Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду
Мета. Розробка методики дослідження та аналіз втрат тиску в потоці промивальної рідини, що циркулює крізь гідравлічну систему колонкового снаряду. Результати. Запропоновано підхід до розрахунку та отримані розрахункові співвідношення для визначення втрат тиску всередині колонкового снаряду та у зат...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
2017
|
| Назва видання: | Розробка родовищ |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133625 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду / А. Кожевников, А. Дреус, Л. Баочанг // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 1. — С. 65-71. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-133625 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1336252018-06-04T03:04:19Z Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду Кожевников, А. Дреус, А. Баочанг, Л. Мета. Розробка методики дослідження та аналіз втрат тиску в потоці промивальної рідини, що циркулює крізь гідравлічну систему колонкового снаряду. Результати. Запропоновано підхід до розрахунку та отримані розрахункові співвідношення для визначення втрат тиску всередині колонкового снаряду та у затрубному просторі з урахуванням зміни геометрії гідравлічної системи по висоті колонкового снаряду. Отримано закономірності змін втрат тиску у потоці залежно від глибина промивальних каналів. Досліджено вплив зносу коронки на втрати тиску. Виконано порівняльний аналіз ефективності гідравлічної системи для коронок 01А3-76 та БС33-76. Наукова новизна. Доведено, що існуючі рекомендації із визначення втрат тиску в гідравлічній системі колонкового снаряду дають занижені значення цього параметру. Розроблена методика визначення втрат тиску, на відмінну від відомих, враховує конструктивні особливості колонкового снаряду та бурових коронок. У запропонованій методиці вперше враховано зміни тиску в гідравлічній системі протягом рейсу, що обумовлюється зносом коронки. Показано, що втрати тиску протягом рейсу можуть використовуватися як показник зносу коронки. Цель. Разработка методики исследования и анализ потерь давления в потоке промывочной жидкости, циркулирующей через гидравлическую систему колонкового снаряда. Результаты. Предложен подход к расчету и получены расчетные соотношения для определения потерь давления внутри колонкового снаряда и в затрубном пространстве с учетом изменения геометрии гидравлической системы по высоте колонкового снаряда. Получены закономерности изменения потерь давления в потоке в зависимости от глубины промывочных каналов. Исследовано влияние износа коронки на потери давления. Выполнен сравнительный анализ эффективности гидравлической системы для коронок 01А3-76 и БС33-76. Научная новизна. Доказано, что существующие рекомендации по определению потерь давления в гидравлической системе колонкового снаряда дают заниженные значения этого параметра. Разработанная методика определения потерь давления, в отличие от известных, учитывает конструктивные особенности колонкового снаряда и буровых коронок. В предложенной методике впервые учтены изменения давления в гидравлической системе в течении рейса, которые обусловлены износом коронки. Показано, что потери давления в течении рейса могут использоваться как показатель износа коронки. Purpose. Development of calculation procedure and analysis of pressure losses in the flow of washing fluid circulating through a hydraulic system of the core barrel. Findings. An approach to computation of hydraulics processes is proposed herein. Design ratios have been developed in order to determine the pressure losses in the inner area of the core barrel and in the annular space, taking into account changes of the hydraulic system geometry by height of the barrel. The regularities of pressure loss change in the flow depending on the depth of the discharge ports are obtained. The influence of the core bit’s wear on pressure loss was studied. The efficiency of the hydraulic systems of core bits 01А3-76 and БС33-76 was analysed. Originality. It is proved that the existing recommendations for determining the pressure losses in the hydraulic system of the core barrel give conservative values of this parameter. The proposed method of determining the pressure losses, as distinct from the known, is sensitive to the design features of the barrel and core bits. For the in first time, the developed procedure takes into account pressure changes in the hydraulic system during the run due to the core bit wear. It is shown that the loss of pressure during the run can be used as an indicator of the core bits’ wear. 2017 Article Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду / А. Кожевников, А. Дреус, Л. Баочанг // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 1. — С. 65-71. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 2415-3435 DOI: doi.org/10.15407/mining11.01.065 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133625 622.23 uk Розробка родовищ УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Мета. Розробка методики дослідження та аналіз втрат тиску в потоці промивальної рідини, що циркулює крізь гідравлічну систему колонкового снаряду.
Результати. Запропоновано підхід до розрахунку та отримані розрахункові співвідношення для визначення втрат тиску всередині колонкового снаряду та у затрубному просторі з урахуванням зміни геометрії гідравлічної системи по висоті колонкового снаряду. Отримано закономірності змін втрат тиску у потоці залежно від глибина промивальних каналів. Досліджено вплив зносу коронки на втрати тиску. Виконано порівняльний аналіз ефективності гідравлічної системи для коронок 01А3-76 та БС33-76.
