автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Совершенствование схемы промывочного узла долота для интенсификации промывки призабойной зоны

Государственная академия нефти и газа имени И.М. Губкина

РГ6 ОД тт

На правах рукописи

' - НОЯ 1995

БОЙКО Петр Яковлевич

УДК 622.24.05.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМЫ ПРОМЫВОЧНОГО УЗЛА ДОЛОТА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОМЫВКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ

Специальность 05.04.07 Машины и агрегаты

нефтяной и газовой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

Москва-1994

Работа выполнена в Государственной академии нефти и газа имени И.М. Губкина

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ГИНЗБУРГ Э.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Ведущее предприятие: Украинский научно-исследовательский институт природных газов «УкрНИИгаз»

053.27.02 при Государственной Академии нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 117917, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАНГ имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан «

профессор ИЛЬСКИИ А.Л.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ГУСМАН А.М.

Ученый секретарь специализированного совета

к.т.н.доц. Шмидт А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. За последние годы при решении задач повышения эффективности работы шарошечных долот большое внимание уделяется совершенствованию их промывочных устройств, ответственных за качество н своевременность очистки забоя от бурового шлама. При этом многие работы касаются вопросов применения и долоте гидромониторных насадок приближенных к забою скважины на 3-5 выходных диаметров насадок и асимметричного их размещения в долоте. Однако, практически ни одна работа не предусматривает пространственного размещения приближенных к забою насадок в долоте, позволяющего простым средством получать асимметричность схемы промывки на забое, рационально обрабатывать струями площадь забоя скважины и, как показали настоящие исследования, заметно повышать эффективность работы долот по углублению скважин.

Вместе с тем приближение к забою насадок на расстояние 3-5 выходных диаметров наездок очень сложно из-за ограниченного пространства между шарошками. Одним из путей решения этого вопроса является выполнение внутреннего и наружного профилей насадок искривленных по осп. Однако, как повлияет искривление осп насадки на механизм формирования и характеристики струп истекающих из них, а также на характер взаимодействия их с забоем практически ничего неизвестно. В этой связи исследования в этих направлениях являются актуальными.

Цель работы. Целью настоящей работы является повышение эффективности работы шарошечных долот с боковой схемой'промывки путем оптимизации удлиненных насадок с искривленной осью и пространственного их размещения в долоте.

Основные задачи работы. Для обеспечения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Совершенствование методики и проведение стендовых исследований по оптимизации внутреннего профиля удлиненных насадок с искривленной осью.

2. Совершенствование методики и проведение экспериментальных исследований по изучению и оптимизации схем промывки буровых долот с удлиненными и искривленной осью насадками.

3. Опытно-конструкторские исследования по разработке удлиненных насадок с искривленной осью с высокими гидродинамическими параметрами.

4. Разработка долота с оптимизированной трехгидромо-ниторной схемой промывки с удлиненными насадками, имеющими искривленную ось и испытание их при бурении скважин.

Методы исследования. В работе использованы аналитические и в основном экспериментальные методы исследования. В результате обобщений, теоретических предпосылок, методических экспериментов и использования метода моделирования были намечены пути экспериментального изучения гидродинамических процессов в призабойной зоне. На первом этапе изучалось влияние искривления оси насади! на характеристики затопленных струй и законы их движения по схеме истечения в тупик, а также оптимизировался профиль таких насадок. На втором этапе изучалось влияние схем с обычным и пространственным размещением насадок на движение отраженных струй в призабойной зоне, проводилось сравнение и оценка их характеристик. На третьем этапе с учетом полученных результатов исследований оптимизировалась схема промывочного узла долота диаметром 295,3 мм, а также проводилось испытание ее в стендовых и промысловых условиях.

Научная новизна. Усовершенствована методика исследования гидродинамического совершенства насадок, что позволило исследовать удлиненные насадки с искривленной осью и сложным внутренним профилем.

Установлены закономерности истечения и взаимодействия с преградой струй, истекающих из насадок при различных углах искривления их оси и различном удалении места искривления от среза насадки. Показано, что с помощью наклона оси насадки можно регулировать силу ув-

лечения шлама и уменьшить дифференциальное давление на забой скважины.

Предложена методика и проведена оптимизация схем промывочных узлов долот. Показано, что оптимальным углом искривления оси насадки является 32°, а место изгиба оси должно находиться на возможно большей высоте от среза насадки (й,, = 0,411).

