Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние технологиеских 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
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 кавитациоиных колебаний жидкости 62
4.1. Гидравлическая программа процесса промывки при вращательном бурении неглубоких скважин долотами, оснащёнными генераторами кавитациоиных колебаний жидкости 62
4.2. Стратегия управления ростом скорости кави і анионной струи жидкости 76
4.3. Выводы и рекомендации 84
Заключение 86
Список литературы 88
- Анализ технологических разработок в области бурения скважин с использованием гидромеханического эрозионного разрушения горных пород струями жидкости с наполнителями
- Экспериментальные исследования интенсивности кавитационного разрушения
- Энергетический критерий оценки эффективности разрушения горных пород при бурении скважин с использованием мощности струи жидкости
- Стратегия управления ростом скорости кави і анионной струи жидкости
Введение к работе
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 кавнтационными 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.
Анализ технологических разработок в области бурения скважин с использованием гидромеханического эрозионного разрушения горных пород струями жидкости с наполнителями
Разрушающее воздействие напорной гидромониторной струи возрастет, если в жидкости содержится некоторое количество абразивного материала.
Теория эрозионного разрушения различных материалов, в том числе и горных пород, до настоящего времени разработана недостаточно. По существующим представлениям при эрозионном разрушении материалов основными являются два вида износа -многократная деформация породы при соударении частиц абразивного материала с разрушаемой поверхностью и режущий износ от воздействия частиц, перемещающихся по направлениям, касательным к поверхности материала. Для пластичных пород основным является режущий износ, а для хрупких -деформационный.
Для пластичных пород наибольший износ имеет место при небольших углахсоударения абразивных частиц с поверхностью материала. Хрупкие материалы наиболее интенсивно разрушаются, когда угол соударения близок к 90.
Эффективность воздействия на горную породу струи жидкости с абразивным наполнителем зависит от качества и концентрации абразива, диаметра насадки, расстояние от насадки до забоя, скорости истечения струи, противодавления, скорости перемещения струи относительно породы и других факторов.
В результате исследований [26] установлено, что гидростатическое давление после превышения определенного, весьма небольшого значения, на эффективность эрозионногоgl разрушения горных пород не влияет, а одним из важнейших факторов, определяющихэффективность эрозионного разрушения, является количество и качество абразивного наполнителя в жидкости (табл. 1.1).
Все описанные в патентной литературе конструкции долот для эрозионного буренияможно подразделить на четыре группы: ступенчатые, пирамидальные, плоские и долотадля бурения без подъема труб. Рекомендуемое количество насадок в эрозионном долоте в0 зависимости от его диаметра колеблется от 10 до 20.
При проведении промышленных испытаний эрозионного способа бурения скважин в США [26] с использованием в качестве абразивного материала песка и стальной дроби было отмечено увеличение механической скорости бурения в 1.5-5 раз, а проходки на долото до трех раз по сравнению с обычным роторным способом. Важнейшим вопросом эрозионного бурения является долговечность насадок долота и оборудования циркуляционной системы. Наличие абразивных частиц в жидкости приводит к интенсивному износу инструмента. Решение вопроса повышения долговечности взначительной степени предопределяет перспективность самого метода бурения. Однако,создание сверхпрочных к эрозии материалов чрезвычайно сложный и требующийбольших затрат процесс. Поэтому в бурении для разрушения забоя почти всегдаприменяются струи жидкости без абразивных частиц.
Повысить эффективность эрозионного способа разрушения горных пород можно за счет использования ферромагнитных абразивных частиц, движущихся под действием сил электромагнитного поля.
При растворении в воде некоторых высокомолекулярных соединений образуются ассоциаты - крупные надмолекулярные образования, состоящие из макромолекул полимера и большого количества молекул растворителя.
В ИГД имени А.А. Скочинского проводились сравнительные эксперименты исследования разрушения образцов пород и динамики струи воды с добавками в качестве наполнителя ПАА (полиакриламида). Глубина резания образцов струями воды с полимерными добавками увеличилась для мрамора в 1.7 и для песчаника в 1.8 раза при относительной скорости струи 15 м/с. Повышение разрушающей способности струи объясняется увеличением вязкости применяемой жидкости [26].
