автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Научно-практические основы бурения скважин с гидроизвлечением съемного керноприемника

л

и,

На правах рук описи

Мендебаев Токтамыс Нусипхулович

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БУРЕНИЯ СКВАЖИН С ГИДРОИЗВЛЕЧЕНИЕМ СЪЕМНОГО КЕРНОПРИЕМНИКА

Специальность 05.15.14 "Технология и техника геологоразведочных работ"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1956

Работа выполнена в АО "Научно-внедренческий центр "Алмас"

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Башкатов Д.М.

доктор технических наук, профессор Онищин В.П.

доктор технических наук Киселев А.Т.

Ведущее предприятие: АО "Карагандагеология"

Защита диссертации состоится " 21 " марта 1996 г.

в 15 ч 30 мин. на заседании диссертационного Совета Д.063.15.12 в Санкт-Петербургском государственном горном институте по адресу: 199026 Санкт-Петербург, В-26, 21 линия, дом.2, зал N 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан " && 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д.063.15.03, д.т.н., проф.

И.П.Тимофеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Из всех известных видов забойной техники колонкового бурения скважин на твердые полезные ископаемые, одним из перспективных на сегодняшний день и в обозримом будущем остаются снаряды со съемными керноприемниками типа ССК. Их преимущества перед другими техническими средствами аналогичного назначения обусловлены главным образом принципиальными конструктивными отличиями, позволяющими обеспечить достижение основной цели разведки недр - получение качественного геологического материала в виде цельного, структурно ненарушенного керна при минимальных материальных затратах и высокой производительности труда.

Наряду с известными реализованными преимуществами, снаряды ССК имеют огромные, до сих пор практически неиспользованные потенциальные резервы, приводимые в действие только переходом от канатного способа извлечения съемного керноприемника к гидроизвлечению под напором обратного потока жидкости. При этом по сравнению с традиционным канатным способом отпадает необходимость использования громоздкой подъемной лебедки, стального каната большой протяженности, овершота и других устройств, а также выполнения вспомогательных операций, связанных с их эксплуатацией. Кроме того, при гидроизвлечении съемного керноприемника снимается характерное для канатного способа ограничение по углу заложения скважин, и тем самым значительно расширяется сфера применения снарядов ССК за счет бурения ими наклонных, горизонтальных и восстающих скважин, что позволяет повысить эффективность проводимых геологоразведочных работ.

В области теории и практики разведочного бурения скваяин наиболее глубокие исследования были выполнены Д.Н.Башкатовым, Б.И.Воздвиженским, Л.К.Горшковым, А.Г.Калининым, В.Г.Кардышем,

A.Т.Киселевым, Е.А.Козловским, Б.Б.Кудряшовым, Ю.Т.Морозовым,

B.П.Онищиным, Ю.М.Парийским, С.С.Сулакшиным, Ф.А.Шамшевым, И.Г.Шелковниковым, А.М.Яковлевым и др.

Ведущими организациями в бывшем СССР по проблемам исследования и создания технических средств бурения скважин снарядами со съемными керноприемниками ССК и КССК соответственно были ВИТР и СКВ "Геотехника", которые, определяя приоритетные направления и

стратегию научных работ, обеспечивали высокий уровень разработок в мире.

В ВИТРе (В.П.Онищин, И.А.Запевалов и др.) были выполнены обстоятельные работы по изучению особенностей гидродинамики процесса бурения скважин снарядами ССК, в том числе проблемы проходимости съемного керноприемника под действием гравитационного веса в покоящейся жидкости. Полученные результаты в виде математических зависимостей легли в основу практических расчетов проектирования технических средств и технологических режимов проводки скважин снарядами ССК-59.

До недавнего времени вопросы исследования транспортировки съемного керноприемника коснулись, в основном, либо проблем изучения закономерностей.его нисходящего движения в направлении забоя, либо восходящего с керновым материалом в сторону устья за счет тяговых усилий подъемной лебедки.

Лишь в последние годы начали появляться отдельные работы, посвященные исследованию различных аспектов гидротранспортирования съемного керноприемника.

Однако практическая применимость способа гидроизвлеченип съемного керноприемника может быть обеспечена только на базе результатов и выводов глубоких, целенаправленных научных исследований по определению гидродинамических характеристик нисходящего, подводящего потока жидкости в кольцевом канале и принципов силового взаимодействия совместного движения съемного керноприемника и несущей напорной жидкости внутри колонны бурильных труб.

С пониманием важности работ в этом направлении и по результатам конкурсного отбора наиболее значимых научно-технических разработок тема "Разработка теоретических основ бурения скважин с гидровыносом съемного керноприемника и создания механико-математической модели: теория и эксперимент" была включена в перечень Программ МНТС по линии Министерства науки и новых технологий Республики Казахстан. Помимо этого, научные разработки по созданию технических средств бурения скважин с гидроизвлечением съемного керноприемника вошли в план НИР и ОКР по Министерству геологии и охраны недр.

Идея работы - изменение способа транспортировки съемного керноприемника в направлении устья скважины за счет перехода с

канатного подъема к гидроизвлечению напором обратного потока жидкости.

Цель работы - повышение эффективности процесса бдения и расширение области применения снарядов типа ССК (КССК) за счет внедрения системы гидроизвлечения съемного керноприемника.

Указанная цель реализована посредством постановки и решения следующих задач:

- определение гидродинамические характеристик нисходящего подводящего потока жидкости в кольцевом канале, ограниченном стенками скважин и колонной бурильных труб;

- разработка методики расчета основных гидродинамических параметров совместного движения керноприемника и несущей жидкости по каналу бурильной колонны;

- изучение условий возникновения и областей существования характерных скоростных режимов движения системы' несущая жидкость - керноприемник;

- поиск возможных способов создания локальной подвижной зоны разрежения в передней части керноприемника при гидроизвяечении, позволяющей осуществить перевод съемного керноприемника из пассивного состояния в активное;

- оценка эффективности применения нетрадиционных способов и средств гидроизвлечения съемного керноприемника из скважины;

- разработка конструктивных схем наземных и забойных технических средств системы гидроизвлечения съемного керноприемника;

- сравнительный анализ технико-экономических показателей традиционного канатного способа извлечения и гидроизвлечения съемного керноприемника из скважины.

