автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Исследование разрушающего действия кавитации с целью разработки специальной технологии освоения и восстановления гидрогеологических скважин



' . с гё* ^

па правах рукописи

Сфдюк Николай Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ КАВИТАЦИИ С ЦЕЛЬЮ РАЗРАБОТКИ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОСВОЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН

Специальность 05.15.14-Технологияи техника геологоразведочных работ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996 г.

Работа выполнена в Московской государственной геологоразведочной академии (кафедра разведочного бурения)

Научный руководитель - д.т.н., профессор Д.Н. Башкатов

Официальные оппоненты- д.т.н., профессор О.С. Брюховецкий

д.тл., профессор А.Т. Киселев Ведущее предприятие - ГГП " ЦЕНТРГЕОЛОГИЯ "

Защита диссертации состоится 19 декабря 1996 г. в аудитории 415 а на заседании диссертационного Совета Д.063.55.01 в Московской государственной геологоразведочной академии ( 117873, г. Москва, ул.Миклухо-Маклая, д. 23)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА.

Автореферат разослан ^ноября 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В последние годы значительно увеличился удельный вес гидрогеологических скважпн в общем объеме буровых работ. В то ясс вршя переход под являющего количества трудовых коллективов к работе в условиях самоокупаемости и самофинансирования заставляет проводить активную деятельность в направлешш снижения себестоимости освоешш и восстановлены гидрогеологических сквашш.

Существующие способы освоения скважин постоянно совершенствуются, появляются новые, основанные на обработке приза-бошюй зоны скважины импульсами давления жидкости, иногда сопоставимыми по мощности с обработкой скважины с применением ТДШ, АСП, ГИДГ - 1, ГИДП - 1 и др.

Применение новых способов освоения связано со значительным удорожанием работ за счет:

- применения дополнительного оборудования и материалов;

- привлечения сторонних специалистов;

- увеличения вероятности появления сбоев в процессе работы сложных технических устройств в условиях пргоабойной зоны буровой скважины ( пульсаторы давления различных конструкщш).

Очевидно, что прн разработке новых способов освоения гидрогеологических скважин необходимо учитывать как положительные стороны, существующих способов, заключающиеся в увеличении удельного веса импульсных и реагешных методов воздействия на прнзабойную зону буровой скважины, так и отрицательные, выражающиеся в повышешш стоимости работ за счет привлечения сторонних специалистов, применения дополнительной техники и материалов.

В различных областях техники известно явление кавитации, возникающее при определенных режимах движения жидкости и тел в неподвижной жидкости, а также при воздействии на жидкость посредством ультразвука, электрического разряда и т. п. Изучение этого эффекта позволило сделать вывод о целесообразности постановки специальных исследований в этом направлешш с целью использования эффекта кавитации прн освоении гидрогеологических сквашш.

Из этого следует, что актуальным в настоящее время является исследование и применение явления кавитации как средства снижения себестоимости работ по освоению и восстановлению гидрогеологических скважин.

Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ, которые выполнялись в соответствии с планом НИР инновационного центра ГГП " ВОЛГА-ГЕОЛОГИЯ ".

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ - совершенствование способов освоения гидрогеологических скважин за счет использования эффекта кавитации, создаваемого принудительным образом в призабойной зоне буровой скважины.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ существующих способов освоения гидрогеологических скважин;

- исследование состояния теоретических и экспериментальных разработок в области кавитации;

- анализ и разработка классификации явления кавитации применительно к поставленным целям;

- разработка методики и экспериментальной базы для исследования эффекта кавитации;

- определение возможностей создания и использования эффекта кавитации в процессе освоения и восстановления скважин;

- определение возможности и критерия управления эффектом кавитации;

- исследование разрушающей способности эффекта кавитации;

- создание методики выбора оптимальной технологии применения кавитации в конкретных условиях;

- разработка технических средств реализации применяемой технологии.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

Поставленные задачи решались:

- путем анализа и обобщения литературных и фондовых источников, отосящнхся к тематике исследований в данной области;

- проведением теоретических исследований;

- проведением экспериментальных исследований в стендовых условиях, с использованием современных методов планирования эксперимента.

Правильность основных выработанных теоретических положений и возможность их практической реализации проверялась экспериментально на специально созданном стенде, обеспечи-

вавшем максимальное подобие условий проведения эксперимента условиям призабойной зоны реальной буровой скважины.

