Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Потребность Республики Казахстан в разработке и освоении новых нефтяных месторождений, в том числе морских, ставит перед нефтяниками-машиностроителями задачу совершенствования бурового оборудования,создания новых образцов буровых машин,агрегатов и породоразрушащего инструмента. Техника и технология бурения глубоких скважин за последние десятилетия не претерпела коренных изменений. Научно-технический прогресс в области бурения сказался только в увеличении глубины скважин и сокращении срока их строительства. Однако технологическая схема бурения, оборудование и инструмент остались принципиально теми же, что и 20...30 лет назад. В последние годы идет интенсивный поиск новых способов разрушения горных пород, которые бы позволили значительно повысить к. п.д. и механическую скорость бурения. Сейчас известно множество новых способов бурения глубоких скважин, основанных на последних достижениях науки и техники в области разрушения горных пород.
Одним из перспективных направлений исследований является способ разрушения горных пород, использующий гидравлическую мощность потока промывочной жидкости с добавлением абразива (песка, дроби, шаров и т.п.), получивший в отечественной технической литературе название гидроэрозионного метода бурения.
Целый ряд авторов, проводивших сравнительный анализ различных способов бурения скважин, считает гидроэрозионный метод наиболее перспективным, позволяющим реализовать на забое гораздо большие мощности в сравнении с другими способами бурения.
Анализ результатов исследований показал, что эрозионный метод бурения пока единственно технически осуществимый способ, который может повысить в кратное число раз механическую скорость бурения и величину проходки на долото. Осуществление призабойной циркуляции стальной дроби (шаров), используемой в качестве абразива, позволит решить технические и технологические трудности освоения этого метода.
Выбор той или иной схемы компоновки снаряда прежде всего должен базироваться на результатах исследований гидродинами-
ческих процессов, происходящих в призабойной зоне скважины. Из-за отсутствия единой теории процесса призабойной гидравлики и несовершенства существующих экспериментальных стендов до настоящего времени практически не изучена картина распределения скоростных потоков жидкости и шаров в снаряде и призабойной зоне скважины, хотя их влияние на правильный подбор конструктивных параметров снаряда очевидно.
В связи с этим исследование процессов разрушения горных пород и разработка конструкций устройств, обеспечивающих при-забойную циркуляцию абразива (шаров) и обладающих надежностью в работе, являются еэжной и актуальной задачей, имеющей большое теоретическое и практическое значение.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является повышение эффективности шароструиного бурения путем определения рациональных параметров процессов разрушения и разработка новой конструкции снаряда.
ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании законов гидродинамики для определения рациональных параметров процесса разрушения пород в системе жидкость-металлические шары при шарост-руйном бурении скважин.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ. Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:
исследование гидродинамических процессов, протекающих на забое скважины, в рабочих органах струйного аппарата шароструиного снаряда при различных схемах его компановки, и оценка перспективности каждой из схем;
определение рациональных параметров рабочих органов: соотношения диаметра снаряда и скважины, кольцевых проходных сечений первичного и вторичного сопел (S1/S2), ширины (кольцевого) вторичного сопла и диаметра шаров, длины вторичного сопла и частоты ударов, зазора между снарядом и забоем (длины опоры) и распределением ударов по поверхности забоя;
определение числа, диаметра и материала шаров,обеспечивающих эффективность шароструиного бурения, и разработка опытной конструкции шароструиного снаряда и устройства для извлечения шаров из скважины;
проведение промышленных испытаний опытной конструкции шароструиного снаряда и устройства для извлечения шаров, а также технике-экономическая оценка эффективности результатов исследований.
1.Эффективность применения шароструйного снаряда с кольцевой формой первичного и вторичного сопел, обеспечивается равномерностью распределения ударов шаров по забою.
2.Обоснована объемно-динамическая модель процесса движения шаров в призабойной зоне, обеспечивающая выбор рациональных параметров процесса разрушения породы и рабочего органа снаряда в любых условиях бурения.
3.Предложен метод инженерного расчета гидродинамических параметров рабочего процесса, позволяющий расчитывать конструкции снарядов для различных диаметров скважин.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИИ заключается в:
установлении закономерностей изменения частоты ударов шаров от их количества, "критической" скорости вымывания шаров, скорости их вылета из бурового снаряда и других влияющих факторов;
разработке объемно-динамической модели процесса движения шаров в призабойной зоне, позволяющей устанавливать рациональные параметры разрушения горных пород;
разработке метода расчета гидродинамических параметров рабочего процесса шароструйного бурения, позволяющего создавать и расчитывать конструкции буровых снарядов для различных диаметров скважин;
обосновании и разработке новой конструкции шламометаллоуло-вителя, обеспечивающего эффективную очистку скважины от металлических шаров и других посторонних предметов.
ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛШЕНИЙ подтверждается сходимостью аналитических расчетов с данными лабораторных и производственных экспериментов (относительная погрешность до 20 %).
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Показано, что при работе шарост-руйных снарядов с кольцевой формой первичного и вторичного сопел обеспечивается 5-6 кратное повышение частоты ударов шаров по забою. Разработана новая конструкция снаряда и установлен рациональный режим его работы.
Разработан принципиально ' новый шламометаллоуловитель, позволяющий очищать скважины от металлических шаров и других посторонних предметов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе использован комплексный метод исследования, включающий анализ и научное обобщение лите-
ратурных и фондовых материалов, аналитические исследования,моделирование, лабораторные эксперименты с проверкой их результатов в производственных условиях, методы математической статистики для обработки экспериментальных данных.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. На основании результатов работы разработана опытная конструкция снаряда ШСМ-216 и проведены промышленные испытания в Мангьшлакском УБР.
В результате испытаний установлено превышение показателей посравнению с серийными долотами по механической скорости на 20 Z и по проходке на долото 43 % при бурении мергелей,известняков и песчаников, т.е. пород средней крепости. Это говорит о работоспособности разработанной конструкции снаряда ШСМ-216.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы были доложены на: Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов предприятий нефтяной и газовой промышленности (г.Шевченко,1987 г.);второй Всесоюзной научно-технической конференции "Вскрытие нефтегазовых пластов и освоние скважин" (г.Ивано-Франковск,1988 г.); секции Республиканского НПО, 1989г.-, научно- техническом совещании в г.Шевченко (1991 г.);совместном семинаре кафедр "Разрушение горных пород и шахтное строительство", "Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов", "Бурение нефтяных и газовых скважин" и "Транспортные и горные машины" (Каз.НТУ,1995 г.); Научном семинаре организованном фирмой "Эльф Нефтегаз" Франция (Алматы, 09.1995г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано семь научных работ и получен патент на изобретение Госкомизобретений СССР.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов изложенных на 140 стр. машинописного текста,Еключает 48 рисунков, 4 таблицы, 103 наименования использованных источников на 7 стр. и приложения на 9 стр..