Методы исследований. Анализ литературных источников из области гидромеханики жидкостей трубопроводного транспорта цилиндрических контейнеров с грузом для выбора основных направлений научно-исследовательских работ с целью создания эффективной системы гидроизвлечения.

Теоретические исследования с использованием известных математических методов для изучения: гидродинамических характеристик нисходящего подводящего потока жидкости в кольцевом канале, принципов силового взаимодействия съемного керноприемника и несущей напорной жидкости при их совместном движении по колонне

бурильных труб, возможности создания локальной подвижной зоны разрежения в передней части керноприемника при гидроизвлечении, математических зависимостей рабочих параметров создаваемых тех- | нических средств и критериев их оценки, сравнительных технико-экономических показателей.

Экспериментальные исследования выполнялись для определения значений местных потерь давления нисходящего потока жидкости в кольцевом канале между стенками скважин и внешней поверхностью матрицы серийного и экспериментального породоразрушающего инструмента, для практической проверки достоверности полученных математических формул по определению скорости движения съемного керноприемника в зависимости от расхода подаваемой жидкости и объемной плотности последнего, а также с целью визуального наблюдения за гидроперемещением съемного керноприемника, за действиями струйного аппарата и других технических средств, позволяющих перевести керноприемник из пассивного состояния в активное.

Опытно-производственные исследования были выполнены в действующих скважинах с целью комплексной проверки работоспособности технических средств непосредственно в процессе бурения скважин и при гидроизвлечении, для уточнения зависимости скорости движения съемного керноприемника от угла наклона скважин при определенных значениях его объемной плотности и расхода жидкости.

Научная новизна диссертации заключается в установлении общих функциональных гидродинамических закономерностей совместного движения гидроизвлекаемого съемного керноприемника и потока несущей жидкости по колонне бурильных труб с учетом напорного действия подводящего потока, расхода и скорости движения несущего потока, конструктивных параметров самого керноприемника (диаметра, длины, относительной объемной плотности) и гидродинамических характеристик породоразрушающего инструмента и разработке на этой основе ряда расчетных методик для определения потерь давления, скоростей движения потока в различных элементах циркуляционной системы скважины, а также абсолютных и относительных гидравлических сопротивлений движению керноприемника, что является основой для проектирования технологии бурения с гидроизвлечением съемного керноприемника и соответствующих технических средств для его осуществления (керноприемников со струйными ап-

паратами, породоразрушагацих инструментов, приустьевого оборудования ).

Практическая ценность работы:

- показана принципиальная осуществимость, потенциальные возможности и эффективность применения способа проводки скважин с гидроизвлечением съемного керноприемника вместо традиционного канатного извлечения;

- определены требования, предъявляемые к конструкциям и рабочим характеристикам технических средств бурения скважин с гид-роизвлекаемым съемным керноприемником;

- разработаны на уровне изобретений, испытаны на стенде с возможностью визуального наблюдения струйный аппарат, другие устройства, позволяющие путем создания дополнительной подъемной силы перевести съемный керноприемник при гидроизвлечении из пассивного состояния в активное;

- разработаны на уровне изобретений и внедрены в производство буровых работ конструкции колонковых наборов ССК-59ГТ, породоразрушагацих инструментов типа ЮКС-59С и ЮКИ-76.

- изданы и распространены среди геологических предприятий рекламно-информационные материалы, содержащие сведения о технических средствах бурения скважин с гидроизвлекаемым съемным керноприемником.

Реализация работы в промышленности и учебном процессе.

Технические средства бурения скважин с гидроизвлечением съемного керноприемника внедрены в производство буровых работ АО "Карагандагеология", АО "Каратаугеология" и АО "Алтынгеоло-

м

гия .

Породоразруаающие инструменты ЮКС-59С и ШКИ-76, принятые к

серийному производству заводом АО "Терекалмаз", были отработаны в условиях ПГО "Ташкентгеология" и "Самаркандгеология".

Результаты исследований внедрены в учебный процесс путем чтения лекций студентам СПГГИ и КАЗНТУ.

Отдельные результаты диссертационной работы были изложены в монографии "Разведочное бурение с гидроизвлечением керноприемника" (авт.: Л.К.Горшков, Т.Н.Мендебаев) - СПб.: Недра, 1994.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном

совещании разработчиков буровой техники (Алма-Ата, 1989) и Всесоюзной научной конференции, посвященной проблемам разработки бурового инструмента из синтетических алмазов (Киев, 1990), а также на конференции, посвященной 100-летию со дня рождения проф. Ф.А.Шамшева (Санкт-Петербург, 1993) и Всероссийской научно-технической конференции (Томск, 1994). Кроме того, доклады по теме диссертации были сделаны на II и III Международных симпозиумах по бурению скважин в осложненных условиях (Санкт-Петербург, 1992, 1995). Обсуждение отдельных вопросов внедрения способа гидроизвлечения съемного керноприемника проходило на юбилейной научно-технической конференции, посвященной 65-летию геологической службы Казахстана.

Алмазные буровые коронки ЮКС-59С и ЮКИ-76 экспонировались на Международной специализированной выставке горно-рудного шахтного оборудования и технологии "МинТех 95", г. Алматы, 1995.

Исходные материалы и личный вклад. Основу диссертационной работы составляют результаты аналитических, теоретических, экспериментальных исследований и опытно-производственных испытаний, начатых автором в 1983 г., а также выполняемые под его руководством в настоящее время в Государственной акционерной компании "Жайлау" научно-исследовательские работы, проводимые в рамках пообъектного плана Министерства геологии и охраны недр Республики Казахстан.

