Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки

Цель. Исследование влияния прерывистой промывке на гидродинамические процессы в гидравлической системе алмазной буровой коронки. Результаты. Представлена математическая модель гидродинамических процессов в промывочных каналах гидравлической системы буровой коронки при бурении с прерывистой промывкой...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Дреус, А., Лысенко, Е., Кожевников, А., Лю, Б.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України 2017
Назва видання:	Розробка родовищ
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/145705
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:	Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки / А. Дреус, Е. Лысенко, А. Кожевников, Б. Лю // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 2. — С. 84-90. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-145705
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1457052019-01-27T01:23:51Z Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки Дреус, А. Лысенко, Е. Кожевников, А. Лю, Б. Цель. Исследование влияния прерывистой промывке на гидродинамические процессы в гидравлической системе алмазной буровой коронки. Результаты. Представлена математическая модель гидродинамических процессов в промывочных каналах гидравлической системы буровой коронки при бурении с прерывистой промывкой. Выполнено численное исследование процессов гидродинамики для симметричной прерывистой промывки. Получены поля скорости и давления в потоке промывочной жидкости (воды) в каналах, показано существенное изменение давления в потоке с образованием зон пониженного давления, а также возникновение слабоинтенсивного вихревого течения в период паузы в подаче. Анализ полученных эффектов показывает, что использование прерывистой промывки позволяет управлять гидродинамическими процессами и оказывать влияние на работу алмазной буровой коронки. Мета. Дослідження впливу переривчастої промивки на гідродинамічні процеси в гідравлічній системі алмазної бурової коронки. Результати. Представлено математичну модель гідродинамічних процесів у промивальних каналах гідравлічної системи алмазної бурової коронки при бурінні з переривчастою промивкою. Виконано чисельне дослідження процесів гідродинаміки для симетричної промивки. Отримані поля швидкості та тиску у потоці промивальної рідини (вода) в каналах, показано істотна зміна тиску в потоці з утворенням зон зниженого тиску, а також виникнення слабоінтенсивної вихрової течії під час паузи в подачі. Аналіз отриманих ефектів показує, що використання переривчастої промивки дозволяє керувати гідродинамічними процесами та впливати на роботу алмазної бурової коронки. Purpose. To study the effect produced by the intermittent flushing on hydrodynamic processes in the hydraulic system of a diamond bit. Findings. A mathematical model of hydrodynamic processes in the flushing ports of the drill bit hydraulic system in conditions of drilling with intermittent flushing is presented. Numerical study of hydrodynamic processes for symmetric intermittent flushing was conducted. The velocity and pressure fields in the flow of the drilling fluid (water) in the ports were obtained. It was shown that pressure changes significantly in the flow with formation of low pressure zones and low intensity vortex during the pause in feeding. Analysis of the obtained effects shows that the use of intermittent flushing allows to control the hydrodynamic processes and influence the diamond drill bit operation. 2017 Article Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки / А. Дреус, Е. Лысенко, А. Кожевников, Б. Лю // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 2. — С. 84-90. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 2415-3435 DOI: https://doi.org/10.15407/mining11.02.084 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/145705 622.23 ru 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	Russian
description	Цель. Исследование влияния прерывистой промывке на гидродинамические процессы в гидравлической системе алмазной буровой коронки. Результаты. Представлена математическая модель гидродинамических процессов в промывочных каналах гидравлической системы буровой коронки при бурении с прерывистой промывкой. Выполнено численное исследование процессов гидродинамики для симметричной прерывистой промывки. Получены поля скорости и давления в потоке промывочной жидкости (воды) в каналах, показано существенное изменение давления в потоке с образованием зон пониженного давления, а также возникновение слабоинтенсивного вихревого течения в период паузы в подаче. Анализ полученных эффектов показывает, что использование прерывистой промывки позволяет управлять гидродинамическими процессами и оказывать влияние на работу алмазной буровой коронки.
format	Article
author	Дреус, А. Лысенко, Е. Кожевников, А. Лю, Б.
spellingShingle	Дреус, А. Лысенко, Е. Кожевников, А. Лю, Б. Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки Розробка родовищ
author_facet	Дреус, А. Лысенко, Е. Кожевников, А. Лю, Б.
author_sort	Дреус, А.