Наукова новизна. Доведено, що існуючі рекомендації із визначення втрат тиску в гідравлічній системі колонкового снаряду дають занижені значення цього параметру. Розроблена методика визначення втрат тиску, на відмінну від відомих, враховує конструктивні особливості колонкового снаряду та бурових коронок. У запропонованій методиці вперше враховано зміни тиску в гідравлічній системі протягом рейсу, що обумовлюється зносом коронки. Показано, що втрати тиску протягом рейсу можуть використовуватися як показник зносу коронки. |
| format |
Article |
| author |
Кожевников, А. Дреус, А. Баочанг, Л. |
| spellingShingle |
Кожевников, А. Дреус, А. Баочанг, Л. Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду Розробка родовищ |
| author_facet |
Кожевников, А. Дреус, А. Баочанг, Л. |
| author_sort |
Кожевников, А. |
| title |
Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду |
| title_short |
Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду |
| title_full |
Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду |
| title_fullStr |
Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду |
| title_full_unstemmed |
Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду |
| title_sort |
методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду |
| publisher |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| publishDate |
2017 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133625 |
| citation_txt |
Методика визначення втрат тиску в потоці промивної рідини в гідравличній системі колонкового снаряду / А. Кожевников, А. Дреус, Л. Баочанг // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 1. — С. 65-71. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
| series |
Розробка родовищ |
| work_keys_str_mv |
AT koževnikova metodikaviznačennâvtrattiskuvpotocípromivnoírídinivgídravličníjsistemíkolonkovogosnarâdu AT dreusa metodikaviznačennâvtrattiskuvpotocípromivnoírídinivgídravličníjsistemíkolonkovogosnarâdu AT baočangl metodikaviznačennâvtrattiskuvpotocípromivnoírídinivgídravličníjsistemíkolonkovogosnarâdu |
| first_indexed |
2025-07-09T19:19:21Z |
| last_indexed |
2025-07-09T19:19:21Z |
| _version_ |
1837198230686793728 |
| fulltext |
Founded in
1900
National Mining
University
Mining of Mineral Deposits
ISSN 2415-3443 (Online) | ISSN 2415-3435 (Print)
Journal homepage http://mining.in.ua
Volume 11 (2017), Issue 1, pp. 65-71
65
UDC 622.23 https://doi.org/10.15407/mining11.01.065
МЕТОДИКА ВИЗНАЧЕННЯ ВТРАТ ТИСКУ В ПОТОЦІ ПРОМИВНОЇ РІДИНИ
В ГІДРАВЛИЧНІЙ СИСТЕМІ КОЛОНКОВОГО СНАРЯДУ
А. Кожевников1*, А. Дреус2, Л. Баочанг3
1Кафедра техніки розвідки родовищ корисних копалин, Національний гірничий університет, Дніпро, Україна
2Кафедра аерогідромеханіки та енергомасопереносу, Дніпровський національний університет ім. О. Гончара, Дніпро, Україна
3Коледж будівельної інженерії, Цзиліньський університет, Чанчунь, Китай
*Відповідальний автор: e-mail aak2@ua.fm, тел. +380562466346
THE PROCEDURE FOR DETERMINING PRESSURE LOSSES IN WASHING
FLUID FLOW IN HYDRAULIC SYSTEM OF THE CORE BARREL
A. Kozhevnykov1*, A. Dreus2, L. Baochang3
1Techniques Prospect of Deposits Department, National Mining University, Dnipro, Ukraine
2Fluid Mechanics and Energy & Mass Transfer Department, Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, Ukraine
3College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun, China
*Corresponding author: e-mail aak2@ua.fm, tel. +380562466346
ABSTRACT
Purpose. Development of calculation procedure and analysis of pressure losses in the flow of washing fluid circulat-
ing through a hydraulic system of the core barrel.
Methods. Theoretical analysis based on the methods of hydraulic calculation.
Findings. An approach to computation of hydraulics processes is proposed herein. Design ratios have been devel-
oped in order to determine the pressure losses in the inner area of the core barrel and in the annular space, taking into
account changes of the hydraulic system geometry by height of the barrel. The regularities of pressure loss change in
the flow depending on the depth of the discharge ports are obtained. The influence of the core bit’s wear on pressure
loss was studied. The efficiency of the hydraulic systems of core bits 01А3-76 and БС33-76 was analysed.
Originality. It is proved that the existing recommendations for determining the pressure losses in the hydraulic sys-
tem of the core barrel give conservative values of this parameter. The proposed method of determining the pressure
losses, as distinct from the known, is sensitive to the design features of the barrel and core bits. For the in first time,
the developed procedure takes into account pressure changes in the hydraulic system during the run due to the core
bit wear. It is shown that the loss of pressure during the run can be used as an indicator of the core bits’ wear.
