Интенсификация разрушения горных пород при использовании кавитационных колебаний жидкости в буровых долотах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.14, кандидат технических наук Минаков, Сергей Иванович

• Минаков, Сергей Иванович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Минаков, Сергей Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ БЕСКЕРНОВОГО ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ.

1.1. Анализ технологических разработок в области бурения скважин с использованием гидромеханического разрушения горных пород напорными струями жидкости.

1.2. Анализ технологических разработок в области бурения скважин с использованием гидромеханического эрозионного разрушения горных пород струями жидкости с наполнителями.

1.3. Анализ технологических разработок в области бурения скважин с использованием гидромеханического разрушения горных пород кавитационными струями жидкости.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. КАВИТАЦИОННОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН.

2.1. Сущность явления кавитации жидкости и кавитационного разрушения горных пород.

2.2. Экспериментальные исследования интенсивности кавитационного разрушения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация разрушения горных пород при использовании кавитационных колебаний жидкости в буровых долотах»

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 кавитационными 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, эрозио/шого 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.

Заключение диссертации по теме «Технология и техника геологоразведочных работ», Минаков, Сергей Иванович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

При использовании долот, оснащенных гидродинамическими генераторами кавитационных колебаний жидкости (кавитационными насадками) удельная энергия, необходимая для разрушения породы ниже, чем при бурении в ie\ же породах с использованием обычных гидромониторных насадок. Кавитационная струя жидкости в сравнении с гидромониторной струей обладает большей разрушающей способностью.

Для данной горной породы, данной промывочной жидкости и конструкции системы "долото - генератор кавитационных колебаний" основной переменной управляемой величиной, определяющей интенсивность кавитационной эрозии, является скорость жидкости, протекающей мере; кавитатор

Энергетическим критерием оценки эффективности разрушения должна служить величина удельной работы разрушения горных пород. При разрушении забоя скважины кавитационными струями, а та кил-долотами, оснащенными кавитаторами, величина удельной работы разрушения расчет с увеличением глубины скважины.

При совместном воздействии на забой и вооружения долота, и кавитационной струи влияние последней на эффективность разрушении сказывается при бурении пород вплоть до IX категории по буримости. Для поддержания явления кавитации на забое скважины увеличение глубины последней должно сопровождаться ростом скорости струп жидкости в кавитаторе. Добиться повышения скорости струи жидкости в кавитаторе при увеличении глубины скважины можно либо путем увеличения объемного расхода, либо уменьшением внутреннего диаметра кавитатора или уменьшением количества работающих кавитаторов. Основная область применения долот, оснащенных генераторами кавитационных колебаний жидкости - бурение неглубоких гидрогеологических, нисходящих технических, а также горизонтальных и ел абонакл он н их с к важи н.

Гидравлическая программа процесса промывки при бурении скважин долотами, оснащенными генераторами кавитационных колебаний

86 жидкости, заключается в разработке стратегии управления ростом скорост струи жидкости ни утр и кавитатора мри увеличении глубины скважины. Энергетически наиболее выгодной стратегией управления ростом скорое и; струи жидкости внутри генератора кавитационных колебаний при pociv глубины скважины является уменьшение внутреннего диаметра кавитатор:: или уменьшение количества кавитаторов.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие защищаемые положения:

Первое защищаемое положение

Энергетическим критерием оценки эффективности работы долот», оснащенного кавитационным устройством, должна служить величина удельной работы разрушения горной породы забоя скважины.

Второе защищаемое положение

При бурении скважин долотами, оснащенными генераторами кавитациоиных колебаний жидкости, гидравлической программой должен быть предусмотрен степенной чакон изменения скорости жидкости с ростом глубины скважины

Третье защищаемое положение

Энергетически наиболее выгодной стратегией управления ростом скорости струи жидкости внутри кавитационного устройства при увеличении глубины скважины является уменьшение внутреннего диаметра кавитатора или уменьшение кол и чества кавитаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Минаков, Сергей Иванович, 2004 год

1. Альтшуль А.Д. и др. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат. 1987.

2. Башкатов А.Д. Сооружение высокодебптпых скважин. М.: Недра, 1992.

3. Башкатов Д.Н. Планирование эксперимента в разведочном бурении. М. Недра. 1985.

4. Беликов В.Г. Поеташ С.А. Рациональная отработка и изностойкоси шарошечных долот. М.: Недра. 1972.

5. Беляков В.М. и др. Справочник мастера по бурению скважин на воду. М. Колос, 1984.

6. Бугаков Ю.Д. Современные шарошечные долота ведущих зарубежных фир\ для геологоразведочного бурения. М.: 1987. (техника и технология ГРР ВИЭМС).

7. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах Том 2-М.: Недра, 1985.

8. Бурение и оборудование геотсхполон iwcckhx скважин. / Сергиенко И.Л. i др./- М.: Недра. 1<Ш.

9. Буровой инструмент для геологоразведочных скважин. Справочник. Корнилов Н.И. и др./ М.: Недра, 1990.

10. Буровые долота. Справочник. Изд. 3-е. / Палий П.А. Корнеев К.П./ М Недра, 1971.

11. Вуколович М.П. Попиков И.И. Термодинамика. М.: Недра, 1972.