title	Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки
title_short	Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки
title_full	Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки
title_fullStr	Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки
title_full_unstemmed	Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки
title_sort	моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки
publisher	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
publishDate	2017
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/145705
citation_txt	Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки / А. Дреус, Е. Лысенко, А. Кожевников, Б. Лю // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2017. — Т. 11, вип. 2. — С. 84-90. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
series	Розробка родовищ
work_keys_str_mv	AT dreusa modelirovaniegidrodinamikipreryvistogopotokapromyvočnojžidkostivgidravličeskojsistemealmaznojburovojkoronki AT lysenkoe modelirovaniegidrodinamikipreryvistogopotokapromyvočnojžidkostivgidravličeskojsistemealmaznojburovojkoronki AT koževnikova modelirovaniegidrodinamikipreryvistogopotokapromyvočnojžidkostivgidravličeskojsistemealmaznojburovojkoronki AT lûb modelirovaniegidrodinamikipreryvistogopotokapromyvočnojžidkostivgidravličeskojsistemealmaznojburovojkoronki
first_indexed	2025-07-10T22:21:10Z
last_indexed	2025-07-10T22:21:10Z
_version_	1837300290895740928
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 2, pp. 84-90 84 UDC 622.23 https://doi.org/10.15407/mining11.02.084 МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПРЕРЫВИСТОГО ПОТОКА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ АЛМАЗНОЙ БУРОВОЙ КОРОНКИ А. Дреус1, Е. Лысенко1, А. Кожевников2, Б. Лю3 1Кафедра аэрогидромеханики и энергомассопереноса, Днепровский национальный университет им. О. Гончара, Днепр, Украина 2Кафедра техники разведки месторождений полезных ископаемых, Национальный горный университет, Днепр, Украина 3Колледж строительной инженерии, Цзилинский университет, Чанчунь, Китай Ответственный автор: e-mail dreus.a@dnu.dp.ua, тел. +3805627768241 MODELING HYDRODYNAMICS OF THE FLUSHING FLUID INTERMITTENT FLOW IN THE HYDRAULIC SYSTEM OF THE DIAMOND BIT A. Dreus1, K. Lysenko1, A. Kozhevnykov2, B. Liu3 1Fluid Mechanics and Energy & Mass Transfer Department, Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, Ukraine 2Techniques Prospect of Deposits Department, National Mining University, Dnipro, Ukraine 3College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun, China. Corresponding author: e-mail dreus.a@dnu.dp.ua, tel. +380567768241 ABSTRACT Purpose. To study the effect produced by the intermittent flushing on hydrodynamic processes in the hydraulic sys- tem of a diamond bit. Methods. Mathematical modeling methods and CFD experiment. Findings. A mathematical model of hydrodynamic processes in the flushing ports of the drill bit hydraulic system in conditions of drilling with intermittent flushing is presented. Numerical study of hydrodynamic processes for sym- metric intermittent flushing was conducted. The velocity and pressure fields in the flow of the drilling fluid (water) in the ports were obtained. It was shown that pressure changes significantly in the flow with formation of low pressure zones and low intensity vortex during the pause in feeding. Analysis of the obtained effects shows that the use of intermittent flushing allows to control the hydrodynamic processes and influence the diamond drill bit operation. Originality. Hydrodynamics of intermittent flow of the flushing fluid in the hydraulic system of drill bits was investigated for the first time ever. The obtained results are the basis to theoretical substantiation of technological effects during drilling with intermittent flushing, such as improving bottom hole cleaning from slurry and increas- ing drilling speed. Practical implications. The results of the study are important for developing a technique and technology of diamond drilling with intermittent flushing. Keywords: drilling, hydrodynamic processes, hydraulic system of the drill bit, intermittent flushing 1. ВВЕДЕНИЕ Последнее время внимание исследователей и раз- работчиков технологий бурения скважин привлекает промывка скважин с нестационарной