Підвищення ефективності руйнування гірських порід при бурінні свердловин за рахунок енергії пульсуючих потоків

Abstract

Захищається 8 наукових праць, які містять теоретичні, експериментальні та промислові дослідження, направлені на покращенням процесу руйнування гірських порід на вибої свердловини трилопатевими долотами з вставками пульсаторів. Запропоновано нову конструкцію гідродинамічного пульсатора з введенням промивальної рідини по дотичному каналу для завихрення потоку рідини в циліндричній частині пульсаційної камери та в дифузорі, в яких виділяється розчинений газ (повітря) у вигляді бульбашок. На основі теоретичних і експериментальних досліджень встановлено виникнення пульсацій в потоці промивальної рідини при її проходженні через пульсатор як при відсутності тиску на виході з насадки пульсатора так і при наявності протитиску. Встановлено характер пульсації потоку, який полягає у зменшенні величин тиску на виході з насадки пульсатора з амплітудою від 1 до 3 МПа та частотою від 1 до 12 Гц, а також можливість передачі пульсаційних коливань тисків при виході потоку промивальної рідини з гідродинамічного пульсатора та гідромоніторну насадку. Одержані результати є науково новими і мають практичну цінність. Практичне значення одержаних результатів полягає у науковому обґрунтуванні амплітудно-частотних характеристик гідродинамічного пульсатора та їх використанні для покращення техніко-економічних показників буріння свердловин. Результати отриманих досліджень використані для удосконалення конструкції бурового трилопатевого долота. Основні результати дисертації впроваджені в практику буріння.

Защищается 8 научных работ, содержащих теоретические, экспериментальные и промысловые исследования, связанные с интенсификацией процессов разрушения горных пород за счет воздействия на них пульсационных потоков промывочной жидкости. Сущность нового способа возбуждения разнообразных по величине импульсов и колебаний давления с широким диапазоном частот и амплитуд состоит в том, что с помощью гидродинамического пульсатора на забое скважины последовательно создаются колебания импульсов давления различной амплитуды и широкого спектра гармоник. В гидросистеме, содержащей такое устройство, при определенных условиях течения промывочной жидкости проявляются разные гидродинамические явления. С целью получения наглядных результатов этих явлений разработана специальная экспериментальная установка. С механизма работы гидродинамического пульсатора следует, что можно использовать как специальный выбор состава и физико-химических параметров промывочной жидкости, так и конструктивные особенности пульсатора, способствующие турбулизации жидкости и формированию различных режимов пульсационных потоков жидкости вследствие захлопывания образовавшихся паровых или газовых пузырьков. При этом происходит пульсационное уменьшение давления с частотой от 1 до 12 Гц та с амплитудой от 1 до 3 МПа. Экспериментальными исследованиями установлена возможность возникновения и передача пульсационных колебаний при истечении промывочной жидкости сквозь пульсационно-кавитационную камеру та гидромониторное сопло. С характера пульсационных потоков установлено мгновенное уменьшение давления после пульсатора, которое способствует отделению выбуренной породы от забоя скважины. Пульсационные течения прекращаются как при малых значениях параметра пульсации, которым соответствует развитый режим пульсационного течения, так и при больших значениях параметра пульсации, которым соответствуют сравнительно небольшие размеры пульсационных потоков. Установлено, что с уменьшением параметра пульсации относительная длина полости (каверны) растет, а с увеличением угла раскрытия сопла пульсатора при других равных условиях относительная длина пульсационной полости в границах сопла устройства уменьшается. Исследовано, что для пульсационных устройств колебаний угол расширения струи жидкости имеет большее значение, чем угол расширения струи жидкости после насадки гидромонитора. Установлено, что для всех режимов но давлению на входе в гидродинамическое устройство с уменьшением параметра пульсации амплитуда пульсационных колебаний увеличивается и достигает максимального значения при К≈0,3, а затем уменьшается. Пульсационные автоколебания наблюдаются при К = 0,1÷0,6. Методика гидродинамических явлений может использоваться при проектировании и эксплуатации буровых долот, в состав которых входит гидродинамический пульсатор. Разработана новая конструкция бурового трехлопастного долота, эффективность работы которого достигается увеличением его проходки и механической скорости бурения за счет гидродинамических устройств-пульсаторов, вмонтированных в промывочные узлы долота под разными углами уклона относительно оси долота. Предварительные эксплуатационные испытания бурового трехлопастного долота показали его работоспособность и эффективность. Использование долота в промышленных условиях обеспечивает увеличение механической скорости бурения в 1,5 - 2 раза за счет интенсивности разрушения пород, подтверждая тем самым своеобразность использования пульсаторов в решении проблем эффективного разрушения горных пород при бурении скважин.

There have been 8 scientific works presented for defence, which contain theoretical, experimental and industrial investigations, directed towards improving the process of rock destruction at the borehole bottom by means of three-blade drilling bits with pulsator inserts. There has been suggested new construction of hydrodynamic pulsator with input of drilling fluid along the channel for back washing of the fluid flow in the cylinder part of the pulsating chamber and in the diffuser in which the dissolved air is released in the form of bulles. On the basis of theoretical and experimental research it was determinacy that pulsations occur in the drilling fluid flow when it goes through pulsator when there is no pressure at all as well as when antipressure is available. The character of the pulsating flow has been determined, which is in the decrease of pressure at the outlet of pulsator head with the amplitude of 1 to 3 MGP and frequency of 1 to 12 Herts. Transmission of pulse pressure range to hydromonit head when the drilling fluid flow leaves the hydrodynamic pulsator has also been determined. The results obtained are new and have practical value. Practical significance of the results is in the scientific substantiation of amplitude frequency characteristics of hydrodynamic pulsator which are to be used to improve technical and economic indices of borehole (well) drilling. The results obtained were used to improve the design of three-blade drilling bit. The main results of the dissertation have been implemented into drilling practice.