Practical implications. The proposed method allows to determine more precisely the necessary pump rate in devel-
oping borehole drilling technology. The suggested calculation procedure can be used to design the flushing system of
new core bit concepts as well.
Keywords: core drilling, pressure losses, core bits, hydraulic calculation, wear
1. ВСТУП
Енергоспоживання насосного обладнання при бу-
рінні свердловин безпосередньо залежить від втрат
тиску в потоці промивальної рідини, які обумовлені
гідравлічними опорами. Тому для створення енергоефе-
ктивних технологій буріння розробники мають приділя-
ти окрему увагу питанням оптимізації промивальної
системи бурових снарядів (Gorshkov & Osetskiy, 2012).
Для вивчення гідродинамічних процесів у тепері-
шній час активно використовуються методи обчислю-
вальної гідродинаміки. Наприклад в роботі (Erge, Va-
jargah, Ozbayoglu, & Van Oort, 2015) виконане чисель-
не моделювання й аналіз втрат тиску в потоці бурово-
го розчину вздовж стовбура свердловини. Математич-
на модель і результати дослідження полів швидкостей
та тиску на вибою свердловини при бурінні алмазною
буровою коронкою представлені в роботі (Dreus &
Lysenko, 2016). Такий підхід є ефективним при проек-
туванні нових та оптимізації існуючих інструментів і
технологій буріння. Проте для інженерних розрахун-
ків найчастіше використовують методи гідравлічного
розрахунку (Babayan & Chernenko, 2016).
Якщо втрати тиску у кільцевому затрубному прос-
торі “бурильна колона – свердловина” з достатньою
A. Kozhevnykov, A. Dreus, L. Baochang. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 65-71
66
точністю визначаються аналітично (Hossain & Al-Majed,
2015), то для оцінки їх величини у колонкових трубах і
бурових коронках до цього часу не існує загальноп-
рийнятої і достатньо надійної методики розрахунку.
Складність аналітичного визначення втрат тиску в
колонковому снаряді визначається насамперед тим,
що промивна система колонкового снаряду предста-
вляє собою сполучення каналів різних розмірів і
конфігурацій, у яких потік промивної рідини розділя-
ється й об’єднується, стискається і розширюється,
змінює свою швидкість та напрямок руху.
Так, наприклад, для визначення сумарних втрат
тиску в циркуляційній системі свердловини пропону-
ється без якого-небудь обґрунтування приймати зага-
льні втрати тиску в колонковому снаряді в межах
(0.5 – 1.5)·105 Па (Kudryashov & Yakovlev, 1987).
Проте, в результаті експериментальних досліджень
(Illarionova, 1975) було встановлено, що втрати тис-
ку тільки в алмазній коронці діаметром 76 мм дося-
гають (1.5 – 6.0)·105 Па і більше при подачі води
0.5 – 1.0 л/с відповідно.
Аналіз результатів алмазного буріння в гірських
породах показує, що найбільш часто алмазні коронки
знімають з роботи внаслідок зносу матриці по внут-
рішньому діаметру. У процесі буріння відбувається
знос алмазної коронки по торцю, зовнішній і внутрі-
шній поверхнях матриці (Flegner et al., 2016). При
цьому зменшуються діаметр свердловини, глибина
торцевого та бокових промивних каналів, збільшу-
ється діаметр керна. В результаті при циркуляції
промивної рідини у промивних каналах колонкового
снаряду й коронки збільшуються втрати тиску. Проте
ці зміни взагалі не враховуються при розрахунках
технологічного процесу. У даній роботі запропоно-
вано методику гідравлічного розрахунку, яка врахо-
вує вищезазначені ефекти, та представлено результа-
ти дослідження втрат тиску у потоці промивальної
рідини при бурінні алмазними коронками.
2. ОСНОВНА ЧАСТИНА
Розглянемо рух промивної рідини у промивній
системі одинарного колонкового снаряду з розширю-
вачем та кернорвателем, колонкова труба якого част-
ково заповнена керном (Рис. 1). З прохідного каналу
перевідника промивна рідина поступає у внутрішню
порожнину колонкової труби, при цьому відбувається
збільшення площі поперечного перерізу потоку від:
2
11 785.0 dF = до 2
22 785.0 dF = , (1)
де:
d1 – діаметр прохідного каналу провідника;
d2 – внутрішній діаметр колонкової труби (швид-
кість потоку відповідно знижується).
При підході до керну потік рідини звужується й пе-
реходить у кільцевий простір між керном і колонковою
трубою, площа поперечного перерізу якого складає:
( )2
3
2
23 785.0 ddF −= , (2)
де:
d3 – діаметр керна (довжина цього каналу дорів-
нює довжині керну).