Автор выражает искреннюю признательность доктору технических наук, профессору Л.К.Горшкову, доктору технических наук, профессору В.П.Онищину за консультации и помощь при работе над диссертацией, коллективам производственно-геологических организаций и научно-внедренческого центра "Алмас", принимавшим участие в стендовых и полевых испытаниях технических средств и их внедрении в производство геологоразведочных работ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: одна монография, 19 статей, 8 авторских свидетельств, 1 патент Российской Федерации, 1 патент Республики Казахстан.

Объем и структура работы. Диссертационная работа содержит страниц машинописного текста,рисунков, /О таблиц и состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из Оо наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе изложен анализ состояния теории и практики известных способов гидравлического трубопроводного транспорта твердых тел ц жидких материалов, поставлена цель, определены задачи исследований.

Во второй глазе приводятся теоретические и экспериментальные исследования гидродинамических характеристик нисходящего подводящего потока жидкости в кольцевом канале, ограниченном стенками скважин и колонной бурильных труб.

В третьей главе исследуется гидродинамика силового взаимодействия подвижной связки несущая жидкость - съемный керноприем-ник внутри бурильной колонны и дается методика определения лобового гидравлического сопротивления движению керноприемника.

В четвертой главе рассматриваются возможности перевода съемного керноприемника при гидроизвлечении из пассивного состояния в активное, виды средств для реализации перевода.

Пятая глава посвящена вопросам разработки технических средств и технологии бурения скважин с гкдроизвлечением съемного керноприемника.

В шестой главе дана оценка эффективности применения способа гидроизвлечения съемного керноприемника в зависимости от интенсивности водопоглощения в скважинах, меры по ее предупреждению и приведены технико-экономические показатели внедрения указанного способа.

На основе выполненных научных исследований сформулированы следующие защищаемые положения:

1. Созданием зоны наибольших пустот по окружности контактирования матрицы породоразрушающего инструмента со стенкой скважин и линейным распространением этой зоны до устья последней обеспечивается снижение потерь давления в нисходящем потоке жидкости, движущейся по кольцевому каналу.

Одним из основных факторов, определяющих эффективность бурения с гидроизвлечением съемного керноприемника, является величина потерь давления в нисходящем потоке жидкости, движущейся по кольцевому каналу, ограниченному стенками скважины и колонной

бурильных труб. При этом различают потери по длине и местные потери, что суммарно определяет общие потери.

При определении величины потерь давления в нисходящем потоке жидкости следует учесть два важных исходных момента, определенным образом влияющих на точность выполняемых расчетов.

Первый. При гидроизвлечении съемного керноприемника форма кольцевого канала определяется положением колонны бурильных труб в скважине. По данным инклинометрии, в строго вертикальных скважинах кольцевой канал концентричный, в наклонных имеет три четко выраженных участка: концентричные верхние и нижние, эксцентричный промежуточный, имеющий сравнительно малую протяженность. Данное обстоятельство свидетельствует о корректности допущения о концентричности всего кольцевого канала, предполагающего худшие условия для гидроизвлечения керноприемника из-за больших потерь давления жидкости, чем при эксцентричном расположении.

Второй. Исследованиями неустойчивости нисходящего потока жидкости установлено, что стабильное ламинарное течение потока обеспечивается при гидроизвлечении съемного керноприемника комплекса ССК-59 с расходом жидкости до 120 л/мин , переходный процесс наблюдается при расходе жидкости, равном 140 л/мин , устойчивое турбулентное течение имеет место при расходе жидкости, начиная со 160 л/мин.

Так как сегодняшняя практика буровых работ с гидроизвлечением съемного керноприемника предполагает расход жидкости до 140 л/мин , то в дальнейших расчетах режим нисходящего потока принимается условно ламинарным.

Расчет потерь давления нисходящего потока жидкости на длину кольцевого канала основывается на определении расхода жидкости:

<? г[тГ/(8у,]}(лР/1 - (1)

где ^ - коэффициент динамической вязкости, 1 - длина кольцевого канала, на котором перепад давления равен дР, р - плотность жидкости, ускорение свободного падения, и = Н\/Вг - отношение радиусов колонны бурильных труб и скважины.

Откуда

- и -

лР = I

г

«ЛЯ*

п

(2)

где

1 + т2 +

т

Ъьт

Расчет потерь давления, произведенный с помощью ЭВМ ЕС-1045 на длине кольцевого канала 1200 м показал, что соотношение его геометрических характеристик, соответствующее размерам комплекса ССК-59 (5 = 0,92), способствует возрастанию потерь давления до самого высокого уровня, тогда как увеличение ширины кольцевого канала, а вместе с этим снижение величины ш за счет увеличения диаметра скважины до 63-65 мм обеспечивает снижение потерь давления практически на порядок.

Местные потери давления нисходящего потока жидкости обусловлены наружным диаметром породоразрушающего инструмента, практически равного диаметру скважины. В данном случае промывочные канавки матрицы породоразрушающего инструмента определяют основную часть от общих потерь давления. Для их выражения введем понятие эквивалентного диаметра кольцевого канала и представим формулу для определения перепада давления жидкости в виде

,2

I.

м

где 1» - высота матрицы, с/э - эквивалентный диаметр кольцевого канала, X - коэффициент гидравлического сопротивления, 11к -средняя скорость жидкости в кольцевом канале.

Эквивалентный диаметр можно определить через коэффици-

ент е, представляющий собой отношение площади пустот в матрице к общей площади кольцевого канала:

с/э = 4е/5УЛ)

где Яуд- удельная поверхность элемента матрицы. Из приведенных математических зависимостей следует, что чем больше величина суммарной площади пустот между внешними стенками матрицы и скважины, тем больше коэффициент е и меньше значение местных потерь давления жидкости.

Расчетным путем определено, что серийные инструменты ССК-59 типа К-01, К-01-1 имеют коэффициент <а= 0,21.

