Розроблення теоретичних основ керування кавітаційно-імпульсною дією на вибій свердловини на основі теорії спектрів

Abstract

Розглядається технологія інтенсифікації руйнування гірських порід при бурінні свердловин за рахунок обґрунтування фізико-механічних, кавітаційних і технологічних процесів. Подальший розвиток механізму руйнування гірських порід за рахунок створюваних кавітаційних процесів, проявлення яких можливе на вибої свердловини при бурінні сучасними типами бурових доліт, є актуальною науково-технічною задачею, вирішення якої дозволить значно підвищити ефективність і надійність буріння свердловин, має важливе практичне значення для нафтогазової галузі. Отримали подальший розвиток механізми руйнування гірських порід при бурінні свердловин, які дозволяє враховувати як постійне механічний вплив на гірську породу озброєння бурового долота і кавітаційний вплив на поверхню вибою охолоджуючої промивної рідини. Вперше доведено, що кавітаційно-імпульсна обробка вибою свердловини при бурінні дозволяє оцінити ерозійну дію кавітації при різних відстанях від кавітатора з урахуванням дисипативних втрат і збільшити частку енергії, що спрямовується на гірську породу. Вперше обгрунтована можливість вибору найбільш оптимального режиму кавітаційно-імпульсного навантаження на вибій свердловини. Для оцінки ефективності технології кавітаційно-пульсаційного промивання запропоновані аналітичні залежності, що дозволяють спрогнозувати частотний розподіл енергії від лускання кавітаційних пухирців, що створюються кавітатором на вибої свердловини, що дозволяє активно управляти процесом кавітаційно-імпульсного впливу на гірські породи в процесі їх руйнування при бурінні. Наведено характеристики, що в більш повній мірі відображають кавітаційно-пульсаційний процес і, тим самим, дозволяють точніше оцінити його ефективність в руйнуванні порід на вибої свердловини. При проведенні кавітаційно-імпульсної обробки вибою свердловини з метою створення штучної тріщинуватості значення має режим навантаження, а саме розподіл енергії навантаження по діапазонах частот. Для розширення області кавітаційно-імпульсної обробки масиву гірської породи необхідно формувати такі навантаження, щоб основна частина енергії була зосереджена в низькому діапазоні частот, тому що низькі частоти із збільшенням відстані від джерела збурення (кавітатора) згасають в меншій мірі у порівнянні з високими частотами. Досліджено розподіл енергії по різних діапазонах частот в процесі поширення кавітаційно-імпульсної дії по гірському масиву порід з метою вибору найбільш оптимального режиму кавітаційно-імпульсного навантаження на вибій свердловини. Запропоновані аналітичні залежності, що дозволяють спрогнозувати частотний розподіл енергії, яка виділяється при лусканні кавітаційних пухирців на вибої свердловини. Це надає можливість активно керувати процесом кавітаційно-імпульсного впливу на гірські породи в процесі їх руйнування при бурінні.

The authors consider the technology of intensification of the rock failure during the drilling of the wells using the substantiation of physico-mechanical, cavitation and technological processes. Further development of the mechanism of rock failure due to the created cavitation processes, the manifestation of which is possible at the well bottom when drilling with modern types of drill bits, is an important scientific and technical problem. The solution of this problem will significantly increase the efficiency and reliability of drilling the wells. The development of the mechanism is of great practical importance for oil-and-gas industry. The authors have further developed the mechanisms of rock failure during drilling, which allow to take into account as constant actions both the mechanical effect of the drill bit cutting structure on the rock and the cavitation effect of the cooling flushing fluid on the bottom-hole surface. For the first time it has been proved that cavitation-impulse treatment of a bottom during drilling allows to evaluate the erosion effect of cavitation at various distances from the cavitator, taking into account dissipative losses, and to increase the proportion of energy directed to the rock. For the first time, the possibility of choosing the most optimal mode of cavitation-impulse load at the bottom of a well has been substantiated. To evaluate the effectiveness of the cavitation-pulsation washing technology, analytical dependencies have been proposed. Those dependencies allow to predict the frequency distribution of energy from the collapse of cavitation bubbles created by the cavitator at the bottom of the well. It allows to control actively the process of cavitation-impulse impact on rocks in course of their failure during drilling. The authors provide characteristics that show the cavitationpulsation process fully. Thus, these characteristics allow to evaluate the effectiveness of the process in the rocks failure at the bottom-hole more accurately. When conducting cavitation-impulse treatment of the bottomhole, in order to create artificial cracking, the load mode, namely the distribution of the load energy over frequency ranges, is of importance. To expand the area of the cavitation-impulse treatment of the rock mass, it is necessary to form such loads that the main part of the energy is concentrated in the low frequency range. With the increase of the distance from the perturbance source (cavitator) low frequencies attenuate less in comparison with high frequencies. In order to choose the most optimal mode of cavitation-impulse load on the bottom hole, the distribution of energy over various frequency ranges in the process of the spread of cavitation-impulse effect on a rock massif has been studied. The suggested analytical dependencies allow to predict the frequency distribution of energy which is released when the cavitation bubbles collapse at the bottom-hole. It gives a possibility to control the process of cavitation- impulse effect on rocks in the process of their failure during drilling.