Расчет технологических процессов шароструйного бурения в оптимальном режиме разрушения горных пород

Артем Владимирович Ковалев; Сергей Яковлевич Рябчиков; Вячеслав Михайлович Горбенко; Михаил Владимирович Горбенко; Лев Алексеевич Саруев

УДК 622.243

Расчет технологических процессов шароструйного бурения в оптимальном режиме разрушения горных пород

A.B. Ковалев, С.Я. Рябчиков, В.М. Горбенко, М.В. Горбенко, Л.А. Саруев

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия

Данная статья посвящена исследованию шароструйного способа бурения скважин, который в перспективе может повысить механическую скорость и проходку на долото при бурении скважин различного назначения в твердых горных породах. Шароструйный способ бурения скважин заключается в разрушении горных пород ударами металлических шаров, непрерывно циркулирующих в призабойной зоне скважины с помощью струйного аппарата, положенного в основу конструкции шароструйно-эжекторного бурового снаряда. Основными достоинствами шароструйного бурения являются простота конструкции бурового снаряда, отсутствие необходимости во вращении долота и создании на него осевой нагрузки. Разрушение горных пород ударами шаров может происходить в различных режимах, наиболее эффективным из которых является оптимальный (объемный), сопровождающийся образованием значительной воронки выкола. Целью настоящей работы является разработка методики расчета процессов шароструйного бурения в оптимальном режиме разрушения горных пород.

Методика расчета базируется на полученных авторами результатах теоретических и экспериментальных исследований, а также некоторых положений предшественников. Она позволяет определить оптимальные геометрические параметры буровых снарядов, рациональные технологические параметры режима бурения, а также производить выбор насосного оборудования для конкретных геолого-технических условий. В предложенной методике расчета ограничиваются значения расхода промывочной жидкости при наличии в разрезе скважины интервалов, склонных к размыву стенок скважины, коэффициент эжекции струйного аппарата, а также перепад давления на сопле для предупреждения его интенсивного износа при истечении бурового раствора.

Ключевые слова: разрушение горных пород, породоразрушающий инструмент, шароструйное бурение, шароструйно-эжекторный буровой снаряд, струйный аппарат, твердые горные породы.

DOI: 10.18599/grs.18.2.5

Для цитирования: Ковалев A.B., Рябчиков С.Я., Горбенко В.М., Горбенко М.В., Саруев Л.А. Расчет технологических процессов шароструйного бурения в оптимальном режиме разрушения горных пород. Георесурсы. 2016. Т. 18. № 2. С. 102-106. DOI: 10.18599/grs.18.2.5

Введение

Анализ технико-экономических показателей бурения геологоразведочных, водозаборных, взрывных и технических скважин в твердых горных породах свидетельствует о недостаточно высокой механической скорости бурения и проходке на долото. Увеличение эффективности механического способа бурения в твердых горных породах может быть реализовано двумя способами: созданием новых материалов и новых конструкций породоразрушаю-щего инструмента (ПРИ).

Несмотря на постоянное совершенствование ПРИ, бурение механическими способами в твердых горных породах остается недостаточно эффективным. Поэтому актуальность приобретают разработка альтернативных способов разрушения горных пород. По мнению ряда исследователей (Давиденко, Игнатов, 2013; Ковалев и др., 2015; Кожевников, Давиденко, 1987) одним из наиболее перспективных является гидродинамический способ, реализуемый с помощью высокоскоростной струи. Данным способом возможно передавать на забой скважины значительную гидравлическую мощность, при этом скорость бурения и проходка на долото могут кратно возрастать.

Однако для бурения скважин в твердых горных породах данный способ в традиционном виде малоперспективен. Больший интерес представляет шароструйный способ бурения скважин, сущность которого состоит в разрушении горных пород на забое в результате воздействия стальных или твердосплавных шаров, движущихся с высокой скоростью и непрерывно циркулирующих в приза-бойной зоне за счет струйного аппарата. Данный способ

позволяет решить ряд технических и технологических проблем при реализации гидродинамического способа разрушения горных пород.

На рис. 1 представлена схема шароструйно-эжекторно-го бурового снаряда, разработанного на кафедре бурения скважин Национального исследовательского Томского политехнического университета (Kovalyov et al., 2015). Принцип его работы следующий: рабочая жидкость, подводимая через камеру подвода 1, ускоряется в сопле 2 и истекает из него в камеру смешения 5. При этом в пространстве, окружающем выход сопла 2 с внешней стороны, образуется зона разряжения. В корпусе снаряда выполнены впускные окна 4, через которые благодаря разряжению происходит всасывание рабочей жидкости с взвешенными шарами из затрубного пространства. Далее двухфазная

Рис. 1. Конструктивная схема шароструйно-эжектор-ного бурового снаряда: 1 -камера подвода рабочей жидкости; 2 - сопло; 3 - задерживающее устройство; 4 - впускные окна; 5 - камера смешения; 6 - диффузор.

к SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL

Ц02 GEDRESURSY

смесь проходит через камеру смешения 5 и диффузор 6 с последующим ударом о горную породу, вызывая ее разрушение. Задерживающее устройство 3 предназначено для направления поднимающихся в затрубном пространстве породоразрушающих шаров во впускные окна, а также для центрирования бурового снаряда в скважине.

Основными достоинствами шароструйного бурения снарядами описанной конструкции являются:

- простота конструкции шароструйно-эжекторных буровых снарядов;

- отсутствие необходимости во вращении долота и создании на него осевой нагрузки.

Анализ работ, посвященных вопросам разрушения твердых горных пород при использовании шароструйно-эжекторных буровых снарядов, показывает, что данный способ может быть более эффективным по сравнению с традиционными. Результаты опытно-промышленного применения данного способа бурения (Уваков, 1969; Штрассер, 1966; Заурбеков, 1995) показывают, что при проходке пород VIII категории по буримости и выше возрастает значение механической скорости бурения по сравнению с использованием традиционного породоразрушаю-щего инструмента. Так, проведенные Заурбековым С.А. промышленные испытания показали превышение механической скорости бурения нефтяных скважин диаметром 215,9 мм на 20% и проходки на долото на 43% по сравнению с шарошечными долотами (Заурбеков, 1995).

Режимы разрушения горных пород

Согласно результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований (Уваков, 1969; Штрассер, 1966) разрушение горных пород в результате воздействия ударов стальных или твердосплавных шаров может происходить в различных условиях. Режим разрушения породы определяется величиной контактных давлений при взаимодействии шара с породой, которая зависит от скорости их соударения.

На рис. 2 представлены режимы разрушения горных пород ударами шаров. Область 1 характеризует режим поверхностного истирания горной породы, при этом зависимость между скоростью бурения и величиной контактных давлений имеет линейный характер. Когда контактные давления превышают предел усталости горной породы, процесс разрушения становится усталостным. При этом интенсивность роста скорости бурения выше, чем интенсивность роста контактных давлений (область 2). При достижении контактными напряжениями значений твердости горной породы начинается эффективное разрушение. Зависимость скорости бурения от контактного давления вновь приобретает линейный характер (область 3), режим разрушения породы близок к оптимальному - процесс удара шара по забою завершается образованием крупного скола по контуру. При оптимальном режиме разрушения (область 4) контактные давления имеют значения, достаточные для осуществления первого скачка в разрушении с образованием крупной воронки выкола. Дальнейшее увеличение контактного давления не приводит к заметному повышению механической скорости бурения (Уваков, 1969).

Разработка методики расчета технологических процессов в оптимальном режиме разрушения горных пород

Целью настоящей работы является создание методики расчета процессов шароструйного бурения в оптимальном режиме разрушения горных пород на забое.

Представленная ниже методика расчета процесса ша-роструйного бурения при реализации оптимального режима разрушения горных пород позволяет определить оптимальные геометрические параметры буровых снарядов, рациональные технологические параметры режима бурения, а также производить выбор насосного оборудования для конкретных геолого-технических условий бурения.

Предлагаемая методика расчета базируется на полученных авторами результатах теоретических и экспериментальных исследований (Исаев и др., 2014; Ковалев и др., 2015; Константинов и др., 2015), а также некоторых положений А.Б. Увакова, В.В. Штрассера, Л.В. Леджервурда и др. (Леджервуд, 1961; Уваков, 1969; Штрассер, 1966).

Принципиальная схема шароструйного способа бурения представлена на рис. 3.

Исходными данными для расчета являются: свойства горных пород (динамическая твердость Р модуль упругости Е1, коэффициент Пуассона параметры скважины (диаметр Б , максимальная глубина бурения Ь );

у А скв7 ^ ^ 1 скитах' 7

свойства бурового раствора (плотность р6р, динамическое напряжение сдвига т0, динамическая вязкость п); геометрические параметры колонны бурильных труб (наружный ? и внутренний й? диаметры бурильных труб, наружный диаметр замкового соединения ? средняя длина бурильных труб /1Г); 5. свойства породоразрушающих шаров (плотность р модуль упругости Е2, коэффициент Пуансона ^2).

Последовательность инженерного расчета технологических процессов шароструй-ного бурения в оптимальном режиме разрушения горных пород следующая.

Рис. 2. Режимы разрушения горных пород ударами шаров: 1 - режим поверхностного истирания; 2 - усталостный режим разрушения; 3 - начальная стадия оптимального разрушения; 4 - оптимальное разрушение.