Отсюда была обозначена задача разработки для бурения скважин с гидроизвлечением съемного керноприемника породоразрушакхцих инструментов с отличительными особенностями, позволяющими создавать зоны наибольших пустот между внешними стенками матрицы и скважины. Поставленная задача была решена созданием породоразру-шающего инструмента с секторами матрицы переменной высоты и ширины, убывающими по высоте и расширяющимися по толщине от передней стенки к задней. Изготовленные в АО "Терекалмаз" экспериментальные инструменты ЮКС-59С имели коэффициент с. - 0,48, что более чем в два раза выше, чем у серийных коронок.

Результаты теоретических вычислений значения местных потерь давлений жидкости для серийных и экспериментальных инструментов были проверены на стенде, спроектированном в соответствии с критериями подобия гидромеханики. Согласно этим данным, значения местных потерь давления жидкости в кольцевом канале матриц серийных инструментов в среднем в двадцать раз больше, чем у экспериментальных, что указывает на соответствие последних условиям осуществления процесса гидроизвлечения съемного керноприемника. Образование зоны наибольших пустот по окружности контактирования матрицы породоразрушащего инструмента и стенки скважины, обусловленной конструктивными особенностями последнего, предполагает линейное распространение этой зоны через корпус инструмента, внешние поверхности колонкового набора и колонны бурильных труб от забоя до устья скважин за счет выполнения продольных соосных канав на длину кольцевого канала. Предлагаемое техническое решение без ущерба для прочности колонны бурильных труб позволяет существенно снизить суммарные потери давления в нисходящем потоке жидкости.

2. Закономерности изменения гидродинамических характеристик силового взаимодействия связки съемный керноприемиик - несущая жидкость внутри бурильной колонны определяются соотношением объемной плотности первого и скорости потока в его свободной части, причем с увеличением последней, влияние объемной плотности кер-ноприемнцка уменьшается.

Установление взаимосвязи гидродинамических характеристик совместного движения съемного керноприемника и несущей напорной жидкости внутри бурильной колонны и выявление на этой базе характерных скоростных режимов их относительного перемещения составляет основу для принципа конструирования технических средств и проектирования технологических параметров процесса гидроизвлечения.

Обозначим баланс сил, действующих на движущийся керноприемиик в сплошной жидкой среде, в виде уравнения:

т.-— = -+-с тс«* г -ф, (з)

¿Ь 1 * 4

где й = рс.£сТ£с/с/4 - масса керноприемника, заполненного керном, р с, с/с| 1с и 1!с. - соответственно объемная плотность, диаметр, длина и скорость движения керноприемника, Р\, Ра - давление жидкости соответственно на задней и передней оконцовках керноприемника, 'Сс - касательное напряжение на его боковой поверхности, Ф - сумма сил тяжести и механического трения керноприемника, I - время.

Связь между скоростями движения керноприемника, потока в его свободной части и в кольцевом зазоре определяется из условия постоянства расхода жидкости:

•Ло1„ IX 2)

(Ко-Ю-^- (Рш - 17С )-1—- > (4)

где е/р - диаметр канала бурильных труб, Но и От ~ соответственно скорость потока в его свободной части и в кольцевом зазоре.

Следует отметить, что наибольший практический интерес представляет вариант С/с < 0о, так как в большинстве случаев, согласно эксперименту, скорость керноприемника ниже скорости потока.

Исключением может стать, как будет показано ниже, применение сверхлегких керноприемников с усредненной объемной плотностью, близкой к плотности жидкости.

Определив значение каждого из составляющих в формуле (3) и считая движение керноприемника установившимся ¿¿/с / Л = О, окончательно имеем:

для случая, когда Ис < И0,

ао (5)

= 2 (рс - % -Ь (вьпаС + Нсвое)[¿4. (1 - 77с )02], ио

где - безразмерный коэффициент местного гидравлического сопротивления, & = с?с/с?р - относительный диаметр керноприемника, ис = Vс/йа - относительная скорость движения керноприемника, ^с =рс/р - относительная объемная плотность, ^ - ускорение силы тяжести, об- угол наклона скважины от вертикали.

Когда же скорость движения керноприемника больше скорости потока, будем иметь:

в _ \2г„

- 9 / У

ос р — о-

'с

I,

■ (6)

Уравнения (5) и (6) при известных значениях А и позволяют получить явную зависимость скорости керноприемника от скорости потока, сил тяжести и механического трения,угла наклона скважины, коэффициентов гидравлического сопротивления, а также геометрических размеров керноприемника. Покажем это для случая ис < Но- Вводя для краткости обозначения, перпишем (5) в виде:

(«з04 _ а1)я2 + 2азв2й +а3 -а^ = 0, (7)

/ О -\21с

где ссх = 1 аг - (Л.-+ 2^с) — ,

\ 1-е ' <1с

а3 = 2(рс - 1) — (бшоС + /совоб), д = ис - 1. Vо

Решение квадратного уравнения (7), соответствующее физическому смыслу движения, примет вид

/ 4 ' 2

1/4-а, я* 6 +4а*а.> -4а0а, - 2«,в

и =1+-—--\ { 1--—. (8)

2 (аэв4-аА)

Теоретические расчеты с экспериментальной проверкой были выполнены при трех различных значениях относительной объемной плотности керноприемника: высокой, когда скорость керноприемника много меньше скорости потока; средней, когда обе скорости близки по значению; низкой, при которой скорость керноприемника выше скорости потока. Расчеты показали, что в случае движения тяжелого керноприемника (рс = 2,6) скорость его всегда меньше скорости потока как в его свободной части, так и в кольцевом зазоре. Отклонение ствола скважины от вертикали, то есть образование экс- ' центритета при угле оС=тГ/З, приводит к уменьшению скорости керноприемника и росту скорости потока в кольцевом зазоре. Увеличе-

ние угла отклонения скважины от вертикали до 06= TÍ/6 способствует некоторому росту скорости керноприемника и снижению скорости потока в кольцевом зазоре. Объясняется это уменьшением составляющей силы тяжести керноприемника на направление его движения. _

При средней объемной плотности керноприемника (рс = 1,8) наблюдается образование односкоростного континуума, когда все скорости равны скорости потока в его свободной части UQ = =1,26 м/с.