Рисунок 1. Схема гідравлічної системи одинарного
колонкового снаряду
Далі рідина проходить через корпус кернорвателя,
кернорватель і корпус коронки. Корпус кернорвателя
водночас є і розширювачем. Оскільки внутрішні
діаметри корпуса кернорвателя та корпуса коронки
практично рівні, то їх довжини можна скласти і при-
йняти рівними l2. Площа поперечного перерізу пото-
ку рідини в інтервалі l2 дорівнює:
( )2
3
2
43 785.0 ddF −= , (3)
де:
d4 – внутрішній діаметр корпуса кернорвателя
(корпуса коронки).
Кернорватель представляє собою розрізну кільце-
ву пружину висотою h, на внутрішній поверхні якої є
n однакових паралельних каналів прямокутного пе-
рерізу, шириною а, глибиною b, через які проходить
промивна рідина.
З корпусу коронки потік промивної рідини посту-
пає в зону матриці, де розділяється на дві частини:
одна його частина направляється до вибою через
промивну систему алмазної коронки, друга – по вузь-
кому кільцевому зазору між керном і матрицею, вели-
чина якого залежить від ступеню обробки керну і
коливається у межах 0.08 – 0.3 мм (Illarionova, 1975).
Внаслідок малих розмірів цього кільцевого каналу
їм можна знехтувати. Для оцінки вірогідності такого
припущення, можливо, знадобляться додаткові екс-
периментальні дослідження. Промивна система ко-
ронки представляє собою паралельні, рівномірно
розподілені П-подібні канали (Рис. 2), кожний з яких
складається з бокових – зовнішнього і внутрішнього
торцевих каналів.
A. Kozhevnykov, A. Dreus, L. Baochang. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 65-71
67
Рисунок 2. Схема руху промивної рідини у промивних
каналах алмазної коронки
У більшості серійних алмазних коронок ширина
усіх каналів і глибина бокових, як правило, однакова,
а глибина торцевого каналу більше бокових. Форма
поперечного перерізу каналів може біти прямокут-
ною, напівкруглою, квадратною.
Загальна площа поперечного перерізу бокових
внутрішнього F6 і зовнішнього F8 каналів буде
однаковою:
00086 banFF == , (4)
де:
n0 – кількість каналів;
a0 – ширина каналів;
b0 – глибина внутрішніх боків.
Висота бокових каналів дорівнює матриці коронки l.
Загальна площа поперечного перерізу торцевих
каналів:
kk banF 07 = , (5)
де:
ak – ширина торцевого каналу (ak = a0);
bk – глибина торцевого каналу (завжди bk > b0).
У місцях сполучення бокових каналів з торцевим
потік рідини міняє двічі напрямок на 90º. У резуль-
таті конфігурація потоку набуває форму П-подіб-
ного коліна.
Довжина торцевого каналу lk складає:
0
3 2
2
b
dD
lк −
−
= , (6)
де:
D – зовнішній діаметр матриці коронки;
d3 – внутрішній діаметр матриці коронки.
При виході рідини із зовнішніх бокових каналів
вона попадає у кільцевий простір між корпусом ко-
ронки, корпусом кернорвателя, колонковою трубою з
однієї сторони та стінкою свердловини – з іншої.
Оскільки зовнішні діаметри корпуса коронки кер-
норвателя (розширювача), колонкової труби і переві-
дника з бурильної колони на колонкову трубу одна-
кові, то їх можна об’єднати загальною довжиною l4.
Площа поперечного перерізу кільцевого простору
“свердловина – колонковий снаряд” дорівнює:
( )2
2
2
9 785.0 DDF c −= , (7)
де:
D2 – зовнішній діаметр колонкової труби;
Dc – діаметр свердловини.
У середній частині корпуса кернорвателя по його
зовнішньому діаметру розміщені штабики з алмаза-
ми, які при значені для підтримки (розширення) діа-
метра свердловини. Потік промивної рідини прохо-
дить тут у каналах між штабиками. Їх загальна площа
поперечного перерізу складає:
ppp banF =10 , (8)
де:
np – кількість каналів між штабиками розширювача;
ар – ширина каналу;
bp – глибина каналу.
Довжина каналів lp дорівнює висоті штабиків.
Площа поперечного перерізу кільцевого каналу
“свердловина – бурильна колона”:
( )2
1
2
11 785.0 DDF c −= , (9)
де:
D1 – зовнішній діаметр бурильної колони.
Довжина ділянки дорівнює довжині бурильної
колони l5.
Швидкість руху на кожній ділянці визначається за
співвідношенням:
11,2,1, == i
F
Q
w
i
i , (10)
де:
Q – витрати промивної рідини.