Регистрация исследуемых параметров проводилась с применением серийной контрольно-измерительной аппаратуры, а обработка результатов выполнена с использованием методов математического анализа и применением ЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Результаты исследований, представленные в работе , содержат решение малоизученных вопросов, касающихся возможностей, методики, технологии и технических средств применения кавитации в процессе освоения и восстановления гидрогеологических скважин. Научная новизна заключается в том, что автором:

- разработана классиффнкация явления кавитации с учетом пер-спехаивы ее исследования в технологических процессах, связашпдх с освоением и восстановлением гидрогеологических скважин;

- создана методика и экспериментальная база для исследований эффекта кавитации в условиях, приравниваемых к условиям призабойной зоны буровой скважины;

- доказана возможность использования эффекта кавитации при освоении и восстановлении скважин;

- предложен критерии управления эффектом кавитации, позволяющий оперативно поддерживать максимальную скорость кавн-тационного разрушения кольматанта за счет оптимального сочетания частоты и амплитуды кавитационных колебаний жидкости;

- установлена зависимость скорости кавитационного износа материалов и температуры промывочной жидкости от параметра управления Р2/Р1 ( Р1 и Р2 - давление жидкости, соответственно, на входе и выходе из генератора кавитационных колебаний);

- разработан алгоритм и рекомендации по выбору оптимальной технологии и технических средств для раскольматации фильтров и призабойных зон гидрогеологических скважин.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОК И РЕКОМЕНДАЦИЙ обоснована теоретически и подтверждена эксперемеятальиьши исследованиями, проводившимися в стендовых условиях, приравниваемых к условиям буровой скважины.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. В результате исследований :

- разработана классификация явления кавитации, позволяющая оценивать возможность ее применения в технологических процес-

сах, направленных па освоение и восстановление гидрогеологических скважин;

- создан стенд, позволяющий проводить исследования разрушающего действия эффекта кавитащш в условиях близких реальной буровой скважине;

- установлена возможность применения кавитащш в процессе освоения н восстановления гидрогеологических скважин с целыо повышения эффегсшвнссш работ;

- определен диапазон оптимальных значении параметра управления, позволяющий проведать обработку призабойной зоны буровой скважины импульсами давления, протекающими в режиме, вызывающем максимальную скорость разрушения кольматанта;

- разработаны рекомендации по применению эффекта кавитации и созданы технические средства ее реализации.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения, разработанные в диссертации , докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московского геологоразведочного института им. С.Орджоннкидзе (1987-1991 г.г., 1995 - 1996г.г.), международной научной конференции аспирантов и студентов ( г. Краков , 1988г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертационной работы изложены в 5 работах, в том числе одном положительном решении на выдачу патента РФ и отражены в годовых отчетах договоров, исследующих кавитацию.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫДиссертационная работа состоит го введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 106 наименований. Содержит 126 страниц машинописного текста, 32 рисунка, 6 таблиц.

Во введении обосновывается актуальность проводимых исследовании, дана краткая характеристика содержания работы.

В первой главе проведен анализ существующих способов освоения и восстановления скважин с точки зрения сложности их реализации и себестоимости работ.

Во второй главе приведен обзор информации литературных и патентных источников, посвященных исследованию эффекта кавитации. Исследованы и обобщены основные особенности кавитации и области ее существования.

Третья глава посвящена разработке методики исследований,

В четвертой главе приводятся анализ эффекта кавитации и возможности его применения для повышения эффективности процесса освоения гидрогеологических скважин. В результате разработана классификация явления кавитации и определен параметр управления эффектом кавитации в условиях буровой скважнны.

Пятая глава диссертация посвящена экспериментальному исследовагапо возможности создания и способа управления эффектом кавитации в условиях призабойнон зоны скважины и разработке рекомендаций по его использованию.

В шестой главе приведены рекомендуемая технологическая схема использования эффекта кавитации при освоегаш скважин с применением базового бурового оборудования и прогнозная оценка экономической эффективности применения кавитациошюго способа освоения.

