Проектирование и численный анализ долота большого диаметра с обратной циркуляцией воздуха для пневмоударного бурения с обратной циркуляцией
 

 

Пневмоударное бурение с обратной циркуляцией (RC-DTH) — это быстрый и экономичный метод бурения твердых пород. Поскольку пневматическое сверло RC является сердцем системы пневмоударного бурения RC-DTH и обеспечивает обратную циркуляцию, сверло RC большого диаметра было инновационно спроектировано и численно оптимизировано с точки зрения всасывающей способности. Результаты показывают, что увеличение угла подъема и угла отклонения всасывающего сопла может улучшить всасывающую способность бурового долота. Производительность долота достигает оптимального состояния, когда расход воздуха составляет около 1,205 кг/с, после чего наблюдается обратная тенденция изменения с увеличением массового расхода воздуха. Оптимальный диаметр всасывающих насадок для рассматриваемого в работе сверла составляет 20 мм. Изготовлено буровое долото RC наружным диаметром 665 мм и пневмоударник RC-DTH наружным диаметром 400 мм и проведены полевые испытания. Результаты полевых испытаний показывают, что скорость проходки при использовании метода пневмоударного бурения RC-DTH более чем в два раза превышает скорость обычного роторного метода бурения. Этот подход к бурению открывает большой потенциал для бурения твердых пород большого диаметра, применяемого в верхних частях ствола скважины над потенциальным продуктивным пластом для бурения наземной нефти и газа, геотермального бурения и соответствующих операций полевого бурения.

 

 

1 ВВЕДЕНИЕ

Пневматическое бурение с погружным пневмоударником считается одним из наиболее эффективных методов бурения твердых пород.1-3 При бурении с погружным пневмоударником более прямые скважины и низкие затраты на метр достигаются за счет частого ударного воздействия. и высокие ударные нагрузки на вставки долота.4, 5 Время контакта вставок бурового долота с горными породами обычно составляет около 2% от общего времени работы, что приводит к более высокому мгновенному весу на долото (WOB), даже несмотря на то, что среднее значение WOB поддерживается на более низком уровне.6-8 Это также показало потенциал для целей сейсмического бурения (SWD) и определения условий бурения.9, 10 В дополнение к этому, по сравнению с традиционными методами бурения с буровым раствором, с использованием воздуха поскольку циркулирующая жидкость приводит к более высокой скорости проникновения (МСП) из-за низкого затрубного давления в затрубном пространстве.11 Кроме того, бурение потенциальных продуктивных пластов с использованием затрубного давления, которое ниже порового давления пласта, может устранить повреждение пласта, которое может повлиять на последующее -на производстве.11 Благодаря вышеупомянутым преимуществам пневмоударное бурение с погружным пневмоударником широко используется в горнодобывающей промышленности, а также распространилось на операции по бурению нефти и газа, поскольку все больше и больше залежей нефти и газа находятся под пластами твердых пород.

 

Погружной пневмоударник с обратной циркуляцией (RC-DTH) — это инновационный инструмент для погружного ударного бурения, приводимый в движение воздухом.12 В отличие от обычной системы погружного пневмоударника, ключевым элементом RC-DTH является буровое долото со специальной конструкцией. Система пневматического удара DTH и бурильные трубы с двойными стенками образуют транспортные каналы для сжатого воздуха и бурового шлама.13 Во время бурения сжатый воздух впрыскивается в кольцевое пространство труб с двойными стенками и приводит в движение пневматический молот RC-DTH. для реализации высокочастотных ударов, воздействующих на долото с обратной циркуляцией (RC), где образуется обратная циркуляция.14 Отличительной особенностью этого метода бурения является сочетание ударного бурения с методом воздушного RC-бурения.

