щ
наука - производству
Методика подбора оптимальных параметров промывочной системы буровых долот
THE METHOD OF SELECTION OF OPTIMAL PARAMET THE WASH SYSTEM OF DRILL BITS
В.А. БРУЯКА,
к.ф.-м.н., доцент кафедры «Механика»
ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет, г. Самара
vbruyaka@gmail.com
Рассматривается методика подбора параметров гидромониторных отверстий долота, обеспечивающих эффективную очистку скважины от выбуренной породы. Предложенные критерии эффективности очистки рассчитываются по характеристикам потока промывочной жидкости в зоне забоя, полученным численным методом. Расчеты по предлагаемой методике выполнены в программном комплексе ANSYS.
V. BRUJAKA, Samara state technical University, Samara
The methodology of selection of parameters of the water jet holes of bits that guarantee efficient cleaning of borehole drilling are considered. Proposed criteria for the purification efficiency is calculated according to the characteristics of the flow of washing fluid in the area of the face obtained by the numerical method. Calculations by the proposed method performed in ANSYS.
Keywords: water jet holes, the drill bit, rinse the bit, the drill bits cleaning, ANSYS
Известно, что улучшение качества очистки забоя и вооружения долота от шлама напрямую влияет на механическую скорость, а следовательно, на производительность бурения. Очистка осуществляется, как правило, путем подачи промывочной жидкости в зону забоя через специальные гидромониторные отверстия долота. Количество и ориентация этих отверстий определяются конструктором, главным образом исходя из опыта проектирования и имеющихся данных об эксплуатации данной модели долота. Более эффективным представляется выбор схемы расположения и ориентации гидромониторных отверстий на основе результатов математического моделирования работы промывочной системы, примеры которого можно найти в работах [1 - 4]. Однако в этом случае приходится варьировать многими геометрическими параметрами, такими как: диаметры отверстий, углы, определяющие направление истечения струй, координаты отверстий на поверхности долота. Кроме этого важно установить количественные критерии оптимальности промывки.
Таким образом, для формирования оптимальной схемы очистки долота целесообразно разработать методику, позволяющую на основе математического моделирования подбирать такие сочетания конструктивных параметров гидромониторных отверстий долота, при которых в зоне забоя создаются потоки промывочной жидкости, повышающие эффективность очистки вооружения долота от шлама и выноса его в затрубное пространство.
ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ
Предлагаемая методика связывает задачу по расчету гидродинамических параметров потока в зоне забоя и задачу
поиска оптимального сочетания конструктивных параметров гидромониторных отверстий, обеспечивающих лучшую очистку вооружения долота от шлама. Реализация методики выполняется в несколько этапов:
• Постановка математической модели истечения промывочной жидкости из гидромониторных отверстий долота и отработка численного метода для определения характеристик потока жидкости в расчетной области.
• Задание варьируемых и целевых параметров для задачи оптимизации и организация итерационной процедуры поиска экстремальных значений целевых параметров.
• Получение результатов решения оптимизационной задачи в виде одного или нескольких наборов значений варьируе-
Для формирования оптимальной схемы очистки долота целесообразно разработать методику, позволяющую на основе математического моделирования подбирать такие сочетания конструктивных параметров гидромониторных отверстий долота, при которых в зоне забоя создаются потоки промывочной жидкости, повышающие эффективность очистки вооружения долота от шлама и выноса его в затрубное пространство.
наука - производству
щ
Исходную геометрическую модель долота, выполненную в САй-системе, необходимо упростить, удалив несущественные элементы: фаски, скругления, мелкоразмерную геометрию и пр. Однако использование геометрической модели, упрощенной подобным образом, все равно может привести к большим вычислительным затратам при решении оптимизационной задачи. Альтернативным способом является построение новой модели, которая была бы геометрически подобна исходной и содержала бы все основные элементы долота, смоделированные с некоторым приближением.
мых параметров, доставляющих наибольшие значения целевым параметрам для заданной области поиска.
Схема реализации методики показана на рис. 1. Математическая модель истечения промывочной жидкости для долот разных типов подробно изложена в работах [1, 2].
Исходную геометрическую модель долота, выполненную в CAD-системе, необходимо упростить, удалив несущественные элементы: фаски, скругления, мелкоразмерную геометрию и пр. Однако использование геометрической модели, упрощенной подобным образом, все равно может привести к большим вычислительным затратам при решении оптимизационной задачи. Альтернативным способом является построение новой модели, которая была бы геометрически подобна исходной и содержала бы все основные элементы долота, смоделированные с некоторым приближением. Это даст существенный выигрыш времени при численном решении задачи оптимизации, а эффективность полученного оптимального решения затем можно проверить на неупрощенной модели долота.