Практическая полезность. Разработана н оптимизирована конструкция нового промывочного узла долот диаметром 295,3 мм с тремя приближенными насадками, имеющими наклон оси к плоскости забоя. Промышленные испытания долот с новой схемой промывочного узла показали повышение проходки на долото и механической скорости бурения по сравнению со схемой с тремя удлиненными не искривленными насадками соответственно на 15 и 17%. Фактический экономический эффект от внедрения опытных долот составил 17 2 тыс. руб.

Апробация работы: Основные положения работы доложены на координационном совещании по НИОКР по по-родоразрушающему инструменту в 1990 г. (г. Москва), на научном семинаре на кафедре технологии конструктивных материалов и кафедре бурения в ГАНГ им. И.М.Губкина в 1992, 1993 г.г. (г. Москва), на техническом совете ГП «Ук-рбургаз» в 1993 г. (г. Красноград).

Реализация работы: на Дрогобычском долотном заводе изготовлена опытная партия долот III 295,3 М-ГВ, МС-ГВ в количестве 10 шт. и испытана на буровых Крестшценско-го УБР ГП «Укрбургаз». Дрогобычским долотным заводом планируется в 1995 г. выпуск долот в новой схемой промывки.

Публикации: По результатам исследований опубликовано 5 научных! статей.

Объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 116 наименований и приложение. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 2 таблицы и 13 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены решаемые ею задачи.

В первой главе проведен анализ отечественных и зарубежных исследований в области разработки и оптимизации гидромониторных насадок и промывочных устройств буровых долот.

Исследованиями И.К.Бикбулатова, А.А.Басснко, А.В.Васильева, Э.С.Гинзбурга, И.М.Губаревой, А.М.Гусмана, А.В.Зубарева, Н.А.Жидовцева, В.И.Кириллина, А.К.Козодоя, М.О.Криста, Ю.И.Коваленко, А.Е.Кулиеъа, А.И.Литвинова, Ю.С.Лопатина, В.Б.Марика, М.Р.Мавлютова, П.Н.Матюшина, В.Б.Мительмана, В.В.Семенова, В.С.Федорова, И.М.Филимонова, А.П.Шумилова и др., а также зарубежных авторов: М.Бингхема, Б.Билстейна, Р.Бобо, Р.Маклина, В.Маурера, А.Сутко, Н.Схолета, Дж.Эккеля и др. показано, что изучение гидродинамического совершенства насадок для формирования компактных нисходящих струй и движения отраженных потоков в призабойной зоне ведется раздельно, хотя связь между характеристиками нисходящих и отраженных струй существует реально, на что указывает в своих исследованиях В.И.Кириллин. Для учета этой связи им предложена условная классификация характерных потоков, формирующихся и распространяющихся в призабойной зоне: нисходящие к забою потоки, параллельные плоскости забоя; потоки в надшарошечной области; восходящие потоки в центре долота и за спинками долота. Именно эти потоки должны учитываться при оценке гидродинамических характеристик насадок и схем промывочных устройств долот. Анализ конструктивных решений систем промывок буровых долот показал, что наиболее разнообразными функциональными характеристиками обладают схемы с боковыми гидромониторными, особенно с приближенными к забою, насадками и комбинированные схемы. Однако и они обладают существенными недостатками. В частности для наиболее распространенной во всем мире симметричной схемы с тремя гидромониторными насадка-

ми характерно образование застойных зон в центре забоя, а также сильные восходящие потоки за спинами лап, что приводит к их интенсивному износу движущимися в восходящем потоке частицами выбуренной породы. Применение удлиненных насадок, как показали исследования Н.А.Жи-довцева, В.И.Кириллина, позволяет существенно усилить ударное воздействие струй на забой скважины, снизить эжек-тирование нисходящими потоками восходящих потоков и тем самым повысить показатели работы долот.

В этих же работах приводятся результаты исследований и рекомендации по профилированию внутреннего канала удлиненных насадок. Однако как в исследованиях В.И.Кириллина, так и в целом в существующей литературе отсутствуют исследования и рекомендации по пространственному размещению насадок в схемах, а также по характеристикам насадок с наклоненной (изогнутой) к плоскости забоя осью. Отсутствуют исследования по характеру взаимодействия с забоем струй истекающих го насадок, наклоненных к забою под различными углами, влияние этого параметра на скорости формирующихся на забое поперечных потоков, ответственных за качество его очистки от бурового шлама.

