Файл: Удк 67. 05 Сопловое гидроударное бурение скважин за счет детонации метана и кислорода, новая концепция бурения скважин.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 26
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
УДК 67.05
Сопловое гидроударное бурение скважин за счет детонации метана и кислорода, новая концепция бурения скважин
Михайлов В.А* (ВФ УГТУ, mihailoff.vya4eslaw@yandex.ru)
Аннотация
Разработан способ и механизм сверхглубокого бурения, представлено эскизное решение буровой сопловой, детонационной, гидроударной головки. Способ предполагает бурение без участия вращательных механизмов и рабочего инструмента (буровых долот, коронок, шарошек и т.д), при бурении твердых и крепких горных породах с прямым детонационным воздействием на гиперскоростное перемещение жидкой среды с переменной нагрузкой и разрушения породы в забойной части скважины в результате воздействия гидроабразивного удара.
Современные способы бурения предусматривают: вращательный; ударно-вращательный; вращательно-ударный; ударно-канатной; ударно-забивной; способы бурения, с промывкой или с продувкой забойной части скважины. Значительная часть затрат сопровождается с износом рабочего инструмента, оборудования и энергопотреблением. С целью снижения этих затрат предлагается новая концепция соплового гидроударного детонационного бурения с применением абразива из забойной части скважины.
Ключевые слова
сопловое, гидроударное, детонационное, сверхглубокое бурение скважин, гиперскоростное перемещение жидкой среды с переменной нагрузкой, гидроудар, гидроабразивный удар.
Nozzle hydraulic percussion drilling of wells due to the detonation of methane and oxygen, a new concept of well drilling
Mikhailov V.A* (VF USTU, mihailoff.vya4eslaw@yandex.ru)
Annotation
A method and mechanism for ultra-deep drilling has been developed, and a draft solution for a drilling nozzle, detonation, and hydropercussion head has been presented. The method involves drilling without the participation of rotational mechanisms and working tools (drill bits, drill bits, cutters, etc.), when drilling hard and strong rocks with a direct detonation effect on the hypervelocity movement of a fluid medium with a variable load and destruction of the rock in the bottomhole part of the well in the result of hydroabrasive impact.
Modern drilling methods include: rotational; shock-rotational; rotational shock; shock-rope; percussion-driving; drilling methods, with flushing or blowing down the bottom of the well. A significant part of the costs is accompanied by the wear of the working tool, equipment and energy consumption. In order to reduce these costs, a new concept of nozzle hydraulic percussion detonation drilling using abrasive from the bottom hole is proposed.
Keywords
nozzle, hydraulic percussion, detonation, ultra-deep drilling, hypervelocity movement of a liquid medium with a variable load, water hammer, hydroabrasive impact.
Введение
Повышение интенсивности технологических процессов разработки полезных ископаемых связаны с растущим спросом на мировом рынке углеводородов и ископаемых в целом. Из-за этого истощаются месторождения, поэтому приходится углубляться, что напрямую связано с необходимостью развития технологических процессов бурения сверхглубоких скважин, это очень сложная, но и очень актуальная задача, которая стоит перед технологами машиностроителями.
Изучив направления исследований связанных с совершенствованием технологических процессов и способов бурения глубоких скважин можно сделать вывод, что основным способом бурения является ударно-вращательное бурение и все разработки сводятся к совершенствованию геометрии бурового ударно режущего инструмента (коронок и долот и т.д.) его материалов и режимов бурения. Так же предлагаются новые механизмы воздействия на разрушение горных пород в забое, такие как газопламенное, электродуговое, гидроударное (с применением ударного механизма приводимого промывочной жидкостью) бурение описанного патентами, автором которого является Пер Густафссон [1] и ударного механизма , который представлен в патенте РФ Султановым Б.З. [2] показанных на рисунке 1 [1,2,3]. Но все эти методы связаны либо с термическим, что в ряде случаев недопустимо при разработке углеводородов, либо механическим видом разрушения горной породы, что тоже приводит к износу бурового инструмента, а также гидроударного механизма. Все это затрудняет разработку скважин глубокого и сверхглубокого бурения, так как нагрузка на приводящие механизмы возрастает многократно и ограничена прочностными характеристиками буровых штанг.
Объект и методы исследования.
Объектом исследования рассматривается, концепция бесконтактного гидроабразивного детонационного соплового бурения – которая является инновационным способом в области бурения скважин и предположительно наиболее эффективным с точки зрения скорости проходки и себестоимости производимых работ.
Энергия детонационных процессов, переходящая в кинетическую энергию, превращает струю воды с
абразивом в снаряд разрушительной силы, перед которой не в состоянии устоять ни стекло, ни кварц, не говоря уже о более мягких материалах.
Рисунок 1. Механизм гидроударной буровой головки описанного патентом автором которого является Пер Густафссон (слева) [1], (справа) ударный механизм разработанный Султановым Б.З., и схематический принцип его работы[2,3].
Методами исследования являются выстраивание логических технологических цепочек позволяющих сделать выводы об эффективности концепции и правильности рассуждений при моделировании конструкционных решений и физических процессов.