 

Традиционно при бурении с прямой циркуляцией воздуха сжатый воздух подается в забой скважины через центральный проход бурильных труб, затем отработанный воздух выводит буровой шлам из скважины через затрубное пространство, образованное бурильными трубами и стенкой скважины.15 В то время как при воздушном RC-бурении сжатый воздух поступает в затрубное пространство бурильных труб с двойными стенками через вертлюг с двойными стенками; отработанный воздух, несущий буровой шлам, возвращается на поверхность через центральный проход внутренних бурильных труб вместо затрубного пространства, образованного внешней бурильной трубой и стенкой скважины. Как показано на рисунке 1, площадь поперечного сечения центрального прохода (желтый кружок b) системы воздушного RC-бурения намного меньше площади поперечного сечения кольцевого пространства (зеленое кольцевое пространство a). В соответствии с минимальными требованиями к объему для воздушного бурения предполагается, что минимальная скорость движения воздуха (стандартное состояние) составляет около 15,2 м/с для обеспечения транспортировки бурового шлама. Исследование, проведенное Шармой и Чоудхри16, также показало, что только поддержание воздуха с разумной скоростью движения может эффективно транспортировать буровой шлам. Очевидно, что при воздушном бурении с RC гораздо легче достичь пороговой скорости перемещения, поскольку переносящий воздух буровой шлам течет в центральном проходе, а не в кольцевом пространстве между бурильной сваей и стенкой скважины.17-20 Таким образом, низкое потребление воздуха и, как следствие, возможность Бурение отверстий большого диаметра является явным преимуществом пневмоRC-сверления, которое значительно снижает стоимость развертывания и время операции. Кроме того, поскольку воздух и буровой шлам, выходящие из выпускной трубы, могут быть направлены непосредственно в установку для сбора шлама и пыли, расположенную вдали от буровой площадки, рабочая среда улучшается, а атмосфера не содержит масел, что затрудняет работу буровых рабочих и оборудование от угрозы буровой пыли.14, 21

 

 

 

 

 

Рисунок 1

Схема метода бурения с обратной циркуляцией воздуха

 

 

В системе пневмоударного бурения RC-DTH сверло RC является ключевым элементом, обеспечивающим обратную циркуляцию воздуха. Большинство предыдущих усилий по бурению с пневмоударником RC-DTH были сосредоточены на характеристиках долот с обратной циркуляцией, направленных на получение лучшей конструкции для улучшения возможностей обратной циркуляции. Представленные усилия включают сверло RC с всасывающими насадками, установленными на ребрах; эффективность контроля пыли сверла RC, исследованная Луо и др.; анализ эффективности бурового долота с закрученным генератором; и буровое долото RC с мульти-сверхзвуковыми насадками.14, 20, 22, 23. Диаметры этих долот RC, изученных в предыдущих работах, находились в диапазоне от 80 до 200 мм. Оценка потенциала применения и анализ производительности RC-сверл большого диаметра (более 300 мм) остаются преимущественно неизученными. Чтобы улучшить RC-способность бурового долота большого диаметра, влияние параметров всасывающего сопла на производительность бурового долота было изучено расчетным путем и проведены полевые испытания для подтверждения его осуществимости.

 

2 ОПИСАНИЕ СВЕРЛА RC

На рис. 2 показана схематическая конструкция бура RC. Сжатый воздух поступает в центральный канал бурового инструмента через всасывающие и промывочные сопла. Воздух поступает во всасывающие сопла, где образует струи с высокой скоростью потока; некоторое количество прилегающего воздуха будет вовлечено в струи из-за эффекта струйного насоса, что приведет к образованию зоны отрицательного давления вблизи форсунок. Эта разница давлений между забоем скважины и зоной отрицательного давления внутри центрального прохода может создавать подъемную силу, действующую на воздух и буровой шлам под ним. При этом воздух, смешанный с буровым шламом, непрерывно засасывается в центральный канал бурового инструмента с помощью струйных потоков, выходящих из промывочных сопел, которые сметают буровой шлам в центральный канал. Эта всасывающая способность имеет решающее значение для оценки производительности бурового долота RC и может быть представлена ​​соотношением между массовым расходом воздуха, вовлеченного в кольцевое пространство между бурильными трубами и стенкой скважины, и общим входным массовым расходом. .