В случае гидроизвлечения легкого керноприемника значения l'G при всех режимных параметрах больше значений U0• При этом резко уменьшается сила трения на боковой поверхности керноприемника, перепад давления на входе в кольцевой зазор меняет свой знак на обратный, что делает его основной движущей силой для керноприемника, наряду с перепадом давления на всей длине последнего.

В этой связи представляет интерес изучение потерь давления от гидравлического трения дРтр потока в кольцевом зазоре и скоростных потерь дР на длине керноприемника, что определяет гидродинамические сопротивления.

Для абсолютного гидравлического сопротивления имеем:

А

Г1сС

Относительное же сопротивление рассчитывается как отношение абсолютного сопротивления к величинам боковой поверхности керноприемника и динамического напора:

А.

Если для относительного гидродинамического сопротивления Л»отн характерно асимптотическое убывание при любых значениях Рс

11 Ь'0, то для тяжелого керноприемника с рс = 2,6 график лРтр представляет собой убывающую ветвь парабол!,:, а прирс_^ 1,8 перегиб кривой начинается вблизи Со = 1,26 м/с. В случае Рс 1,25 график меняет свое направление на противоположное.

3. Коэффициент гидравлического сопротивления керноприемника определяется в зависимости от потерь давления при входе жидкости в кольцевой зазор,__его геометрических характеристик и относительной объемной плотности,_что выражается через скорость его

движения, а также скорость потока в свободной части канала, с увеличением последней сопротивление убывает и стремится к постоянному значению.

Сила гидравлического сопротивления керноприемника при его обтекании равна сумме сил давления и трения, действующих на кер-ноприемник.

л РЯ + -ГсПс/с, (10)

где 5 и П - площадь поперечного сечения и периметр керноприемника.

Перепад давления определяется рядом составляющих:

^ = + (11)

где л-Рцх- перепад давления при входе в кольцевой зазор; лРс -то же в кольцевом зазоре; то же при выхоже из кольцевого

зазора.

Перепад давления при входе в кольцевой зазор равен:

, (12)

где ¿/ " коэффициент местного сопротивления, аР^ коэффициент, учитывающий форму обтекаемой головной части керноприемника, для плоской поверхности дР^ 1. Для керноприемников с удобнообте-каемой формой головной части лР]}Х< ¿? и его точное значение

должно определяться экспериментально.

Перепад давления в кольцевом зазоре выражается формулой

¡>Ъ

а

т

где К - ширина зазора.

Перепад давления на выходе из кольцевого зазора равен нулю, так как давление на верхнем торцевом обрезе керноприемника равно давлению при выходе из кольцевого зазора д^Ь1Х= 0.

Удельная сила трения на боковой поверхности керноприемника представляется в виде

и

с с 2

т,

(14)

где «С - коэффициент трения на боковой поверхности керноприемни-

ка.

Подставляя (И), (12) - (14) в (10), найдем силу гидравлического сопротивления

(^'е2)(1 - е2 Г- (1-^)1 р(и-с-и0

,2

-2

£7,

т

В гидродинамических расчетах используется коэффициент сопротивления отнесенный к площади поперечного сечения керноприемника 5 и динамическому напору 2 , тогда имеем

Сх-

4+£>' еа- а-л!>)(1 - О1)2" (ис -

(к

ЕХ

б _ \ 21

(15)

Из формулы (15) следует, что коэффициент гидравлического

сопротивления во многом зависит от скорости движения керноприем-ника 1/с- В свою очередь, Лс находится в зависимости от скоростей потока в его свободной части 170 и в кольцевом зазоре~1Тт. По данным расчета, значение коэффициента гидравлического сопротивления снижается с уменьшением объемной плотности керноприемника, и по мере увеличения скорости потока жидкости становится практически постоянным.

4. Плавучесть съемного керноприемника при гидроизвлечении можно усилить при переводе из пассивного состояния в активное, снабдив его струйным аппаратом, принцип действия которого основан на создании локальной зоны разрежения в передней части керноприемника, что позволяет снизить его гидравлическое сопротивление и энергозатраты, при этом эффективность работы аппарата обусловлена значениями угла у между направлением выхода струи и тангенциальной составляющей, а также расходом жидкости протекающей через его каналы.

Экспериментально установлено, что включение в состав керноприемника струйного аппарата позволяет создавать в его передней части вращательное движение жидкости и, вместе с ним, локальной зоны разрежения, и тем самым обеспечивается перевод съемного керноприемника при гидроизвлечении из пассивного состояния в активное. По конструктивным схемам различают противоточный струйный аппарат, приводимый в действие обтекаемым потоком, когда

<17с, и прямоточный, применяемый при У^ >7УС. Этим самым следует отметить, что схема струйного аппарата определяется характерным режимом движения связки съемный керноприемник - несущая жидкость. Методику определения расчетных параметров струйного аппарата целесообразно получить для наиболее распространенного на.практике случая, когда скорость потока жидкости в его свободной части превышает скорость перемещения керноприемника. В этом случае жидкость под давлением подводится в направляющие каналы, выполненные по телу корпуса струйного аппарата с уклоном в одну сторону, проходит по ним и выходит в пространство над керноприемником. Проходя с большой скоростью по каналам и имея импульс в тангенциальном направлении, жидкость увлекает во вращательное движение корпус, струйного аппарата, чем способствует появлению локальной зоны разрежения в передней части керноприем-

ника и снижению гидравлического сопротивления его движению. Общий расход потока распределяется по кольцевому зазору и направляющим каналам. Исходя из условий равенства потерь давления жидкости в кольцевом зазоре и каналах, находим расходы жидкости в

них _

—

Чт?