Рис. 3. Принципиальная схема шароструйного бурения: 1 - колонна бурильных труб; 2 - замки бурильных труб; 3 - сопло; 4 - буровой снаряд; 5 - шары.

НАУЧНО-ТЕХНтЕСЩЙ ЖУРНАЛ дрн :

1. Определяется рациональный диаметр шаров:

6,6

(1)

2. Рассчитывается диаметр и площадь сечения камеры смешения:

d„=2,2dm, (2) ndi

$кс -

(3)

3. Вычисляется наружный диаметр бурового снаряда:

^„=Дк.-2,2й?ш. (4)

4. Определяется длина камеры смешения:

(5)

5. Вычисляется высота технологических окон:

Ъ = 1,25с/ . (6)

6. Рассчитывается оптимальная масса порции шаров:

р

6Ш ш, (7)

где Ыш - количество поднимающихся шаров в затрубном пространстве, вычисляемое по формуле:

1бс п(<1бс+Оскв)

N,„ = -

dmCr

2dmC2

(8)

где С1 - коэффициент, учитывающий зазор между рядами шаров, С1=1,5; С2 - коэффициент, учитывающий зазор между шарами в ряду С2=1,5.

Формулы (1)-(8) получены на основе результатов проведенных авторами экспериментальных исследований.

7. Определяется скорость движения шаров, необходимая для разрушения горной породы в оптимальном режиме (Уваков, 1969; Штрассер, 1966):

Vonm = 2,15 • (

4(1-щ2) | 4(1-

И" 2 )2

gPC5

,3f 4 4 Рш wKd 0,78.0

I Ш ' С/Сб

(9)

8. При проходке скважин с интервалами, склонными к размыву стенок, рассчитывается максимально возможный расход бурового раствора Q^^:

Qpmax ^сквбт^кптох. ,

(10)

где ScKe6m - площадь сечения затрубного пространства между бурильными трубами и стенками скважины; V -максимально допустимая скорость течения жидкости в кольцевом пространстве, равная 1,5 м/с.

9. По техническим характеристикам бурового насоса выбирается расход Q , величина которого должна быть

меньше величины максимально возможного расхода Q .

10. Величина необходимой средней скорости промывочной жидкости в буровом снаряде определяется по формуле:

= Кпт /8 , (11)

где s - отношение скорости шаров к скорости жидкости в буровом снаряде, принимается равным 0,7 (Eckel et al., 1956).

11. Определяется требуемый коэффициент эжекции:

Q.

(12)

Рис. 4. Зависимость коэффициента эжекции от отношения площади сопла к площади камерыг смешения (Eckel et al., 1956).

12. Проверяется возможность подъема шаров в зазоре между долотом и стенками скважины, т.е. сравнивается скорость жидкости при ее течении между буровым снарядом и стенками скважины со скоростью падения шаров при переходном и турбулентном режимах обтекания шаров, рассчитанной по формуле Риттингера:

v„„ =

а _ 4(1 + n)Qp

>5,11

РбР

. (13)

^ксебс 71 (А™ . _

13. По графику зависимости коэффициента эжекции от отношения площади сопла к площади камеры смешения (Рис. 4) при неизменном диаметре камеры смешения определяется требуемое отношение а=Б /Б .

Установлено, что значения коэффициента эжекции, в диапазоне значений от 2 до 4, являются наиболее приемлемыми. В случае его превышения ухудшаются условия выноса шлама, в результате чего уменьшается КПД струйного аппарата, и затрачивается дополнительная энергия на его измельчение.

14. Определяется диаметр и площадь выходного сечения сопла:

5е=а-5„, (14)

4-SL а

71

(15)

15. Перепад давления в сопле вычисляется по формуле (Попов и др., 2003):

öp Р бр

АР =

(16)

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

У 2-5с '

где у - коэффициент расхода сопла, для коноидальных сопел равный 0,985.

Согласно (Кирсанов и. др., 1981; Попов и др., 2003) рассчитанный перепад давления в сопле должен быть не более 13 МПа для предупреждения интенсивного износа сопла при течении через него бурового раствора.

16. По общеизвестным методикам рассчитываются потери давления в циркуляционной системе ЦАР.}:

: АРТ + АРш + АР,

(17)

где АРТ - потери давления в бурильной колонне, АРКП -потери давления в затрубном пространстве, АР - потери давления в зазоре между замками и стенками скважины.

В связи с малыми значениями не учитываются потери давления в следующих элементах циркуляционной системы: стояке, буровом рукаве, вертлюге, ведущей трубе и

f—^■H^^Hl SCIENTIRCAND TECHNICAL JOURNAL

Ц04 GEDRESURSY

задерживающем устройстве бурового снаряда.