 

 

 

 

 

Рисунок 2

Схематическая конструкция бурового долота с обратной циркуляцией воздуха большого диаметра

 

 

3 ПОДХОД К ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ

3.1 Расчетная область и сетка

Исследовалось долото обратной циркуляции наружным диаметром 665 мм. Этот размер сверла соответствует пневмоударнику RC-DTH с внешним диаметром 400 мм. Расчетные области были созданы с помощью программного обеспечения Altair HyperWorks. Типичная сетчатая расчетная область показана на рисунке 3. Расчетная область в основном состоит из пяти частей, включая всасывающие сопла, промывочные сопла, кольцевое пространство между внутренней и внешней стенками бурового долота, кольцевое пространство, образованное буровым долотом и скважиной. стене и центральном проходе бурового инструмента. Все расчетные области были заплетены тетраэдрическими неструктурированными сетками из-за сложной геометрии областей. Три плотности ячеек сетки были использованы для анализа чувствительности сетки моделей буровых долот. Результаты в Таблице 1 показывают, что максимальная разница составляет <5%. В наших расчетах использовались средние сетки, чтобы сбалансировать временные затраты и точность модели.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3

Типичная сеточная модель поля внутреннего течения долота с обратной циркуляцией и типы граничных условий.

 

 

Сетка	Количество ячеек	Увлеченный массовый расход (кг/с)
Мелкая сетка	4 870 311	0,41897
Средняя сетка	3 010 521	0,42015
Крупная сетка	1 546 375	0,43732
% Разница		4.4

Таблица 1. Анализ чувствительности сетки для расчетных областей

 

 

3.2 Основные уравнения и граничные условия

Считается, что внутренние потоки воздуха следуют принципам сохранения массы, импульса и энергии. Общее основное уравнение: [24]:

 

 

 

где φ обозначает зависимую переменную, u обозначает вектор скорости, Γ обозначает коэффициент диффузии, а S — общий источник.

 

Как показано на рисунке 3, воздухозаборник определяется как граничное условие Mass_flow_inlet. Объемный расход пневмоударника RC-DTH (диаметром 400 мм) варьируется от 30 до 92 м3/мин (стандартное состояние), что соответствует массовому расходу от 0,6025 до 1,848 кг/с. Выход центрального канала и выход затрубного пространства между стенкой скважины и буровым инструментом открыты в атмосферу. Следовательно, эти два выхода определяются как граничные условия Pressure_outlet, а манометрическое давление устанавливается равным нулю. Остальные границы расчетной области были заданы как граничные условия «Нескользящая стационарная стенка».

 

Уравнения неразрывности и сохранения импульса, а также уравнение сохранения энергии были решены с помощью Ansys Fluent. Уравнения Навье-Стокса для сжимаемых потоков вместе с соответствующими моделями турбулентности были приняты для прогнозирования внутреннего потока воздуха. Моделирование потока проводилось с использованием 3D-решателя на основе плотности. В этом подходе основные уравнения Навье-Стокса решаются последовательно с использованием итерационных методов до тех пор, пока определенные значения не достигнут сходимости. Для решения проблемы связи скорости и давления была принята схема алгоритма полунеявных уравнений, связанных с давлением (SIMPLE), которая связывает уравнения непрерывности и количества движения с уравнением для давления, из-за значительной точности и легкости достижения сходимости. Кроме того, использовалась стандартная k-ε турбулентная модель, основанная на модельных уравнениях переноса. Конвективные члены с точки зрения турбулентной кинетической энергии и скорости турбулентной диссипации рассчитывались с помощью дискретизации второго порядка против ветра, а диффузионные члены решались с помощью центральной разности.

 

