Теплофізичні основи знеміцнення гірських порід при алмазному бурінні свердловин з імпульсним промиванням.

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми інтенсифікації руйнування гірської породи при бурінні алмазними коронками за рахунок ефективного використання теплової енергії, що генерується на вибої. У дисертації набули розвитку теорії механізмів руйнування гірської породи і теплофізичних процесів на вибої свердловини при бурінні алмазними коронками. Показано, що інтенсифікація процесів руйнування досягається шляхом переведення режиму промивання в імпульсний режим, що дозволяє впливати на контактну температуру й керувати теплообмінними процесами на вибої. На основі теорії термопружності розв’язано задачу з розвинення мікротріщин в гірській породі при змінних умовах теплообміну на поверхні вибою. Досліджено вплив режимних параметрів та параметрів преривчастого промивання на температурний стан на вибої при бурінні. Розроблено рекомендації щодо вибору раціональних параметрів теплофізичних процесів при бурінні з переривчастим промиванням.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической проблемы интенсификации разрушения горной породи при бурении алмазными коронками за счет эффективного использования тепловой энергии генерируемой на забое. Интенсификация процесса разрушения достигается путем перевода промывки в импульсный режим, что позволяет воздействовать на контактную температуру и управлять теплообменными процессами на забое. Выполнено исследование влияния импульсной (прерывистой) промывки на нагревание горной породы при бурении и анализ теплового баланса на забое для такого режима промывки. Путем математического моделирования впервые доказано, что импульсная промывка забоя скважины при алмазном бурении позволяет перераспределить тепловые потоки на забое, и увеличить долю теплоты, направляемой в горную породу. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований впервые обоснована возможность использования режима импульсной подачи промывочной жидкости, при бурении стандартными алмазными коронками, для снижения энергоемкости процесса разрушения горной породы за счет лучшего использования тепловой энергии на забое скважины, создания высоких перепадов температур и термических напряжений растяжения. На основе теории термоупругости решена задача по развитию микротрещин в горной породе при переменных условиях теплообмена на поверхности забоя. Определены закономерности связывающие параметры разрушения горной породы с интенсивностью конвективного теплообмена на поверхности забоя. Получены параметры процесса разрушения при термоциклическом воздействии, соответствующие условиям работы серийных алмазных буровых коронок, в зависимости от физико- механических свойств горных пород. Показано, что изменение температурного режима на забое при импульсной промывке способствует интенсификации процесса растрескивания поверхностного слоя горной породы. Разработана методика определения параметров конвективного теплообмена буровой коронки с промывочной жидкостью при импульсном режиме течения. Получили дальнейшее развитие математическая модель и методы прогнозирования температурных режимов буровых коронок, позволяющие рассчитывать контактную температуру для нестационарного теплообмена при импульсной промывке. Выполнены параметрические исследования и показано, что контактная температура при бурении определяется режимными параметрами бурения и параметрами импульсной промывки, линейно зависит от энергетических затрат на забое и нелинейно от расхода промывочной жидкости, интервалов паузы и подачи промывочной жидкости, коэффициента прерывистости. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по практическому определению параметров теплофизических процессов при бурении с импульсной промывкой, обеспечивающих как эффективное термоциклическое разрушение горной породы, так и приемлемые для буровой коронки температурные режимы работы. Разработаны технические предложение по совершенствованию конструкций буровых коронок для интенсификации процесса разупрочнения горной породы за счет термоциклического воздействия.

The thesis is devoted to solution of the important scientific problem of intensification of rocks destruction at diamond drilling using the heat energy generated in the working face of borehole. The theories of rock destruction and thermal physics processes on the working face of borehole were developed herein. It is shown that the intensification of processes of destruction is achieved by the transition the flushing to interrupted mode. It allows to influence on the drilling temperature and to control heat transfer processes at the bottom. The problem of cracks development in rocks was obtained using the theory of thermoelasticity taking to account of convective heat transfer. The influence of the mode parameter and the parameters of interrupted flushing on the working face temperature were investigated. Recommendation to choosing of the best parameters of thermophysical processes during drilling with interrupted flushing was developed.