книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

-при истечении с противодавлением влияние угла начинается только после угла более 90°...100°.

Рис. 4.2.5. Влияние длины цилиндрического участка (спрыска) на ко­ эффициент расхода конической насадки с углом конуса 75 0 , имеющей сопряжение поверхностей радиусом 3...4 мм.

На рис. 4.2.8 и 4.2.9 показано влияние радиуса скругления конической насадки на д„. Рассмотрены два варианта превращения конической насад­ ки в плавную радиальную. В одном случае увеличение радиуса скругления сопровождалось уменьшением /„ , а в другом - с сохранением заданной длины 1Ч. Последний вариант оказался весьма эффективным и обеспечил

увеличение до величин, превышающих 1.

В начале данного раздела было показано, что ц„ может быть больше 1, если присутствует противодавление и величина восстановленного давле­ ния (части кинетической энергии потока) больше потерь давления в насад­

ке на этапе разгона потока. Факты совпадения величин с известными из

литературы в условиях истечения в среду без противодавления, а также от­ сутствие влияния противодавления при отсутствии цилиндрического спрыска и многократная проверка полученных результатов, свидетельст­ вуют о том, что превышение цн единицы в условиях достаточного проти-

141

* ж < -пкгимкптлльнык ис с л е д о в а н и я промывочных у з л о в г и д р о м о н и т о р н ы х д о л о т

И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

подавления не является результатом ошибки опытного определения иско­

мой величины.

угол конуса конической насадки, град

Рис. 4.2.6. Влияние угла конуса конической насадки без сопряжения поверхностей канала на величину коэффициента расхода.

Рис. 4.2.7. Влияние угла конуса конической насадки с сопряжением по­ верхностей канала с радиусом 3...4 мм и длиной цилиндри­ ческого спрыска 15 мм на величину коэффициента расхода

142

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ

из а т о п л е н н ы х с т р у й

0,99 -1

Рис. 4.2.8. Влияние радиуса скругления на р„, когда увеличение радиу­ са сопряжения поверхностей происходит а счет уменьшения длины цилиндрического спрыска конической насадки с углом 75°:

1...4 - постепенное увеличение радиуса от 3 до 15 мм; 1- опыты без противодавления; II - опыты с противодавлением.

Рис. 4.2.9. Влияние радиуса скругления на д„, когда увеличение радиу­ са сопряжения поверхностей происходит без уменьшения длины цилиндрического спрыска (10 мм) конической насадки с углом 75°: 1...4 - постепенное увеличение радиуса от 0 до 15 мм; I - опыты без противодавления; II - опыты с противодавлением.

Этот факт объясняется тем, что в условиях истечения в тупик

создаются условия для частичного превращения скоростного напора струи в давление. Не исключено, что этому явлению способствует

143

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НС СЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОТ

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУ й

вдавление. Не исключено, что этому явлению способствует стесненность пространства для струи и наличие возвратного потока. Отсутствие влия­ ния противодавления при 1Ц= 0 объяснятся неравномерностью распределе­

ния скорости по сечению внутри насадки и ее сжатием за пределами на­ садки. Цилиндрический участок выравнивает скорость потока по сечению, что подготавливает условия для проявления эффекта указанного частично­ го превращения кинетической энергии струи в давление среды. При исте­ чении струи в спутный поток или в тупик больших размеров (относитель­ но диаметра отверстия насадки) такого эффекта может не быть. Он может не проявиться и в реальном долоте вследствие больших относительных размеров пространства и отсутствием соизмеримых с расходом струи воз­ вратных потоков, как это имело место в экспериментальной установке.

Специальные испытания реальных долот (см. Приложение) полностью подтвердили сказанное: ни в одном из опытов коэффициент расхода про­ мывочной системы долота не оказался больше I, несмотря на то, что на­ садки в испытанных долотах имели диаметр отверстия 7,16 мм, что соот­ ветствует относительно небольшой величине коэффициента сжатия /? = 0,29. При таком {I уменьшающее влияние подводящего канала долота на величину д,, не превышает 3 %.

Основываясь на опытных данных и учитывая то обстоятельство, что давления в скважине, начиная с глубин 350...500 м, заведомо превышают критические, при применении в гидромониторных долотах насадок с плав­ ным профилем (бирадиапьных, радиальных), имеющих цилиндрический участок длиной (0,5...1,0), можно рекомендовать д„ = 1,000 ± 0,01, что су­ щественно выше традиционно рекомендуемых в литературе по глубокому

Результаты испытания насадки с “профилем естественного износа” дают веские основания для рекомендации уменьшить длину ныне приме­ няемой стандартной насадки с бирадиальным профилем на 3...4 мм, что даст существенную экономию твердосплавного материала.

