Study of the plasma flow interaction with the borehole surface in the process of its thermal reaming

Abstract

Purpose. Study of the plasma flow interaction with the borehole surface in the process of its thermal reaming for determination of transient temperature distribution along the borehole surface and the average coefficient of heat transfer from the plasma flow to the borehole surface. Methods. Experimental study of the plasma flow interaction with the flange union with internal lateral surface simulating the rock surface in a borehole has been carried out. The essence of the experimental study is in measuring temperature of the flange union external side while the plasma flowing inside the flange union. To measure temperature on the external surface of the flange union, a chromel-alumel thermocouple with thermoelectrodes of 1.2 mm in diameter was used. In experimental research, plasma flows out through a nozzle directly to the flange union made of copper. The parameters of the flange union and the nozzle of plasmatron are geometrically similar. Findings. Experimental data are processed as a relationship between the temperature of the copper flange union lateral surface, i.e. borehole surface, and the time of the copper flange union heating by the heat carrier. Experimental data are processed as a dependence of temperature of the tin pipe side surface, i.e. surface of the borehole, on the location of temperature measurement point along the tin pipe and the time of the tin pipe heating by the heat carrier. Originality. Physical simulation modeling of the heat carrier (low temperature plasma) flow interaction with the borehole surface simulated by the copper flange union and the tin pipe in a certain range of geometrical parameters of the copper flange union, tin pipe and the plasmatron nozzle as well as thermophysical properties of the heat carrier assumed in accordance with geometrical similarity to the technological and design parameters of the plasmatron and borehole diameter before the beginning of thermal reaming process. Practical implications. Methodology of experimental research of the heat carrier (low temperature plasma) flow interaction with the borehole surface that was simulated by the copper flange union of the tin pipe is developed. The results of the influence by high-temperature heat carrier jets on the processes of fragile rock destruction are rather useful in the borehole drilling processes.

Мета. Дослідження взаємодії потоку плазми з поверхнею свердловини в процесі її термічного розширення для визначення нестаціонарного розподілу температури вздовж поверхні свердловини та усередненого коефі-цієнта тепловіддачі від потоку плазми до поверхні свердловини. Методика. В роботі виконано експериментальне дослідження взаємодії струмини плазми з фланцевим патрубком, внутрішня бокова поверхня якого імітувала поверхню гірської породи в свердловині. Сутність експерименту полягала у вимірюванні температури зовнішньої бічної поверхні фланцевого патрубка при течії плазмової струмини всередині патрубка. Для вимірювання температури на зовнішній поверхні фланцевого патрубка застосовувалась хромель-алюмелева термопара з термоелектродами діаметром 1.2 мм. В експериментальному дослідженні струмина плазми через сопло витікає безпосередньо у фланцевий патрубок, вироблений з міді. Дотримано геометричну подобу параметрів фланцевого патрубка та сопла плазмотрона. Результати. Виконано обробку дослідних даних у вигляді залежності температури бічної поверхні мідного фланцевого патрубка, тобто поверхні свердловини, від часу нагрівання мідного фланцевого патрубка теплоносієм. Виконано обробку дослідних даних у вигляді залежності температури бічної поверхні жерстяної труби, тобто поверхні свердловини, від розташування точки вимірювання температури вздовж жерстяної труби та часу нагрівання жерстяної труби теплоносієм. Виявлено залежності зміни температури бічної поверхні жерстяної труби від часу її нагрівання; розподілу температури потоку плазми за довжиною жерстяної труби в залежності від діаметру жерстяної труби та діаметру вихідного отвору сопла плазмотрона; діапазон коефіцієнтів тепловіддачі від потоку плазми до поверхні свердловини. Наукова новизна. Проведення фізичного імітаційного моделювання взаємодії потоку теплоносія, в якості якого виступає низькотемпературна плазма, з поверхнею свердловини у вигляді мідного фланцевого патрубка та жерстяної труби в певному діапазоні геометричних параметрів мідного фланцевого патрубка, жерстяної труби та сопла плазмотрона, а також теплофізичних характеристик теплоносія, які прийняті у відповідності до геометричної подоби технологічним і конструктивним параметрам плазмотрона та діаметра свердловин перед початком процесу термічного розширення. Практична значимість. Розроблено методику експериментального дослідження взаємодії струмини теплоносія, в якості якого виступає низькотемпературна плазма, з поверхнею свердловини у вигляді мідного фланцевого патрубка жерстяної труби, яка імітувала свердловину. Отримані результати впливу високотемпературних струмин теплоносія в процесах крихкого руйнування гірських порід є корисними при виконанні процесу буріння свердловин.

Цель. Исследование взаимодействия потока плазмы с поверхностью скважины в процессе ее термического расширения для определения нестационарного распределения температуры вдоль поверхности скважины и усредненного коэффициента теплоотдачи от потока плазмы к поверхности скважины. Методика. В работе выполнено экспериментальное исследование взаимодействия струи плазмы с фланцевым патрубком, внутренняя боковая поверхность которого имитировала поверхность горной породы в скважине. Сущность эксперимента заключалась в измерении температуры внешней боковой поверхности фланцевого патрубка при течении плазменной струи внутри патрубка. Для измерения температуры на внешней поверхности фланцевого патрубка применялась хромель-алюмелевая термопара с термоэлектродами диаметром 1.2 мм. В экспериментальном исследовании струя плазмы через сопло вытекает непосредственно во фланцевый патрубок, выполненный из меди. Соблюдено геометрическое подобие параметров фланцевого патрубка и сопла плазмотрона. Результаты. Выполнена обработка опытных данных в виде зависимости температуры боковой поверхности медного фланцевого патрубка, то есть поверхности скважины, от времени нагревания медного фланцевого патрубка теплоносителем. Выполнена обработка опытных данных в виде зависимости температуры боковой поверхности жестяной трубы, то есть поверхности скважины, от расположения точки измерения температуры вдоль жестяной трубы и времени нагревания жестяной трубы теплоносителем. Научная новизна. Проведение физического имитационного моделирования взаимодействия потока теплоносителя, в качестве которого выступает низкотемпературная плазма, с поверхностью скважины в виде медного фланцевого патрубка и жестяной трубы в определенном диапазоне геометрических параметров медного фланцевого патрубка, жестяной трубы и сопла плазмотрона, а также теплофизических характеристик теплоносителя, которые приняты в соответствии с геометрическим подобием технологическим и конструктивным параметрам плазмотрона и диаметра скважин перед началом процесса термического расширения. Практическая значимость. Разработана методика экспериментального исследования взаимодействия струи теплоносителя, в качестве которого выступает низкотемпературная плазма, с поверхностью скважины в виде медного фланцевого патрубка жестяной трубы, которая имитировала скважину. Полученные результаты влияния высокотемпературных струй теплоносителя в процессах хрупкого разрушения горных пород будут полезными в процессе бурения скважин.