^пъ

а

Ч) $1

ггь (16)

О

1т) $1

где общий расход потока,Ат,- коэффициенты гидравлического сопротивления кольцевого зазора и каналов, - ширина зазора, 1т, - соответственно длины и площади кольцевого зазора и каналов,тъ - число каналов.

Определение расхода жидкости в канале позволяет найти скорость истечения струи . При этом струя вытекает под

углом I/ к тангенциальной составляющей, поэтому скорость вращения струи равна

г^ = Т^соэ^. (17)

Вращательное струйное движение жидкости создает разрежение в передней части аппарата:

аР^ . (18)

Значение константы С найдено в опытах с центробежными форсунками и равно 1,9.

Эффективность работы струйного аппарата оценивается по двум взаимосвязанным показателям: отношению давления разрежения лРв к общему перепаду давления жидклсти лР при движении керноприем-ника и балансу энергии.

Из приведенных расчетных данных (табл.) следует, что величина давления разрежения зависит от значений угла у? и расхода жидкости протекающей через направляющие каналы. При у = 30°,

начиная с расхода жидкости <?1 = 1,79 • 10"4 м3/с, величина давления разрежения д Р^ превышает перепад давления л Р, и этот разрыв с увеличением расхода жидкости <?1 имеет тенденцию к росту.

Значения давления разрежения лР$, в зависимости от соотношения расходов (?о и (?1 и общих потерь давления в потоке лР

Qu мЗ/с-104

Потери давления лР, кПа

Скорость вращения , м/с

(f =60°

f= 30°

Давление разрежения дР?, кПа

^=60°

у =30°

3 =

А Р

(р=60°

/=30°

3

1,13 1,24 1,49 1,65 1,79 1,93 2,02 2,20

41,946 42,011 42,041 42,096 42,189 42,472 42,513 44,384

2.5

2.7 3,3

3.6 3,9 4,2 4,5

4.8

4,4 4,7

5.7 6,3

6.8 7,3 7,8 8,3

6,095 7,184 10,220 12,559 14,580 16,893 19,366 21,906

18,308 23,024 30,649 37,670 43,670 50,667 58,094 65,761

0,14 0,17 0,24 0,30 0,34 0,40 0,45 0,49

0,43 0,55 0,73 0,89 1,03 1,19 1,36 1,48

Потери энергии на движение жидкости в струйном аппарате определяются потерями давления в каналах и кольцевом зазоре и соответственно равны, Вт:

Ni - д Pi-

tt df

тс

Vi, Nm = А Рт-(¿2 - t%) • Um,

4

7

8

9

1

2

4

5

6

где А Р\ и дРт потери давления соответственно в каналах и кольцовом зазоре'.

Гидравлическая мощность потока, действующего на керноприем-ник, представляется в виде

N = д Р--{/о, Вт.

4

Тогда доля потери энергии (мощности) на движение жидкости в струйном аппарате составляет

пМх + Лщ

л# =- •

/V

Расчетные данные показывают, что в зависимости от значения расхода жидкости, принятого при гидроизвлечении керноприемника, величина д N составляет от 5 до 15 X от всей мощности потока, тогда как эффективность струйного аппарата, оцениваемая отношением давления разрежения к общему перепаду давления, составляет при ¡р = 60° соответственно от 14 до 49 %. Таким образом, приведенный энергетический баланс струйного аппарата подтверждает безусловную эффективность их применения, что было отмечено при проведении экспериментов.

5. Принципы, заложенные в конструкции породоразрушаюших инс-труметов и съемных керноприемников, а также устьевого превентора обеспечивают, наряду с рациональной технологией, требуемую эффективность процесса бурения скважин с гидроизвлечением съемноп керноприемника.

Принципиальные особенности бурения скважин с гидроизвлечением съемного керноприемника обусловливают соответствующие требования к конструкции забойных и наземных технических средств, применяемых при этом.

Отсюда в отношении породоразрушающих инструментов конструктивно должно быть обеспечено не только снижение местных потерь давления жидкости, как это было показано выше, но также и умень-

гаение контактной площади разрушения забоя и энергозатрат в процессе бурения. Эта задача решена в конструкции буровой коронки, предназначенной для бурения по относительно нетвердым горным породам.

Отличительными особенностями этой коронки являются ступенчатая наружная поверхность и расположение ступени большего диаметра над продольными промывочными каналами. При этом алмазосодержащая матрица выполнена с кольцевой концентричной канавкой на торце и системой наклонных каналов для прохода жидкости. Концентричная канавка выполнена в виде трапеции, меньшее основание которой обращено в сторону корпуса, а большее - к забою скважины. Наличие такой канавки уменьшает контактную поверхность.

При работе этой буровой коронки на забое скважины образуется кольцевой выступ, разрушаемый не алмазными резцами, а за счет поперечных колебаний коронки, вызываемых центробежными силами, и воздействия струй промывочной жидкости вкупе со сминающим действием осевой нагрузки.

Для бурения в твердых и крепких горных породах разработана алмазная коронка с отличительными особенностями, приведенными вы»ле при определении значений местных потерь давления жидкости в кольцевом канале.

При экспериментальном бурении в стендовых условиях коронкой этого типа визуально отмечено, что забой скважины приобретает уступообразный профиль, аналогичный поверхности торца коронки. Этот факт можно объяснить тем, что при передаче энергии на забой первыми вступают в контакт с породой и внедряются в нее передние части секторов матрицы, имеющие наибольшую высоту и наименьшую ширину.. Далее, в процессе разрушения забоя постепенно внедряются в породу и остальные алмазы всей поверхности сектора, осуществляя клиновое расширение разрушаемого объема породы.

Кроме того, такое исполнение буровой коронки вызывает появление зобойной вибрации на контакте секторов матрицы и разрушаемой породы, что способствует снижению сопротивляемости породы разрушению и повышению механической скорости.

