Интенсификация разрушения горных пород при использовании кавитационных колебаний жидкости в буровых долотах

Скважины, проходимые в верхнем осадочном чехле земной коры и имеющие длину ствола, не превышающую ста или несколько сотен метров, обычно относят к неглубоким условное название) скважинам. Большинство неглубоких скважин сооружают вращательным способом, без отбора кернового материала — лопастными и шарошечными долотами. К числу таких скважин относятся скважины как эксплуатационного водозаборные, геотехнологические) так и технического назначения (строительные, водопонизительные и др.). В настоящее время в связи с постоянным ростом объемов строительных работ и нужд в источниках водоснабжения увеличивается доля сооружаемых вращательным способом с промывкой неглубоких скважин. Разбуриваемые толщи при проходке неглубоких скважин, как правило, относятся к горным породам, имеющим сравнительно невысокие категории по буримости. Такие породы успешно разрушаются не только вооружением долот, но и потоками жидкости, имеющими высокие скорости — гидромониторными струями, а особенно эффективно — при совместном механическом воздействии долота и гидромеханическом давлении гидромониторной струи. Долота, позволяющие реализовать наряду с механическим разрушением пород резцами (лопастями) гидравлическое — струями жидкости, оснащаются гидромониторными насадками (соплами) и называются гидромониторными долотами. Такие долота широко используются как в отечественной, так и зарубежной практике буровых работ. Однако полагать вполне достаточными и исчерпывающими существующие технико-технологические разработки в области бурения гидромониторными долотами вряд ли было бы верным. По этой причине как в нашей стране, так и в зарубежье специалисты по бурению скважин разрабатывают, испытывают и внедряют в производство новые, более эффективные конструкции породоразрушающих инструментов и способы бурения. Новым конструкциям инструментов и новым способам бурения требуются соответствующие технологические разработки. К числу перспективных нетрадиционных решений в области бурения неглубоких скважин можно отнести гидромеханическое разрушение пород высоконапорными гидромониторными струями жидкости непрерывного и импульсного действия, эрозионное разрушение абразивными струями (гидромониторными струями, несущими абразивный твердый, а также жидкий или газообразный материал), эрозионное разрушение забоя кавитационными струями жидкости (гидромониторными струями, в которых происходит фазовый переход жидкости в пар, а затем снова в жидкость — кавитация).

Разработке технологии вращательного бурения неглубоких скважин долотами, оснащенными гидродинамическими генераторами кавитационных колебаний жидкости, позволяющими создавать кавитационные струи, посвящена настоящая работа.

Конечной целью данной технологической разработки является повышение эффективности бурения. В этом смысле изучение воздействия кавитационных струй на горную породу и разработка стратегии поддержания явления кавитационной эрозии забоя по мере углубления скважины является актуальным направлением исследований.

Для достижения поставленной цели — разработки технологии бурения — в процессе научных исследований были решены следующие задачи: произведен анализ существующих технико-технологических решений в области бурения скважин с использованием гидромеханического разрушения пород напорными струями жидкости непрерывного и импульсного действия, эрозио/шого разрушения абразивными струями и эрозионного разрушения кавитационными струямидана оценка возможности применения явления кавитации в процессе углубления скважиныизучены и проанализированы результаты экспериментальных исследований интенсивности кавитационного разрушениявыявлены основные факторы, определяющие эффективность воздействия струй на забой скважиныразработан энергетический критерий разрушения горных пород при бурении скважин с использованием мощности струй жидкостиразработана методика и подготовлена экспериментальная база для изучения эффективности применения явления кавитации с целью разрушения забоя скважиныпроведены экспериментальные исследования и проанализированы результаты разрушения горных пород кавитационными струями жидкости и долотами, оснащенными генераторами кавитационных колебаний жидкостиразработана гидравлическая программа' процесса промывки при бурении долотами, реализующими кавитационное истечение жидкостиразработана стратегия управления ростом скорости кавитационной струи жидкости в процессе углубления.

Экспериментальные исследования осуществлялись на стендах кафедры разведочного бурения МГГРУ им. Серго Орджоникидзе. Диссертационная работа выполнилась в рамках организационно-технологических инновационных работ, проводимых ЗАО «Концерн.

Союзгеопром" совместно с МГГРУ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 54 наименования. Содержит 91 страницу машинописного текста, 33 рисунка, 11 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

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

Для данной горной породы, данной промывочной жидкости и конструкции системы «долото — генератор кавитационных колебаний» основной переменной управляемой величиной, определяющей интенсивность кавитационной эрозии, является скорость жидкости, протекающей мерекавитатор

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

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

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

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

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие защищаемые положения:

Первое защищаемое положение.

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

Второе защищаемое положение.

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

Третье защищаемое положение.

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.