Знание точных значений является важнейшим условием более точ­ ного определения коэффициента расхода промывочной системы долота , а через него - рЙпо формуле

2 ^ / /

Последняя задача - одна из важнейших в деле проектирования опти­ мальной промывки забоя скважины.

Коэффициент расхода отдельно взятого промывочного канала р„к зави­ сит от р„ , р„ и соотношения диаметров d„ и d„. Впервые на это указал А.К.

144

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

Козодой [64], предложивший формулу, которую можно преобразовать к виду:

При промывке с применением равноразмерных насадок р,, = рт . Коэффициент расхода промывочной системы долота рд (для краткости

в дальнейшем: “коэффициент расхода долота”) при использовании разно­ размерных насадок определяется по формуле, полученной из условия по­

При разноразмерных насадках р„кбудет меньше там, где больше d,u . Следовательно, при d„ = const скорость истечения будет меньше там, где больше диаметр насадки.

Использование насадок большего диаметра (при d„ = const), как это следует из формулы (4.2.9), означает увеличение потребного перепада дав­ ления на долоте для обеспечения запланированной скорости истечения. В “идеале” для создания струи, например, с гидродинамичесим давлением в 10 МПа достаточно иметь 10/д» = 10/ 0,985J = 10,31 МПа исходной по­ тенциальной энергии давления, но для того, чтобы приблизиться к этому “идеалу” необходимо, чтобы коэффициент раскрытия /?' был не более 0,25. Если считать, что при использовании в долоте двух одинаковых на­ садок расчетный диаметр их отверстий.редко превышает 15 мм, то для ми-

145

44К< 11КРИМКНТЛЛЫ1ЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ VIJlOB ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

нимизации потерь энергии при формировании струй необходимо иметь d„ =55.,.60 мм. Подводящий канал такого диаметра конструктивно реализо­ вать технически затруднительно и не целесообразно хотя бы потому, что потребуется применение очень громоздких (и дорогих) по размеру метал­ локерамических насадок, поэтому поиск оптимального решения в отно­ шении выбора диаметра подводящего канала становится важной задачей. Критериями оценки оптимальности решения задачи могут быть коэффици­ ент расхода промывочного узла долот рл или величина щ , которую мож­ но назвать показателем “перерасхода давления” (в процентах) и вычис­ лить по формуле:

Прежде всего необходимо определить влияние разноразмерности наса­ док на указанные параметры для случая, когда суммарная площадь сече­

ния насадок остается постоянной.

Введём понятие коэффициента разноразмерности, определяемого по

применению при переходе от равных по диаметру насадок к разноразмерным насадкам;

djm, - диаметр двух равных по диаметру насадок.

Традиционно выбор диаметров разноразмерных насадок осуществляют исходя из условия сохранения площади суммарного сечения насадок. Од­ нако это условие не совсем строго, потому что не обеспечивает постоянст­ ва перепада давления на долоте и, как будет показано в подразделе 4.4, до­ пустимо только для е <1,15. Более точное решение для выбора диамет­ ров разноразмерных насадок дано в разделе 4.4.

Задачу удобнее решать на примере использования в долоте двух наса­ док ввиду ее однозначной зависимости между диаметрами насадок.

Если в формуле (4.2.10) диаметры насадок выразить через dp,,, и е , а коэффициенты расхода промывочных узлов - по формуле (4.2.9), то реше­

Коэффициент к может изменяться только в пределах 1,0...1,414. Слу­ чаю применения двух равных насадок (с/, = d2 =df„u) соответствует г =1. Если ?; = 1,414, то d2= 0, что равноценно применению одной насадки вме­ сто двух. При е > 1,414 нарушается условие постоянства суммарного сече­ ния насадок и потому эта область не применима.

146

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДО. К) t

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

Показатель перерасхода давления <р() определяется по формуле (4.2.13).

о:

S

X

о

с; m

С

ct сг

О

X

о

<п

а.

0)

о.

а)

Рис. 4.2.10. Зависимости коэффициента расхода промывочного узла

(1) и величины перерасхода давления на насосах (2) от р* при ис­ пользовании равноразмерных насадок.

Рис. 4.2.11. Зависимости //<> (I и 2) и величин <р„ (3 и 4) от диаметра равноразмерных насадок при различных диаметрах подводящего

и <р<) в случае использования равноразмерных насадок (независимо от их

147

4‘ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

числа). При /?' > 0,5, когда цл < 0,950, перерасход давления составляет око­ ло 7 %, что представляется весьма нежелательным. Для долот диаметром до 215,9 мм, как показывает опыт проектирования гидромониторной про­ мывки, в варианте использования двух одинаковых насадок диаметр по­ следних не превышает 15 мм. Если принять предельное значение /?* рав­ ным 0,5 , то получаем минимально необходимый диаметр d„ = 30 мм, что больше, чем у серийных долот диаметром 215,9 и 295, 3 мм, у которых d„ = 24.5 мм .