В Днепропетровском горном институте им. Артема проводились исследования эффективности процесса разрушения горных пород напорными струями промывочной жидкости с наполнителями в виде поверхностно-активного вещества ПАВ (сульфонола) и полимера ПАА (полиакриламида). Опыты показали, что свойства промывочной жидкости значительно влияют на процесс разрушения. Так, эффективность разрушения породы струей водного раствора ПАА в 1.5 - 2.0 раза выше, чем технической водой или водным раствором сульфонола (рис. 1.10), что объясняется суммарным эффектом за счет активности промывочной жидкости и наличия в ней ассоциатов.
При разрушении горных пород III - V категорий крепости по шкале М.М. Протодьяконова струей раствора ПАА глубина прорезаемых щелей увеличивается ли 25%, а энергоемкость гидравлического разрушения снижается на 19 - 23%. Дальнейшее повышение разрушающей способности высокоскоростных струй воды может быть достигнуто за счет использования растворов высокомолекулярных соединений, в которые эмульгирован газ.
В ИГД им. Скочинского были проведены исследования [26] разрушения пород струями воды с наполнителями в виде ПАА и сжатого газообразного азота. Опыты показали, что способ гидравлического разрушения; пород в результате эмульгирования газа в раствор ПАА более эффективен по сравнению с использованием полимерного раствора ПАА без эмульгирования газа. 12 6 Одним из возможных объяснений эрозионного воздействия гидромониторной струи (см. п.п. 1.1 - гидромониторная эрозия) жидкости на забой скважины является кавитационное воздействие [27] вследствие высокой скорости потока, параллельного поверхности забоя: когда давление в жидкости падает ниже давления насыщенного пара при данной температуре, образуются пузырьки, заполненные воздухом и парами жидкости (подробнее - см. глава 2). При повышении давления частицы жидкости устремляются к центру пузырька с очень высокой скоростью, и пузырек схлопывается. Этот процесс называется кавитацией, при этом на поверхности породы создаются очень высокие местные напряжения, приводящие к быстрому разрушению этой поверхности, известному под названием кавитационной эрозии.
Ряд исследователей утверждают, что влияние кавитации наблюдается при давлении окружающей среды 21 МПа и не очень высоких скоростях истечения (менее 200 м/с) из специальных гидродинамических генераторов кавитационных колебаний жидкости .выполненных в виде кавитационных насадков (кавитаторов) долота. Так, при использовании кавитационных насадок с отверстием диаметром 6.35 мм удельная энергия, необходимая для разрушения породы, оказалась ниже на 70% при разбуривании песчаника и на 20% при разбуривании известняка, чем при бурении в тех же породах с использованием обычных гидромониторных насадок того же диаметра [27].
Некоторыми фирмами США [26] проведены экспериментальные работы с целью определения перспектив применения кавитационных насадок диаметром 6.4 мм для увеличения производительности бурения алмазными и шарошечными долотами. При перепаде давления в кавитаторе, равном 21 МПа через него проходило в минуту 272 л воды, а через гидромониторный насадок - 400 л. Увеличение противодавления жидкости оказывает сильное влияние на возможность реализации явления кавитации и на величину оптимального расстояния от кавитатора до забоя. При атмосферном давлении это расстояние равно 14 диаметрам отверстия кавитационной насадки, а при давлении 21 МПа - 2 диаметрам.
Известны не только зарубежные, но отечественные (СССР, РФ) конструкции породоразрушающих инструментов (долот, буровых коронок) с использованием кавитационного способа разрушения горной породы.
Экспериментальные исследования интенсивности кавитационного разрушения
Интенсивность кавитационного разрушения .(СК0Р0СТЬ кавитационной эрозии поверхности) представляет собой отношение величины, характеризующей количество изношенного на единице поверхности материала (кг/м3, м3/м2, количество впадин/м2 и т.д.) ко времени, в течение которого осуществляется кавитационное разрушение.
Интенсивность кавитационного разрушения зависит от свойств жидкости (плотность, давление, температура, вязкость, скорость, наличие примесей), от характеристик самого гидродинамического генератора кавитационных колебаний жидкости (геометрических размеров кавитатора), от механических свойств разрушаемого материала и от расстояния между кавитатором и разрушаемым образцом.