4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рисунке 4 показано изменение статического давления на центральной линии центрального прохода. Статическое давление вблизи выходов всасывающих сопел по направлению струи значительно ниже, чем на забое скважины. Перепад давления достигает 20 кПа, создавая выраженную подъемную силу, эффективно выкачивающую буровой шлам из забоя скважины. Для формирования эффективной обратной циркуляции конструкция всасывающих насадок должна быть специально разработана. Таким образом, были созданы и исследованы четырнадцать расчетных областей с различными параметрами всасывающего сопла. Изучено влияние расхода входной массы воздуха, диаметра, угла подъема и угла отклонения всасывающих патрубков на способность обратной циркуляции долота RC. На рисунке 5 показан типичный контур скорости бурового долота RC. Как было замечено, при поступлении сжатого воздуха в центральный канал вблизи выхода из всасывающих патрубков и забоя скважины возникает несколько вихрей. Вихри, образующиеся в районе выходного отверстия всасывающих сопел, расширяют область зоны низкого давления, однако эти вихри приводят и к потере кинетической энергии струй, выходящих из всасывающих сопел, что ослабляет уносящий эффект струй. и неизбежно препятствует прохождению бурового шлама через центральный проход. Вихри, создаваемые струями, вытекающими из промывочных сопел на забое скважины, могут взбалтывать буровой шлам и способствовать его подъему в центральный проход.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4

Типичное распределение статического давления на осевой линии центрального прохода сверла

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5

Типичный контур скоростей поля течения внутри долота

 

 

4.1 Влияние массового расхода приточного воздуха на всасывающую способность

Массовый расход входного воздуха является единственным параметром, который можно регулировать при изготовлении бурового инструмента. Кроме того, благодаря тому, что в верхней части долота RC установлен погружной пневмоударник, расход массы воздуха, проходящего через долото, со временем меняется. Как правило, массовый расход воздуха изменяется из-за движения поршня погружного пневмоударника. Исследование влияния массового расхода входного воздуха на всасывающую способность бурового долота может дать некоторые рекомендации для процесса бурения. На рис. 6 показано влияние расхода входной массы воздуха на способность обратной циркуляции. В этой группе моделирования были заданы некоторые параметры конструкции всасывающих сопел, в том числе угол подъема 60 °, диаметр всасывающих сопел 18 мм и угол отклонения 15 °. Кроме того, всасывающие сопла распределены симметрично и по окружности центральной стенки прохода, и всего всасывающих сопел шесть. Расход всасываемой массы воздуха из затрубного пространства между бурильными трубами и стенкой скважины увеличивается с увеличением расхода приточной массы воздуха и достигает максимума при расходе всасываемой массы воздуха 1,205 кг/с, тогда засасываемый воздух Масса затрубного пространства, образованного бурильными трубами и стенкой скважины, быстро уменьшается с увеличением расхода приточной массы воздуха. Когда массовый расход входящего воздуха составляет <1,205 кг/с, увеличение массового расхода входящего воздуха может улучшить скорость впрыска воздушного потока из всасывающих сопел, что может улучшить массовый расход всасываемого воздуха. Несмотря на то, что площадь поперечного сечения центрального прохода сверла ограничена, слишком большое количество входного воздуха может привести к увеличению сопротивления воздушных потоков, тем самым ослабляя всасывающую способность сверла. Как было замечено, всасывающая способность (соотношение между массовым расходом всасываемого и вводимого воздуха) уменьшалась с увеличением массового расхода всасываемого воздуха. Это можно объяснить сжимаемостью воздуха, поскольку на сжатие воздуха затрачивалось больше энергии.

 

 

 

 

 

Рисунок 6

Влияние массового расхода входного воздуха на производительность обратной циркуляции долота

 

 

4.2 Влияние диаметра всасывающего патрубка на всасывающую способность

Входящий воздух имеет два канала для вывода из затрубного пространства двустенных бурильных труб: всасывающие и промывочные патрубки. При заданном массовом расходе входящего воздуха соотношение массового расхода воздуха на всасывающих и промывочных соплах увеличивается с увеличением диаметров всасывающих сопел. Всасывающая способность бурового долота RC увеличится, если скорость струи будет поддерживаться на определенном уровне. На рис. 7 показано влияние диаметра всасывающего сопла на способность обратной циркуляции. В этой группе моделирования были заданы некоторые параметры конструкции всасывающих сопел, в том числе угол возвышения 60°, угол отклонения 15° и массовый расход входного воздуха 70 м3/мин. Когда диаметр всасывающих сопел <20 мм, увеличение диаметра всасывающих сопел повышает всасывающую способность бурового долота. При диаметре более 20 мм всасывающая способность сверла значительно ослабляется. Импульс воздушных струй, выходящих из всасывающих сопел, оказывает доминирующее влияние на способность бурового долота к обратной циркуляции. При диаметре всасывающих патрубков более 20 мм уменьшение амплитуды скорости струи преобладает над увеличением амплитуды массового расхода в всасывающих патрубках, что ослабляет всасывающую способность долота.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7

