Санкт-ПетербургПеременная облачность+8°C

Математическое моделирование дробления грунта и многофазного течения бурового раствора при бурении скважин

Записки Горного института
Фото © Форпост Северо-Запад / Андрей Кучеренко

НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО

Борис Григорьев, доктор технических наук, профессор кафедры "Прикладная математика", Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого;

Артем Елисеев, аспирант, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого;

Татьяна Погарская, аспирант, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого;

Евгений Торопов, главный конструктор, АО ЦКБ МТ «Рубин».

Аннотация

Целью работы является математическое моделирование процесса дробления грунта при бурении и вынос выбуриваемых частиц (шлама) на поверхность посредством бурового раствора. Процесс разрушения породы описывается с помощью математической теории фрагментации. Распределение частиц шлама по размерам и массам зависит от таких факторов, как свойства выбуриваемой породы, скорость проходки, тип долота, подаваемая мощность. После формирования шлама моделируется процесс выноса его на поверхность. Буровой раствор вместе с частицами породы рассматривается как неоднородная многофазная среда, в которой несущая фаза – буровой раствор – представляет собой неньютоновскую жидкость. Течение такой среды описывается с помощью смесевой модели в рамках многожидкостного подхода. При этом получается система нелинейных уравнений в частных производных, для которой выведено новое замыкающее соотношение. Для решения системы применяется алгоритм SIMPLE. В результате изучаются свойства течения при включении частиц различных размеров. В частности, для частиц малых размеров за счет действия пластических напряжений в неньютоновском буровом растворе возникает равновесный режим, при котором частицы движутся вместе с буровым раствором без проскальзывания. Это наиболее быстрый режим доставки шлама на поверхность. Конкретные размеры таких частиц зависят от параметров процесса бурения. В частности, соответствующий диапазон размеров можно регулировать, изменяя параметры бурового раствора.

Ключевые слова: математическое моделирование; дробление грунта; буровой раствор; многофазное течение; неньютоновская жидкость; бурение скважин

Полный текст статьи в PDF.

Научный журнал «Записки Горного института» издается Санкт-Петербургским горным университетом с 1907 года как периодическое научное и научно-образовательное издание. Периодичность издания составляет 6 томов в год.