Таким чином, при русі промивної рідини у колон-
ковому снаряді та затрубному просторі прямолінійні
ділянки потоку рідини чергуються з місцевими опо-
рами, а сумарні тиски складаються із втрат по дов-
жині й місцевих втрат. Тоді втрати тиску у середині
колонкового снаряду Δр1 визначаються:
бвпстpкркт pppppppp ΔΔΔΔΔΔΔΔ ++++++=1 , (11)
де:
Δрт – втрати тиску по довжині у верхній частині
колонкової труби, не заповненої керном;
Δрк – втрати тиску у кільцевому каналі “колонко-
ва труба – керн”;
Δркр – втрати тиску в кільцевому каналі “корпус
кернорвателя – керн”;
Δрр – місцеві втрати тиску на розширення потоку
при виході рідини з перевідника у колонкову трубу;
Δрст – місцеві втрати тиску на стискання при вхо-
ді рідини у кільцевий канал “колонкова труба – керн”;
Δрп – місцеві втрати тиску при русі рідини через
промивні канали кернорвательної пружини;
Δрбв – місцеві втрати тиску при русі рідини через
промивні бокові внутрішні канали алмазної коронки.
Втрати тиску по довжині можна визначити за на-
ступними формулами:
2
2
2
2
13
2
w
d
ll
p
пр
т
ρ
ζΔ ⋅
−
= ; (12)
A. Kozhevnykov, A. Dreus, L. Baochang. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 65-71
68
( )
2
2
3
2
21
3
w
dd
lll
p
пр
к
к
ρ
ζΔ ⋅
−
+−= ; (13)
2
2
4
4
2
4
w
dd
l
p
пр
к
кр
ρ
ζΔ ⋅
−
= , (14)
де:
ζ2, ζ3, ζ4 – коефіцієнти гідравлічних опорів у від-
повідних каналах;
ρпр – густина промивної рідини.
Втрати тиску на місцевих гідравлічних опорах,
обумовлених раптовими розширеннями та стиснен-
ням потоку при зміні геометрії каналів звуженнями,
визначаються за формулою (Idel’chik, 1992):
2
2
iпр
ii
w
P
ρ
ζΔ = , (15)
де:
ζі – коефіцієнти місцевих гідравлічних опорів.
Коефіцієнти ζі можуть бути визначені відповідно
до рекомендацій, приведених у роботі (Idel’chik, 1992).
Втрати тиску у затрубному просторі “свердловина –
колонковий снаряд” Δр2 також складаються з суми
втрат по довжині затрубного простору і місцевих втрат:
прбнпвск ppppp ΔΔΔΔΔ +++=2 , (16)
де:
Δрск – втрати тиску по довжині у затрубному про-
сторі “свердловина – колонковий снаряд”;
Δрпв – місцеві втрати тиску при повороті потоку
на 180º у торцевих каналах коронки;
Δрбн – місцеві втрати тиску при русі рідини через
бокові зовнішні промивні канали коронки;
Δрпр – місцеві втрати тиску при русі рідини через
промивні канали розширювача.
Втрати тиску у затрубному просторі “свердловина –
колонковий снаряд”:
2
2
91
2
4 w
DD
l
р
с
скск
⋅
⋅
−
=
ρζΔ , (17)
де:
ζск – коефіцієнт гідравлічних опорів при русі по-
току в затрубному просторі “свердловина – колонко-
вий снаряд”;
ρ1 – густина потоку промивної рідини після збага-
чення шламом.
Густина ρ1 визначається за формулою:
ρΔρρ += пр1 , (18)
де:
Δρ – приріст густини за рахунок збагачення її
шламом.
Величину Δρ можна визначити за наступною
формулою:
011
2
1
2
2
3
2
wwdD
dD
V
прп
с
c
м −
−
⋅
−
−
⋅=
ρρ
ρΔ , (19)
де:
Vм – механічна швидкість буріння;
ρП – густина гірської породи;
w0 – швидкість осідання частинок шламу.
Втрати тиску при повороті на 180º в торцевих
каналах коронки можна розрахувати приблизно по
аналогії із розрахунком гідравлічних опорів у
П-подібному коліні. Гідравлічні опори в каналах
при повороті потоку обумовлені відцентровими
силами, відривом його від стінок каналу, виник-
ненням вихрових зон, які зменшують переріз осно-
вного потоку:
2
2
61 w
p пвпв
⋅
=
ρζΔ , (20)
де:
ζпв – гідравлічний опір повороту потоку.