подачей промы- вочной жидкости (Ivannikov, Ivannikov, & Kurbanov, 2010). Результаты экспериментального бурения пока- зывают, что данный способ промывки способствует повышению ряда технико-экономических показате- лей технологического процесса. Среди достигнутых результатов следует отметить улучшение очистки забоя скважины от шлама (Tungusov, 2009) и повы- шение механической скорости бурения (Kozhevnikov, Filimonenko, & Zhikalyak, 2007). Однако на сего- дняшний день механизмы полученных эффектов до конца теоретически не раскрыты. Проблема очистки скважины являлась объектом исследования достаточно большого числа работ. Например, движение шлама по стволу скважины при стационарном течении исследовалась эксперимен- тально (Tomren, Iyoho, & Azar, 1986), численно (Bilgesu, Ali, Aminian, & Ameri, 2002) и аналитически (Kulikov, 2007). Однако большинство работ рассмат- ривают движение частиц шлама в восходящем потоке A. Dreus, K. Lysenko, А. Kozhevnykov, B. Liu. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 84-90 85 в затрубном пространстве и не акцентируют внима- ние на гидродинамических процессах непосред- ственно на забое. В работе (Filimonenko & Karakozov, 2007) выполнено моделирование процесса витания частиц шлама в пульсирующем потоке промывочной жидкости. В результате выполненных исследований было установлено положительное влияние нестацио- нарного режима течения на вынос шлама по стволу скважины на дневную поверхность. В тоже время эффект улучшения процесса очистки поверхности забоя при таком режиме подачи жидкости обоснован недостаточно. Процессы гидродинамики в гидравлической си- стеме алмазных буровых коронок исследовались в основном для определения гидравлических сопро- тивлений на забое и улучшения конструкции ин- струмента (Bukanov, Gorshkov, Osetskiy, & Solovev, 2013; Gorshkov & Yakovlev, 2011; Kozhevnykov, Dreus, & Liu, 2017). Однако в данных работах к про- блеме подходят с использованием методов гидравли- ки для стационарного течения, и подробная физиче- ская картина на забое не рассматривается. В работе (Dreus, Kozhevnykov, Sudakov, & Vakhalin, 2016) показано, что увеличение механической скоро- сти бурения, при нестационарном режиме промывки, может быть обусловлено термоциклическим воздей- ствием на горную породу, вследствие ухудшения кон- вективного охлаждения породоразрушающего ин- струмента. Данный эффект будет наиболее выражен- ным в случае прерывистой промывки, когда интерва- лы в подаче жидкости разделены паузами, на протя- жении которых расход жидкости равен нулю. Про- цессы гидродинамики на забое при прерывистой промывке на сегодняшний день не исследовались. Дальнейшее развитие технологии нестационарной промывки и выбор рациональных параметров требу- ет проведения соответствующих исследований гид- родинамических процессов на забое при бурении. Эффективным инструментом исследования в данном случае являются методы вычислительной гидроди- намики (CFD), являющиеся альтернативным физиче- скому эксперименту инструментом исследования. Использование CFD технологий позволяет не только относительно быстро проводить многочисленные параметрические исследования, но и обнаружить физические эффекты, которые трудно определить другими методами. Эффективным примером исполь- зования данного инструмента для исследования гид- родинамики на забое скважины и совершенствования буровых долот являются работы (Cao, Chen, Liu, Chen, & Wang, 2016; Song et al., 2014). Исследование конвективного теплообмена на забое скважины при бурении алмазными коронками для режима стацио- нарной промывки выполнено в работах (Dreus & Lysenko, 2016; Chen, Liu, & Duan, 2012). В настоящей работе выполнено исследование по- ля скоростей и давлений в промывочных каналах гидравлической системы алмазных буровых коронок при прерывистом режиме подачи промывочной жид- кости. Решение данной задачи способствует лучшему пониманию физической картины в гидравлической системе буровых коронок при прерывистой промыв- ке и способствовать раскрытию физических меха- низмов повышения эффективности бурения при пре- рывистой промывке. 