При бурении скважин долотами, оснащенными кавитаторами, расстояние между последними и забоем скважины определяется, в основном, геометрическими характеристиками самого долота. В общем случае, чем ближе кавитатор к забою скважины, тем интенсивность разрушения горной породы кавитационной струей выше. Однако геометрия долота и свободного пространства между долотом, забоем и стенками скважины не позволяет приблизить кавитатор к забою на малое расстояние. Кроме того, вблизи забоя возможен повышенный износ самого кавитатора абразивными частицами шлама, и даже его поломка.
Следовательно, для горной породы, данной промывочной жидкости и конструкции системы "долото - кавитатор" основной переменной управляемой величиной, определяющей интенсивность кавитационной эрозии, является скорость жидкости, протекающей через кавитатор.
Рассмотрим результаты экспериментов, приведенные в работе [25] по оценке зависимости интенсивности кавитационного разрушения цилиндрического образца отожженного алюминия от скорости струи жидкости (табл. 2.1, рис. 2.1).
У 1. Состав и состояние промывочной жидкости позволяют искусственно создавать явление кавитации в скважине.2. Кавитационная эрозия может способствовать очистка поверхности долота от шлама в процессе бурения и совместно с долотом участвовать в разрушении горных пород забоя скважины.3. Основными теориями кавитационного разрушения горных пород являются теория разрушения ударными волнами и теория разрушения кумулятивными струями жидкости.4. Для данной горной породы, данной промывочной жидкости и конструкции системы "долото - генератор кавитационных колебаний" основной переменной управляемой величиной, определяющей интенсивность кавитационнои эрозии, является скорость жидкости, протекающей через кавитатор.5. Чем выше скорость жидкости внутри кавитатора долота, тем выше интенсивность кавитационного разрушения горной породы на забое скважины.6. Величина интенсивности кавитационного разрушения горной породы при данной скорости струи жидкости, и степень изменения интенсивности определяется прочностными характеристиками горной породы. При бурении долотами с использованием гидромониторного эффекта в забойной зоне ствола скважины происходят сложные гидродинамические процессы. Промывочная жидкость, выходящая с большой скоростью из сопел долота, при движении увлекает за собой часть жидкости, окружающей струю, с силой ударяется о забой и отражается от него, смывая с поверхности забоя и шарошек частицы выбуренной породы и создавая интенсивное вращательное вихреобразное движение в пространстве между долотом и стенками скважины, которое еще более усложняется вращением шарошек и корпуса долота (рис. 3.1).
Характер происходящих на забое гидродинамических процессов зависит от ряда факторов. Основными из них являются конструктивные параметры долота (конструкция долота, количество и расположение насадок, соотношение между площадями поперечных сечений долота и ствола скважины), параметры режима бурения (расход промывочной жидкости, скорость вращения долота) и свойства жидкости (плотность, вязкость, состав).
Направленным изменением указанных факторов можно изменять характер забойных гидродинамических процессов с целью улучшения очистки забоя от шлама, участия струи в непосредственном разрушении породы забоя и, в конечном итоге, повышения эффективности бурения.
В стандартных долотах традиционно используются три схемы промывки: центральная (осевая), периферийная (боковая) и комбинированная [27].1. При центральной промывке буровой раствор поступает в призабойную зону через внутренний свод долота (рис. 3.2). Сначала поток жидкости попадает на шарошки долота и очищает их от налипшего шлама, а затем достигает забоя, подхватывает шлам и через зазоры между лапами долота и стенками скважины поступает в затрубное пространство. Часто вместо одною центрального создаются три круговых промывочных отверстия. Скорость струй жидкости, как правило, 20 - 40 м/с.Рис. 3.2. Трехшарошсчное долото с центральной (осевой) промывкой 2. При периферийной схеме промывки жидкость попадает в призабойную зону через отверстия между шарошками (лопастями) долота (рис. 3.3), причем струи направляются непосредственно на забой скважины. Здесь струи растекаются параллельно плоскости забоя, очищают поверхность забоя и зубья шарошек (лопасти), после чего жидкость через зазор между долотом и стенками скважины поступает в затрубное пространство. При боковой гидромониторной промывке применяют сменные насадки (рис. 3.4). Скорость струй жидкости обычно 60 - 120 м/с.3. В долотах большого диаметра применяется комбинированная схема промывки через периферийные и центральное отверстия (рис. 3.5). Этим обеспечивается и более качественная промывка забоя скважины, и очистка долота.
