Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ исследований по определению влияния конструкции промывочных устройств трехшарошечных долот на очистку забоя скважины и постановка задачи исследования 7
1.1. Анализ конструкций промывочных устройств трехшарошечных долот 8
1.2. Гидродинамические процессы, протекающие на забое скважины
1.3. Анализ методик по исследованию систем промывки трехшарошечных долот 23
1.4. Постановка задач исследования 28
Глава 2. Методика и экспериментальные исследования центральных систем промывки трехшарошечных долот 33
2.1. Методика экспериментальных исследований долот с центральной системой,промывки 33
2.1.1. Экспериментальная установка 33
2.1.2. Объект исследования 35
2.1.3. Метод визуального наблюдения за движением потоков в призабойной зоне 41
2.1.4. Метод непосредственных измерений скоростных потоков 42
2.2. Результаты визуальных исследований распределения потоков промывочной жидкости 46
2.3. Результаты исследования распределения скоростей потоков на забое и в призабойной зоне 51
2.3.1. Распределение скоростей поперечных потоков по забою скважины 52
2.3.2. Распределение скоростей восходящих потоков вдоль стенки скважины 55
Глава 3. Определение оптимальных значений параметров конической насадки с продольными прорезями по образующей на основе расчетно-экспериментальных исследований 60
3.1. Аналитический расчет параметров
конической насадки с продольными прорезями по образующей 60
3.1.1. Движение жидкости в насадке с продольными прорезями по образующей 62
3.1.2. Интегральное движение жидкости на забое скважины от взаимодействия плоской и круглой струй 70
3.1.3. Результаты аналитического расчета параметров конической насадки с продольными прорезями по образующей 76
3.2. Оптимизация параметров и испытания на изнашивание конической насадки с продольными прорезями по образующей 80
3.2.1. Определение оптимального угла конусности 81
3.2.2. Определение оптимального угла при вершине прорези 84
3.2.3. Определение оптимального значения коэффициента формы прорези 85
3.2.4. Проверка правильности выбора основных параметров насадки 87
3.2.4.1. Стенд для испытания на изнашивание 89
3.2.4.2. Объект исследования и порядок проведения эксперимента 89
3.2.4.3. Результаты исследований 92
Глава 4. Разработка, испытание и внедрение долот с центральной конической насадкой с продольными прорезями по образующей 99
4.1. Разработка долот с новой системой промывки 99
4.2. Промышленные испытания и экономическая эффективность долот с новой ЦСП 102
Основные выводы и результаты исследований 107
Литература
- Гидродинамические процессы, протекающие на забое скважины
- Метод визуального наблюдения за движением потоков в призабойной зоне
- Результаты исследования распределения скоростей потоков на забое и в призабойной зоне
- Результаты аналитического расчета параметров конической насадки с продольными прорезями по образующей
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года намечается на конец пятилетки довести добычу нефти, (с газовым конденсатом) до 620-640 млн. тоня и газа до 600-640 млрд. кубометров [ ІІ.
Для выполнения этих задач в XI пятилетке необходимо пробурить свыше 162 млн. метров разведочных и эксплуатационных скважин.
В то же время перемещение основных объемов буровых работ в малообжитые районы страны, рост глубин скважин, усложнение горно-геологических условий приводят к значительному росту их стоимости. При этом на формирование стоимости бурения существенное влияние оказывает работоспособность долот.
Разбуривание всего комплекса горных пород, от мягких до очень крепких, производится в основном шарошечными долотами: 96-98% - в эксплуатационном бурении и 87-89% - в разведочном.
В результате целого ряда исследований установлено, что работоспособность долот во многом зависит от своевременного освобождения забоя от частиц разбуренной породы; задержка в удалении частиц приводит к многократному их перемалыванию и, как следствие, к преждевременному износу долот.
В настоящее время еще не полностью завершено изучение гидродинамических процессов, происходящих на забое скважины, в связи с чем не представляется возможным дать полное решение этой проблемы. Между тем предполагается, что за счет лучшего использования подводимой к долоту энергии промывочной жидкости путем совершенствования систем промывки долот можно повысить их работоспособность на 30-50%.
Широкое распространение в бурении получили трехшарошечные долота с центральной системой промывки, выпуск которых в общем объеме производства составляет 48,5% (приложение I). Поэтому разработка более совершенной системы промывки для этой категории долот имеет важное значение.
Настоящая работа посвящена исследованию и совершенствованию центральной системы промывочных устройств шарошечных долот. В работе выполнены экспериментальные и теоретические исследования, в результате которых определена эффективность различных центральных систем промывки трех шарошечных долот, оптимизирована конструкция насадки с продольными прорезями по образующей с целью обеспечения наилучших условий очистки забоя.