2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Рассмотрим течение промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки. Гидравлическая система коронки представляет собой параллельные, как правило, равномерно распреде- ленные в матрице коронки П-образные каналы. Каж- дый канал (Рис. 1) состоит из боковых – внешнего и внутреннего каналов и торцевого канала. Рисунок 1. Схема движения промывочной жидкости в промывочных каналах алмазной буровой коронки Форма поперечного сечения каналов может быть прямоугольной или закругленной. Геометрические характеристики гидравлической системы серийной алмазной буровой коронки 01А3-76 представлены в Таблице 1. Таблиця 1. Геометрические характеристики гидравли- ческой системы буровой коронки 01А3-76 Параметр Значение Количество каналов n, шт 6 Ширина каналов a0, мм 6 Глубина боковых каналов b0 = b1, мм 2 Глубина торцевых каналов bк, мм 4 Длина боковых каналов коронки l, мм 10 Длина торцевых каналов коронки lк, мм 5 Известно (Idel’chik, 1992), что при развороте по- тока в П-образном канале сужается сечение основно- го потока и возникают застойные зоны и локальное изменение давления вдоль поверхности. Для построения математической модели прерыви- стого течения в каналах примем ряд допущений. Будем считать, что основной поток промывочной жидкости, циркулирующей на забое, движется через промывочные каналы, а потери жидкости на забое вследствие ее поглощения горной породой незначи- тельные. Рассмотрим задачу в первом приближении в плоской постановке, принимая форму каналов пря- моугольной и пренебрегая эффектами, связанными с вращением коронки. Будем рассматривать промы- вочную жидкость – воду, как однофазную среду, физические свойства которой постоянные и соответ- ствуют условиям стендового бурения. Таким обра- A. Dreus, K. Lysenko, А. Kozhevnykov, B. Liu. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 84-90 86 зом, мы не учитываем гидростатическое давление столба жидкости в скважине. В качестве расчетной модели принимаем П- образную область, представленную на Рисунке 2, в которой строится конечно-элементная сетка. Рисунок 2. Расчетная область с сеткой В большинстве случаев течения промывочных жидкостей при бурении имеют турбулентный харак- тер (Leonov & Isaev, 1987). Для построения матема- тической модели будем использовать стандартную двухпараметрическую k – ε модель турбулентности (Launder & Spalding, 1972), которая хорошо себя зарекомендовала при моделировании гидродинами- ческих процессов при бурении долотами в работах (Cao, Chen, Liu, Chen, & Wang, 2016; Song et al., 2014). Математическая модель включает систему дифферен- циальных уравнений неразрывности, переноса количе- ства движения для промывочной жидкости, неразрыв- ности и переноса характеристик турбулентности: 0= ∂ ∂ j j x u ; (1) ( ) ( )         ∂ ∂ + ∂ ∂+ ∂ ∂−= ∂ ∂+ ∂ ∂ j i t ji ij j i x u xx puu x u νν ρτ 1 ; (2) ( ) ε ρ ν σ νν τ − ∂ ∂         ∂ ∂ − ∂ ∂ + +        ∂ ∂       + ∂ ∂+= ∂ ∂+ ∂ ∂ j i i j j it j i k t j j j x u x u x u x u x ku x k ; (3) ( ) k C x u x u x u k C xx u x j i i j j i t j t j j j 2 21 ενε ε σ ννε τ ε εε ε − ∂ ∂         ∂ ∂ − ∂ ∂ + +        ∂ ∂       + ∂ ∂+= ∂ ∂+ ∂ ∂ , (4) где: i = 1, 2 – соответствуют x, y – координатам в де- картовой системе; u – осредненные компоненты вектора скорости; k – кинетическая энергия турбулентности; ε – диссипация энергии турбулентности; p – осредненное давление в потоке; ν – коэффициент кинематической вязкости про- мывочной жидкости; νt –коэффициент кинематической турбулентной вязкости; ρ – плотность промывочной жидкости; τ – время; C1ε = 1.44, C2ε = 1.92, σk = 1.0, σε = 1.3 – эмпириче- ские константы модели турбулентности. Для замыкания системы (1) – (4) используется выражение для турбулентной вязкости: ε ν μ 2kCt = , (5) где: Cμ = 0.09. Система (1) – (5) дополняется граничными условия- ми. На твердых границах задаем условие “прилипания”: 0=solidiu . (6) В выходном сечении задаем “мягкое” граничное условие: 0,0 2 1 == ∂ ∂ outlet outlet u y u . (7) Во входном сечении задаем расход промывочной жидкости, который является функцией времени. В соответствии с классификацией нестационарных режимов промывки (Kozhevnikov, Filimonenko, & Zhikalyak, 2007) прерывистая промывка может быть симметричной, когда интервалы паузы τ2 и подачи δτ2 равны между собой, и несимметричной, когда интер- валы паузы и подачи различны. Рассмотрим только симметричный режим прерывистой промывки с ин- тервалами паузы и подачи по δτ1 = δτ2 = 0.5 с. Функ- ция расхода при прерывистой промывке может быть представлена в виде: ( )               +      = 11 sinsin δτ πτ δτ πττ n2 QQ 0 , (8) где: Q0 – максимальный (номинальный) расход про- мывочной жидкости. Характер изменения расхода промывочной жид- кости во времени представлен на Рисунке 3. Рисунок 3. Характер изменения расхода промывочной жидкости Q в зависимости от времени τ при прерывистой промывке A. Dreus, K. Lysenko, А. Kozhevnykov, B. Liu. