Экспериментальные исследования тепловой мощности забоя при бурении геологоразведочных скважин с продувкой воздухом Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Р.У. Джураев, М.В. Меркулов, 2016

УДК 622.143

Р.У. Джураев, М.В. Меркулов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ЗАБОЯ ПРИ БУРЕНИИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН С ПРОДУВКОЙ ВОЗДУХОМ

В процессе разрушения горных пород выделяется некоторое количество тепла, которое пойдет на нагревание призабойной зоны и породоразрушающего инструмента, высокие температуры на забое отрицательно влияют на качество буровых работ при бурении скважин в многолетнемерзлых породах создавая осложнения как слипание частиц шлама, образование сальников, уменьшение проходных сечений, прихваты, прижоги породоразрушающего инструмента и др. Так как температурный фактор является одним из основных факторов, влияющих на эффективность при бурении скважин в многолетнемерзлых породах, возникает необходимость учета действия температурного фактора.

Ключевые слова: мерзлые породы, бурение, температурный режим, давление, забой, скважина, вихревая труба, охлаждение, продувка воздухом.

В процессе разрушения горных пород выделяется некоторое количество тепла, которое пойдет на нагревание призабойной зоны и коронки, высокие температуры на забое отрицательно влияют на качество буровых работ при бурении скважин в многолетнемерзлых породах создавая осложнения как слипание частиц шлама, образование сальников, уменьшение проходных сечений, намерзание конденсата в соединениях, прихваты, прижоги породоразрушающего инструмента и др.

Также высокие температуры на забое отрицательно сказываются на работе породоразрушающего инструмента через высокие контактные температуры с различными необратимыми последствиями [1].

Так как температурный фактор является одним из основных факторов, влияющих на эффективность при бурении геолого-

разведочных скважин в многолетнемерзлых породах, возникает необходимость учета действия температурного фактора.

Практические расчеты для определения температурных режимов при колонковом бурении в мерзлых породах ведутся по следующем предложенным Б.Б. Кудряшовым формулам [2]: в бурильных трубах

¿1 - Тп) е* + ^ + Тп; (1)

СгСр Г1

и в кольцевом канале

Ъ =(Тп - ^) ^ е* , (2)

Г Сгср г

где Тп — средняя постоянная по глубине естественная температура пород, °С; ?1н — температура промывочной среды °С, нагнетаемой в бурильные трубы; h — глубина скважины (текущая координата), м; Н — конечная глубина, м; D — диаметр скважины, м; k — коэффициент теплопередачи через стенку бурильной колонны, отнесенной к единице длины трубы, Вт/(м-°С); G — весовой расход (для воздуха — Gr) в кг/с; с — удельная весовая теплоемкость очистного агента, (для воздуха при постоянном давлении — ср) Дж/кг-°С; г1, г2 —корни характеристического уравнения; А?з — прирост температуры воздуха в призабойной зоне скважины, °С.

Выражение (1) и (2) позволяют определить температуру в любой точке системы бурильные трубы — затрубное пространство в любой момент времени от начала циркуляции при известной конечной глубине скважины Н. Эти зависимости применимы при любом виде промывочной среды (глинистые и другие растворы, вода, воздух, пена) как в случае ее охлаждения при бурении в многолетнемерзлых породах, так и в случае нагревания [2].

Результаты расчета температурного режима скважины с помощью формул (1) и (2) решающим образом зависят от правильности определения входящих в них величин. Одной из основных величин, существенно влияющей на результаты расчетов, является прирост температуры продувочного воздуха (А?з), в результате местного нагрева у забоя скважины.