Автор выражает благодарность научному руководителю, профессору, д.т.н. Д.Н.Башкатову за всесторошггого помощь, оказанную при проведешш исследований н составлении диссертации, профессорам, д.т.н. В.П.Зиненко п Н.В.Соловьеву, доцентам C.B. Пеикевнчу, Е.Д. Хрошшу, И.П.Гашшу и И.Д.Брошппсову за критические замечания и практические советы, доценту Л.Д. База-нову, генфальному директору ГГП "ВОЛГАГЕОЛОГИЯ" A.M. Колошпщу и директору шшованионного центра H.A. Вагину за помощь, оказанную при создании стенда и проведении исследований. Автор также выражает признательность коллективам кафедры разведочного бурения МГГА и А.О. "ГИДРОИНЖСТРОИ" за консультации и всестороннюю помощь, оказанные в процессе подготовки и выполнения диссертационной работы. Автор благодарит М.И. Сташешсо и H.H. Сфдгок за техническую помощь, оказанную при выполнении и оформлении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Краткие сведения по изучаемому вопросу. В основу постановки задач п проведения исследований, составивших содфжание диссертации, легли фундаментальные работы отечественных ученых в области бурения : Н.И. Куличихина, Б.И. Воздвиженского, Э.Ф. Эпштейна, Ф.А. Шамшева, К.Г. Володченко, С.А. Волкова, A.B. Марамзина, B.C. Федорова, B.C. Владиславлева, С.С. Сулакшина, Е.А. Козловского, Б.Б. Кудряшова, В.М. Питерского, А.Г. Калшш-

на, Б.М. Ребржа, В.Г. Кар дыша, А.Т. Киселева, JI.A. Ла'пшяка, Л.К. Горшкова, A.M. Яковлева, Н.Г. Шелковникова и др.

Анализ способов освоения гидрогеологических скважин проводился с использованием основополагающих работ в области гидрофизических процессов, принадлежащих P.A. Шищеико, В.И. Есьману, A.IC. Козодою., А.Х.Мирзаджаизаде, В.Г. Беликову, К.Мурею, О.С. Брюховецкому, H.A. Гукасову, и др. .

Автором были попользованы результаты исследований В.М. Гаврилко, Д.Н. Башкатова, В.М.Белякова, B.C. Алексеева, Г.П. Квашнина, A.B. Панкова, В.М. Касаткина, Э.М. Волышцкой, С.Л. Драхлиса, В.Т. Гребенникова, A.M. Кояошшца АЛ.Третъяка и др. в области бурения, оборудования и восстановления скважин.

Анализ этих работ позволил установить, что подавляющее количество новых разработок направлено на интенсификацию процесса освоения скважин за счет импульсных воздействий на кольматационную зону.

Общим недостатком существующих способов освоения и технических средств их реалнзащш являются сложность их применения в условиях сопутствуют!ix процессу освоешм скважин, а также необходимость применения дополнительного энергоемкого и дорогостоящего оборудования.

Известен целый ряд специальных работ, в которых описаны результаты теоретических и экспериментальных исследований, связанных с явлением кавитации .

В разное время этими вопросами занимались Л.А.Эшптейн, В.С.Будаик, В.В.Шшшенко, ВА.Задокцев, Н.И. Довготько, И.К. Манько, М.К. Болога, И.А. Шалобасов, Ю.Н. Пауков, В.В. Воронин, Г.Н. Мачехина и др..

Полученные ими результаты дали возможность сформулировать следующее:

- основной объем научной литературы по кавитации посвящен описанию ее вредных воздействии;

- кавитация - сложное явление в процессе которого происходит превращение потенциальной энергии потока жидкости и находящегося в ней воздуха в кинетическую энергию импульсов давления жидкости, которую можно использовать для выполнения работы, направленной на повышение эффективности сооружения и освоения гидрогеологических, геотехнолошческих и других скважин, разрушения горной породы на забое скважины и пр.

В бурении, до настоящего времени, явлению кавитащш не уделялось существенного внимания. Только частично влияние эффекта кавитащш учитывается хтри расчете гидроударников и насосов.

В связи с вышеизложенным целесообразны постановка и проведешге теоретических и экспериментальных исследований эффекта кавитации, направленных на его использование при разрушении кольматанта и горной породы в приза бонной зоне скважины.

Для совершенствования технологии освоения гидрогеологических схважпн за счет использования эффекта кавитащш необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику исследования возникновения и развития кавитащш в условиях близких к условиям реальной буровой сква-жшвы;

- создать стенд для проведения экспериментов и оснастить его измерительной аппаратурой;

- разработать классификацию явления кавитащш применительно к использовашпо ее для разрушения кольматанта в призабонной зоне скважины;

- исследовать влияппе параметров кавитащш на интенсивность кавитационного износа кольматанта, образующегося на фильтре и стенках скважины;

- разработать критерий управления процессом кавитащш;

- разработать технологию использования эффекта кавитащш в процессе освоения скважин с целью повышешш его эффективности;

- разработать алгоритм реализации технологии и рекомендации по практическому использовашпо эффекта кавитащш применительно к поставленным задачам.

Необходимость решения вышеизложенных задач послужила основанием для исследовашш, результаты которых отражены в настоящей диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие защищаемые положения.