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 84-90 87 Решение задачи (1) – (8) выполнено численно с использованием пакета ANSYS Fluent. На Рисунке 4 представлены результаты расчета в виде картины поля скоростей для различных моментов времени в период подачи при Q0 = 80 л/мин. Соответствующее изменение поля давления представлено на Рисунке 5. (а) (б) (в) (г) (д) Рисунок 4. Изменение поля скоростей нестационарного потока жидкости в канале в период подачи в различные моменты времени от начала подачи: (а) 0.1 с; (б) 0.2 с; (в) 0.3 с; (г) 0.4 с; (д) 0.5 с (а) (б) (в) (г) (д) Рисунок 5. Изменение поля давления в каналах в период подачи в различные моменты времени от начала подачи: (а) 0.1 с; (б) 0.2 с; (в) 0.3 с; (г) 0.4 с; (д) 0.5 с Как видим из представленных на Рисунках 4 и 5 данных при переходе потока из бокового в торцевой промывочный канал поля скорости и давления стано- вятся существенно неоднородными. Существует область основного потока, скорость которого дости- гает 25 м/с, а также образуются застойные зоны. Образуются области повышенного давления в углах канала, а также формируются области пониженного давления. Характер полей скорости и давления со- храняется втечение подачи, а значения скорости и давления изменяются в зависимости от значения подачи на входе. При больших скоростях в областях пониженного давления возникает разряжение. При определенных условиях в данных разреженных обла- стях может возникать кавитация, что может оказы- вать действие как на буровую коронку, данный эф- фект отмечается в работе (Chen, Liu, & Duan, 2012), так и на горную породу. После отключения подачи движение в боковых каналах прекращается, давление постепенно вырав- нивается, что способствует устранению областей разрежения. Таким образом, при прерывистой про- мывке уменьшается отрицательное воздействие на коронку возможной кавитации потока. Вследствие перераспределения давления в конце периода подачи во время паузы возникает слабоин- тенсивное вихревое течение в торцевом канале с движением по часовой стрелке. Для наглядности на Рисунке 6 представлено поле скоростей в векторном представлении. (а) (б) (в) (г) (д) Рисунок 6. Векторы скорости в каналах в течение цикла “подача – пауза”: (а) 0.1 с; (б) 0.3 с; (в) 0.5с; (г) 0.8 с; (д) 0.9 с A. Dreus, K. Lysenko, А. Kozhevnykov, B. Liu. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 84-90 88 Скорость потока в вихревом течении небольшая, в тоже время данное течение может способствовать лучшей очистки забоя, поскольку уменьшаются раз- меры застойных зон, и выравнивается профиль ско- рости по сечению канала. Снижение номинальной подачи и, соответствен- но, скорости потока способствует повышению давле- ния и устранению разрежения. Вычислительные эксперименты при расходе Q0 = 20 л/мин показали, что характер полей скорости и давления аналогичны приведенному выше, но при этом значения скорости и перепады давления по сечению уменьшаются. Приведем для сравнения изменение давления по высоте канала в нисходящем потоке (контур I – I на Рисунке 7) и восходящем потоке (контур II – II на Рисунке 7) для различных значений Q0. Результаты расчета давления вдоль указанных контуров для Q0 = 20 л/мин и Q0 = 80 л/мин представлены на Ри- сунке 8. Результаты приведены для момента времени τ = 0.3 с после начала подачи, когда расход на входе достигает максимального (номинального) значения. Рисунок 7. Схема к расчету давления (а) (б) Рисунок 8. Изменение давления Р по высоте канала у для различных номинальных расходов промывочной жидкости: (а) Q0 = 20 л/мин; (б) Q0 = 80 л/мин; 1 – вдоль контура I – I; 2 – вдоль контура II – II Как видим из данных на Рисунке 8, распределение давления по высоте имеет одинаковый характер для обоих значений расходов промывочной жидкости. Однако в случае большего расхода Q0 = 80 л/мин наблюдается образование области разрежения в вос- ходящем потоке. При относительно небольшом рас- ходе промывочной жидкости давление понижается менее существенно. Тем не менее изменение давления в промывочных каналах на протяжении полного цикла “подача – пауза” может быть причиной дополнительного удар- ного воздействия на забой. 