Коефіцієнт гідравлічних опорів при русі рідини в
зовнішніх бокових каналах коронки Δрбн і промивних
каналах розширювача Δрп можна обчислити за рані-
ше наведеною формулою для Δрск із відповідними
значеннями ζ для внутрішніх бокових каналів корон-
ки і промивних каналі у кернорвательній пружині.
Втрати тиску Δрз у затрубному просторі “сверд-
ловина – бурильна колона” представлені як втрати за
довжиною, які можна визначити із залежності:
2
2
111
1
5
3
w
DD
l
Р
с
⋅⋅
−
= ρζΔ , (21)
де:
ζ – коефіцієнт гідравлічний опору тертя в каналі.
Врахуємо вплив зносу коронки протягом рейсу на
втрати тиску в промивальній рідині. Якщо прийняти,
що кільцеві зазори δ між стінкою свердловини і зов-
нішньою поверхнею матриці, з одного боку, керном і
внутрішньою поверхнею матриці, з другого, однако-
ві, то поточне значення діаметра свердловини Dс і
діаметра керна dк можна визначити із виразів:
зpc ilDD −+= δ2 ; (22)
вpк ildd +−= δ23 , (23)
де:
lр – поточне значення проходки упродовж рейсу, м;
із – відносний знос по зовнішньому діаметру, мм/м;
ів – відносний знос по внутрішньому діаметру, мм/м.
Відповідно плинне значення глибини промивних
каналів у процесі зносу матриці складе:
20
вp
0і
il
bb −+= δ ; (24)
211
нp
і
il
bb −+= δ ; (25)
тpккі ilbb −= , (26)
де:
іт – відносний знос коронки по торцю, мм/м.
A. Kozhevnykov, A. Dreus, L. Baochang. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 65-71
69
У результаті зносу матриці коронки по внутріш-
ньому та зовнішньому діаметрах свердловина і керн
набувають конусоподібної форми з перемінним діаме-
тром за довжиною проходки lр. Тоді за довжиною про-
ходки середній діаметр свердловини Dc
cp становитиме:
2
2
нpср
с
il
DD −+= δ ; (27)
а середній діаметр керна:
2
23
вpср
к
il
dd +−= δ . (28)
При установці розширювача над коронкою сверд-
ловина зберігає свій діаметр і в даному випадку маємо:
рс DD = , (29)
де:
Dp – діаметр розширювача.
Оскільки втратами тиску Δрт, Δрр, Δрст., Δрп мож-
на знехтувати як малими порівняно з іншими втрата-
ми, формули (11) і (16) можна привести до вигляду:
бвкрк pppp ΔΔΔΔ ++=1 ; (30)
бнпвск pppp ΔΔΔΔ ++=2 . (31)
На Рисунку 3 представлено результати дослі-
дження впливу геометричних характеристик промив-
ної системи (глибини каналів) стандартної алмазної
бурової коронки 01А3-76 із 6 каналами на складові
втрати тиску, що входять до формул (30) та (31).
Рисунок 3. Втрати тиску в елементах колонкового
снаряду для коронки 01А3-76 при витратах
промивної рідини 1 л/хв
Як бачимо із даних, що представлені на Рисун-
ку 3, найбільш відчутний (у кілька разів) вплив гли-
бини каналів на втрати тиску в затрубному просторі
“свердловина – колонковий снаряд”, промивних бо-
кових внутрішніх каналах та при розвороті потоку.
Падіння тиску у потоці промивальної рідини та-
кож має місце у кільцевому каналі колонкова “тру-
ба – керн” та у кільцевому каналі “корпус кернорва-
теля – керн”. Зазначимо, що втрати тиску у внутріш-
ніх бокових промивних каналах перевищують втрати
тиску в зовнішніх бокових і торцевих каналах.
На Рисунках 4 та 5 представлені зміни втрат тиску
протягом рейсу для наступних параметрів інтенсив-
ності зносу коронки:
– по зовнішньому діаметру із = 0.04 мм/м;
– по внутрішньому діаметру ів = 0.06 мм/м.
Рисунок 4. Зміни складових втрат тиску Δр1 протягом
рейсу коронки 01А3-76
Рисунок 5. Зміни складових втрат тиску Δр2 протягом
рейсу коронки 01А3-76
Як видно з Рисунків 4 та 5, протягом рейсу за ра-
хунок зносу коронки збільшуються втрати тиску.
Втрати тиску в кільцевому зазорі “свердловина –
колонкова труба” перевищують втрати тиску в кіль-
цевому зазорі “колонкова труба – керн”. На практиці
величину прирощення втрат тиску буріння можна
легко визначити по манометру на насосі.
Зробимо порівняльний аналіз втрат тиску для од-
ношарової коронки 01А3-76 та імпрегнірованої коро-
нки БС33-76. Геометричні характеристики промива-
льних систем даних коронок наведено в Таблиці 1.
