Теорія та практика використання кавітаційних процесів при бурінні свердловин

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми інтенсифікації руйнування гірської породи при бурінні свердловини за рахунок ефективного використання енергії кавітаційної пульсації потоку промивальної рідини. У дисертації набули розвитку механізми руйнування гірської породи і теорія кавітаційних процесів, що генерується на вибої свердловини та вирішено важливу проблему інтенсифікації руйнування гірської породи при бурінні за рахунок модернізації кавітаційних камер бурового долота. Інтенсифікація процесу руйнування досягається шляхом переведення режиму промивання в кавітаційно-пульсаційний режим, що дозволяє знизити енергоємність процесу руйнування гірської породи та забезпечує підвищення механічної швидкості буріння та проходки на долото. Показано, що одним з найефективніших методів руйнування гірських порід є метод кавітаційно-пульсаційного впливу на породу. Його реалізація можлива під час обертового буріння за рахунок переведення промивки свердловини в кавітаційний режим. Досліджено, що за рахунок використання кавітаційної пульсації потоку промивальної рідини при бурінні порівняно з гідромоніторним режимом постійного промивання, знижується енергоємність процесу руйнування гірської породи. Запропоновано аналітичні залежності для прогнозування частотного розподілу енергії, яка виділяється при лусканні кавітаційних пухирців на вибої свердловини. Розроблено та рекомендовано до впровадження в практику буріння методику практичного розрахунку оптимізації кавітаційно-пульсаційної дії на гірські породи при бурінні свердловини, яка дозволяє визначати ефективні параметри процесу буріння з кавітаційно-пульсаційним промиванням для інтенсифікацій руйнування гірської породи при збереженні зносостійкості інструменту.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической проблемы интенсификации разрушения горной породы при бурении скважины за счет эффективного использования энергии кавитационной пульсации потока промывочной жидкости. Интенсификация процесса разрушения достигается путем перевода режима промывки в кавитационно-пульсационный режим, позволяющий снизить энергоемкость процесса разрушения горной породы и обеспечивает повышение механической скорости бурения и проходки на долото. Обоснованно и рекомендовано рациональные режимы кавитационно-импульсной нагрузки на забой скважины, которые обеспечивают эффективность технологии. Проведена систематизация кавитационно-импульсных режимов промывки при бурении на основе теории спектров, разработаны теоретические основы управления кавитационно-импульсным воздействием на забой скважины в условиях такого режима промывки. Путем математического моделирования исследовано процесс распределения энергии по различным диапазонам частот в процессе распространения импульсного возмущения, генерируемого кавитатором по горному массиву пород в результате схлопывания кавитационных пузырьков. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований обоснована возможность использования режима кавитационно-пульсационной подачи промывочной жидкости при бурении стандартными буровыми долотами для повышения эффективности разрушения горной породы за счет лучшего использования энергии на забое скважины. На основе вывода уравнения Рэлея получено уравнение движения стенки кавитационного пузырька в несжимаемой жидкости и его решения. Впервые получено нелинейное уравнение, описывающее динамику кавитационного пузырька с учетом сил поверхностного натяжения и вязкости жидкости. Выведена формула, которая позволяет определить период колебаний кавитационного пузырька в зависимости от соотношения между гидростатическим давлением и давлением на соответствующей глубине скважины. Приведены математическая модель и методы прогнозирования кавитационных режимов течения жидкости на основе нелинейных колебаний кавитационного пузырька, позволяющие более полно учитывать конструктивные особенности кавитационных устройств и особенности физических процессов, происходящих на забое скважины. Получено линейное интегрально-дифференциальное уравнение, описывающее динамику кавитационного пузырька при воздействии амплитудно-частотного спектра волн давления, которые создаются в результате схлопывания пузырьков в поле набегающей волны соответствующей конфигурации. На основе выведенного интегрально-дифференциального уравнения получено новую формулу для определения амплитудно-частотного спектра в зависимости от параметров среды и набегающей волны. Разработана и внедрена в практику бурения методика расчета кавитационно-импульсного способа разрушения горных пород, которая позволяет обеспечить энерго-эффективность бурения скважины. Установлено гидродинамическую увязку конструктивных параметров кавитатора с массивом горной породы, который подлежит разрушению буровым долотом. По результатам поставленных экспериментальных исследований установлены оптимальные размеры кавитационных пузырьков в качестве основного оптимизационного параметра, построены графические зависимости, позволяющие оценить рост размеров кавитационных пузырьков от изменения перепада давления и плотности промывочной жидкости, а также соотношение размеров сопел кавитатора. Экспериментально подтверждена возможность кавитационного разрушения на примере таких образцов горных пород, как песчаник, известняк, доломит и мрамор. Рассмотрены перспективы совершенствования конструкций бурильного инструмента для повышения эффективности кавитационно-пульсационного воздействия на горную породу. Промышленными испытаниями наддолотного переводника со встроенным кавитационным пульсатором доказана его работоспособность. Предложена новая конструкция бурового долота, что позволяет усилить кавитационно-пульсационный эффект благодаря размещению соосно к кавитационным камерам кавитатора стержней с внешней винтовой поверхностью. Разработаны технические предложения по совершенствованию конструкций буровых долот для интенсификации процесса разрушения горной породы за счет кавитационно-импульсного воздействия. Включение в КНБК породоразрушающего инструмента с кавитационной пульсацией потока промывочной жидкости обеспечивает оптимальные условия работы бурового долота и, как результат, сосредоточение кавитационной энергии на разрушении массива горной породы забоя скважины. Рассмотрена возможность применения технологии кавитационно-импульсного воздействия в усовершенствовании способа добычи метана из твердых газогидратных залежей за счет создания неуравновешенных термобарических условий при снижении давления и подводом тепла, где температура теплоносителя регулируется с помощью давления, возникающего в кавитационной камере, расположенной на нижнем конце колтюбинговой гибкой трубы.

The thesis is devoted to solution of the important scientific and technical problem of intensification of rocks destruction during well drilling due to the effective use of energy of cavitation fluctuations of flushing fluid. The dissertation developed the mechanisms of rocks destruction and the theory of cavitation processes generated on the well hole and solved an important problem of intensifying the destruction of rocks during drilling due to the modernization of the cavitation chambers of the drill bit. Intensification of the destruction process is achieved by transferring the washing regime to the cavitation-pulsation regime, which allows reducing the energy intensity of the rock destruction process and provides for increasing the mechanical speed of drilling and drilling on the bit. It is shown that one of the most promising methods of destruction of rocks is the method of cavitation-pulsating influence on the rock. Realization of such influence is possible during rotary drilling at the expense of transfer of well washing into cavitation mode. It was investigated that due to the use of cavitational pulsation of the flushing fluid during drilling compared to the hydro-monitors of continuous flushing mode, the energy intensity of the rock destruction process is reduced. Analytical dependencies are proposed for prediction of the frequency division of energy, which is released when scaling cavitation bubbles on the well hole. The drilling practice is developed and introduced in the practice of practical calculation of optimization of cavitation-pulsation action on rocks during well drilling, which allows to determine the effective parameters of the drilling process with cavitation-pulsating washer for intensification of the destruction of rocks while maintaining the durability of the tool.