12. Ганджумян Р.А. Математическая статистика в разведочном бурении. М Недра, 1990.

13. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Никитин Б.А. Инженерные расчеты npi бурении глубоких скважин. М.: Недра. 2000.

14. Ганин И.П., Сердюк Н.И. Кавитация и возможности ее применения в горно\ деле и геологоразведке. Геология и разведка. №3 ,1996.

15. Гидравлические сопротивления. /Альтшуль А.Д./- М.: Недра, 1970.

16. Гукасов И.А. Механика жидкости и газа. М.: Недра. 1996.

17. Гукасов Н.А., Брюховецкий О.С. Чихогкин В.Ф. Гидродинамика > разведочном бурении. М.: Недра - Бизнесцентр, 1999.

18. Егоров И.Г., Садовников Ю.Н. и др. Искусственная кавитация. Л Судостроение, 1971.

19. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1987.

20. Есьман Б.И. Термогидравлика при бурении скважин. М.: Недра, 1982.

21. Есьман Б.И. Габучов Г.Г. Термогидравлические процессы при бурен ж скважин.-М.: Недра. 1991.

22. Игнатьев В.И. Организация и проведение эксперимента в бурении. М Недра, 1973.

23. Износ абразива при ультразвуковом бурении. ЭИ ВИЭМС. Техника i технология ГРР; Ор> апизация производства. Зарубежный опыт. 1984. вып. 4

24. Иогансен К.В. Спу тник буровика. М.: Недра. 1981.

25. Кнэпп Р., Дейли Дж. Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир. 1974.

26. Кожевников А.А. Давиденко А.И. Гидромеханический и эрозионньп способы разрушения горных пород при бурении скважин. Мл 1987. (Техника и технология ГРР; Организация производства. Обзор ВИЭМС)

27. Маковей Н. Гидравлика бурения. Пер. с румынского - М.: Недра, 1986.

28. Масленников И.К. Буровой инструмент. Справочник. М.: Недра, 1989.

29. Механика жидкости и газа. / Лойцянский Л.Г./ М.: Недра, 1973.

30. Осипов П.Ф. Проектирование оптимальных режимов буропн; гидромониторными шарошечными долотами: проблемы и решения. Авторсф дисс. уч. ст. докт. техн. наук, 2000 г.

31. Перник А.А. Проблемы кавитации. -J1.: судостроение. 1966.

32. Пилипенко В.В. Кавитационные автоколебания. Киев: Наукава думка, 1989.

33. Пирсол И. Кавитация. М.: Мир. 1975.

34. Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин. / Беликов В.1 идр./-М.: Недра. 1974.

35. Ребрик Б.VI. Ьуренпе инженерно-геологических скважин. VI.: Недра, 1 99D.

36. Рождественский В.В. Кавитация, Л.: Судостроение, 1977.

37. Романов А.В. Выбор рациональных типов долот и определение оптимальны-параметров их отработки. М.: 1986 - (Техника и технология ГРР Организация производства. Обзор ВИЭМС).

38. Руководство по применению шарошечных долог для бурен» t. геологоразведочных скважин сплошным забоем. М.: Недра, 1972.

39. Седов Л.И. Механика сплошной среды. 5-е изд., испр. М.: Наука, 1984. Т. 2.

40. Середа Н.Г., Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. М Недра. 1988.

41. Совершенствование режимов бурения долотами уменьшенного диаметра. Бикчурин Т.Н. .Козлов Ф.А./- М.: Недра. 1968.

42. Современное состояние технологии комбинированного разрушения поро.<! резцами и струями воды. ЭИ. ВИЭМС. Техника и технология ГТР Организация производства. Зарубежный опыт. 1987. вып. 4.

43. Справочник по бурению скважин на воду / Башкатов Д.И. и др./ М.: Недр;. 1979.

44. Техническая термодинамика. / Кириллин В.А. и др.' Мл Наука. 1979.

45. Улучшение гидравлической характеристики долот при использовать полимерных промывочных жидкостей. ЭИ. ВИЭМС. Техника и технологи; ГРР; Организация производства. 1982. вып. 15.

46. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979.

47. Успешное бурение скважины фирмой CHEVRON в Западном Техасе использованием гидромониторных шарошечных долот с удлиненным! насадками. ЭИ ВИЭМС. Техника и технология ГРР; Организацн: производства. Зарубежный опыт. 1982. вып. 17.

48. Физические величины. Справочник. / Бабичев Л.П, идр./ У. Энергоатомиздат, 1991.

49. Хорюшин И.Г. Бурение геологоразведочных скважин шарошечным: долотами. М.: Недра. 1977.

50. Черепанов Г.П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения М.: Недра, 1987.

51. Чугаев P.P. Гидравлика. 4-е изд. Л.: Энергоиздат. 1982.

52. Шак.товсктт С.С. Исследования эффективности струи при гидравличссм выемке. М.: Наука. 1966.

53. Шальнев К.К., Козырев С.П. Релаксационная гипотеза кавитационной эрозт. / Доклады АН СССР. 1972. Т. 202. №5. с. 1057 1060.

54. Шищенко Р.И. Есьман Б.И. Практическая гидравлика в бурении. М.: Недр. 1966.