Основная идея концепции заключается в создании условий в забойной части скважены, которые создадут ударно-режущую нагрузку на горную породу, котороая будет являтся кретической и позволит с высокой производительностью разрушать горные породы, проходить большие расстояния за короткий промежуток времени без значительного износа и без нагрузок: на вращающий механизм; на кручение буровых штанг, которые в этом случае не передают вращательный момент на ударно-режущий инструмент в забое скважины, так как концепция предусматривает безконтактное бурение. А так же отсутствует потребность в смене бурового инструмента для разных по прочности и твердости пород , по причине универсальности предлогаемого спрособа. В коцепции основной движущей силой является газавая детонация с применением сопутствующих газов с возможностью регулирования их порциального давления с целью контроля силы разрушающего воздействия на породу.
Результаты исследований
Детонационные процессы в газах это взрыв, протекающий единовременно во всем объеме заполненном смесью детонирующих газов и отличаются от процессов протекающих в жидких и твердых взрывчатых веществах. Эти процессы связаны с четырьмя термодинамическими характеристиками газов: давлением (P), объёмом (V), температурой (Т) и скоростью детонации (D), и представлены в работах русского физика Михельсона, который является основоположником современной гидродинамической теории взрыва [4]:
B=
=
(1)где В – мощность взрыва,
М – вес заряда ВВ, τ – время ( в сек) распространения взрыва по заряду ВВ, Q – теплота взрыва в ккал/кг,I – механический эквивалент теплоты, D – линейная скорость распространения взрыва, l – длина заряда.
Из условия теории гидрогазодинамики, детонация обусловлена распространением ударной волны по объему смеси детонирующего газового пространства. При этом ударная волна способна возбуждать интенсивную химическую реакцию которые обеспечивают постоянные параметры волны.
Отсюда следует, что скорость ударной волны близка к скорости детонации и может многократно превышать скорость звука [4]. Детонационные процессы в газах могут быть объяснены адиабатой Гюгонио представленных на рисунке 4. [5]
Рисунок 2. адиабата Гюгонио [5].
Теория ударных волн позволяет выразить скорость потока вещества (U) и давление на фронте сильной ударной волны (P1) в виде: [4]
; 
(2)где k= сP/сv = const, сv– теплоемкость при постоянном объеме; сP– теплоемкость при постоянном давлении, D – скорость детонации, ρ0 – начальная плотность газовой смеси до детонации.
В задачи Лагранжа схематически представлена газо-гидродинамическая система газ – вода – метаемое тело на рисунке 3 [4].
Рисунок 3. Схема газо-гидродинамической системы газ – вода – метаемое тело [4].
В трубе с единичной площадью сечения в объеме l взрывается смесь метана и кислорода массой µ . Жидкость передает энергию метаемому телу массой M. Детонация, которая протекает в момент времени t=0. Возникающая при этом система волн показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Система распространения волн при детонации [4]
При этом предельную скорость выброса жидкости, сжатой детонационным давлением можно представить выражением [4]:
(3)где u0 – начальная (предельная) скорость потока на фронте ударной волны.
С увеличением глубины детонации, внешнее противодавления возрастает, и поэтому предельный объем продуктов детонации уменьшается в отношении (pa/ph)1/k, где ph – противодавление на глубине h.Из условия если
то скорость выброса жидкости и метаемого тела не превосходит 2000 м/сек, а предельная скорость выброса жидкости порядка 2500 – 3000 м/сек. [4] Исходя из предела прочности разрушаемой породы благодаря математическому моделированию детонационных процессов приведенных в ряде источниках, можно рассчитать объем смеси газа который создаст необходимую силу ударной волны, приложенную к гидроабразивной струе [5,6], разрушающую горную пароду в забое буримой скважины.
Разработана модель конструкции гидроударного, детонационного, гидроабразивного сопла, показанного на рисунке 5.
Одним из свойств детонационного бурения, помимо возникновения гидроударной волны, является инициация акустической волны, воздействующей на забой скважины и отраженной на сканирующие эхолокационные датчики, что позволяет в режиме реального времени детально отслеживать свойства буримых горных пород и препятствий на пути бурения скважины [6,7].
Описание механизмов и процессов агрегата
В корпус 1 детонационной камеры 19 через систему клапанов 2 и 4 подается О2 и Н2 и происходит пробой дуги между электродами свечи 5 после чего происходит детонация смеси газа продукты которой вырывается со сверх звуковой скоростью в виде ударной струи 18. Ударная волна передает энергию сдетонировавшего газа гидроабразивной струе 20 которая вырываясь из основного и вспомогательных сопел 12, 13 разрушительно воздействуя на забой скважины. В то же время срабатывает обратный клапан 6, в виде мембраны, перекрывает поток промывочной жидкости 7, в тот момент, когда газовый пузырь достигает мембраны, которая до этого момент является откатным механизмом для гашения отдачи, так как давление резко возрастает. Гидроабразивные потоки 14, 15 воздействуя на горную породу являясь транспортирующейся средой для промывки забоя и подъёма породы на поверхность. Помимо этого абразив 9 за счет подсасывания промывочной жидкости через отверстие 10 в корпусе соплового аппарата 16 в