Предварительные теоретмсские исследования свидетельствуют, что при наклоне оси насадки к плоскости забоя должно существенно повысить скорости поперечных потоков по забою скважины в направлении наклона оси насадки и уменьшить ее в обратном направлении, а также снизить в направлении оси наклона насадки дифференциальное давление на забой скважины. Ответы на эти вопросы можно получить только поставив специальные исследования.

В связи с вышеизложенным в настоящей работе поставлены и решены задачи, указанные во введении на стр. 3.

Во второй главе приведены методики экспериментального исследования гидродинамического совершенства удлиненных насадок при их наклоне к плоскости забоя под различными углами и на различном расстоянии от забоя и стенки скважины, а также промывочных систем долот на

характеристику формируемых нисходящих, поперечных и восходящих потоков.

Для изучения гидродинамического совершенства насадок и законов движения затопленных струй использовалась методика А.К.Козодоя, Е.П.Варламова, В.И.Кириллина с некоторыми уточнениями. Суть методики состоит в следующем. Истечение жидкости из насадки осуществляется при числах Рейнольдса 3 • 105, т.е. в области автомодельной турбулентности, что позволяет не учитывать влияние реологических свойств жидкости на результаты экспериментов. Действительный расход жидкости через насадку определяется объемным методом. Длина ядра постоянных скоростей и границы струи, истекающей из насадки, определялись на основании замеров давлений трубкой Пито, которая устанавливалась с помощью специального координатни-ка в отверстия, просверленные в днище и стенке прозрачного (из оргстекла) цилиндра (скважины). С помощью координатника трубка Пито могла быть установлена в любой точке над забоем или стенкой скважины и под разным углом к забою скважины.

Эксперименты проводились на гидродинамическом стенде ГАНГ имени И.М.Губкина представляющем собой камеру с металлическим днищем и цилиндрическим прозрачным корпусом, в которых (в днище по радиусам и стенке -по образующей) просверлены отверстия, в которые с помощью координатника вводится трубка Пито в требуемую точку замера давления. Сменная цилиндрическая из оргстекла скважина имеет диаметр от 190,5 до 393,7 мм, что позволяет установить в камере натурные долота или приспособления соответствующих размеров, что позволяет исключить влияние на получаемые при экспериментах результаты геометрических факторов. Стенд снабжен двумя центробежными насосами производительностью 90 и 25 м3/час. Возможно параллельное использование насосов. Диапазон изменения напора при максимальной производительности насосов до 0,85 МПа.

При исследованиях варьировались следующие факторы: геометрические характеристики исследуемых насадок, рас-

стояние от выходного сечения насадки до забоя, противодавление в системе, срабатываемое давление на насадке, отношение диаметра насадки к диаметру цилиндрической скважины, угол наклона насадки к плоскости забоя, высота начала искривления оси насадки. Фиксировались следующие показатели, характеризующие гидродинамическое совершенство насадок: коэффициент расхода |1, длина участка струи с постоянной скоростью течения Ь0, угол растекания струи а, давление передаваемое на плоскость забоя, скорость и направление поперечных и восходящих потоков.

Эксперименты проводились при коэффициенте сжатия струи на выходе из насадки, равном единице, что исключает возникновение кавитации. Это регулировалось созданием необходимого противодавления.

Коэффициент расхода (1 определяется объемным способом и вычисляется по формуле

Со

о

111 =

<2Т И Р/у*

где: и <Зг - соответственно действительный (замеренный) и теоретический расход промывочной жидкости через насадку;

И - площадь выходного сечения насадки;

Р - перепад давления, срабатываемый на на садке;

у - удельный вес жидкости, истекающей из наездки;

д - ускорение силы тяжести.

Оценку гидродинамического совершенства наездок осуществляли как по коэффициенту расхода ц, так и по относительной длине ядра постоянных скоростей

т - Ь0Д1И)

где: Ь0 - длина ядра постоянных скоростей;

<1Н - диаметр выходного сечения насадки;

и коэффициенту гидравлического совершенства внутреннего профиля насадки Кгс, предложенного В.И. Кириллиным:

ц • т

где: а - темп расширения струи.

