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.

The aim of the work is a mathematical modeling of the rock crushing during drilling and removal of the drilling cuttings (sludge) to the surface by drilling fluid. The process of rock destruction is described using the mathematical theory of fragmentation. The distribution of sludge particles in size and mass depends on such factors as the properties of the drilled rock, the rate of penetration, the type of bit, and the output power. After the formation of sludge, the process of its removal to the surface is modeled. The drilling fluid together with the rock particles is considered as a heterogeneous multiphase medium in which the carrier phase – the drilling fluid – is a non-Newtonian fluid. The flow of such a medium is described using a mixture model in the framework of the multi-fluid approach. This results in a system of nonlinear partial differential equations, for which a new closure relation is derived. To solve the system, the SIMPLE algorithm is used. As a result, the flow properties are studied with the inclusion of particles of various sizes. In particular, for particles of small size due to the action of plastic stresses in a non-Newtonian drilling fluid, an equilibrium mode arises in which the particles move with the drilling fluid without slipping. This is the fastest mode of delivery of sludge to the surface. The specific dimensions of such particles depend on the parameters of the drilling process. In particular, the appropriate size range can be adjusted by changing the parameters of the drilling fluid.