Рассмотрим боковую гидромониторную промывку. Гидромониторная струя жидкости, выходящая из сопла долота является турбулентной, затопленной и стесненной (ограниченной). Расчет такой струи производится на основе теории свободных затопленных струй [49].
Свободной называется струя, не ограниченная твердыми стенками [51]. Затопленной называется струя, окруженная жидкостью. Струя, попадая в массу жидкости, постепенно расширяется, т.к. ее скорость на границе с окружающей жидкостью из-за сил трения падает (рис. 3.6). На границе образуются вихри, и формируется пограничный турбулентный слой. Давление по длине струи сохраняется постоянным и равным давлению окружающей жидкости. При выходе из насадки и на некотором расстоянии от него в центральной части струи существует ядро с постоянными скоростями. С увеличением диаметра струи толщина ядра уменьшается. Затем ядро исчезает. Сечение. где это происходит, называют переходным, оно разделяет начальный и основной участки струи. Па основном участке осевая скорость струи уменьшается.где pt - угол расширения границ струи;а - коэффициент, характеризующий влияние турбулентности, а = 0,066 - 0,08. Струя жидкости, вытекающая из насадки и встречающая на своем пути твердую преграду, воздействует на нее с силой, называемой силой давления струи. Силу давления струи можно рассчитать с помощью уравнения изменения импульса (количества движения) жидкости [1] (рис. 3.7).
Энергетический критерий оценки эффективности разрушения горных пород при бурении скважин с использованием мощности струи жидкости
При бурении скважин с использованием энергии струй жидкости на забой скважины поступает через колонну бурильных труб мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений при работе долота (разрушение горной породы, трение о боковые стенки и в опорах шарошек, осевые перемещения долота), а от бурового насоса - гидравлическая мощность, расходуемая на разрушение горной породы, очистку долота и забоя скважины от шлама и охлаждение. В результате поступления этих потоков мощности происходит разрушение забоя скважины.
Примем, что вся поступающая на забой гидравлическая мощность и половина мощности на долоте расходуется исключительно на процесс разрушения.где Мн - мощность, расходуемая на образование шлама;iVrf - половина мощности, расходуемой на работу долота;N,. - гидравлическая мощность струй жидкости на выходе из долота.где Мш - массовый расход шлама;/,,- удельная работа разрушения горной породы на забое скважины.где ЛЛ - перепад давлений в долоте; Q{)- объемный расход жидкости; Выражение (3.13) представляет собой удельную работу разрушения горной породы [Дж/кг] на забое скважины и может служить энергетическим критерием оценки эффективности разрушения при совместном и раздельном механическом и гидравлическом способах подвода мощности к забою скважины.
Формула (3.13) справедлива как для гидромониторных, так и для кавитационных струй жидкости. Ниже, в главе IV, будет показано, что для поддержания явления кавитации по мере углубления скважины закон изменения скорости струи жидкости должен иметь вид:Pt. - абсолютное давление внутри кавитатора. при уменьшении которого в струемогут появиться кавитациоиные пучырьки. (3.16)Примем в соответствии с [13]: #,,=5.10- . .Ца4.С, где к - коэффициент крепости горной породы. к= 1.85 - 2,6; п ч - частота вращения долота, об/мин;Dc -диаметрдолота, мм;С1Н. - осевая нагручка на долото, кП. Рассмотрим численное решение выражения (3.15). Пусть к = 2; /;,.,, = 200 об/мин; De = 151 = 0.151 м; Cw. = ЗО кІІ; р = 1000 кг/м3; Р„= 1(9 Па; g = 9.81 Н/кг; рш = 3000 кг/м3; Ум = 10 л//« = 2. 78 КГ3; п = 1. В соответствии с примером, рассмотренным шіже. в главе IV. примем Рс = 0.2 НУ Па. цо - 0.82, для поддержания кавитации но мере углубления скважины необходимо уменьшать диаметр кавитатора (табл. 3.1).