Для проведения исследовании на стенде ГАНГ имени И.М.Губкина по влиянию угла наклона насадки к плоскости забоя и приближения их к стенке скважины был усовершенствован узел крепления насадок к подводящей трубе. Благодаря этому устройству появилась возможность перемещения удлиненной насадки (с прямой или изогнутой осью) параллельно плоскости забоя, приближая или удаляя се от стенки скважины. Кроме того, новый узел крепления позволяет ориентировать струю из насадки к забою под углом, отличным от прямого, в любую точку забоя на любом удалении от него и производить замеры скоростей и давлений потоков, истекающих из этой насадки.

Во время опытов выходной диаметр насадки фиксировался постоянным, а остальные параметры (противодавление, давление срабатываемое на насадке, расстояние от насадки до стенок скважины) варьировались. По полученным данным определялось: коэффициент расхода и , передаваемое на забой давление Р3, скорость поперечных по забою и восходящих с забоя потоков в различных направлениях от центра забоя. Оценка гидродинамической ситуации на забое при наклонных насадках к его плоскости под различными углами и на различном расстоянии от стенки скважины и забоя проводились путем сравнения с результатами испытаний удлиненной насадки, направленной к забою в ту же точку под прямым углом.

Точность замеров, получаемых результатов, учитывая допущения, что долото (насадка) не вращается, а в качестве промывочной жидкости используется техническая вода и перепад давления срабатываемый на насадке не превышал 0,85 мПа, согласно исследованиям А.К.Козодоя, А.В.Василь-

сва, В.И.Кириллина и др., находилась в пределах 95%, что допустимо для технических результатов. Кроме того, замеры в каждой точке проводились не менее 3-х раз и в расчет принималось средневзвешенное значение.

Для оценю! влияния схемы промывочного узла долот, в прнзабойной зоне, использовалась методика и гидродинамическая установка ГАНГ имени И.М.Губкина описанная выше. Разница заключалась лишь в том, что вместо приспособления для крепления насадок использовались натурные долота диаметром 215,9; 295,3 и 393,7 мм.

Порядок экспериментов был следующий. Выбранные в результате предыдущих исследований удлиненные наездки с определенным углом наклона выходящих из них струй промывочной жидкости помещалась в реальное долото. Долото устанавливалось в прозрачную модель скважины соответствующего диаметра. Расход жидкости, необходимый по условиям эксперимента регулировался задвижкой, установленной на всасывающей линии насосов.

В ходе испытания менялся угол поворота установленных в долоте насадок относительно оси соответствующих шарошек. При каждом положении наездок выполняются замеры скоростей и давлений потоков жидкости как вдоль плоскости забоя, так и по стенкам скважины. Общепринятой методикой обработки полученных экспериментздьных данных является их представление в виде безразмерных параметров:

V/ Рст г И \УТ ' ДР~' К Н

н ч

соответственно скорость потока в рассматриваемой точке и на выходе из насадки; соответственно статическое давление в рассматриваемой точке и перепад давления на долоте; соответственно расстояние точки измерения от центра забоя и радиус забоя;

где: и \УП -Рст и ЛР -

г и Я -

1г и Нч - соответственно высота от забоя точки измерения и высота долота (до ниппеля).

По этим данным строятся графики, которые характеризуют струйное течение жидкости по отдельным направлениям. Полученные результаты дают возможность определить оптимальную схему промывочных устройств с тремя, двумя и одной удлиненными насадками (или короткими), пространственно ориентированными (или прямыми) насадками.

Объектами испытаний явились при исследовании гидродинамических характеристик насадок - удлиненные насадки из оргстекла, которые после предварительного нагрева изгибались в нижней части на заданный угол, а также серийные насадки ГОСТ 20692-75. Таким образом были изготовлены насадки с различными углами наклона, различным внутренним профилем и различными диаметрами их выходного сечения. Профиль входного участка опытных и серийных насадок были идентичны насадкам используемым в долотостроении.

Оптимизация схем промывки проводилась на серийных долотах диаметром 295,3 мм и 393,7 мм учитывая, что будучи помещенным в скважину долота разного диаметра имеют разное околодолотное пространство, определяющее пути и скорости течения потоков, предварительно были подвергнуты обмеру долота всех типоразмеров диаметром 215,9; 295,3 и 393,7 мм. Обмеры показали, что площади сечений в кольцевом пространстве и в зоне долота заметно отличаются друг от друга и от соотношения площадей сечений промывочных каналов по ГОСТ 20692-75. Причем различие, особенно для долот диаметром 393,7 мм очень велики - до 3-кратного. Эти результаты учитывались при проектировании насадок, что позволило получить адекватные результаты картины распределения скоростей потоков промывочной жидкости в долотах различного размера с обычными и удлиненными насадками.