Работа выполнена на кафедрах "Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности" и "Технология конструкционных материалов" МИНХ и ГП имени И.М. Губкина.
Гидродинамические процессы, протекающие на забое скважины
Часть многократно перемолотого шлама вовлекается восходящими потоками промывочной жидкости в зазоры, образуемые спинками лап долота и стенкой скважины, при этом спинки лап подвергаются интенсивному гидроабразивному изнашиванию, резко снижающему работоспособность долота. . В этой кояструк В работе 66 отмечается, что с целью снижения экранирующего воздействия струи, долота оснащают специальными удлиненными цилиндрическими профилированными или конусными насадками (рис. 16). Насадка размещается в патрубке, свободный конец которого соединен резьбой или сваривается с втулкой, расположенной между лапами в ниппельной части долота. Патрубок с насадкой помещают между лапами долота с таким расчетом, чтобы насадка на ходилась от забоя на расстоянии 20-30 мм ции, благодаря приближению струи к забою, увеличивается динамическое воздействие ее на породу и кроме того появляется дополнительный канал связи между внутридолотнои зоной и затрубным пространством в области, образуемой кромками лап и наружной поверхностью насадки. Однако, как отмечается исследованиями ВНИИБТ 28 , вынос шлама по проемам недостаточен, поскольку значительную часть проема занимает тело патрубка насадки.
Известна также конструкция долота с боковой системой промывки, состоящая из трех боковых насадок и трех отверстий в ла - II пах долота, являющихся дополнительными связующими каналами внутридолотнои зоны с затрубным пространством (рис. їв). В этой системе промывки вынос шлама через отверстия осуществляется за счет эжекцяонного воздействия потоков жидкости, поднимающихся вдоль спинок лап. Однако величина скорости этих потоков недостаточна для качественной очистки внутридолотнои зоны. Кроме того, образующиеся вдоль спинок лап потоки, как уже отмечалось выше, интенсифицируется их износ и поэтому является нежелательными 20
В МИНХ и ГП им. И.М. Губкина создана конструкция долота (рис. Іг), в которой имеются три периферийные насадки и три патрубка. Периферийные насадки установлены в проемах между лапами, а партубки во внутридолотнои зоне. В лапах долота имеются три отверстия, в которые из патрубков направляются струи промывочной жидкости. Такая компоновка системы промывки значительно улучшает очистку внутридолотнои зоны от шлама за счет эжекционного эффекта, создаваемого струями жидкости, вытекающими из патрубков. Результаты опытно-промышленной эксплуатации долот с описанной системой промывки в объединениях "Туркменнефть", "Оренбург-нефть", "Белоруснефть" показали высокую их эффективность I39 .
В работе Седакова Р.Г. с целью устранения недостатков гидромониторных долот по очистке внутридолотнои зоны предлагается в дополнение к боковым гидромониторным насадкам выполнять в центре корпуса (по оси долота) отверстие для размещения патрубка в специальном переводнике,снабженного вихревым насосом, для отсоса бурового шлама из внутридолотнои зоны. Использование этой конструкции, как и конструкции МИНХ и ГП им. И.М. Губкина - 12 20J, обеспечивает рост показателей бурения на 30-50$. Однако предлагаемые меры по устранению недостатков боковой системы промывки существенно усложняют долото. 2 - асимметричная система промывки. В целях улучшения условий выноса шлама из внутридолотной зоны разработана система промывки с асимметричным расположением насадок, представляющая собой обычную боковую (периферийную) систему с одной или двумя заглушёнными насадками 29, 55 , что позволяет высвободить проемы для бесприпятствеяного удаления разбуренной породы. Однако, в этом случае, за счет эжекционного действия потока, движущегося через свободный проем, отмечается перетекание жидкости из соседних проемов, занятых струями из насадок, поперек спинок лап, что интенсифицирует их изнашивание Г20, 29 .
Более перспективной, с точки зрения очистки забоя, считается разработанная в МИНХ и ГП им. И.М. Губкина Матвеевым Г.И. и Жидовцевым Н.А. 66 , асимметричная система промывки долота с дифференциальным назначением насадок (рис. 2). Конструкция долота включает три боковых канала с насадками - один боковой, как у серийных долот, один эжекционный, направленный вверх в наддолотную зону я один тангенциальный, расположенный в цапфе лапы. Эта конструкция обеспечивает упорядочение потоков промывочной жидкости как на забое скважины, так и во внутридолотной и затрубной зонах. Истекающая из тангенциальной насадки струя промывочной жидкости обеспечивает перемещение выбуренной породы от центра забоя к его периферии. Из боковой насадки струя направляется в смежные проемы между шарошками долота, откуда восходящим потоком, усиленным эжекционной насадкой, увлекается в затрубное пространство.