1. Теоретический анализ и классификация явления кавитащш, создаваемой исскуственпым путем, позволяют установить возможные области использования этого эффекта в различных процессах бурения и освоешга скваззшь

На основании предыдущих исследований, направленных в основном на изучение вредных последствий кавитации и возможности ее предотвращения, установлено что:

- подавляющее большинство исследований кавитации было проведено в судостроении и отраслях промышленности, использующих в большом количестве центробежные насосы с высокой частотой вращения ( космическая и др. техника);

- основной задачей исследований являлся поиск способов устранения разрушающего действия кавитации, возникающей при работе центробежных насосов и другого оборудования;

- за последние годы накоплено достаточно много шгформащш о природе явления кавитации и факторах, оказывающих влияние на характер ее протекания.

Несмотря на большой объем исследований, проводившихся в области кавитации, удельный вес работ, посвященных исследованию возможности применения кавитации как полезного явления, является относительно небольшим. Очевидно этот факт объясняется отсутствием продуманной концепции проведения исследования эффекта кавитации, решающей задачу его широкого внедрения в технологические процессы, направленные на разрушение каких -либо материалов.

Для определения целесообразности применения кавитации в целях интенсификации и повышения эффективности работ по сооружению, освоению и восстановлению гидрогеологических скважин был проведен системный анализ явления кавитации с разработкой классифшсаци этого явлешш ( табл. 1 ), максимально учитывающей, как особенности кавитации, так и особенности геолого технических условий в которых она протекает.

В результате анализа было установлено, что гидродинамическая кавитация имеет преимущества перед другими видами кавитации из-за простоты способа ее получения, обусловленной возможностью создания эффекта кавитации с помощью серийного бурового оборудования.

В ходе дальнейших исследований решалась задача детального изучения эффекта гидродинамической кавитации, заключающаяся в установлении и исследовании классификационных признаков, позволяющих оцешпь возможность создания и использования гидродинамической кавитации в условиях реальной буровой скважины.

КЛАССИФИКАЦИЯ Табл. 1

ЯВЛЕНИЯ КАВИТАЦИИ

условия образования в жидкости микрокаверн _или пузырьков воздуха

понижение давления I кавитация 1-

!

повышение температуры

г—

, кипение

_• " • • -- ^ ' 1 -- _ _-1

]пщродинамическая| [волнопадЗ ^еетцодинамическая] А

^ом5|шиЁрванна50

V

факторы, о1сазывающие влияние на возникновение кавитации

¡свойства жидогасти) £

- плотность -вязкость

-снс

-наличие тв.

включений

-наличие

растворенного и

нерастворенного

воздуха

{параметры трубопровода! 1_ _ и. кавитатора__|

ГГ^г

Достояние ш1дкости) *

-скорость -давление -температура -пульсация ^-введение твёрдых частиц | в поток жидкости

. -введение в жидкость воздуха или газа ' -изменение формы и размеров кавитатора 1 I - поддержание оптимального противо- |

^давления в зоне кавитатора_ ___^

[типы кавитациоиного течения)

I

стационарное течение с оседлой каверной, р=5-10°

11 осцилирующая (пульсирующая) кавитация р=10-15°

периодически срывная р=15°

|разновидности кавитации"!

присоединенная вихревая-газовая парогазовая много и монополостная и др.

| показатели кавитации ]

- амплитуда давления -частота колебаний -число кавитации -интенсивность и скорость кавитациошюго износа -температура жидкости

условные обозначения:

Р- угол раскрытия диффузора кавитатора

Ж- т* " факторы, существенным образом интенсифицирующие процесс кавитации

С учетом особенностей кавитации и геолого-технических условий ее применения были установлены два классификационных признака:

- факторы, оказывающие влияние на процесс возникновения и развития гадроданамической кавитации;

- параметры кавитации.

Целью исследования факторов являлось определение одного или нескольких факторов, оказывающих определяющее влияние на характер протекания процесса кавитации.

Исследование факторов разделялось на три этапа. На первом этапе проводилось выявление всех факторов, оказывающих влияние на возникновение кавитации и особенности ее протекания. Второй этап посвящен аналитической оценке значимости факторов, а третий направлен на минимизацию их количества за счет отсеивания несущественных и коррелнрующнхея.

В результате анализа факторов было установлено, что количество подаваемой жидкости, форма и размеры кавитатора, включающие диаметр н длину критического сечения кавитатора, диаметр трубопровода на входе в кавитатор и выходе из него, а также угол раскрытия диффузора кавитатора, оказывают определяющее значение на возникновение и характер развития кавитации. В то же время они достаточно хорошо коррелируются с такими параметрами процесса кавитации как величина давления жидкости на входе в кавитатор и выходе из него, Р1 и Р2. Следует отметить простоту регистрации последних с помощью серийно выпускаемых манометров и датчиков давления, что значительно облегчает задачу оперативного управления процессом кавитации.