В третьей главе приводятся результаты исследований. Для удлиненных насадок одним из основных требований является способность формировать компактные устойчивые

струи, а также вписываться в малые габариты межшарошечного пространства. Для этого, как уже отмечалось, предлагаются удлиненные насадки с изгибом оси, чтобы поток внутри насадки имел необходимое направление. Установлено, что вследствие искривления потока появляются центробежные силы, направленные от центра кривизны к внешней стенке насадки, что и объясняет повышение давления у внешней стенки и понижение его у внутренней при переходе потока из прямолинейного участка насадки в изогнутый, т.е. у внешней стенки появляется диффузионный эффект, а у внутренне]"! стенки - конфузорный. При этом показано, что вихревая область у внутренней стенки движется с опережением и сокращает сечение потока, чем и определяется характер распределения скоростей потока в последующем после изгиба прямолинейном участке насадки.

Коэффициент местного сопротивления такого изогнутого патрубка вычисляется по формуле Г.Н.Абрамовича, учитывающей влияние как угла изогнутости патрубка, так и радиуса закругления насадки. Согласно результатов исследований, проведенных по ранее приведенной методике был выбран внутренний профиль удлиненной насадки для экспериментов, который состоит из 4-х разнородных участков (рис. 1): входного, переходного цилиндрического, второго входного (участок сопряжения) и цилиндрического участка (спрыска).

Входной участок принят согласно исследованиям В.И.Кириллина биррадиальным с Кгс = 18,7. Длина переходного участка Ц/с! =3-5-6. При этом т и ц достигают своего наивысшего значения, а «а» - наинизшего. Установлено, что для насадок с одинаковым входным профилем соотношение Ц/с1ВЬ]Х не оказывает существенного влияния на щдрод}щамическое совершенство формируемых струй и принято Ь1/<1ВЫХ = 1-5-5. При этом Кгс можно считать постоянным.

Исследованиями В.И.Кириллина установлена зависимость Кгс от относительной длины спрыска Ц/с1шх и показано, что для удлинения с прямой осью насадки оптимальную длину спрыска Ь,=4с1вых При изгибе оси насадки, как уже указывалось, появляется сужение «жгшого» сече-

ния потока, что может существенно повлиять на выявленные соотношения.

ш

Профиль скоростей Профиль давлений

Рис. 1. Формирование струи внутри удлиненной насадки со сложным профилем

Специально поставленные эксперименты позволили установить, что:

1. Место сопряжения с1; с с1вых насадки надо располагать после поворота потока, т.е. на участке спрыска (кривые 4 и 8, рис. 2), причем в этом случае |1 достигает своего максимального значения при длине спрыска, равного 5с1вьк , а иг при этой длине спрыска становится практически равной величине т для прямой удлиненной насадки (кривая 5). При других положениях сопряжения (кривые 2 и 3) коэффициент расхода р. значительно ниже и максимума достигает только при длине спрыска равного 9-10с1вш . Значение 111 (кривые 6 и 7) для этих случаев тоже заметно ниже.

т Д5

4,5 3.5 2,5 <,5

0.5

А

0.90

0,86 0,82 0,78 0.74 0,70

5___ 10_,

к___

к___ ■

3___ 1

2__

8

10

А.

Рис. 2. Зависимость коэффициента расхода и длины

ядра постоянных скоростей от места сопряжения, угла поворота и длины спрыска

1, 5 - прямая насадка, 5=0° 4, 8 - сопряжение после поворота, 5=30° 9, 10 - то же, 8=90° 2, 3 и б, 7 - другие положения сопряжения.

2. Длина спрыска, соответствующая оптимальному гидродинамическому совершенству, при увеличении угла по-

ворота потока тоже увеличивается (сравним кривые 9, 10 при 5=90°, 4, 8 при 5=30° и 1, 5 при 5=0) и оптимально составляет ЬС=5<3ВЫХ .