Метод визуального наблюдения за движением потоков в призабойной зоне
Для удобства проведения экспериментальных исследований вводим коэффициент формы прорези, равный отношению ширины прорези к ее длине: К - iL
В работах А.К. Козодоя [52], Е.П. Варламова [22], Н.З. Френкеля [94], А.Г. ЭДцельчика [45] установлено, что внутренний угол конусности оказывает существенной влияние на формирование струя с определенными параметрами: углом ее расширения и длиной ядра постоянных скоростей. Конические насадки имеют несколько рациональных углов раскрытия - 14/ 37 60, обеспечивающих максимальную длину ядра постоянных скоростей. Предварительные исследования, проведенные нами, показали, что и в насадках с продольными прорезями наибольшая длина ядра постоянных скоростей приходится на внутренние углы конусности 14, 37 60, хотя значения ее становятся несколько ниже.
Поэтому для дальнейшие "-исследований были приняты именно эти углы.
Направляющий угол при вершине прорези исследовался в интервале значений от 0 до 45, так как в результате предварительных исследований установлено, что при дальнейшем его увеличении плоская струя попадает в стенку забоя и, отражаясь, образует обратный поток, снижающий энергию поперечного потока, направленного от центра к периферии.
В работе [54] указывается, что энергия струи жидкости существенно зависит от формы ее сечения. В ходе предварительных исследований нами было установлено, что в конической насадке и при отношении ширины прорези к ее длине -S 0,6 происходит интенсивное рассеивание струи и, следовательно, ее энергия значи \ - 41 тельно снижается. Поэтому исследования проводили в интервале К от 0,1 до 0,6.
Для проведения исследований насадки устанавливали в специальном приспособлении (рис. 7). Использование этого приспособления позволило провести сравнительную оценку влияния основных конструктивных параметров исследуемых насадок на скорости поперечных потоков на забое скважины, с целью получения их оптимальных значений.
Исследования на установке выполняли двумя методами: - методом визуального наблюдения за движением потоков в призабойной зоне; - методом непосредственных измерений скоростей потоков на забое и в призабойной зоне.
Метод визуального наблюдения за движением потоков в призабойной зоне
До начала непосредственных измерений с целью выявления основных направлений потоков промывочной жидкости, как основных путей транспортирования, шлама проводили визуальные наблюдения за всеми исследуемыми системами промывки. При этом в промывочную жидкость в процессе прокачки для лучшего прослеживания образования потоков на искусственном забое и в призабойной зоне вводили воздух через патрубок, установленный на всасывающей линии.
Долото или приспособление устанавливали в искусственном забое. За исходное положение наблюдений - 0 - принимали оси - 42 спинки лапы долота или середины прорезей насадок, совмещенные с радиусом забоя (рис. 10). Исследование основных направлений движения потоков и их зарисовку проводили по всему периметру долота. Отсчет угла поворота проводили с помощью указателя, закрепленного на шпинделе бурового станка.
Для наблюдения за образованием потоков, истекающих из конических насадок с продольными прорезями, приспособление с насадкой с помощью шпинделя станка устанавливали на расстоянии 105 мм от плоскости забоя, что характерно для насадок долот диаметром 215,9 мл.
Для определения границ распространения струй при исследовании конических насадок с продольными прорезями по образующей вдоль кромки прорезей закрепляли капроновые нити.
Результаты исследования распределения скоростей потоков на забое и в призабойной зоне
Характерной особенностью рассматриваемых схем центральной промывки, образуемых круглым отверстяем в корпусе, цяляндрячес-кой насадкой, насадкой УфНИИ и насадкой с продольншли прорезями я нижним отверстием, является направление потоков от ценрра забоя к периферии, что согласуется с исследованиями P.M. Мавлюто-ва и П.Н. Матюшина [70,7l].
Для всех этих систем промывки прясуще сняженяе скоростей потоков от центра к периферии, что объясняется падением энергия потоков жядкостя по мере ях удаления от насадки, однако темп падения энергии различен. Исключение составляет лишь схема, образуемая насадкой с прорезями и заглушённым нижним отверстяем, где в результате взаимодействия плоской струи с забоем происходят ее рассекание я в сторону периферии я к центру.