Таблиця 1. Геометричні параметри промивальних
систем бурових коронок
Параметр
Коронка
01А3-76 БС33-76
Діаметр коронок, мм:
по матриці D/d3 76/59 76/59
по корпусу D2/d4 73/62 73/62
Кількість каналів n0, шт 6 24
Ширина каналів a0, мм 6 2.8
Глибина бокових
каналів коронки b0 = b1, мм
1.5 (2.0) 1.5 (2.0)
Глибина торцевих
каналів коронки bк, мм
4 4
Довжина бокових
каналів коронки l, мм
10 10
Довжина торцевих
каналів коронки lк, мм
5 5
A. Kozhevnykov, A. Dreus, L. Baochang. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 65-71
70
Результати розрахунку складових втрат тиску в
коронках наведено на Рисунку 6. Отримані результа-
ти свідчать, що втрати тиску в коронці БС33-76, яка
має розвинену промивальну систему, значно менші,
ніж втрати тиску в одношаровій коронці 01А3-76.
Рисунок 6. Порівняння втрат тиску в потоці рідини для
коронок 01А3-76 та БС33-76
3. ВИСНОВКИ
Аналіз результатів розрахунків дозволяє зробити
наступні висновки.
Сумарні втрати тиску в промивних каналах алма-
зної коронки 01А3-76 складають (0.9 – 5.8)·105 Па, а
у колонковому снаряді в цілому – (1.6 – 9.2)·105 Па
при витратах промивної рідини 0.25 – 1.25 л/с, що у
3 – 5 разів перевищує існуючі рекомендації для ви-
значення сумарних втрат тиску в циркуляційній сис-
темі свердловини.
Відносні втрати тиску на 1 м проходки, обумов-
лені зносом коронки, у 3 рази перевищують відносні
втрати тиску, обумовлені заповненням труби керном.
Тому зміни прирощення тиску на насосі можуть бути
важливим інформативним показником інтенсивності
зносу коронки.
В алмазних коронках із розвинутою промивною
системою (наприклад БС-33) втрати тиску у 4 – 5
разів менші, ніж у коронках типу 01А3.
Геометричні характеристики всіх проточних ка-
налів гідравлічної системи колонкового снаряду істо-
тно впливають на втрати тиску в промивальній рідині
на вибої свердловини.
Запропонована методика окремого розрахунку
втрат тиску у кожному з елементів промивної систе-
ми алмазної коронки і колонкового снаряду дозволяє:
– визначити сили гідравлічного підпору;
– оцінити промивні системи як алмазної коронки
окремо, так і колонкового снаряду в цілому, а також
намітити шляхи їх вдосконалення.
ВДЯЧНІСТЬ
Статтю виконано за результатами науково-
дослідницької роботи “Оптимізація параметрів алма-
зного буріння з імпульсною промивкою та розробка
раціональних компоновок бурильних колон”, що
виконувалась у Національному гірничому універси-
теті за договором з Північним державним геологіч-
ним підприємством “Північгеологія”. Автори вдячні
всім співробітникам кафедри техніки розвідки родо-
вищ корисних копалин Національного гірничого
університету, що брали участь у дослідженнях.
REFERENCES
Babayan, E., & Chernenko, A. (2016). Inzhenernye raschety pri
burenii. Moskva: Litres.
Dreus, A.Yu., & Lysenko, K.Ye. (2016). Computer Simulation
of Fluid Mechanics and Heat Transfer Processes at the
Working Face of Borehole Rock. Naukovyi Visnyk
Natsionalnoho Hirnychoho Universitetu, (5), 29-35.
Erge, O., Vajargah, A.K., Ozbayoglu, M.E., & Van Oort, E.
(2015). Frictional Pressure Loss of Drilling Fluids in a Ful-
ly Eccentric Annulus. Journal of Natural Gas Science and
Engineering, (26), 1119-1129.
https://doi.org/10.1016/j.jngse.2015.07.030
Flegner, P., Kačur, J., Durdán, M., Laciak, M., Stehlíková, B.,
& Pástor, M. (2016). Significant Damages of Core Dia-
mond Bits in the Process of Rocks Drilling. Engineering
Failure Analysis, (59), 354-365.
https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.10.016
Gorshkov, L., & Osetskiy, A. (2012). Razvitie printsipov
konstruirovaniya i ekspluatatsii novogo almaznogo
porodorazrushayushchego instrumenta. Zapiski Gornogo
Instituta, (197), 40-46.
Hossain, M.E., & Al-Majed, A.A. (2015). Fundamentals of
Sustainable Drilling Engineering. Beverly: Scrivener
Publishing LCC.
https://doi.org/10.1002/9781119100300
Idel’chik, I.E. (1992) Spravochnik po gidravlicheskim sopro-
tivleniyam. Moskva: Mashinostroenie.