Влияние диаметра всасывающего патрубка на производительность обратной циркуляции бура

 

 

4.3 Влияние угла подъема всасывающего патрубка на всасывающую способность

Угол возвышения всасывающего сопла определяется как угол между поперечным сечением центрального прохода и осевой линией всасывающего сопла. Рисунок 8 показывает, что увеличение угла подъема может улучшить способность бурового долота к обратной циркуляции. Струйные потоки из всасывающих сопел будут мешать друг другу для всех всасывающих сопел, наклоненных к стенке бурового долота. Эти столкновения струй могут привести к потреблению энергии и уменьшению осевого момента струйных потоков, тем самым ухудшая способность бурового долота к обратной циркуляции. Взаимодействие струйных потоков тем интенсивнее, чем меньше угол подъема всасывающих сопел.

 

 

 

Рисунок 8

Влияние угла подъема всасывающего патрубка на производительность обратной циркуляции долота

 

4.4 Влияние угла отклонения всасывающего патрубка на способность обратной циркуляции

Угол отклонения всасывающих сопел представляет собой угол между проекцией центральной линии одного всасывающего сопла на поперечное сечение центрального прохода и нормалью направления стенки центрального прохода на выходе из всасывающего сопла. На рисунке 9 показано влияние угла отклонения всасывающих насадок на всасывающую способность, при этом с увеличением угла отклонения всасывающих насадок всасывающая способность долота значительно возрастает. Потоки воздуха из всасывающих патрубков с углом отклонения могут образовывать закрученные потоки в центральном проходе, что улучшает всасывающую способность долота. Более того, отклоненные струи могут подавлять интерференцию между ними. Однако максимальное значение угла отклонения ограничено диаметром сверла и не может увеличиваться бесконечно.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9

Влияние угла отклонения всасывающего патрубка на производительность обратной циркуляции долота

 

 

 

5 ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ
 

Для проверки скорости проходки с помощью пневмоударника RC-DTH в твердой породе были использованы буровое долото с внешним диаметром 665 мм и пневмоударник RC-DTH с внешним диаметром 400 мм (RC-DTH 400). изготовлено. Результаты моделирования показывают, что оптимальные значения параметров всасывающего сопла для долота RC с внешним диаметром 665 мм, включая диаметр всасывающего сопла, угол подъема и угол отклонения, составили 20 мм, 60° и 20° соответственно. Тем не менее, слишком большой параметр всасывающего сопла ослабит прочность сверла. Шесть всасывающих насадок диаметром 18 мм, углом подъема 45° и углом отклонения 10° были в конечном итоге выбраны для обеспечения срока службы бурового долота. Конструктивная конструкция пневмоударника RC-DTH и фотоизображение изготовленного прототипа пневмоударного инструмента RC-DTH показаны на рисунке 10. При работе пневмомолота RC-DTH движение поршня можно разделить на две фазы: фазу обратного хода и фазу хода, и каждая фаза включает стадии впуска воздуха, расширения воздуха, сжатия воздуха и выпуска воздуха. Номинальное давление воздуха и номинальный объемный расход воздуха RC-DTH400 составляют 1,8 МПа и 92 м3/мин соответственно; номинальная частота ударов и скорость удара поршня составляют 14,35 Гц и 8,01 м/с соответственно. Также были изготовлены другие комплектующие, в том числе двустенные бурильные трубы наружным диаметром 140 мм, двустенная ведущая труба, двустенный вертлюг.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 10

Конструкция конструкции и фотоизображение скважинного пневмоударника с обратной циркуляцией

 

Площадка полевых испытаний расположена в Фошане, провинция Гуандун, Китай. Формирование полигона состоит из рыхлого грунта мощностью 3,99 м, выветрелого глинистого алевролита мощностью 17 м и невыветрелого красного глинистого алевролита под выветрелым глинистым алевролитом. Рыхлый слой грунта и выветрелый глинистый алевролитовый слой легко вскрываются традиционным роторным методом бурения. Однако скорость бурения в невыветрившихся красных глинистых алевролитах относительно низкая, может достигать <2 м/ч. А тонущий шлак трудно очистить.