С целью исследования тепловой мощности забоя нами была проведены экспериментальные испытания при бурении с продувкой воздухом. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки при бурении с продувкой воздухом: 1 — компрессор, 2 — электроперфоратор, 3 — разбуриваемая порода, 4 — весы, 5 — вихревая трубка, 6 — регулятор давления, 7 — вертлюг, 8 — коронка, 9 — электросчетчик, 10 — герметизатор, ?г — точка замера температуры горячего потока, °С; —точка замера температуры холодного воздуха на выходе с вихревой трубки, °С; 72 — точка замера температуры на выходе с герметизатора, °С; С — точка замера скорости воздуха горячего потока, м/с; Свых — точка замера скорости воздуха на выходе с герметизатора, м/с; Сос — осевая нагрузка, кг; Р — давление воздуха, МПа; п — точка замера числа оборотов, об/мин

Экспериментальные работы проводились следующим образом: вихревую трубу присоединили к ресиверу компрессора 1, в соединительные шланги между ресивером и вихревой трубой установили регулятор давления 6. Холодный выход вихревой трубы подсоединили через шланг к вертлюгу 7. Далее электроперфоратор 2 соединили с породоразрушающем инструментом через вертлюг, установили весы 4 под блок разбуриваемой породы 3. Подключили перфоратор к сети через электросчетчик 9 и включили перфоратор в режиме вращения и продувку. Установили давление 0,8 МПа с помощью регулятора давления, и с помощью держателя передали перфоратору осевую нагрузку 10 кг, осевую нагрузку определяли с помощью весов 4. Записали текущее время, показания электросчетчика и осевую нагрузку (Сос), тахометром замерили число оборотов (п) на породоразрушающем инструменте. После стабилизации температуры, многоканальным измерителем (ИРТ-4) замеряли температуры окружающей среды (7), горячего потока (?г), холодного выхода вихревой трубы и температуру потока, выходящего с герми-тизатора 10 (72).

Также замеряли анемометром скорость потока воздуха на горячем выходе вихревой трубы и выходящею из гермитизатора.

Результаты испытаний при опытном бурении с продувкой позволили определить тепловую мощность выделяющегося на забое, т.е., мощность, которая идет на нагревание призабой-ной зоны и коронки [4]:

Р = с • G • — О, Вт; (3)

тепл у 2 1" ' у 7

где с — теплоемкость воздуха, Дж/кг°С; G — расход воздуха:

_ пй2

О = V • — • р, кг/с; (4)

t2 — температура воздуха на выходе с герметизатора, °С; t1 — температура воздуха на выходе с вихревой трубы, °С; V — скорость холодного потока, м/с; # — диаметр патрубка в месте замера скорости, м; р — плотность воздуха, кг/м3.

В ходе испытаний выявлено, что тепловая мощность забоя изменяется в зависимости от изменения скорости объемного разрушения. Из сделанных экспериментальных замеров наблюдается что, тепловая мощность забоя составляет 640 ватт при объемной скорости разрушения породы 1,0410-7 м3/с, при увеличении скорости объемного разрушения породы до 1,16-10-7 м3/с, тепловая мощность возрастает до 724 ватт. Результаты экспериментальных исследований позволили установит зависимость тепловой мощности (Ртепл) от скорости объемной разрушения ^п), которая показана на рис. 2.

Проведя регрессионный анализ результатов исследования на основе полученных экспериментальных данных была установлена следующая зависимость величины тепловой мощности, выделяемой на забое от скорости объемного разрушения: Р = 7 • 109 • V— 83,82; (3)

тепл п

где V — скорость объемного бурения, м3/с.

!,00Е-08 9.006-08 1.00Е-07 1.10Е-0? 1.20Е-0? 1,ЗОЕ-07

Рис. 2. Зависимость величины тепловой мощности (Р ) от скорости

1 у тепл 1

объемного разрушения породы (V)

Полученная зависимость может быть использована для определения прироста температуры продувочного воздуха на породоразрушающем инструменте на забое скважины:

м _ _ 7 • 109 • у - 83,82 ; (4)

3 Gc Gc

где Ртепл — тепловая мощность, выделяющейся на забое при бурении, Вт;

При практических расчетах температурного режима скважины при бурении с продувкой с использованием вихревой трубы количество теплоты, выделяемой на породоразрушающем инструменте, которая определяет прирост температуры продувочного воздуха (А7з) может определяться по экспериментально полученной нами зависимости (3). При этом формулы для практических расчетов температурного режима скважины 2 и 3 предложенные Б.Б. Кудряшовым примут следующий окончательный вид: в бурильных трубах

+ - Т ) ег2к + кп(7 • 10 • Уп - 83,82) ег1(к-Н) + т оС.