Надежность работы колонковых наборов оценивается совершенством механизма перевода съемного керноприемника из транспортного

положения в рабочее и обратно, а также обеспечением его неподвижности в процессе бурения.

Из всех созданных и опробованных конструктивных схем механизма перевода и фиксации гидроизвлекаемого съемного керноприем-ника в колонковой трубе наиболее перспективной представляется схема, в которой отсутствует упругая связь между элементами механизма, где создается опережающий пик сил, позволяющий перевести керноприемник из рабочего положения в транспортное еще до начала действия страгивающего момента.

Основным наземным техническим средством системы гидроизвлечения съемного керноприемника является устьевой превентор, устанавливаемый на направляющей трубе с целью герметизации кольцевого канала и обеспечения обратного движения жидкости. Технологические же особенности процесса бурения с гидроизвлечением съемного "керноприемника представляют ряд специфических требований к конструкции устьевого превентора, среди которых главным является возможность приведения их в действие без дополнительных затрат времени, что способствует реализации потенциальных преимуществ данного способа бурения.

С учетом этих требований была создана достаточно простая и надежная конструкция съемно-разъемного устьевого превентора, принцип действия которого основан на обеспечении герметизации кольцевого канала за счет силы тяжести самой колонны бурильных труб комплекса ССК, подвешенной на эластичном диске съемной части превентора. Опытная эксплуатация этого превентора показала его высокую надежность и практическую пригодность, особенно при бурении вертикальных и. слабо наклонных (к вертикали) скважин.

При расчете технологических параметров режима бурения использовались известные методики ВИТР, затем расчетные значения этих параметров корректировались в производственных условиях, исходя из конструктивных особенностей буровых коронок.

Поэтому технологические параметры режима бурения скважин забойными средствами дяя системы гидроизвлечения съемного керноприемника существенно отличаются от рекомендуемых ВИТР: осевые нагрузки меньше на 30-40 %, частоты вращения близки к рекомендуемым значениям, расход жидкости меньше на 20-30 %, что в целом обусловлено конструктивными особенностями буровых коронок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ Н РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В диссертационной работе решена крупная научная проблема - реализация потенциальных конструктивных возможностей снарядов со съемными керноприемниками СКК путем перехода от канатного способа извлечения керноприемника к гидроизвлечению.

2. Проведенные научные исследования с целью решения данной проблемы позволяют определить:

- возможные режимы движения и гидродинамические характеристики нисходящего потока в кольцевом канале, где наиболее благоприятный, с точки зрения сохранения устойчивости стенок скважин и потери давления, структурный режим движения потока применительно к ССК-59 ограничивается расходом жидкости 120-140 л/мин ;

- методику расчета потерь давлений нисходящего потока жидкости в кольцевом канале;

- критерии оценки породоразрушающих инструментов,предназначенных для бурения скважин с гидроизвлечением керноприемника, что стало основой для проектирования их конструкций с зонами наибольших пустот по окружности контактирования матрицы инструмента со стенками скважин;

- условия формирования направленного потока жидкости в кольцевом канале и схему осуществления линейного распространения зоны наибольших пустот от забоя до устья скважин;

- методику расчета основных параметров совместного движения несущей напорной жидкости и съемного керноприемника, на основе которой установлено, что режим односкоростного континуума для керноприемника средней относительной объемной плотности р с = 1,8 достигается при скорости потока в его свободной части и0 = 1,26 м/с;

- возможность перевода съемного керноприемника при гидроизвлечении из пассивного состояния в активное, осуществляемое путем включения в его состав струйных аппаратов, создающих зону локального разрежения давления жидкости в передней, по направлению движения, части керноприемника;

- условия применения нетрадиционого способа и новых технических средств извлечения съемного керноприемника из скважины;

- принципиальную схему механизма фиксации съемного кернопри-емника в рабочем положении и перевода в транспортное состояние при гидроизвлечении, основанную на использовании безупругой связи между составляющими элементами данного механизма;

- технико-экономические показатели внедрения и эффективность способа гидроизвлечения съемного керноприемника в зависимости от водопоглощающей способности стенок скважин.

3. Выполненные работы позволяют комплексно оценить конструктивные, технические и технологические особенности забойных и наземных средств гидроизвлечения съемного керноприемника в сравнении с традиционным канатным извлечением.

4. Создание породоразрушающих инструментов с геометрическими характеристиками, соответствующими условиям процесса гидроизвлечения съемного керноприемника, обеспечивает новый для алмазного бурения скважин клиново-вибрационный эффект разрушения пород.

5. При гидроизвлечении самые высокие значения коэффициента гидравлического сопротивления характерны для _тяжелых керноприем-ников_с относительной объемной плотностью рс = 2,6, низкие -для рс = 1,15, при этом с увеличением скорости потока в его свободной части эти значения плавно снижаются и становятся практически постоянными.

6. Эффективность работы струйного аппарата определяется значениями угла У между направлением выхода струи и ее тангенциальной составляющей, а также расходом жидкости, протекающей через его направляющие каналы, и оценивается отношением давления разрежения к общему перепаду давления жидкости, а также по балансу энергии.

7. Созданы и приняты к серийному производству породоразруша-гацие инструменты ЮКС-59С, НЖИ-76 и колонковые наборы ССК-59ГТ.

8. Достоверность основных выводов, рекомендаций и положений, а также практическая значимость данной работы подтверждается тем, что она вошла в перечень приоритетных направлений науки и новых технологий МНТС Республики Казахстан, технические средства внедрены в производство АО "Карагандагеология" АО "Каратаугеоло-гия". Породоразрушающие инструменты ЮКС-59С и ЮКИ-76 использованы в ПГО "Ташкентгеология".

9. Перспективы дальнейшего развития способа бурения снаряда-

ми с гидроизвлекаемым съемным керноприемником будут связаны с расширением сферы применения в горизонтальных и восстающих скважинах, преимущественно расположенных в горных выработках, что обеспечивает высокую эффективность проводимых работ.