17. Исходя из величин Q , ÄP, Z(ÄP.), выбираются параметры бурового насоса. При этом необходимо руководствоваться следующими условиями:

Qh^Q' (18)

кРн>^(Щ) + АРс, (19)

где Qh и Рн - расход и развиваемое давление одного или нескольких буровых насосов; k - коэффициент, учитывающий то, что рабочее давление нагнетания бурового насоса должно быть, согласно правилам ведения буровых работ, меньше паспортного на 20-30 %, k=0,7-0,8 (Попов и др., 2003).

Выводы

По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы.

1. Разработана методика расчета процессов шарост-руйного бурения при оптимальном режиме разрушения горных пород на забое, которая позволяет определять оптимальные геометрические параметры буровых снарядов, рациональные технологические параметры режима бурения, а также производить выбор насосного оборудования для конкретных геолого-технических условий.

2. В предложенной методике расчета шароструйного бурения необходимо учитывать следующие ограничения:

- при проходке скважин с интервалами, склонными к размыву ее стенок необходимо ограничить скорость восходящего потока путем введения значения предельного расхода промывочной жидкости;

- для улучшения условий выноса шлама следует проектировать буровые снаряды с коэффициентом эжекции, не превышающим 4;

- рассчитанный перепад давления в сопле не должен быть более 13 МПа для предупреждения интенсивного износа сопла при течении через него бурового раствора.

Литература

Давиденко А.Н., Игнатов A.A. Абразивно-механическое ударное бурение скважин. Днепропетровск: НГУ. 2013. 110 с.

Заурбеков С.А. Повышение эффективности призабойных гидродинамических процессов при шароструйном бурении скважин. Автореф. дис. канд. техн. наук. Алматы. 1995. 18 с.

Исаев Е.Д., Ковалев A.B., Алиев Ф.Р. Экспериментальные исследования технологических параметров режима шароструйного бурения. Сб. докладов Всерос. научно-технической конф. Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та. 2014. С. 68-83.

Кирсанов А.Н., Зиненко В.П., Кардыш В.Г. Буровые машины и механизмы. М: Недра. 1981. 448 с.

Ковалев А.В., Рябчиков С.Я., Алиев Ф.Р., Якушев Д.А., Горбенко В.М. Проблемы гидродинамических способов бурения скважин и основные направления для их решения. Известия Томского политехнического университета. 2015. Т. 326. № 3. С. 6-12.

Ковалев А.В., Рябчиков С.Я., Веревкин А.В., Исаев Е.Д., Алиев Ф.Р. Определение оптимальной массы технологической порции шаров при шароструйном бурении. Горный информационно-ана-

литический бюллетень. 2015. № 6. С. 339-345.

Ковалев А.В., Рябчиков С.Я., Горбенко В.М., Исаев Е.Д., Алиев Ф.Р. Экспериментальные исследования влияния технологических параметров шароструйного бурения на диаметр скважины.

Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 6. С. 346-352.

Кожевников А.А., Давиденко А.Н. Гидромеханический и эрозионный способы разрушения горных пород при бурении скважин. М: ВИЭМС. 1987. 45 с.

Константинов Т.Е., Исаев Е.Д. Экспериментальные исследования шароструйно-эжекторных снарядов с целью разработки методики для их расчета. Труды1 XIX Межд. симпозиума «Проблемы1 геологии и освоения недр». Томск: Изд. ТПУ. 2015. С. 392-397.

Леджервуд Л.У Обзор работ по созданию усовершенствованных способов бурения нефтяных скважин. М: ГОСИНТИ. 1961. 258 с.

Попов А.Н., Спивак А.И., Акбулатов Т.О. и др. Технология бурения нефтяных и газовых скважин. М: Недра. 2003. 509 с.

Уваков А.Б. Шароструйное бурение. М: Недра. 1969. 207 с.

Штрассер В.В. Исследование процессов разрушения горных пород ударами шаров (к теории шароструйного бурения). Дис. канд. техн. наук. Алма-Ата. 1966. 217 с.

Eckel I.E., БеИу F.H., Ledgerwооd L.W. Development and testing of jet ритр pellet impact drill bits. Petroleum Transactions, Aime. Dallas. 1956. V. 207.

Kovalyov A.V Ryabchikov S.Ya., Isaev Ye.D., Aliev F.R., Gorbenko M.V., Strelnikova A.B. Designing the ejector pellet impact drill bit for hard and tough rock drilling. IOP Conferense Series: Earth and Environmental Science. 2015. V. 24. URL: http://iopscience.iop.org/ 1755-1315/24/1/012016

Сведения об авторах

Артем Владимирович Ковалев - старший преподаватель, Национальный исследовательский Томский политехнический университет