Апробация работы
По теме магистерской работы был представлен доклад на IX Всеукраинской студенческой научно – технической конференции «День науки - 2009» в городе Донецк, 23 апреля 2009 года, которая проводилась на кафедре технологии и техники геологоразведочных работ Донецкого национального технического университета (ДонНТУ).
Локальный обзор исследований и разработок
На кафедре технологии и техники геологоразведочных работ (ТТГР) ДонНТУ проводятся исследования, касающиеся очистки промывочной жидкости от шлама при внутрискважинной пульсирующей промывке в условиях водопоглощений. Большой вклад внес к.т.н., доцент кафедры ТТГР Филимоненко Н.Т. в развитие научных основ внутрискважинной пульсирующей промывки, обеспечивающих повышение эффективности буровых работ.
Основное содержание работы
Обеспечение очистки жидкости от шлама при внутрискважинной пульсирующей промывке в условиях водопоглощений представляет очень важную задачу. Это вызвано тем, что из-за разорванности гидравлического контура проницаемой зоны невозможно вынести шлам восходящим потоком на дневную поверхность, для последующего отделения от жидкости в желобной системе, отстойниках или гидроциклонах. Поэтому оседающий шлам собирается в шламовую трубу, а остальной – циркулируя с постоянно возрастающей концентрацией, загрязняет и утяжеляет буровой раствор. Это приводит к ухудшению работы и износу ПРИ, способствует энергоемкости процесса, повышению разрушения горных пород, увеличивается вероятность прихвата бурувого инструмента, провоцирует дальнейшее поглощение жидкости вследствие увеличения ее гидростатического давления на уровне проницаемой зоны, снижает работу погружного технологического оборудования в загрязненной среде. Следовательно, необходимо обеспечить максимально возможное снижение концентрации шлама в жидкости за счет расширения той части твердой фазы, которая будет собираться в шламовой трубе.
В настоящее время на кафедре ТТГР проведены исследования по перемещению шлама в пульсирующем потоке жидкости.
Наличие в рабочем цикле пульсационного насоса активной и пассивной части, определяет реверсивный характер движения твердой фазы с положительной, нулевой и отрицательной разностью вертикальной составляющей перемещения частиц на активной х1 и пассивной х2 частях рабочего цикла (рис. 1) в зависимости от их размера, скорости течения и свойств жидкости. За время одной пульсации при условии (х1 < х2) частица седиментирует (рис. 1а); при равенстве х1 и х2 - возвратится в горизонтальную плоскость, в которой находилась в начале пульсации (рис. 1б); в случае если (х1 > х2) - частица продвинется вверх (рис. 1в). Такой характер движения распространяется только на те фракции, эквивалентный диаметр которых будет больше эквивалентного диаметра частиц d0, которые не могут оседать в спокойной неньютоновской жидкости.
Установлены критерии, позволяющие разделить твердую фазу, находящуюся в пульсирующем взвесенесущем потоке, на седиментирующую и выносимую части как по фракциям, так и по длине потока [3, 4, 5].
Анимация - вертикальная составляющая перемещения частиц твердой фазы пульсирующего взвесенесущего потока (объем - 64KB, количество кадров - 10, количество повторений - 7)
Наибольший интерес представляет движение частицы с равной вертикальной составляющей на пассивной и активной части работы пульсационного насоса. Она разделяет всю твердую фазу по размеру фракций на выносимую и седиментирующую в наружную шламовую трубу части, поэтому она является критерием, разделяющим всю твердую фазу по направлению движения (рис. 1б).
Были получены формулы, по которым можно рассчитать эквивалентный диаметр частицы при наличии в скважине ньютоновской жидкости (1), а так же неньютоновской вязкопластичной (2) (модель жидкости – Тело Шведова) и неньютоновской слабоструктурированной (3) жидкости (модель жидкости – Тело Бингама) [4, 5].
, где c0 – коэффициент сопротивления при обтекании частицы, который можно определить из известной зависимости его от числа Рейнольдса Re (c0=f(Re))[5]; r – плотность частицы шлама.
где d0 - диаметр частицы, которая не сможет оседать в неньютоновской жидкости.
Рис. 2 Вертикальная составляющая перемещения частицы граничного эквивалентного диаметра в восходящем пульсирующем потоке
1 – колонковая труба; 2 – наружная шламовая труба; 3 - скважина; 4 - бурильные трубы.
По формулам (2) и (3) расчет граничного эквивалентного диаметра выполняется численным методом. Для этого с помощью ЭВМ осуществляется полный перебор значений граничного эквивалентного диаметра с целью поиска такой величины, при которой обеспечиваются равенства (2) и (3) применительно к значениям конкретных параметров, входящих в них.
Пространство над верхним торцом наружной шламовой трубы 2 (рис. 2), в пределах которого перемещается частица граничного эквивалентного диаметра, названо переходной зоной lп. [5, 6].
Следовательно, твердая фаза, находящаяся в пульсирующем восходящем потоке, размеры фракций которой превышают граничный эквивалентный диаметр, не может переместиться на расстояние относительно верхнего торца наружной шламовой трубы большее, чем длина переходной зоны.
Расширить седиментирующую часть твердой фазы в пульсирующем взвесенесущем потоке, путем смещения граничного эквивалентного диаметра, определяемого по формулам (1), (2), (3) в сторону меньшей фракции, возможно только варьируя параметрами рабочего цикла пульсационного насоса (tа и tц). Остальные параметры, входящие в эти формулы, не доступны для оперативного регулирования в процессе бурения (рис. 3).
Рис. 3 Расширение седиментирующей части твердой фазы в пульсирующем взвесенесущем потоке, путем уменьшения граничного эквивалентного диаметра
Выводы
Используя полученные в ходе выполнения работ зависимости (пока не приведены, так как на данный момент иагистерская работа находится в стадии разработки, после декабря 2009 года полный текст работы можно получить у автора или научного руководителя работы) будут использоваться для оперативного прогнозирования степени очистки промывочной жидкости от шлама, применительно к условиям объекта буровых работ, для которых они рассчитаны.