Таблица 3.1 Изменение внутреннего диаметра кавитатора с ростом глубины скважиныРечультаты расчетов приведены в таблицах 3.2 и 3.3 и покачаны на рисунке 3.10.
Таблица 3.2 Изменение удельной работы разрушения горной породы с ростом глубины скважины при использовании механической энергии долота и энергии кавитационных
Анализ полученных результатов показывает, что величина удельной работы разрушения горных пород может служить энергетическим критерием опенки эффективности разрушения. При бурении скважин долотами, оснащенными генераторами кавитационных колебаний жидкости и при разрушении забоя только кавитациоиными струями, величина удельной работы разрушения (при прочих постоянных величинах) растет с увеличением глубины скважины.
С целью оценки эффективности разрушения горных пород при использовании кавитационных струй жидкости летом 2003 года на Сергиево-Посадском учебно-исследовательском полигоне МГГРУ проводились экспериментальные работы. Опыты осуществлялись в стендовых условиях в два этапа. На первое этапе изучалась эффективность разрушения горных пород исключительно кавитационными струями жидкости, на втором - в процессе бурения скважины в блоке породы долотом, оснащенным генератором кавитационных колебаний жидкости. На стадии планирования эксперимента определялось необходимое количество опытов, а после проведения замеров - отбраковка непредставительных данных, обработка и оценка полученных результатов и повторение опытов [3, 12, 22]. В качестве генератора кавитационных колебаний применялся насадок Вентури (рис. 3.11).
Гидромониторной будем называть струю, в которой отсутствуют кавитациопные пузырьки, кавитационной - струю с кавитационными пузырьками.
Фиксация перехода гидромониторной струи в кавитациоипую при увеличении скорости жидкости осуществлялась по показаниям манометра: появление колебаний стрелки манометра, а также резкого свистящего звука и визуально наблюдаемого в стендовых условиях фазового перехода жидкости в парообразное состояние свидетельствовали о процессе кавитации.
В состав экспериментального стенда входили: буровой станок СКБ-4, поднятый на эстакаду высотой 3.5 м, буровой насос НБЗ-120/40. емкость с водой объемом 30 м .разрушаемый блок (естественная горная порода или ее искусственный аналог), буровой инструмент и контрольно-измерительные приборы (рис. 3.12).
На первом этапе кавитатор устанавливался в переходник, соединенный с ведущей бурильной трубой. Под кавитатор устанавливался разрушаемый блок. На втором этапе кавитатор устанавливался в центральном промывочном канале долота.
В первом опыте производилось установление расхода жидкости, соответствующего развитой кавитации. Внутренний диаметр кавитатора dc = 4 мм. При объемном расходе воды Q = 15 л/мин: потеря давления на трение Рф = 0.7 МПа, кавитацнонные колебания стрелки манометра отсутствуют, следовательно, струя жидкости - гидромониторная. При Q = 19 л/мин: Ртр = 1 МПа, струя - гидромониторная. При Q = 40 л/мин: Ртр = 3 ± 0.2 МПа. где ± 0.2 МПа - диапазон колебаний показаний манометра. Появился резкий звук, наблюдается парообразование. Струя - кавитационная. При Q = 70 л/мин: Р1р = 4.5 + 0.5 МПа, струя - кавитационная, колебания стрелки - высокочастотные, характерные для развитой кавитации. Очень интенсивное парообразование. Далее опыт повторялся. Усредненные результаты опыта 1 приведены в таблице 3.4. В данном опыте осуществлялось разрушение развитой кавитационной струей образца пенобетона, имитирующего горную породу II - III категории по буримости. Расстояние между кавитаюром и блоком - 5 мм. По уравнению (3.6) это расстояние меньше длины начального участка гидромониторной струи 1„ = 10 мм. Q = 70 л/мин, Vc = 92.84 м/с, dc = 4 мм, Ртр = 4.5 ± 0.5 МПа, струя развитая кавитационная. Время опыта - 5 с. За это время кавитационная струя углубилась в блок па 60 мм и расколола его. Далее опыт повторялся. Форма отверстия коническая, извилистая, начальный диаметр отверстия 10 мм. Объем отверстия 1.57-10"6 м3. Плотность пенобетона 600 кг/м3. Тогда масса разрушенного за 5 с пенобетона 9.42-10 4 кг. Следовательно, за 1 с М,„ = 1.88-10 4 кг/с. Тогда применяя (3.10) и (3.11) для кавитационной струи (Vo =VC, do = dc):
Стратегия управления ростом скорости кави і анионной струи жидкости
Определим наиболее энергетически выгодную стратегию управления ростом скорости кавитациоиной струи жидкости при увеличении глубины скважины. Стратегия, при следовании которой прирост давления на масосе будет наименьшим является наиболее энергетически выгодной с позиции рационального использования и минимизации затрат гидравлической мощности насоса. Переменными по глубине скважины могут выступать либо расход жидкости, либо характеристики кавитаторов -внутренний диаметр, площадь поперечного сечения и количество.