3. Коэффициент ц. изогнутой удлиненной насадки повышается с увеличением отношения радиуса закругления И0 к внутреннему диаметру до насадки. Причем при К0/Б0>4,5 величина ц становится практически постоянной для любых соотношений сЦ/ё^ . Наибольший коэффициент р. соответствует значениям с!1/с1вых =2-^3. Таким образом, можно констатировать, что для увеличения коэффициента расхода ц изогнутой удлиненной насадки поворот струи необходимо выполнять ниже сопряжения с11/с1ВЬ]Х и более плавным (Е.0/О0>4,5), либо если конструктивно это невозможно, то выдерживать соотношение с11=2-ьЗс1В1ЛХ .

4. При наклоне насадки к плоскости забоя скорость радиального потока по забою возрастает (сплошные кривые, рис. 3), а интенсивность возрастания скорости (пунктирные линии) падает. Если при вертикальном расположении насадки (5=0°) скорость потока на расстоянии Юс1вых падает с 0,84\Уо до 0,12\Уо, т.е. в 7 раз, то при 8=70° это падение выражается величинами 0,97\Уо и 0,79\¥о, т.е. только в 1,23 раза, причем максимальное значение се (0,97\Уо) выше чем при 2=0 (0,80\Уо) в 1,5 раза. Максимальная относительная скорость потока при наклоне насадки в направлении перпендикулярном к плоскости наклона при 5=30° составляет 0,8 от скорости истечения насадки а на расстоянии 10с1о практически равна нулю (0,08\Уш), т.е. воздействие на шлам в этой же зоне практически прекращается. В тоже время при прямой насадке, т.е. при 5=80-90° нулевое значение относительной скорости достигается ужена расстоянии 2^-Зс10, и се максимальное значение не превышает 0,2\Уо.

Все это позволяет заключить, что с помощью наклона струи жидкости из наездки можно интенсифицировать силу бокового увлечения шлама в сторону противоположную наклону насадки к вертикали. И наоборот в сторону наклона насадки эта сила увеличивается, т.к. интенсивность падения скорости увеличивается. С увеличением скорости потока подъемная сила вызываемая разницей скоростей потоков выше н

ниже частицы увеличивается при наклоне насадки в направлении от наклона и уменьшается в направлешш наклона.

IV *

Рис. 3. Изменение скорости радиального потока распространяющегося по забою в сторону противоположную наклону насадки

Очень важно также отмстить, что в сторону от наклона насадки с увеличением угла наклона 5 в любой точке забоя наблюдается уменьшение величины дифференциального давления, особенно в направлении противоположном наклону оси насадки, которое в нашем случае представлено разницей между измеренным давлением в данной точке и величиной статического давления на забой. Об этом убедительно свидетельствует рис. 4, при наклоне насадки 3 от О

до 90° в точках 2<1ВЫХ и Юйвых соответственно в направлении противоположном наклону (кривые 1, 4), перпендикулярном наклону (кривые 2, 5) и в направлении наклона (кривые 3, 6). Как видим, максимальное значение снижения давления достигается в направлении против наклона оси насадки при 5=50-70° и достигает 0,12Рш максимального давления на забой, что существенно.

Р'Рс Рт

0,05

о

-0,05

-0,10

- 0,15

Рис. 4. Результаты измерения величины давления

при наклоне насадки к вертикали от 0 до 90°

1, 4 - изменение давления в направлении противоположном

наклону насадки в точках на расстоянии 2с10 и 10с1о соответственно.

2, 5 - изменение давления в аналогичных точках в направле-

нии перпендикулярном наклону насадки.

3, 6 - изменение давления в аналогичных точках в направле-

нии наклона насадки.

Таким образом проведение исследования позволяет заключить, что с помощью наклона насадки к плоскости забоя можно добиться увеличения силы бокового воздействия на частицы породы и уменьшение величины дифференциального давления на забой, что способствует интенсификации эвакуации шлама с его поверхности и облетает условия разрушения породы вооружением долота.

В четвертой главе приведены исследования по оптимизации схемы промывки трехшарошечных гидромониторных долот диаметром 190,5; 215,9; 295,3 и 393,7 мм. Высота точки изгиба насадки для всех долот бралась одинаковой и составляла 0,Ш; 0,211; 0,411, где Я - радиус долота, угол наклона изменялся через 10°. При этом установлено, что оптимальные значения величины составили: угол наклона 8=32°, высота изгиба насадки 11и=0,411. Сравнительные исследования промывочного узла с наклонными к плоскости забоя удлиненными наездками, а также с аналогичной схемой с удлиненными насадками при угле наклона 8=0, и с асимметричной схемой с двумя удлиненными насадками проводили в идентичных условиях: суммарный расход, скорость истечения жидкости из насадок и расстояние от среза насадок до плоскости забоя приняты равными.