Illarionova, T.M. (1975). Metodika rascheta gidravlicheskikh
soprotivleniy v almaznykh koronkakh. Metodika i Tekhnika
Razvedki, (97), 19-26.
Kudryashov, B.B., & Yakovlev, A.M. (1987). Burenie skvazhin
v slozhnykh usloviyakh. Moskva: Nedra.
ABSTRACT (IN UKRAINIAN)
Мета. Розробка методики дослідження та аналіз втрат тиску в потоці промивальної рідини, що циркулює
крізь гідравлічну систему колонкового снаряду.
Методика. Теоретичний аналіз на основі методів гідравлічного розрахунку.
Результати. Запропоновано підхід до розрахунку та отримані розрахункові співвідношення для визначення
втрат тиску всередині колонкового снаряду та у затрубному просторі з урахуванням зміни геометрії гідравліч-
ної системи по висоті колонкового снаряду. Отримано закономірності змін втрат тиску у потоці залежно від
глибина промивальних каналів. Досліджено вплив зносу коронки на втрати тиску. Виконано порівняльний ана-
ліз ефективності гідравлічної системи для коронок 01А3-76 та БС33-76.
Наукова новизна. Доведено, що існуючі рекомендації із визначення втрат тиску в гідравлічній системі
колонкового снаряду дають занижені значення цього параметру. Розроблена методика визначення втрат
тиску, на відмінну від відомих, враховує конструктивні особливості колонкового снаряду та бурових коро-
нок. У запропонованій методиці вперше враховано зміни тиску в гідравлічній системі протягом рейсу, що
A. Kozhevnykov, A. Dreus, L. Baochang. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(1), 65-71
71
обумовлюється зносом коронки. Показано, що втрати тиску протягом рейсу можуть використовуватися як
показник зносу коронки.
Практична значимість. Використання запропонованої методики дає змогу більш точно визначати необхід-
ну подачу бурового насоса при проектуванні буріння свердловини. Запропонована методика може використо-
вуватися для проектування промивальної системи нових конструкцій бурових коронок.
Ключові слова: колонкове буріння, втрати тиску, бурові коронки, гідравлічний розрахунок, знос коронки
ABSTRACT (IN RUSSIAN)
Цель. Разработка методики исследования и анализ потерь давления в потоке промывочной жидкости, цир-
кулирующей через гидравлическую систему колонкового снаряда.
Методика. Теоретический анализ на основе методов гидравлического расчета.
Результаты. Предложен подход к расчету и получены расчетные соотношения для определения потерь дав-
ления внутри колонкового снаряда и в затрубном пространстве с учетом изменения геометрии гидравлической
системы по высоте колонкового снаряда. Получены закономерности изменения потерь давления в потоке в
зависимости от глубины промывочных каналов. Исследовано влияние износа коронки на потери давления.
Выполнен сравнительный анализ эффективности гидравлической системы для коронок 01А3-76 и БС33-76.
Научная новизна. Доказано, что существующие рекомендации по определению потерь давления в гидрав-
лической системе колонкового снаряда дают заниженные значения этого параметра. Разработанная методика
определения потерь давления, в отличие от известных, учитывает конструктивные особенности колонкового
снаряда и буровых коронок. В предложенной методике впервые учтены изменения давления в гидравлической
системе в течении рейса, которые обусловлены износом коронки. Показано, что потери давления в течении
рейса могут использоваться как показатель износа коронки.
Практическая значимость. Использование предложенной методики позволяет более точно определять не-
обходимую подачу бурового насоса при проектировании технологии бурения скважины. Предложенная мето-
дика может использоваться при проектировании промывочной системы новых конструкций буровых коронок.
Ключевые слова: колонковое бурение, потери давления, буровые коронки, гидравлический расчет, износ коронки
ARTICLE INFO
Received: 16 November 2016
Accepted: 13 February 2017
Available online: 30 March 2017
ABOUT AUTHORS
Anatolii Kozhevnykov, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Techniques Prospect of Deposits Department,
National Mining University, 19 Yavornytskoho Ave., 9/408, 49005, Dnipro, Ukraine. E-mail: aak2@ua.fm
Andrii Dreus, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Fluid Mechanics and Energy & Mass Transfer
Department, Oles Honchar Dnipro National University, 72 Haharina Ave., 49010, Dnipro, Ukraine. E-mail:
dreus.a@dnu.dp.ua
Liu Baochang, Doctor of Philosophy, Associate Professor of the College of Construction Engineering, Jilin University,
938 Ximinzhu St, 130061, Changchun, China. E-mail: liubc@jlu.edu.cn
|