 

Для проведения испытания на пневмоударное бурение RC-DTH слой рыхлой почвы и слой выветрелого глинистого алевролита пробурены обычным методом роторного бурения. Затем была использована система пневмоударного бурения RC-DTH для бурения невыветрившейся формации красного глинистого алевролита. Схема системы полевых испытаний показана на рисунке 11. Один воздушный компрессор производства Atlas Copco с максимальным объемным расходом воздуха 34 м3/мин и номинальным давлением воздуха 30 бар, а также воздушный компрессор производства Ingersoll Rand с максимальным объемом воздуха. расход 25,5 м3/мин и номинальное давление воздуха 24 бар использовались для подачи сжатого воздуха. Для смазки поршня использовался лубрикатор. Роторная буровая установка SD20E производства Guangxi Liugong Group Co., Ltd. использовалась для обеспечения вращательного усилия и нагрузки на нагрузку в процессе бурения.

 

 

 

 

Рисунок 11

Схема системы полевых испытаний

 

 

Пробурено две пробные скважины, максимальная глубина скважины составляет 50,8 м. В процессе бурения наблюдались максимальная скорость проходки 6,0 м/ч, а средняя скорость проходки составляет 4,5 м/ч при условии объемного расхода воздуха и давления воздуха ниже номинальных значений. Полевые испытания показали, что буровое долото RC может обеспечить хорошие условия обратной циркуляции, даже несмотря на то, что параметры всасывающего сопла не были оптимальными. В процессе промывки скважины не было обнаружено опускающегося шлака. Как показано на рисунке 12, из затрубного пространства бурового инструмента и стенки скважины вышло мало воздуха и пыли. Буровой шлам, возвращаемый на поверхность, в основном представляет собой частицы среднего и крупного размера. Кроме того, в процессе промывки скважины не обнаруживается тонущий шлак, и буровой шлам может постоянно возвращаться на поверхность. Можно сделать вывод, что система пневмоударного бурения RC-DTH находилась в хорошем рабочем состоянии и демонстрирует выдающиеся характеристики при бурении скважин большого диаметра.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 12

Фотоснимки полевых испытаний. А — обратная циркуляция, образовавшаяся в процессе бурения; Б — буровой шлам; C — процесс промывки скважины; D, устье выпускной трубы с распыленными потоками

 

 

6 ВЫВОДЫ

Чтобы улучшить скорость проходки и обеспечить экологически чистые операции бурения, был предложен подход к бурению с пневмоударником RC-DTH для бурения верхних твердых пластов над потенциальным продуктивным пластом-коллектором. Долото RC как ключевой элемент системы пневмоударного бурения RC-DTH для реализации обратной циркуляции, проведено параметрическое исследование долота RC диаметром 665 мм. Результаты показывают, что увеличение угла подъема и угла отклонения всасывающего сопла может улучшить способность бурового долота к обратной циркуляции. Обратная циркуляционная способность долота достигает максимума при расходе входной массы воздуха 1,205 кг/с, в дальнейшем она ухудшается с увеличением расхода входной массы воздуха. Изготовлено буровое долото внешним диаметром 665 мм и пневмоударник RC-DTH внешним диаметром 400 мм и проведены полевые испытания. Результаты полевых испытаний показывают, что разработанное буровое долото большого диаметра RC обладает хорошей способностью к обратной циркуляции, а максимальная скорость проходки в полевых испытаниях составила 6,0 м/ч, что может значительно сократить время и стоимость буровых работ.

 

БЛАГОДАРНОСТИ
 

Эта работа финансировалась Государственной программой развития ключевых исследований Китая (гранты № 2016YFC0801402 и 2016YFC0801404), Национальным крупным проектом науки и технологий Китая (грант № 2016ZX05043005), Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 51674050). ). Мы хотели бы выразить признательность анонимным рецензентам за их исключительные советы.