Количество гидромониторных отверстий рекомендуется выбирать не менее количества рабочих элементов долота [5]. Положение гидромониторного отверстия зависит от компоновки рабочих элементов: лопастей, шарошек или гребней и может быть определено, например, координатами центра отверстия на поверхности внутреннего свода долота. Для каждого из варьируемых параметров нужно задать диапазон допускаемых значений. При выборе пределов изменения параметров необходимо следить, чтобы истекающие струи не попадали в элементы вооружения и стенки скважины, так как это будет приводить к их размыву, что недопустимо.
В работах [6, 7] выявлен ряд факторов, наиболее влияющих на процесс очистки зоны забоя и элементов вооружения долота от шлама, а именно: параметры истекающей струи, определяемые степенью гидроди-
намического совершенства насадка, волна динамического давления струи, возникающая при ударе о неподвижную стенку, и поперечные потоки жидкости в зоне забоя. В работе [8] выполнено исследование течения промывочной жидкости, по результатам которого также подтверждается важность поперечных потоков на забое для удаления шлама. Еще эффективность очистки, по всей видимости, должна зависеть и от степени турбулизации потока в зоне забоя.
Смоделировав в отверстии насадок с заданными характеристиками, можно исключить его параметры из процедуры оптимизации. Динамическое давление струи определяет силу, с которой струя воздействует на дно скважины, формируя поперечные потоки, смывающие выбуренную породу. Примем в качестве целевого параметра максимальное значение динамического давления на забое. Для количественной оценки поперечных потоков выделим два поперечных сечения расчетной области, в которых векторы скорости спроектируем на эти сечения, а затем усредним по площади. В результате получим некоторую среднюю поперечную скорость в каждом из сечений. Одно из них выберем на дне скважины, другое - по своему усмотрению в зависимости от вида долота и его характерных особенностей, например, в середине между сводом долота и забоем. Степень турбулизации потока жидкости будем оценивать по величине пульсационных скоростей. Кинетическую энергию турбулентного потока следует осреднять в тех же выбранных поперечных сечениях. Таким образом, определяются пять целевых параметров:
• Максимальное динамическое давление на дне скважины.
• Средняя поперечная скорость на дне скважины.
• Средняя поперечная скорость в сечении между сводом долота и забоем.
• Средняя кинетическая энергия турбулентности на дне скважины.
• Средняя кинетическая энергия турбулентности в сечении между сводом долота и забоем.
Для достижения лучшей очистки следует стремиться к максимально возможным значениям целевых параметров при заданных ограничениях на изменения варьируемых параметров и граничных условиях мате-
Рис. 1. Схема реализации методики
35
щ
наука - производству
№3
1:13,11 мм 13,73 мм и 13,77 мм 14,59 мм
а, л
I
■ !! !■
ш
P
V1
V2
1(1
1(2
а
б
Рис. 2. Обобщенная геометрическая модель долота
а) общий вид;
б) начальное расположение гидромониторных отверстий
матической модели. Наиболее удобным способом практической реализации этапов методики является использование какого-либо СРР-кода в сочетании с модулем, обеспечивающим решение задачи оптимизации. Так, например, программный комплекс ANSYS имеет в своем составе гидродинамический модуль CFX, в котором может быть выполнен расчет характеристик течения, и модуль для постановки и решения задачи оптимизации, которые объединяются в единый расчетный блок. Таким образом, на базе ANSYS организовывается автоматизированная процедура поиска оптимальных значений варьируемых параметров, обеспечивающих экстремальные значения целевых параметров, полученных численным методом.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДИКИ
В качестве примера изложенная методика была применена к специально созданной обобщенной модели PDC долота, показанной на рис. 2. Обобщенная модель долота подобна реальной модели, содержит четыре гребня и четыре гидромониторных отверстия с симметричным начальным расположением относительно продольной оси. Расчетная область получена вычитанием геометрии долота из объема, сформированного вокруг нее (с учетом внутренних полостей). Она содержит 30,5 тыс. расчетных ячеек, что позволяет относительно быстро получать численное решение для одной расчетной точки.
Перечень варьируемых параметров геометрической модели, дан в табл., где указаны начальные их значения и допустимые пределы изменения. Для определения целевых параметров в расчетной модели были выделены два сечения: на дне скважины и в середине между ее дном и сводом долота. В этих сечениях выполнялось осреднение по площади поперечной скорости и турбулентной кинетической
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.