Ч ~ уНн тп)е + G2 2 п ,С;

Gг • Ср • Г1

в кольцевом канале

кп(7 • 109 • V, - 83,82) 1Ю

+ _(Т - + рГ2к ^__рг, (к-Н) °С.

^ ~ \ п Нн) е 2 ,С;

Г1 ^ ' Ср • Ъ

Экспериментальные работы были проведены в научно-исследовательском полигоне МГРИ-РГГРУ с твердосплавными коронками. В ходе экспериментальных испытаний определена тепловая мощность забоя и мощность, идущая на разрушение горной породы. Также были установлены:

• зависимость величины тепловой мощности забоя от скорости объемного бурения которая позволяет определить температуру продувочного воздуха (А7з) в призабойной зоне скважины;

• зависимость тепловой мощности забоя в зависимости от осевой нагрузки на буровую трубу и от состояния режущих зубьев коронки;

• зависимость изменения температуры воздуха, выходящего с забоя от расхода продувочного воздуха.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горшков Л.К., Гореликов В.Г. Температурные режимы алмазного бурения. - М.: Недра, 1992. - С. 173.

2. Кудряшов Б. Б, Чистяков В.К, Литвиненко В.С. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. — Л.: Недра, 1991. - С. 295.

3. Меркулов М.В., Косьянов В.А. Обоснование оптимального варианта энергоснабжения на основе технико-экономического моделирования // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2008. — № 8. — С. 28.

4. Джураев Р.У., Меркулов М.В. Результаты экспериментальных исследований вихревой трубки применительно к бурению геологоразведочных скважин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 4. — С. 349—352. КПЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Джураев Рустам Умарханович — аспирант, e-mail: [email protected], Меркулов Михаил Васильевич — доктор технических наук, профессор, Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе.

UDC 622.143

R.U. Dzhuraev, M.V. Merkulov

EXPERIMENTAL STUDY OF THE HEAT CAPACITY OF DOWNHOLE WHEN DRILLING EXPLORATIONS WELLS WITH AIR PURGE

In the process of destruction of rocks is allocated a certain amount of heat that goes into heating the bottom-hole zone and the crown, the high temperature at the bottom affect the quality of drilling during the drilling of wells in permafrost creating complications like sticking sludge particles, balling, Reduced bore accretion condensate in the joints, clamps, burn marks and other rock cutting tool. Since the temperature factor is one of the main factors affecting the efficiency of the drilling of exploration wells in permafrost, there is the need to incorporate action temperature factor.

Key words: frozen rocks, drilling, temperature, pressure, bottom, borehole, vortex tube, freezing, purge air, crown.

AUTHORS

Dzhuraev R.U.1, Graduate Student, e-mail: [email protected], Merkulov M.V}, Doctor of Technical Sciences, Professor,

1 Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidze (MGRI-RSGPU), Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Gorshkov L.K., Gorelikov V.G. Temperaturnye rezhimy almaznogo bureniya (Temperature conditions of diamond drilling), Moscow, Nedra, 1992, pp. 173.

2. Kudryashov B. B, Chistyakov V.K, Litvinenko V.S. Burenie skvazhin v usloviyakh izmeneniya agregatnogo sostoyaniya gornykh porod (Well drilling under change in aggregative state of rocks), Leningrad, Nedra, 1991, pp. 295.

3. Merkulov M.V., Kos'yanov V.A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2008, no 8, pp. 28.

4. Dzhuraev R.U., Merkulov M.V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 4, pp. 349-352