Результаты замера скоростей в проемах между лапами (шарошкамп) и под шарошками, но при различных схемах промывки показаны на рис. 5 и свидетельствуют о несомненном преимуществе новой симметричной схемы с наклоненными к плоскости забоя насадками над двумя другими схемами, более высокая скорость при новой схеме по всей площади забоя, особенно под шарошками и в наиболее загруженной шламом периферийной части забоя, свидетельствует о более качественной очистке забоя от бурового шлама. Более высокие скорости поперечных потоков при новой схеме промывки свидетельствуют также о снижении дифференциального давления.

Из этого же графика следует несомненное преимущество асимметричной схемы над симметричной, но для нее характерен один недостаток - сравнительно невысокая скорость в свободном проеме (кривая 5, рис. 5), которая около

стснки г/11=0,9 становится нулевой. В этом месте будет скопление бурового шлама и набегающая шарошка периферийной своей частью попадает на шламовую подушку , что приводит ее к аномальному износу, и нашло подтверждение при промысловых испытаниях опытных партий долот с этой схемой промывки.

Рис. 5. Скорости потока жидкости в проемах и под шарошками долот при различных схемах промывки

1, 2 - кривые изменения максимальной скорости потока по

забою в проемах и под шарошками соответственно (схема с тремя удлиненными насадками). Г, 2' - то же для схемы с двумя удлиненными насадками. 3, 4 - кривые изменения максимальной скорости потока в проемах и под шарошками в схеме с тремя наклоненными к забою насадками.

5 - кривая изменения максимальной скорости потока в

свободном от насадки проеме для. схемы с двумя удлиненными насадками.

В пятой главе приводятся результаты разработки с учетом выполненных исследований долота III 295,3 МС-ГВ и насадок к ним. Насадки изготавливались из износостойко-

го модифицированного итрисм чугуна, разработанного член-корром технологической АН России д.т.н. А.А.Аникиным в Саратовском институте механизации сельского хозяйства. Литье по выплавленным моделям позволяет придать насадке любую форму. Принятые параметры 5=32° и место изгиба ]1н=0,411 долота соответствовали оптимальным. На Дро-гобычеком долотном заводе были изготовлены три партии долот с разными схемами промывки; симметричная гидромониторная схема промывки с тремя удлиненными насадками, симметричная гидромониторная схема с тремя удлиненными насадками, наклоненными к плоскости забоя, асимметричная гидромониторная схема промывки с двумя удлиненными насадками.

Отработка опытных долот велась на площадях ГП «Ук-рбургаз» указанных в протоколе испытаний в приложении. Испытания велись роторным способом в аналогичных ге-олош-техшпеских условиях и показали несомненное преимущество новой схемы промывки перед другими испытаниями.

Результаты испытаний приведены в таблице. Из таблицы следует, что в идентичных условиях опытные долота со схемой промывки с удлиненными, наклоненными к плоскости забоя насадками превосходят долота с симметричной схемой с тремя удлиненными (прямыми) насадками по проходке на долото и механической скорости бурения соответственно на 15 и 17%, с асимметричной схемой с удлиненными насадками на 10 и 14%, серийные (с короткими тремя насадками) на 39 и 35% соответственно. Важно отметить, что при новой схеме промывки износ долот был равномерным по всем шарошкам и практически все опытные долота этой партии еще могли работать, т.е. проходка на долото могла быть еще выше. Износ долог с асимметричной схемой был аномальным по шарошке, набегающей на свободный от насадки проем между лапами.

Таким образом, в результате промысловых испытаний нашли подтверждение все основные результаты работы. Экономическая эффективность от внедрения опытных долот согласно расчету, составила 17,2 тыс. руб. на долото, в ценах 1992 года.