Части потоков от трех плоских струй, движущиеся к центру, взаимогасятся, о чем свидетельствуют низкие значения скоростей в центре забоя (рис, 13а, кривая 4). Здесь образуется застойная зона ( 0,I5R).
У щсддки с прорезями и нижним отверстием скорость в центральной зоне (0,15Е) несколько ниже, чем в цилиндрической насадке и насадке УфНИИ, что объясняется меньшей длиной ядра пос-тояннных скоростей.
По мере удаления от центра градиент падения скорости поперечных потоков в насадках УфНИИ, цилиндрической и в схеме с круглым отверстием в корпусе по сравнению со схемами, образованными насадками с прорезями, возрастает. Наибольшие значения скоростей поперечных потоков в периферийной наиболее шламозагру-женной зоне забоя наблюдаются при использовании насадок с прорезями (рис. 13а, кривая I), так как в этом случае основная масса жидкости направляется через проемы между лапами.
Под шарошками характер распределения скоростей сохраняется (рис. 136), но значения скоростей несколько ниже, чем в проемах, что объясняется сопротивлением, оказываемом шарошками.
Интересно, что в схемах, образованных отверстием в корпусе, насадками УфНИИ и цилиндрической, а также насадками с прорезями без нижнего отверстия, отмечается лишь количественное изменение скоростей. В схеме же с прорезями и нижним отверстием происходит изменение характера падения скорости (рис. 136, кривая I), что объясняется перераспределением жидкости в насадке. В данном случае жидкость попадает под шарошки вследствие растекания плоских струй, которые взаимодействуя, теряют энергию. Кроме того, в насадке с прорезягли и нижним отверстием под шарошки еще попадает часть жидкости из нижнего отверсти. В насадке же без нижнего отверстия (рис. 136, кривая 4) этого не наблюдается.
Таким образом, наилучшей в плане формирования поперечных потоков является схема, образуемая насадкой с прорезями и нижним отверстием, поскольку здесь отмечается: 1 - преимущественное движение жидкости в проемах с наибольшими значениями скоростей в периферийной зоне забоя; 2 - отсутствие застойной зоны в центре забоя, в отличие от схемы с прорезями без нижнего отверстия.
Распределение скоростей восходящих потоков вдоль стенки скважины
Как в случае движения жидкости по забою, для насадок с прорезями тоже характерны наибольшие значения сноростей в проемах между лапами.(рис. 14а, кривые I, 4).
В схемах с использованием насадок УфНЙИ и цилиндрической, в области (0,5-0,6) -}— наблюдается резкое снижение скоростей, ч П
что можно объяснить эжектированием потока во внутридолотную зону, поскольку высокоскоростная струя, вытекающая из насадки вертикально вниз, увлекает за собой прилегающие слои жидкости, создавая в зоне среза насадки пониженное давление.
Следует отметить, что значения скоростей в проемах в схеме насадки с прорезями без нижнего отверстия ниже, чем в таковой с нижним отверстием, вследствие потери части энергии жидкости в первом случае в застойной зоне в центре забоя.
Характер изменения скоростей вдоль спинки лапы (жс. 146) од 0,2 \/вп_ o.i »2 Уж а У и б УU Рис.14, Распределение относительных:скоростей восходящих потоков а) по проему между шарошками; б) вдоль спинки лапы: 1 - насадка с прорезями; 2 - насадка УфНЙИ; 3 - цилиндрическая насадка; 4 - насадка с прорезями без нижнего отверстия; 5 - круглое отверстие в корпусе долота. - 57 для всех рассмотренных схем идентичны и отличается повышением скорости на уровне 0,3 - — , что происходит вследствие сужения н проходного сечения между торцами шарошки и стенкой скважины.
Наиболее ВЫСОКИЕ значения скоростей за спинкой лапы отмечаются в схеме с использованием насадок УфНИЙ и цилиндрической, поскольку в данном случае при растекании по забою струи, восходящей из насадки, под шарошками образуются более скоростные потоки.
Минимальные значения скоростей за спинкой лапы наблюдаются в схемах, образуемых насадками с прорезями. В данном случае, как отмечалось выше, происходит перераспределение жидкости в самой насадке и основная ее часть поднимается по проемам между лапами.
Таким образом, оптимальной в плане формирования восходящих потоков является схема, образуемая насадкой с прорезями и нижним отверстием.
Выполненные исследования по изучению распределения скоростей поперечных по забою и восходящих вдоль стенки скважины потоков позволяют сделать вывод о том, что из рассмотренных центральных систем промывки наилучшей является схема с центральной насадкой с продольными прорезями по образующей я нижним отверстием, поскольку в этой схеме энергия потока промывочной жидкости распределяется по забою скважины и в призабойной зоне более рационально.
