книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЫ1ЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ Д ».|||>г

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЯ

Рис. 4.4.1. Влияние разноразмерности на начальное и "ударное" гидро­ динамические давления струи:

1 - ударное давление струи, истекающей из 1-й насадки; 2 - ударное давление струи, истекающей из 2-й насадки; 3 - ударное давление струи, истекающей из 3-й насадки; Г, 2', 3' - начальные гидродинамические давления струй,

истекающих из соответствующих насадок; 4 - ошибка определения диаметра малой насадки из условия

Долота диаметром 215,9 и 295, 3 мм, выпускаемые ОАО “Волгабурмаш”, имеют унифицированные промывочные узлы с диаметром под­ водящего канала d„ ~ 25 мм. На рис. 4.4.1 показано влияние разноразмер­ ности (для заданных условий расчета) в типичном варианте применения долота 215,9 мм. Видно, что влияние е на начальное гидродинамическое давление р„, не столь негативное, а большое отличие р,„. от />„ объясня­

1 61

i . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

ется малыми расходами Q и </,. Расчеты показывают, что при d„ = 25 мм верхней границей допустимых расходов является Q = 22...23 дм3/с.

Рис. 4.4.2. Влияние разноразмерности на начальное и "ударное" гидродинамические давления струй:

1 - ударное давление струи, истекающей из 1-й насадки; 2 - ударное давление струи, истекающей из 2-й насадки; 3 - ударное давление струи, истекающей из 3-й насадки;

1', 2', 3' - начальные гидродинамические давления струй, истекающих из соответствующих насадок;

4 - ошибка определения диаметра малой насадки из условия равнове­ ликого сечения насадок.

Условия расчета: расход раствора - 0,03 м3/с; перепад давления на долоте - 10 МПа; d„ = 25 мм; d^„ = 10,1 мм

162

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

Рис. 4.4.2 иллюстрирует влияние увеличения Q до 30 дм3/с при уни­ фицированном варианте промывочного узла на параметры гидромонитор­ ных струй, истекающих из разноразмерных насадок. Расход Q = 40 дм /с можно рассматривать как верхнюю границу технологически необходимого расхода для долота 295, 3 мм. Вывод очевиден: при d„ = 25 мм в вари­ анте применения долота 295,3 мм нерационально используется р„ , а с увеличением е начинает возрастать ошибка расчета d3. Увеличение d„ до 30 мм создает при Q = 40 дм3/с ситуацию, схожую с рис. 4.4.1, что видно из рис. 4.4.3.

При промывке скважины с расходами 50 дм3/с восстановить нормаль­ ную ситуацию с ра можно только путем увеличения d„ до уровня 35 мм (рис. 4.4.4). Без увеличения d„ невозможно рациональное использование схемы промывки через 2 насадки.

Анализ результатов расчета, приведенных на рис. 4.4.1...4.4.4, подво­ дит к следующим выводам:

1. С увеличением разноразмерности возрастает разница в исходных (начальных) гидродинамических давлениях струй ры , чему также спо­ собствует несоответствие d„ проектируемым расходам Q.

2. Во всех случаях с увеличением разноразмерности имеет место су­ щественное увеличение ударного давления струи, истекающей из первой, наибольшей, насадки, несмотря на ухудшение степени гидравлического совершенства первого канала. В результате возрастает J. У канала с наи­ меньшим диаметром наблюдается обратная картина.

3. Во всех случаях с увеличением разноразмерности возрастают ошибки расчета диаметра малой насадки и тем больше, чем выше расход жидкости и чем меньше диаметр подводящего канала.

4.При d„ = 25 мм возможности маневрирования разноразмерностью и числом насадок z ограничены расходом жидкости не более 20...25 дм3/с.

5.При d„ = 30 мм возможности маневрирования разноразмерностью ограничены расходом жидкости не более 40 дм3/с.

6.При d„ = 35 мм возможности маневрирования разноразмерностью ограничены расходом жидкости не более 50...55 дм3/с.

7.Увеличение диаметра подводящего канала всегда обеспечивает су­ щественное возрастание ударного давления струи за счет увеличения на­ чального гидродинамического давления. Этот эффект особенно заметен при повышенных расходах, применении двух как равноразмерных, так и -

веще большей степени - разноразмерных насадок.