Воспользуемся уравнением Бернулли [1.19. 51] для стационарного докавитационного турбулентного течения промывочной жидкости в скважине при бурении долотом с генератором кавитациоиных колебаний.где Pt - абсолютное давление при входе жидкости в колонну бурильных труб; Vx - средняя скорость промывочной жидкости при входе в колонну бурильных труб: а- коэффициент Кориолиса. а = 1 ( 4.1); /\ - абсолютное давление при выходе жидкости из скважины, Р, = PQ;У2 - средняя скорость при выходе жидкости из скважины ;Р и - давления на преодоление трения на пути жидкости от сечения 1 - 1 (вход в колонну бурильных труб) до сечения 2-2 (выход из скважины);потеря давления на трение на пути от входа в долото до сжатого сечения внутри кавитатора;Р,„г " потеря давления на трение на пути от сжатого сеения до забоя скважины;Р и - потеря давления на трение на пути от забоя до устья скважины.
По формулам Вейсбаха и Дарси-Вейсбаха [59] (пренебрегая из-за их малости местными сопротивлениями в соединительных элементах ф
Насос 11 ГРИ имеет следующие подачи [5]: 3.75-10 м /с. 5-10 м3/с, 6.5-10 \i"Vc.Определим для скважины какоіі глубины может подойти расход 6.5-10 " м/с. С ото ицелью из зависимости (4.27) выразим глубину скважины: Подстановка численных значений в (4.46) даст ответ Н - 16.6 м. Следовательно, для поддержания явления кавитации путем увеличения расхода жидкости, начиная с глубины 16.6 м, понадобятся несколько насосов.
По зависимости (4.40) и данным таблицы 4.2 рассчитаем какое давление должен развивать насос при дискретном изменении каждого из параметров (Vc, Q, п. сі и /) с ростом глубины скважины.
Данные расчетов приведены в табл. 4.3. Закономерности изменения давления, развиваемого насосом при изменении параметров промывки, представленные в табл. 4.3. подчиняются следующим уравнениям квадратических регрессий, полученных путем усреднения табличных значений методом наименьших квадратов:при изменении расхода Q:при изменении количества кавитаторов в долоте п. при изменениивнутреннего диаметра кавитатора ile и при изменении площади поперечногосечения кавитаторов /:Закономерности изменения параметров промывки, обеспечивающих реализацию явления кавитации на забое скважины при увеличении глубины последней, построенные по уравнениям регрессий (4.41) - (4.45). (4.47) и (4.48) представлены на рис. 4.5.
Данные таблицы 4.3 свидетельствуют о необходимости значительного увеличения давления при росте глубины скважины. Т.к. максимальное давление, которое позволяет развить насос 11 ГРИ [5] при минимальном расходе 3.75-10 3 м3/с составляет 6.3 МПа. а при максимальном расходе 6.5-Ю 3 м3/с - 4.0 МПа. то по уравнению регрессии (4.47) применять насосы 11 ГРИ при реализации кавитации путем увеличения расхода можно лишь до глубин // = 67 м (при Л, = 6.3 МПа) и // = 41 м (при Р„ = 4.0 МПа). При реализации явления кавитации путем уменьшения диаметра кавитатора (либо уменьшении их числа или площади поперечного сечения) максимально возможные глубины скважин немного выше.