Одним из основных исследуемых параметров кавитации являлось число кавитации ( К ), имеющее тесную корреляционную связь с амплитудно - частотной характеристикой этого явления.

Р - Р

К=Го ,Гя , где: (1)

РУо/2

Ро - статическое давление в некоторой характерной точке;

Рн - давление насыщенного пара;

р - плотность жидкости;

Уо - относительная скорость невозмущенного потока жидкости

Из формулы 1 видно, что основными факторами, оказы-вакяцими влияние на число кавитащш, являются величины давле-1шя и скорости движения жищост в области образования и захлопывания кавитацпопяых пузырьков.

Несмотря на достаточио тесную корреляционную связь числа К с амплитудно - частотой характеристикой эффекта кавитащш, установленную в результате исследований, использоваште его в качестве параметра оперативного управления эффектом кавитащш представляется затруднительным из-за сложности измерения величин давления и скорости движения жидкости в условиях реальной скважины.

Исследование таких параметров эффекта кавитащш как частота и амплитуда кавитацнонпых колебании давления жидкости показало наличие аналогичных проблем, связанных со сложностью измерения и расчета их величин применительно к требованиям оперативного управления эффектом кавитащш.

С учетом изложенного выше была установлена целесообразность применения величины интенсивности кавитащюнного износа в качестве обобщающего показателя, характеризующего степень и характер разрушающего действия эффекта кавитащш по отношению к различным материалам, а в качестве параметра оперативного управления эффектом кавитащш - величины Р2/Р1 , как наиболее простой для регистрации и регулирования и достаточно хорошо коррелирующейся с интенсивностью кавитационного износа.

Таким образом, результаты анализа явления кавитации доказывают целесообразность применения гидродашампческой кавитации, создаваемой икуссгвенным образом, с целью повышения эффективности процесса освоения и восстановления гидрогеологических скважин.

2. Результаты экспериментальных исследований, проводившихся с применением специально разработанных методики исследований и

экспериментальной базы, доказывают возможность принудительного создания эффекта кавитации в призабойнон зоне буровой скважины.

В настоящее время не существует методики и экспериментальной базы для проведения исследований эффекта кавитащш в условиях близких к условиям реальной буровой скважины. Очевидно одной из основных причин этого является ориентировка подавляющего количества работ на изучение вредаых воздействий кавитации. С учетом этого целесообразным является проведение исследований, направленных на разработку методики и технических средств, позволяющих искусственным образом создавать эффект кавнтацни, а также создание стенда для проведения экспериментальных исследований в условиях близких к условиям реальной буровой скважины.

Современные способы освоения и восст ановления гидрогеологических скважин базируются преимущественно на применении импульсных воздействий, способствующих, ускорению процесса разрушения кольматирующих отложений. Однако применение существующих импульсных стсобов связано с необходимостью применения дополнительного оборудования и различных технических средств, имеющих в своем составе подвижные элементы, являющиеся в условиях скважины дополнительным источником возможных осложнений.

Учитывая сказанное выше, в качестве кавитатора ( генератора кавнтацнонных колебашш ) была использована трубка Вен-тури, состоящая из, соединенных последовательно, конфузора, участка минимального ( критического ) сечения и диффузора.

Применение в качестве кавитатора трубки Ветури, не имеющей подвижных частей и достаточно простой в изготовлении позволяет повысить надежность его работы и минимизировать уровень затрат.

В качестве приспособления, имитирующего призабон-ный участок буровой скважины, была выбрана герметичная цилиндрическая труба днамером 210мм, толщиной стенки 7мм и длиной 1,8 м, имеющая с торцевой части фланец, оборудованный приспособлением для крепления кавитатора, исследуемых образцов горной породы и бурового фильтра.

В состав стенда входят также:

- буровой насос НБ - 3 - 160/63;

- всасывающий и нагнетательный шланги;

- две, соединенные между собою, емкости по двесш литров, заменяющие зумпф;

- даа манометра, контролирующих давление жидкости на входе в кавитатор и в самой кавитацнсшюй трубе;

- дроссель на лилии слива, регулирующий дазление жидкости в герметичной кавитациогаюй трубе.

Структурная схема стенда приведена на рис. 1. Стенд позволял создавать давление в кавитацпошюй трубе от 0 до 6 Мпа

3

при расходе промывочной жидкости от 0 до 160 да /мин.