Экономическая эффективность от внедрения разработок автора в организациях Министерства геологии и охраны недр Республики Казахстан за 1992-1895 гг. составила 125,0 млн. российских рублей. Отдельные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах.

МОНОГРАФИЯ И СТАТЬИ

1. Разведочное бурение с гидроизвлечением керноприемника (Авт. Л.К.Горшков, Т.Н.Мендебаев)- СПб.: Недра, 1994.

2. Кернорвательное устройство для бурения скважин снарядами со съемными керноприемниками. В сб. "Техника и технология бурения и проходки горноразведочных выработок", Алма-Ата: КАЗИМС, 1988 (соавтор Е.А.Ахметов).

3. Бурение скважин с гидротранспортом съемного керноприемника. Тезисы докл. Всесоюзного совещания "Разработка и внедрение новой техники на буровых и горных работах в геологоразведке". Алма-Ата, 1989.

4. Новый буровой снаряд типа ССК с подъемом керноприемной трубы гидротранспортом. Деп. науч. работа., М.: ВИНИТИ, РЖ 1989, N 4 (ооавт. Н.Т.Туякбаев).

5. Основные гидродинамические характеристики нисходящего потока жидкости в кольцевом канале. Тезисы докл. Всесоюзной конференции "Бурение скважин синтетическими алмазами". Киев: ИСМ, 19906. Опыт бурения скважин с; гидротранспортированием съемного

керноприемника. /'Изв. Вузов. Геология и разведка, 1990, N 1 (соавт. Н.Т.Туякбаев).

7. Исследование восходящего движения съемного керноприемника по внутренней полости колонны бурильных труб. — В сб.: Исследование технологии и внедрение новых технических средств для бурения геологоразведочных скважин. - СПб: ВИТР, 1992 (соавт. Ж.Н.Каляев).

8. Гидродинамические характеристики процесса гидротранспортирования съемного керноприемника. Тезисы докл. 2-го Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях. СПб: СПГГИ, 1992 (соавт. П.К.Горшков).

9. Характер распределения скоростей потока в кольцевом зазоре при гидротранспортировании съемного керноприемника. - В сб.: Исследование и разработка технологии и новых технических средств для геологоразведочного бурения. - СПб: ВИТР, 1993 (соавт. Л.К.Горшков).

10. Расчет давления в потоке при гидротранспортировании съ-съемного керноприемника.-В сб.: Исследование и разработка технологии и новых технических средств для геологоразведочного бурения. -СПб: ВИТР, 1993, (соавт. Л.К.Горшков).

11. Турбулентное движение нисходящего потока в кольцевом канале скважины при гидротранспортировании съемного керноприемника. - В сб.: Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Вып.16. Межвуз. науч. темат. сборник. Екатеринбург: УГГА, 1993 (соавт. Л.К.Горшков).

12. Задачи обеспечения процесса гидроконтейнерного бурения скважин. Тезисы докл. Юбилейной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения проф. Ф.А.Шамшева. СПб: СПГГИ и ВИТР, 1993 (соавт. Л.К.Горшков).

13. Проблемы разработки и внедрения гидроконтейнерного способа бурения скважин. - В сб.: Методика и техника разведки, N 3. СПб: ВИТР, 1993.

14. Нетрадиционный метод обеспечения сохранности стенок скважин.- В сб.: Опыт создания геологоразведочной техники и технологии бурения в Республике Казахстан. Алматы: НПО "Каз-недра", 1994.

15. Оценка неустойчивости осесимметричного движения жидкости в кольцевом канале скважины при гидротранспортировании съемного керноприемника ./Из в. вузов. Горный журнал, N 1, 1994 (соавт. Л.К.Горшков).

16. Режим движения съемного керноприемника в потоке напорной жидкости.-Тезисы докл. Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин". Томск: ТГУ, 1994 (соавт. Л.К.Горшков).

17. Основные направления НИР а области разведочного бурения скважин. Геология и разведка недр Казахстана. Алматы: НПО "Каз-недра", \' 1, 1995.

18. Методика расчета гидравлических сопротивлений керноприемника, извлекаемого напорным потоком жидкости. Тезисы докл. на 3-ем Международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях.'СПб: СПГГИ, 1995.

19. Гидроконтейнерный способ транспортировки керна. Разведка и охрана недр , N 9, 1995.

20. Гидродинамический расчет совместного восходящего движения жидкости и съемного керноприемника. Записки СПГГИ, 1996 (со-авт. Л.К.Горшков, У.К.Жаппасбаев).

АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА И ПАТЕНТ

1. Буровой снаряд, (соавт. Н.Т.Туякбаев).

2. Буровой снаряд, (с-оавт. Н.Т.Туякбаев).

3. Буровой снаряд, (соавт. Н.Т.Туякбаев).

4. Буровая коронка.

Авт. св. СССР N 1325926, Авт.св. СССР N 1439204, Авт.св. СССР N 1657602,

БИ, 1987, N 27 БИ, 1988, N 43

БИ, 1991, N 23 БИ, 1992, N 7

Авт.св. СССР N 1714074, (соавг.: Н.Т.Туякбаев, В.Ш.Хажуев, В.К.Хаширов и К-К.Бимендин).

5. Буровая коронка. Авт.св. СССР N 1756529, БИ, 1992, N 31.

6. Колонковый снаряд. Авт.св. СССР N 1789656, БИ, 1993, N 3.

7. Буровой снаряд. Авт.св. СССР N 1803521, БИ, 1993, N И.

8. Способ извлечения съемного керноприемника из скважины. Авт.св. СССР N 1749442, БИ, 1993, N 2.

9. Алмазный породоразрушающий инструмент. Патент Республики Казахстан, !\' 1430, БИ, 1994, N 4.

10. Алмазная буровая коронка. Патент Российской Федерации, N 2029849, БИ, 1995, N 6 (соавт.: Н.Т.Туякбаев, Б.В.Федоров, О.К.Шакенов).