8.С уменьшением числа насадок имеет место значительное увеличе­ ние осевого ударного гидродинамического давления, несмотря на возрас­ тание потерь давления в промывочных узлах долот, что обеспечивает уве­ личение критерия промывки J, но оставляет одну из шарошек без активной очистки зоны разрушения периферийными зубьями.

163

4Ж (И Е|'И М П |ТЛ']Ы 1Ы Е ИСС ЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

ошибка расчета диаметра малой насадки, %

коэффициент разноразмэрности

Рис. 4.4.3. Влияние разноразмерности на начальное и "ударное" гидродинамические давления струй.

1 - ударное давление струи, истекающей из 1-й насадки; 2 - ударное давление струи, истекающей из 2-й насадки; 3 - ударное давление струи, истекающей из 3-й насадки;

I2', 3' - начальные гидродинамические давления струй, истекающих из соответствующих насадок;

4 - ошибка определения диаметра малой насадки из условия равно­

164

4 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛШ И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

ош ибка расчета диаметра малой насадки, %

коэффициент разноразмерное™ насадок

Рис. 4.4.4. Влияние разноразмерное™ на начальное и "ударное" гидроди­

Г, 2', 3‘ - начальные гидродинамические давления струй, истекающих из соответствующих насадок;

4 - ошибка определения диаметра малой насадки из условия равнове­

165

4.‘ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ И( СЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ у з л о в ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

9. Учитывая уровень применяемых на практике расходов бурового раствора при различных диаметрах долот, можно сформулировать реко­ мендации по выбору минимально допустимых (технологически необхо­ димых) диаметров подводящих каналов промывочных узлов для долот:

Несоблюдение этих рекомендаций приведет к неоправданному сниже­ нию критерия J, искусственному снижению показателей работы гидромо­ ниторных долот и нерациональному использованию забойной гидравличе­ ской мощности.

Таким образом, полностью подтверждаются выводы, полученные ра­ нее в разделе 4.3 относительно выбора рациональных диаметров подводя­ щих каналов, о недопустимости унификации конструкций и размеров на­ садок и подводящих каналов между указанными соседними группами до­ лот. В частности, не допустима унификация промывочной системы долот диаметром 215,9 и 295,3 мм.

На рис. 4.4.1 ...4.4.4 нанесены кривые ошибок расчета диаметра мень­ шей насадки, когда последний рассчитывается из условия равновеликого суммарного сечения. В том случае , когда диаметр подводящего канала со­ ответствует ожидаемому для данного размера долота расходу и применя­ ются при этом все три насадки, приближенным методом расчета можно пользоваться, но только до е = 1,15. В противном случае (рис. 4.4.5) ошибка станет недопустимой.

Суть третьей подзадачи заключается в том, чтобы найти расстояния 2-й и 3-й насадок до забоя, при которых ударные гидродинамические давле­ ния, создаваемые струями, были бы одинаковы и равны давлению от 1-й, наибольшей, насадки. В результате все струи будут охарактеризованы рав­ ными значениями J , что обеспечит равные условия очистки забоя, сохра­ нив вместе с тем преимущества асимметричной (по расходам через про­ мывочные каналы долота) промывки.

Предположим, что промывка осуществляется через три разноразмер­ ные насадки, расположенные на некотором стандартном расстоянии 1С, с диаметрами dh d:, dj , из которых истекают струи с начальными гидроди­ намическими давлениями рл1, р„,, рп! , создавая на забое соответственно давления р,„.,, р„с2, р мЛ . (Все перечисленные параметры должны быть найдены с использованием изложенной выше методики расчета). Необхо­ димо найти 1,2 , 1 з. при которых выполнится условие

С учетом формулы (4.3.9):

166

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

__________5,476

диаметр насадки, мм

Рис. 4.4.5. Результаты расчетов диаметров насадок dt , d2, d> и срав­ нение диаметра З-й насадки с результатом приближенного расчета ds , рассчитанного из условия равновеликого суммарного сечения насадок долота.

Условия расчета: перепад давления на долоте 10 МПа; диаметры равноразмерных насадок (при е =1) - 11,7 мм; расход бурового раствора - 40 дм3/с; диаметр подводящего канала - 25 мм.