Для решения задачи по определенно возможности получения эффекта кавигащп1 в условиях приза бойней зоны буровой скважины была разработана специальная методика, которая заключалась в следующем. Кавитатор оборудовался специальными съемными втулками, изменяющими его критическое сечение, Диаметры втулок подбирались таким образом, чтобы в сочетании с дискретным количеством жидкости, подаваемой буровым насосом НБ - 3 - 160/63, в критическом сечении кавитатора создавались скорости движения жидкости, обеспечивающие падение давления до величин, сопоставимых с давлением насыщенного пара при котором происходит зарождение кавптационных пузырьков. Расчеты диаметров критического сечения кавитатора, обеспечивающих при заданном количестве промывочной жидкости необходимое увеличение скорости ее движения, а, следовательно, падение давления до величин, способствующих возшжновехшю кавптационных пузырьков, проводились с помощью персонального компьютера.

В качестве исследуемого материала были выбраны стандартные строительные асбестоцемситные блоки, выдерживающие напряжения сжатия, соответствующие диапазону значений от 15 до 20 МПа. Структура и текстура блоков позволяли быстро и с минимальными затратами установить присутствие эффекта кавитации н характер его разрушающего действия. Из блоков выбуривались цилиндры, имеющие следующие размеры:

- внутренний диаметр, с!вн., мм - 76;

- наружный диаметрс1нар., мм - 168;

- длина, мм - 190.

Внутренний диаметр цилиндров обеспечивал беспрепятственную установку кавитатора, а наружный - крепление образца в кавитациопной трубе. Длина образца ограничивалась раз-

Рис. 1 Структурная схема кавитационпого стенда. Условные обозначения:

1.Насос НВ-3-160/63

2.Герметичная кавитационная труба

3.Всасывающий шланг

4.Нагнегательный шланг

5.Емкости,заме1шощие зумпф

6.Маномепры

7.Дроссель-регулятор

8.Съемный фланец с приспособлением для крепления исследуемых материалов и фильтров

9.Кавитатор

мерами блока п возможностью его разрушения при подготовке посредством выбуривания.

Захлопывание пузырьков воздуха, образующихся в критическом сечении, осуществлялось в диффузоре кавнтйтора за счет узеличсшгя давления. Для повышения вфоятности эффекта захлопывания пузырьков с помощью дросселя регулятора производилось плавное повышение давления в каиггащгониой трубе в пределах от 0 до 2 МПа.

Установление факта возшпшсвеиия эффекта кавнтащш н характера его разрушающего действия осуществлялось пофедством сравнения интенсивности кавитящгошгего нзниса поверхности двух аналогичных образцов, после их обработки потоком промывочной жидкости соответственно в режиме, предполагающем возникновение эффекта кавнтащш и при его гарантированном отсутствии.

Результаты экспериментов, проходившие с использованием кавнтатора, показали появление эффекта кавнтащш, что подтверждается существенным износом внутренней и частично наружной стенки асбестоцемешпого блока, подвергавшегося воздей-ствшо кавптации. Характер кавитационного износа позфхностн асбестодементиото блока является доволыю специфически?.!. По-вфхность износа покрыта множеством впадан в основпом правильной геометрической формы в виде сегмента сферы, которые полностью покрывают исследуемую псвфхиосп> блока. Повфх-ность впадин равномфно шфоховата, что свидетельствует об образовании последних в результате равномфно приложенной нагрузки в виде гидроудара микрострун жидкости.

Косвенными признаками появлешм эффекта кавнтащш являются наличие характерного шума, в виде потрескивания, свидетельствующего о захлопывании пузырьков воздуха и увеличение, в отличие от бескавитацнонного режима, темпфатуры жидкости с 9 до 12°С. Уровень и характер шума изменяются в зависимости от изменения давления в кавитащго1той трубе.

Результаты обработки блоков потоком жидкости в без-кавитащюшюм режиме ( отсутствовал кавнтатор ) при идентичности остальных условий экспфимента выявили отсутствие износа блока и неизменность темпфатуры жидкости.

На основании данных, полученных в результате экспериментов , был сделан вывод о принципиальной возможности принудительного создания эффекта кавнтащш в условиях близких условиям призабойной зоны буровой скважины.

3. Максимальная скорость кааытационяого износа материала достигается при поддержании критерия управления Р2/Р1 в оптимальном диапазоне значений, соответствующем величинам 02 - 0,4.

В ходе экспериментов последовательно решались задачи, состоящие в исследовании влияния критерия управления Р2/Р1 на скорость кавнтацнонного износа твердого материала и глинистого кольматанта, а также температуру жидкости. Продолжительность экспериментов составляла 20 минут.