Таблица

Результаты испытаний долот с различными схемами промывки на площадях Крестищенского УБР ГП «Укрбургаз»

Шифр долота и .характеристика промывочного узла Интервал бурения К-во отработанных долот Общая проходка, м Общее время бурения, час Средние показатели на долото

проходка мех. скорость стойкость

от ДО м % м/ч % ч %

III 295,3 М, МС-ГВ серийная схема промывки с тремя короткими насадками 160 1063 11 2922 286,43 265,6 100 10,3 100 25,0 100

III 295,3 М, МС-ГВ асимметричная гидромониторная схема промывки с двумя удлиненными насадками 160 1078 3 1035 81,93 345 129 12,63 121 27,3 105,0

III 295,3 М, МС-ГВ симметричная гидромониторная схема промывки с тремя удлиненными насадками 160 1042 3 991 80,65 330,3 124 12,29 118 26,9 103,5

III 295,3 М, МС-ГВ симметричная гидромониторная схема с тремя удлиненными насадками, наклоненными к плоскости забоя 160 1133 10 3693 264,75 369,3 139 13,95 135 26,5 101,9

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Усовершенствована методика проведения исследований по выявлению гидродинамического совершенства насадок. Предложенный новый узел крепления насадки позволяет оперативно в ходе эксперимента устанавливать и регулировать наездку под любым углом к забою и в любом месте призабойной зоны, в процессе эксперимента.

2. Выявлены закономерности истечения струн из наклонных под разными углами к забою насадок в затопленное пространство призабойной зоны. Определен характер их растекания в стесненном пространстве призабойной зоны. Установлено, что относительная скорость радиального потока по забою с увеличением наклона насадки возрастает, а интенсивность возрастания скорости падает, причем в сравнении с прямой удлиненной наездкой максимальная относительная скорость возрастает в 1,15 раза (с 0,84 до 0,97) от скорости истечения потока из наездки. Показано, чго с помощью угла наклона наездки к забою можно интенсифицировать силу воздействия на шлам в сторону, противоположную наклону насадки и снижение дифференциального давления на забой, что способствует интенсификации эвакуации шлама с его поверхности.

3. Установлено влияние угла наклона оси наездки к плоскости забоя на их гидродинамическое совершенство. Показано,, что для насадки состоящей из 4-х участков коэффициент расхода и коэффициент гидродинамического совершенства зависят от: наличия и величины выходного участка (спрыска), соотношения диаметров выходного участка с1|!Ь]Х и сопряженного с ним цилиндрического участка с1,. Установлены оптимальные значения соотношения с11Д1шх=2-^3, длины спрыска Ьс=5ёшх . Изгиб оси насадки должен осуществляться на участке спрыска, т.е. до его сопряжения с с^, при отношении радиуса искривления Л0 к наружному диаметру насадки К()/00 >4,5. При этих значениях гидродинамическое совершенство удлиненной насад-

ки с искривленной осью будет близко удлиненной насадке с прямой осью, как по коэффициенту расхода (р =5), так.и коэффициенту гидравлического сопряжения (Кгс-18,7).

4. Разработана и оптимизирована удлиненная с искривленной к плоскости забоя осью насадка для долота диаметром 295,3 мм.

5. Разработана конструкция долот диаметром 295,3 мм с оптимизированной схемой промывочного устройства с пространственным размещением удлиненных насадок. Промышленные испытания подтвердили их эффективность. Показатели опытных долот превысили показатели серийных долот по проходке на 37% и по механической скорости бурения на 35%, а по сравнению с долотами с удлиненными прямыми насадками на 15 и 17% соответственно. Экономический эффект от внедрения долот с новой схемой промывки составил 17,2 тыс. руб. на долото, в ценах 1992 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Выбор оптимальной формы внутреннего канала изогнутых удлиненных насадок буровых долот. «Нефтяник». М., 1992, N9.

2. Экспериментальные исследования свойств несвободных затопленных струй из насадок с различным наклоном к забою. «Нефтяник». М., 1992, N9. Соавторы: Буняк Б.Т., Филь В.Г.

3. Влияние пространственной ориентации удлиненных насадок в схемах промывки трехшарошечных долот на очистку забоя скважин от выбуренного шлама. «Нефтяник». М., 1992, N9.

4. Оптимизация схемы промывки трехшарошечных гидромониторных долот. «Нефтяник», 1994, N 3. Соавторы: Буняк Б.Т., Васильев A.B., Гинзбург Э.С.

5. Применение трехшарошечных долот с усовершенствованной схемой промывочного узла. «Нефтяная и газовая промышленность», 1993, N3. Соавторы: Мельник М.П., Бондар H.A.