3. ВЫВОДЫ Выполненные исследования позволили получить физическую картину гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе буровой коронки. Результаты моделирования показали: – при прерывистой промывке имеет место нерав- номерное распределение скоростей и давления в про- мывочных каналах как по сечению, так и во времени; – при прерывистой промывке создаются условия для лучшей очистки поверхности забоя от шлама за счет изменения скоростного режима и образования вихревого течения в торцевом канале в период паузы; – при прерывистой промывке выравнивание дав- ления в потоке в период паузы позволяет уменьшить вероятность возникновения кавитации при больших скоростях потока; – при прерывистой промывке имеют место суще- ственные перепады давления в гидравлической си- стеме при смене режима подачи на режим паузы, что может служить дополнительным силовым фактором воздействия на породу. Полученные результаты способствуют формирова- нию целостной картины физических процессов на забое скважины при бурении с прерывистой промывкой. БЛАГОДАРНОСТЬ Авторы выражают благодарность сотрудникам механико-математического факультета Днепровского национального университета им. О. Гончара за кон- сультации при подготовке работы. REFERENCES Bilgesu, H.I., Ali, M.W., Aminian, K., & Ameri, S. (2002). Computational Fluid Dynamics (CFD) as a Tool to Study Cutting Transport in Wellbores. In Proceedings of Society of Petroleum Engineers Eastern Regional Meeting (pp. 4). Lexington: Society of Petroleum Engineers. https://doi.org/10.2523/78716-ms Bukanov, A.A., Gorshkov, L.K., Osetskiy, A.I., & Solovev, N.V. (2013). Printsipyi konstruirovaniya i ekspluatatsii almaznogo porodorazrushayuschego instrumenta. Razvedka i Ohrana Nedr, (7), 44-49. A. Dreus, K. Lysenko, А. Kozhevnykov, B. Liu. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 84-90 89 Cao, P., Chen, Y., Liu, M., Chen, B., & Wang, J. (2016). Ana- lytical and Experimental Study of a Reverse Circulation Drill Bit with an Annular Slit. Advances in Mechanical En- gineering, 8(9), 1-10. https://doi.org/10.1177/1687814016669471 Chen, Y., Liu, Z.Y., & Duan, L.C. (2012). Simulation on Hy- draulic Performance of Two Kinds of Coring Diamond Bits with Different Crown. Advanced Materials Research, (497), 350-355. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.497.350 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. Dreus, A.Yu., Sudakov, A.K., Kozhevnykov, A.A., & Vakha- lin, Yu.N. (2016). Study of Thermal Strength Reduction of Rock Formation in the Diamond Core Drilling Process Using Pulse Flushing Mode. Naukovyi Visnyk Natsional- noho Hirnychoho Universitetu, (3), 5-10. Filimonenko, N., & Karakozov, A. (2007). Dvizhenie shlama v pulsiruyushchem vzvesenesushchem potoke, cirkuliru- yushchem v prizabojnoj zone skvazhiny. Naukovi Pratsi Donetskoho Natsionalnoho Tekhnichnoho Universytetu, 6(125), 125-130. Gorshkov, L.K., & Yakovlev, А.А. (2011). Konstruktivnyie osobennosti tsirkulyatsionnoy sistemy almaznoy koronki novogo pokoleniya. Modern Direction of Theoretical and Applied Investigations, (4), 18-22. Idel’chik, I.E. (1992). Spravochnik po gidravlicheskim sopro- tivleniyam. Moskva: Mashinostroenie. Ivannikov, V.I., Ivannikov, I.V., & Kurbanov, H.N. (2010). Nestatsionarnyy rezhim promyvki zaboya skvazhiny pri bu- renii. Burenie, (10), 28-30. Kozhevnykov, A.A., Filimonenko, N.T., Zhikalyak, N.V. (2010). Impul’snaya promyvka skvazhin. Donetsk: Knowledge. Kozhevnykov, A., Dreus, A., & Liu, B. (2017). The Procedure for Determining Pressure Losses in Washing Fluid Flow in Hydraulic System of the Core Barrel. Mining of Mineral Deposits, 11(1), 65-71. https://doi.org/10.15407/mining11.01.065 Kulikov, V.V. (2007). Udalenie shlama iz stvola skvazhiny voskhodyashchim potokom ochistnogo agenta. Stroitel’stvo Neftyanyh i Gazovyh Skvazhin na Sushe i na More, (4), 19-21. Launder, B.E., & Spalding, D.B. (1972) Lectures in Mathemat- ical Models of Turbulence. London: Academic Press. Leonov, E.G., & Isaev, V.I. (1987). Gidroaeromekhanika v burenii. Moskva: Nedra. Song, C.