Исследование зависимости скорости кавнтациопного износа твердого материала и глинистого кольматанта от критерия управления Р2 / Р! осуществлялось, соответственно, с использованием асбестоцемешных блоков, характеристики которых приведены выше и двух сетчатых фильтров, имеющих следующие размеры:

- наружный диаметр, diiap., мм -160;

- внутренний диаметр, ¿вн., мм - 122;

- длина, L, мм - 1400;

- максимальный размер ячейки сейш галунного плетения, мм - 0,5.

Размеры, исследуемых блоков и фильтров, обеспечивали возможность их крепления внутри, герметично закрываемой, кавитациониой трубы, оборудованной приспособлением для крепления кавитатора и дросселем, поддерживающим в ней необходимое давление.

С целью имитации условий, имеющих место в забойной части буровой скважины, внешняя поверхность сетки фильтров покрывалась густым водным раствором бентонитовой глины, применяющейся для приготовления бурового раствора и являющейся основным материалом кольматанта, образующегося в процессе бурения на стенках скважины. Глина наносилась плотным слоем, толщиной 4-5 мм, проникая в отверствия фильтровой сетки и плотно ее закупоривая. Для увеличения прочности глинистой корки до реальной величины фильтры, после их исскуственной кольматации раствором бентонитовой глины, просушивались в течете 24 часов при атмосферной температуре воздуха составляющей 15 - 20°С.

Исследование величины износа блоков и фильтров осуществлялось посредством их обработки потоком промывочной жидкости в кавитациопной трубе. Обработка фильтров и блоков проводилась поочередно в кавитационном и бескавитацдонном режимах. Кашгощионный режим достигался посредством измене-

шгя параметра Р2/Р1, а бескавитациогашш - удалеш1ем кавитатора пз технологической цепи.

Перед началом эксперимента с использованием формул 2 и Зопределялись конструктивные параметры кавптатора. Укр. = Q/y*n* FKp.; (2)

Уд. = Q / у * F2 = Q ( I - -r))/y* n*FKp.; где: (3) Vicp. и Уд. - скорости движения жидкости, соотпстсгаешю в критическом и диффузорном сечениях кавптатора; Q - количество прочьгоочпой Ггсидкосш; 7 - удельный вес жидкости; Iх - коэффициент расхода трубки Вептури;

FKp. и F2 - площадь, соответственно критического и диффузорного сечешш кавитатора; г = Р2/Р1 - параметр кавнгащш.

Количество промывочной жидкости, величины Р2/Р1 и продолжительность эксперимента устанавливались в соответствии с планом эксперимента. В начале каждого эксперимента в течение первой минуты с помощью дросселя, установлешюго на выходе из кавитацношгой трубы осуществлялся плавный выход на величину соотношения P2/PI, установленную для данного эксперимента. Диапазон изменения величины Р2/Р1 в различных экспериментах изменялся в пределах от 0,1 до 0,6 с шагом равным 0,1. В дальнейшем до полного окончания эксперимента все параметры оставались неизменными.

В ходе эксперимента контролировались следующие

параметры:

- давление на входе в кавитатор, PI;

- давлешге на выходе из кавитатора ( давление в кавитационной трубе), Р2;

- отношение Р2/Р1.

После окончания экспериментов производились замеры внутреннего диаметра блока, толщины глинистой корки и температуры жидкости. Степень разброса измеренных значешш определялась с помощью расчета дисперсии и среднеквадратичного отклонения. Оценка разнородности полученных величин, проводившаяся посредством расчета коэффициента вариации ( V < 25 % ) , показала, что все статистические данпые, полученные в результате экспериментов, подчиняются нормальному закону распределения.

На основании данных, полученных в результате экспериментов ( табл. 2 ), построены зависимости изменения скорости ка-

витационного износа а с бестоцем енти ого блока, глинистого коль-матанта и температуры жидкости от величины критерия управления P2/PI.

Влияние параметра Р2/Р1 на величину навигационного износа блока, глинистого кольматанта и температуру жидкости.

Q = 160 дм/мин; PI = 2,4 МПа; Р2 = (0,24- 1,64 )МПа; <1вх.=38мм; dicp. = 6 мм; 1кр. = 12 мм; ёвых. = 60 мм; ß = 20; dsn. обр. = 112 мм. t = 20 мш; t°C = 9

Табл. г

Величина 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

параметра

Р2/Р1

Величина 1,0 3,5 5,7 4,0 3,0 1,8

износа блока по внутреннему диаметру, Уи.б., мм

Износ толщины 1,1 3,7 5,9 4,5 3,4 2,3

глинистой корки, Уихлс., мм

Температура 11 14,5 16 15 13 12

жидкости, t°C

Из рис. 2 видно, что скорости кавитационного износа материала блока и глинистого кольматанта достигают максимальных величин в диапазоне значений критерия управления Р2/Р1 соответствующем величинам от 0,2 до 0,4.