Результаты аналитического расчета параметров конической насадки с продольными прорезями по образующей
Задачу о круглой струе можно свести к задаче о соударении двух струй І73І, если несколько изменять условие, введя линию тока у - 0, как твердый барьер. По теореме Шварца, методом конформных отображений, можно определить толщину слоя жидкости: Зная толщину слоя и учитывая уравнение неразрывности, можно определить скорость потока растекающейся по забою круглой струи VKP , Слияние плоской и круглой струй происходит в секторе, образованном пересечением расширяющейся плоской струи и плоскости забоя. При определении скорости плоской струи 1/77/7 в непосредственной близости от забоя учитывается условие: Us= 0,541 Vnp Тогда значение скорости поперечного потока в определенной точке можно найти из векторной суши скоростей плоской и круглой струй в данной точке забоя: Vnn = \/кр + Vnn (30) Для проведения расчетов по приведенной выше методика были разработаны алгоритм и Фортран-программа для ЭВМ ЕСІ0І0 (см. - 77 приложение 3). Алгоритм реализует расчет гидравлического режима работы насадки с продольными прорезями по образующей на основе решения системы дифференциальных уравнений вида (14), (28) и (29) с по-мощью метода Рунге-Кутта. В качестве начальных условий выбраны: V(0)--Vo, p(0)(1+v)qf
Блок-схема программы приведены в приложении. Расчет проводили для значений параметров насадки приведенных во второй главе. Перепад давлений принят равным 0,25 Ша (соответствует условиям эксперимента) и 3,0 и 4,0 Ша (соответствует реальному значению в промысловых условиях).
В результате решения системы уравнений (14), установлено, что величина скорости вдоль плоской прорези сохраняет постоянное значение. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о возможности применения задачи о плоской затопленной струе для данного расчета.
Расчет выполнен для всех возможных сочетаний приведенных выше параметров насадки. Выбор наилучших значений параметров проведен по максимальной скорости поперечного потока на периферии забоя. Графики, выполненные по результатам расчета строили в относительных величинах (рис. 18, 19, 20).
Анализ зависимостей (рис.18) указывает на максимальные значения скоростей поперечных потоков в периферийной части для насадок с углом конусности равным 37.
Зависимость изменения скорости поперечного потока для различных точек забоя указывает на максимальную скорость поперечно го потока в области направляющих углов при вершине прорези больше 20 (рис. 19).
Оптимальный диапазон значений коэффициента формы прорези определяется максимальными скоростями поперечного потока при и /Q равным 0,2-0,3 (рис. 20).
Следует отметить, что с увеличениями перепада давления абсолютные скорости течения возрастают, но отношение Vnn /vU в основном сохраняется постоянным по всему забою.
Как уже отмечалось, описание гидродинамических процессов на забое и в призабойной зоне представляет большие трудности. В этой связи математическая модель движения плоской и круглой струй описывает его неадекватно. Принятые при расчете допущения о безотрывном обтекания направляющего угла при вершине прорези и невлияния глубины прорези на хараатер истечения существенно упрощает действительный процесс, позволяя лишь оценить влияние основных конструктивных параметров насадки на относительные скорости потока, поэтому окончательный выбор оптимальных значений параметров насадок необходимо проводить экспериментальным путем.
На формирование потоков промывочной жидкости в конической насадке с продольными прорезями по образующей, как отмечалось выше, влияют: - угол конусности -СХ ; - направляющий угол при вершине прорези- Г - ; - коэффициент формы прорези насадки К .
В результате аналитического исследования были определены следующие значения параметров: (Л = 37, У 20, К = 0,2-0,3.
Однако, учитывая, что из-за сложности математического описания действующих на забое и в призабойной зоне гидродинамических процессов, в расчетах были сделаны некоторые упрощения, представляется необходимым экспериментально исследовать влияние основных параметров насадок, согласно методике, описанной во второй главе, на вкорости поперечных потоков на забое скважины.
Как уже отмечалось, в качестве оценочного критерия принимали скорость поперечного потока Vnn в периферийной части забоя.
Результаты эксперимента представлены для двух наиболее характерных направлений: против прорези и посредине между прорезями. На графиках представлено изменение скоростей поперечных потоков в зависимости от рассматриваемого параметра, например С\ , при оптимальных значениях двух остальных ( tf , К ). Удаление нижнего среза насадки от плоскости забоя во всех случаях было постоянным.