-H., Kwon, K.-B., Park, J.-Y., Oh, J.-Y., Lee, S., Shin, D.-Y., & Cho, J.-W. (2014). Optimum Design of the Internal Flushing Channel of a Drill Bit Using RSM and CFD Simulation. International Journal of Precision Engi- neering and Manufacturing, 15(6), 1041-1050. https://doi.org/10.1007/s12541-014-0434-6 Tomren, P.H., Iyoho, A.W., & Azar, J.J. (1986). Experimental Study of Cuttings Transport in Directional Wells. SPE Drilling Engineering, 1(01), 43-56. https://doi.org/10.2118/12123-pa Tungusov, S.A. (2009). Povyshenie proizvoditelnosti bureniya skvazhin za schet primeneniya impulsnoy promyvki. Razvedka i Ohrana Nedr, (8), 42-47. ABSTRACT (IN RUSSIAN) Цель. Исследование влияния прерывистой промывке на гидродинамические процессы в гидравлической си- стеме алмазной буровой коронки. Методика. Методы математического моделирования с использованием CFD эксперимента. Результаты. Представлена математическая модель гидродинамических процессов в промывочных каналах гидравлической системы буровой коронки при бурении с прерывистой промывкой. Выполнено численное ис- следование процессов гидродинамики для симметричной прерывистой промывки. Получены поля скорости и давления в потоке промывочной жидкости (воды) в каналах, показано существенное изменение давления в потоке с образованием зон пониженного давления, а также возникновение слабоинтенсивного вихревого течения в период паузы в подаче. Анализ полученных эффектов показывает, что использование прерывистой промывки позволяет управлять гидродинамическими процессами и оказывать влияние на работу алмазной буровой коронки. Научная новизна. Впервые исследована гидродинамика прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе буровых коронок. Полученные результаты являются основой для теоретического обоснования технологических эффектов при бурении с прерывистой промывкой: улучшения очистки забоя от шлама и увеличения скорости бурения. Практическая значимость. Результаты исследования представляют интерес для развития техники и техно- логий алмвзного бурения с прерывистой промывкой. Ключевые слова: бурение, гидродинамические процессы, гидравлическая система буровой коронки, преры- вистая промывка ABSTRACT (IN UKRAINIAN) Мета. Дослідження впливу переривчастої промивки на гідродинамічні процеси в гідравлічній системі алма- зної бурової коронки. Методика. Методи математичного моделювання з використанням CFD експерименту. Результати. Представлено математичну модель гідродинамічних процесів у промивальних каналах гідрав- лічної системи алмазної бурової коронки при бурінні з переривчастою промивкою. Виконано чисельне дослі- дження процесів гідродинаміки для симетричної промивки. Отримані поля швидкості та тиску у потоці проми- вальної рідини (вода) в каналах, показано істотна зміна тиску в потоці з утворенням зон зниженого тиску, а також виникнення слабоінтенсивної вихрової течії під час паузи в подачі. Аналіз отриманих ефектів показує, що використання переривчастої промивки дозволяє керувати гідродинамічними процесами та впливати на ро- боту алмазної бурової коронки. Наукова новизна. Вперше досліджено гідродинаміку переривчастого потоку промивальної рідини в гідрав- лічній системі алмазних бурових коронок. Отримані результати є основою для теоретичного обґрунтування A. Dreus, K. Lysenko, А. Kozhevnykov, B. Liu. (2017). Mining of Mineral Deposits, 11(2), 84-90 90 технологічних ефектів при бурінні з переривчастою промивкою: покращення очистки вибою свердловини від шламу та збільшення швидкості буріння. Практична значимість. Результати дослідження представляють інтерес для розвитку техніки та технології алмазного буріння з переривчастою промивкою. Ключові слова: буріння, гідродинамічні процеси, гідравлічна система бурової коронки, переривчаста промивка ARTICLE INFO Received: 8 February 2017 Accepted: 12 June 2017 Available online: 30 June 2017 ABOUT AUTHORS 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 Kateryna Lysenko, 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: lysenko@mmf.dnulive.dp.ua 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 Baochang Liu, 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

Моделирование гидродинамики прерывистого потока промывочной жидкости в гидравлической системе алмазной буровой коронки

Репозитарії

Схожі ресурси