Извлечем корни из обеих частей выражения (4.4.10) и заменим т на т = 4,7<7,:

167

i . >K( ttF.PKMRH I ЛЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

2,34

(4.4.11)

1+ 0 ,2 2 3 + 0 ,0 1 ^ -6 ;

Рис. 4.4.6. Зависимость расстояний 2-й и 3-й насадок до забоя, при ко­ торых обеспечивается условие j = р(К 2 = pm i , от коэффициен­ та разноразмерности для случая: d2 = d^ = 10,1 мм; р„ = 10 МПа; Q = 30 дм3/с ; расстояние 1-й насадки до забоя - 150 мм.

Искомые расстояния 1С для 2-й и 3-й насадок при известных значени­

ях других параметров , находятся как положительный корень данного

квадратного уравнения.

Практическое применение данной методики проектирования промывки

забоя разноразмерными насадками проиллюстрируем на примере варианта,

показанного на рис. 4.4.4. Если корректировать расстояния до забоя в со­

ответствии с рис. 4.4.6, то можно добиться того, что ударное осевые давле­

ния, создаваемые 2-й и 3-й насадками будут такими же, что и давление от

струи из 1-й насадки. Отличие будет только в диаметрах струй.

1 6 8

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛ( > I

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

4.5.Оценка степени стеснения гидромониторных струй, истекающих из насадок серийных долот

Экспериментальные исследования стеснения струй при их истечении в тупик впервые провели А.К. Козодой и А.А. Босенко, а затем Е.П. Варла­ мов [24]. Влияние фактора стеснения они оценивали путем уменьшения относительных размеров тупика (“скважины”) и выходного отверстия на­ садки и обнаружили, что увеличение интенсивности восходящего (воз­ вратного) потока усиливает интенсивность массобмена между струей и средой и ухудшает “технологические” параметры струи.

Влияние стесненности на параметры струи в реальных долотах экспе­ риментально никем не исследовалось, но представляется, что в большей степени оно связано не с возвратным потоком, а размывающим эффектом от механического внедрения зубьев долота в тело струи.

Ниже приводятся результаты инструментального обмера межшаро­ шечного пространства и оценки вписываемости струй, истекающих из на­ садок различного диаметра, в это стесненное вооружением долота про­ странство.

Обмер пространства осуществлялся с помощью специально сконструи­ рованного и изготовленного инструмента, который позволял измеряэь рас­ стояние от оси струи до “препятствия” через каждые 15° (по часовой стрелке, если смотреть на долото сверху) , начиная с нулевого направле­ ния, совпадающего с направлением на впереди движущуюся шарошку ка­ сательной к окружности от оси струи. Плоскости обмера (измерения рас­ стояний) располагались через каждые 10 мм от выходного сечения насад­ ки.

Объектами измерения были избраны изготовленные по лицензии доло­ та ОАО “Волгабурмаш” 215,9 ТКЗ-ГНУ и 295,3 СЗ-ГНУ.

Измерения показали, что места наибольшего сужения пространства находятся:

-у долот 215,9 ТКЗ-ГНУ - на расстоянии 50...60 мм,

-у долот 295,3 СЗ-ГНУ - на расстоянии 60...70 мм.

На рис. 4.5.1 и 4.5.2 показаны контуры свободного пространства .для указанных выше долот в местах наибольшего сужения. Оказалось, что минимальный диаметр вписанной окружности практически одинаков как для того, так и другого долота и равен 22 мм.

На рис. 4.5.3 приведены графики изменения диаметра струи J OT рас­ стояния от насадки при стандартных диаметрах отверстий от 9 до 15 мм. Видно, что при стандартном варианте расположения насадок даже при использовании насадок диаметром 9 мм имеет место внедрение чубьев в струю. Это означает, что современные долота по конструкции промывоч­ ного узла не обеспечивают условия для сохранения естественной компакт­ ности струи, вызывают ее усиленный размыв, особенно при диаметрах

169

4.э к с п е р и м е н т а л ь н ы е и с г л е д о в а н и я п р о м ы в о ч н ы х углов ГИДРОМОНИТОРНЫХ долот

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

о

Рис. 4.5.1. Результаты обмера свободного межшарошечного пространст­ ва вокруг струи (долото 215,9 ТКЗ-ГНУ) на расстоянии 60 мм от на­ садки.

насадок более 9... 10 мм. Это обстоятельство решительно ограничивает

возможности для реализации оптимальных решений по промывке скважи­

ны и для полезного использования эффекта от асимметричной промывки

забоя (разноразмерных насадок).

170