Рис. 4.2.11 демонстрируют влияние диаметра равноразмерных насадок

роговых” значений рл и <рл(соответственно 0,95 и 7 %) при диаметре наса­ док 15,5 мм (вместо 12,7 мм при d„ = 25 мм). Если попытаться сохранитьцл на уровне не менее 0,97, то придется ограничиться диаметрами насадок 10.5 мм (d„ = 25 мм) и 12,5 мм (d„ = 30 мм). С другой стороны, при исполь­ зовании, например, в долоте 295,3 мм насадок с диаметром отверстия 15 мм, как нередко бывает на практике, увеличение d„ с 25 до 30 мм обеспе­ чит увеличение рл с 0,925 до 0,955, и уменьшение <рл - с 13 до 7 %, что весьма существенно. Стремление долотных заводов к унификации промы­ вочных узлов двух-трех “соседних” размеров долот невозможно поддер­ живать потому, что это ограничивает технические возможности реализа­ ции оптимальных решений и предопределяет увеличение напрасных по­ терь гидравлической энергии.

В случае использования разноразмерных насадок ситуация еще более обостряется. На рис. 4.2.12 и 4.2.13 показано влияние коэффициента раз­ норазмерное™ е на д, и <рл . Каждая кривая представляет собой зависи­ мость ч>л ( е ) для различных исходных диаметров разноразмерных насадок. На рисунках стрелками показан пример пользования графиками. Допус­ тим, что промывка осуществлялась с промывкой через 2 равноразмерные насадки диаметром 12 мм. Если теперь перейти на промывку через две разноразмерные насадки, когда dt =12. 1,25 = 15 мм, а 2-я насадка подоб­ рана из условия постоянства суммарного сечения, то перерасход давления составит 9,5 % при d„ = 25 мм и 4,7 % - при d„ = 30 мм.

Анализ зависимостей дает следующий результат:

-по мере увеличения разноразмерности е потери давления всегда возрастают;

-при d„ = 25 мм у долот диаметром 295, 3 мм возможности прак­ тического использования разноразмерных насадок реально огра­ ничены расходами бурового раствора, присущими для долот 215,9 мм;

-стремление к увеличению d„ является более естественным, чем стремление к его уменьшению;

148

4.УКСГТЕРИМЕНГАЛЬКЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

-выбор dn при проектировании конструкции долота должен осуществляться с учетом максимальных диаметров отверстий насадок, которые могут применяться с данным долотом.

2

2

О

ct (О

о

га

л

1

о.

ф

2

<ч

(О

о.

0

1

<й

со

Q.

о.

н

ф

2

га

сс

Р ис. 4.2.12. Влияние разноразмерности насадок на перерасход пе­

репада давления н а долоте при пром ы вке забоя через две на­ садки и ди ам етре подводящ его канала 25 мм.

Задача о влиянии разноразмерности насадок на коэффициент расхода долота в случае использовании в долоте трех насадок решается аналогич­ ным образом. Нет нужды доказывать, что влияние будет существенным, но очевидно и то, что уровень влияния будет меньше по сравнением со случа­ ем применения двух насадок по той причине, что исходный коэффициент раскрытия при трех равноразмерных насадках всегда будет меньше, чем при двух.

149

4>К< т ГИМН|ТА г|Ы(Ы( ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ У «ЛОВГИДРОМОНИТОРНЫХ долот

ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ

Рис. 4.2.13. Влияние разноразмерное™ насадок на перерас­ ход перепада давления на долоте при промывке забоя че­ рез две насадки и диаметре подводящего канала 30 мм.

4.3.Исследование распространения затопленных струй и их динамического воздействия на забой скважины

Прежде чем приступить к изложению результатов экспериментального исследования струй , истекающих из модельных и реальных насадок до­ лот, рассмотрим вопросы методики расчета параметров затопленных струй и обработки опытных данных.

Л.К. Козодой доказал [62, 63, 65], что зависимость гидродинамическо­ го давления струи по ее оси р,н от относительного расстояния т теку­ щего ее сечения до насадки обеспечивает достаточно полную количест­ венную характеристику струи, поскольку все другие ее характеристики (форма внешней границы струи, распределение скорости потока в сечении и др.) однозначно зависят от функции p„L(in). Автор раздела, придержива­ ясь того же (принятого, впрочем, многими исследователями) мнения, свои

1 5 0