Исследование внешнего вида фильтров и блоков, полученного в результате их обработки потоком жидкости в кавитаци-онном и безкавитационном режимах, показало, что после обработки фильтров в бескавитационном режиме толщина глинистой корки осталась прежней. При обработке в кавитационном режиме ( Р2/Р1 = 0,3 ) в течение 20 минут фильтр полностью очистился от глинистой корки. Максимальный износ поверхности материала блоков также наблюдался при значении Р2/Р1 = 0,3.

Зависимость изменения температуры жидкости от величины соотношения Р2/Р1 (рис. 3 ) показывает, что в области оптимальных значений Р2 / PI, находящихся в диапазоне 0,2 - 0,4 , наблюдается повышение температуры жидкости на 5 - 7°С.

Рис. 2 Общий вид зависимостей изменения скоростей кави-тационного износа материалов от критерия управления Р2/Р1

(1- асбестоцемешный блок, 2- глинистый кольматант)

Рис.3

Общий вид зависимости изменения температуры жидкости от критерия управления Р2/Р1

Зависимости, представленные на рисунках. 2 и 3, выражаются уравнениями регрессии ( 4 и 5 ) параболического вида.

yi = ai +bi х + ci хЛ (4)

у2 = аг + b2 х + C2 ха ; где: ( 5 )

yi - скорость кавитационного износа материалов; у2 - температура промьшочной жидкости; х - величина критерия управления; ai , bi , cj и аг, b2 , с2 - эмпирические коэффициенты.

На основании полученных зависимостей был сделан вывод о том, что скорость кавитационного износа различных материалов достигает своей максимальной величины в диапазоне соотношения критерия управления Р2/Р1 соответствующем значениям от 0,2 до

0.4.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Разработана классификация явлення кавитации, позволяющая осуществлять оценку применимости эффекта кавитации в различных технологических процессах, имеющих место при ведении работ по сооружению, освоению и восстановлению скважин.

2. Разработаны методика н экспериментальная база, позволяющие проводить исследования эффекта кавитации в условиях близких условиям реальной буровой скважины.

3. Доказана возможность использования эффекта кавитации при освоении и восстановлении скважин.

4. Экспериментально установлена зависимость характера износа материала от интенсивности кавитационного воздействия.

5. Предложен критерий управления эффектом кавитации, позволяющий оперативно поддерживать максимальную скорость кавитационного разрушения кольматанта за счет оптимального соотношения частоты и амплитуды кавнтащюнных колебаний жидкости.

6. Экспериментально установлена качественная закономерность изменения скорости кавитационного износа материалов от критерия управления Р2/Р1.

7. Экспериментально установлена общая закономерность измене-ш1я температуры жидкости от параметра Р2/Р1.

8. Экспериментально установлена оптимальная область значений критерия управления Р2/Р1. Для эффективного разрушения кольматанта, образующегося на фильтре н в призабойной зоне скважины, рекомендуется поддерживать значения Р2/Р1 в пределах от 0,2 до 0,4.

9. Разработаны рекомендации по применению эффекта кавитации и созданы технические средства ее реализащш

10. Создан алгоритм выбора оптимальной технологии и технических средств создания эффекта кавитации

11. Разработана технологическая схема, повышающая эффективность освоения скважин за счет создания эффекта кавитацни с помощью базового бурового оборудования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Применение управляющих вычислительных комплексов в бурении. Конференция аспирантов и студентов, г. Краков, 1988г. ( тезисы докладов ).

2. Промывочная система современных буровых алмазных коронок. Конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов академии. " Новые материалы в области наук о земле", 8-21 апреля 1991г. (тезисы докладов), Москва, 1991 (соавтор В.Е. Афонин).

3. Кавитация и возможности ее прим снегам в горном деле и геологоразведке. Геология и разведка, №3, 1996г. М.,МГГА, 1996

( соавтор И.П. Ганин ).

4. Способ работы струйной установки. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение № 96120978 от 29.09. 1996г. ( соавтор Д.Н. Башкатов )-

5. Экспериментальное исследование возможности создания эффекта кавитации в призабойной зоне буровой скважины. Геология и разведка. М., МГГА, (в печати).