    7. механизм поворота.

    1 I ¦ i i ¦ т V 1 1 гГГ

    1 i i

    Рис. 1.2. Лабораторный образец гидробура для гидродинамического бурения глубоких скважин.

    Рис. 1.3. Долото лопастное пикообразное типа ПЦ и ПР:

    1. резьба;

    2. боковая поверхность лопасти.

    *

    Рис. 1.4. Долото трехлопастное типа 3 - ЗЛ.

    В связи с тем, что гидромониторные долота в конструктивном отношении от обычных долот отличаются лишь изменением промывочного узла, то при выборе их типа и размера могут использоваться рекомендации, разработанные для обычных трехшарошечных долот. Следует лишь учесть, что при использований гидромониторных долот вследствие более высокого, чем у долот с центральной промывкой, перепада давления в долоте, потребуется большая осевая нагрузка, компенсирующая потерю осевого усилия из-за явления гидроподпора бурового снаряда.

    Производительность бурения гидромониторными долотами в значительной степени зависит от правильного выбора насадок. В нашей стране выпускаются гидромониторные трехшарошечиые долота для нефтяных скважин типов М-ГВ, МС-ГВ. МЗ-ГВ, МСЗ-ГВ. С-ГВ, С-ГН, С-ГНУ, СЗ-ГВ, СЗ-ГВЭ, СЗ-ГН, СЗ-ГНУ, СТ-ГН, ТКЗ-ГНУ и К-ГНУ с наружным диаметром от 190.5 до 393.7 мм, двухшарошечные долота для бурения геологоразведочных скважин типа М-ГВ диаметрами 112 и 132 мм, а также двухшарошечные долота для бурения геологоразведочных скважин типа МГ диаметрами 112,132 и 151 мм [24].

    Лопастные долота в зависимости от конструкции и оснащенности твердым сплавом предназначаются для бурения мягких и средней твердости пород, а также мягких с пропластками средних малоабразивных пород. Промышленностью выпускаются для нефтяных скважин двух- и трехлопастные гидромониторные долота 3-ЗЛГ диаметрами 161 - 445 мм, 2 - ИРГ - С диаметрами 151 - 269 мм и 3 - ИРГ - МСЗ диаметрами 190 -269 мм. Кроме того, боковую (периферийную) промывку через промывочные каналы .выполняющие функции гидромониторных каналов имеют лопастные пикообразные долота типов ПЦ для разбуривания цементных пробок, ПР для расширения ствола

    9

    скважины (рис. 1.3), трехлопастные долота типа 3 - ЗЛ (рис. 1.4), истирающе-режущис долота ИР (рис. 1.5) и ряд долот других типов. Помимо серийных долот в практике буровых работ при бурении скважин в мягких горных породах широкое применение имеет гидромониторный пикобур ПБК - МГ (рис. 1.6), выпускаемый механическими мастерскими буровых организаций в двух модификациях: ступенчатой и бесступенчатой (клиновидной). По результатам производственных испытаний установлено [26], что при бурении пикобуром ПБК - 112 МГ механическая скорость выше в 3.2 раза, проходка за рейс в 2.4 и стойкость инструмента 2.3 раза по сравнению с серийно выпускаемым гидромониторным шарошечным долотом 1В - 112 МГ.

    10

    Резь$а А

    \

    \

    \

    Рис. 1.5. Долото лопастное истираюше-режущее типа ИР.

    11

    Рис. 1.6. Гидромониторный пикобур ПБК -112 МГ:

    1. корпус;

    2. гидромониторные каналы; ч-

    3. восьмигранные резцы для боковых граней резцедержателя;

    4. ступенчатая лопасть - резцедержатель;

    5. вертикальные резцы.

    12

    а)

    Рис. 1.7. Гидромониторные долота.

    а) со сменными насадками; б) без сменных насадок.

    1. лапа;

    2. шарошка;

    3. корпус с присоединительной резьбой;

    4. промывочный канал;

    5. сменная насадка.

    13

    В настоящее время гидромониторные долота изготавливаются в двух вариантах: со сменными насадками (рис. 1.7, а), когда в нижней части промывочного канала долота растачивается гнездо для установки сменных насадок (сопел) из износостойкою w материала и в долоте могут устанавливаться насадки любого диаметра на выходе, а также

    без сменных сопел (рис. 1.7, б). В этом случае промывочный канал с уменьшенным диаметром на выходе является насадкой, но изменение в долоте диаметра выхода промывочного отверстия не предусмотрено. Поверхность канала должна иметь твердость не менее 60 - 65 HRC.

    Для оснащения гидромониторных долот отечественного производства выпускаются три основных вида минералокерамических насадок: коноидальные конструкции ВНИИБТ (рис. 1.8, а), конические конструкции Куйбышевского долотного завода (рис. 1.8, б) и конические конструкции АзИНМАШ (рис. 1.8, в).

    Одним из основных вопросов технологии бурения гидромониторными долотами ^ является определение необходимых режимных параметров и, в первую очередь, скорости

    истечения струй из насадок долота. При бурении в мягких и средней твердости породах гидромониторные долота значительно превосходят обычные при скорости истечения жидкости Vo 61 м/с, особенно при высоких осебых нагрузках. На основании этого сделан вывод о том, что нижний предел скорости струи для обеспечения эффективной отработки гидромониторного долота в среднем равен 60 м/с, хотя и при более низких значениях скорости возможен гидромониторный эффект.

    При проведении промышленных испытаний двухшарошечных гидромониторных

    долот 1В - 112 МГ - II при увеличении скорости истечения в 2.3 раза (от 28 до 65 м/с, от

    т 150 до 350 л/мин) скорость бурения увеличилась в 2.6 раза. При бурении

    гидромониторными пикобурами отмечается хорошо выраженная взаимосвязь

    механической скорости бурения и расхода промывочной жидкости (рис. 1.9).

    Основными критериями эффективности промывки при бурении гидромониторными долотами выступают критерий максимума ударного воздействия струи о забой скважины {Q • Уо -* max, Qo - объемный расход жидкости) и критерий максимума гидравлической мощности в насадках долота (О ¦ Vo2 —» max) [27]. Первый из них наиболее эффективен при высокой механической скорости бурения в мягких породах, второй - при бурении

    более твердых пород. т

    В «соответствии с этим критериями составляется гидравлическая программа

    промывки, учитывающая изменение в процессе углубления скважины давлений, расходов и скоростей жидкости, а также диаметров сменных насадок.

    14

    Рис. 1.8. Минералокерамические насадки.

    а) коноидальные типы ВНИИБТ; б) конические Куйбышевского долотного завода; в) конические конструкции АзИНМАШ.

    \

    15

    V«!

    30

    60

    40

    20

    У

    A y/ у

    / \ 4

    У

    50 100

    150

    Рис. 1.9. Зависимость механической скорости от подачи насосов при бурении пнкобуром:

    1. алевролиты III категории по буримости:

    2. пески и мел II категории;

    3. глины III категории; '. у

    4. глины IV категории.

    Список литературы
  • Список литературы:
  • *
  • Стоимость доставки:
  • 230.00 руб


ПОИСК ДИССЕРТАЦИИ, АВТОРЕФЕРАТА ИЛИ СТАТЬИ


Доставка любой диссертации из России и Украины