Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Специфической особенностью бурения мерзлых пород является ка — вернообразование, которое вызывает ряд осложнений. Ниже предлагается методика выбора подачи насосов, при которой кавернообразование мини­мально [52, 56]. С целью схематизации считаем, что интенсивность про­цесса зависит от двух факторов: времени циркуляции и температуры.

Известно, что для сокращения времени бурения необходима удовлет­ворительная очистка забоя от выбуренной породы. Этого можно достичь путем рационального использования мощности насосной группы буровой установки. Наиболее обоснованная и распространенная точка зрения со­стоит в том, что для получения максимальной скорости бурения необ­ходимо 2/3 развиваемой насосами полезной мощности реализовать на до­
лоте [2, 64]. Реализуемую на долоте гидравлическую мощность можно определить при помощи выражения [64]

(6.1)

/V =pQ — KQ3,

где р — развиваемое насосами давление; Q — расход промывочной жид­кости.

Коэффициент пропорциональности К находим из формулы

(6.2)

К= 102а0+1(Г6Ге//М,

где а — коэффициент, характеризующий гидравлические особенности по­верхностной обвязки буровой установки, который согласно работе [64] можно принять равным 0,0028; р и X” — плотность промывочной жидкости, кг/м3, и коэффициент гидравлических сопротивлений; Н — глубина сква­жины, м; do — внутренний диаметр бурильных труб, м.

Используя условие dN/dQ = 0, из равенства (6.1) получаем

(6.3)

где р — давление, МПа.

Величина Q представляет собой расход промывочной жидкости, соот­ветствующий максимальному значению механической скорости буре­ния [2, 64].

Результаты промысловых [2] и теоретических [64] исследований по­казывают, что зависимость механической скорости бурения и от расхода бурового раствора соответствует закономерности (6.1), т. е. может быть представлена в виде

(6.4)

v — aiQ—cnQ3.

Постоянные at и аг найдем из условия

(6.5)

при 0 = tГ Q = Q и при 0 = 0 Q = /3 Q,

справедливость которого можно проверить подстановкой в формулы (6.1) и (6.4). Определив щ и аг, получаем

2

(6.6)

Здесь tГ — максимальное значение механической скорости бурения при расходе промывочной жидкости Q, что следует из выражения (6.6): по­лагая Q — Q, получаем v = гГ.

Справедливость закономерности (6.6) подтверждается промысловыми данными [2]. Из уравнения (6.6)_ следует, что увеличение расхода промы­вочной жидкости от нуля до Q приводит к росту механической ско­рости. Другими словами, сокращается время бурения мерзлых пород, т. е.

снижается кавернообразование. С другой стороны, согласно разделу 1.7 температура промывочной жидкости по мере бурения от кровли мерзлых пород снижается в соответствии с выражением (1.76). Начиная с глубины около 200 м температура приближается к 0°С. Поэтому в дальнейшем ха­рактер кавернообразования может определяться количеством тепла, эк­вивалентного затратам энергии на прокачку промывочной жидкости. Ос­новная часть тепла выделяется в призабойной зоне скважины при разру­шении горной породы, а также в связи с затратами энергии на прокачку раствора через отверстия или насадки долота.

Определим оптимальный расход промывочной жидкости при бурении мерзлых пород, при котором кавернообразование минимально. Пренебре­гая изменением теплосодержания нисходящего потока (см. раздел 1.7), температуру промывочной жидкости в кольцевом пространстве скважины представим в виде

Т = 7,0+Д7 (6.7)

где То — температура жидкости в мерной емкости перед входом во всасы­вающий патрубок бурового насоса; АТ — дополнительный нагрев промы­вочной жидкости за счет затрат энергии на прокачку.

Величину АТ найдем из выражения

д T = bQ2, (6.8)

где b = (/Ci -|-/C2)/(cq); численные значения К и Кг находим из формул (1.50) и (1.51).

Коэффициент К характеризует нагрев жидкости при разрушении по­роды, а Кг — в насадках или отверстиях долота. Воспользовавшись условием минимального кавернообразования dV/dT = 0, а также выра­жениями (2.27), (3.16) и (6.6), получим предельные значения оптимально­го расхода промывочной жидкости

Qi — [- (з? Ч -^.) + )/ (з5Ч У]1": (6.9)

*-[-(-г*+-г£)+

+ (6Л0)

Нижнее значение (6.9) будет иметь место в том случае, когда по мере

оттаивания порода непрерывно удаляется потоком бурового раствора

со стенок скважины. Верхнее значение (6.10) расход имеет в другом пре­дельном случае, когда оттаивающая порода не удаляется со стенок сква­жины вообще. Оптимальный расход заключен между указанными верхним и нижним значениями. Выражения (6.9) и (6.10) при бурении глубоких скважин целесообразно использовать для расчетов начиная с глубины около 200 м.

Пример расчета выполним для следующих исходных данных: р = 10 МПа (на­сос У8-6МА2 при диаметре цилиндровой втулки 0,2 м); плотность и теплоемкость

промывочной жидкости 1200 кг/м3 и 3980 Дж/(кг-°С); К =0,025; глубина сква­жины 200 м; do = 0,12 м; а = 0,0028; коэффициент и скорость истечения жидкости из насадок долота 0,9 и 90 м/с. Из выражения (6.2) определим

К = 102 • 0,0028 • 1200+10~6 • 0,025 • 1200 ■ 200/0,125 = 577.

Согласно формуле (6.3) имеем

Q = /10/(3 "577)=0,076 м3/с.

Теперь найдем значение множителя b из равенства (6.8). Коэффициенты Kt и Кг из выражений (1.50) и (1.51) равны

Кг = 2,1 • 106 • (0,9/0,9)2 • (90/75)2 • 1200 = 3,63-109. Тогда Ь — 1390. Пусть То = 2°С. Из формулы (6.9) получим

К, =2,7-106-1200 = 3,24-109;

Аналогичная подстановка в выражение (6.10) дает Q2 = 0,032 м3/с. В среднем расход должен поддерживаться на уровне 0,028 м3/с.

С учетом выбуривания мерзлых пород и поступления в промывочную жидкость льда ее температура То в ряде случаев будет равна 0°С. Из вы­ражений (6.9) и (6.10) следует, что при условии 7о = 0 расход Qi == Q2 = = 0. Практически это означает, что расход должен иметь минимальное значение, необходимое для выноса частиц породы.

Результаты расчета для принятых исходных данных представлены на рис. 6.3 и 6.4. Из них следует, что объем оттаявшей породы (кавернооб — разование) зависит от расхода бурового раствора. Так, например, при циркуляции промывочной жидкости с температурой 1^С объем каверн при оптимальном расходе в 2 раза ниже, чем при расходе Q.

Как показывают выполненные расчеты, расход промывочной жидкости при бурении мерзлых пород должен быть ниже значения Q, что, с одной стороны, энергетически более выгодно. С другой стороны, при более низ­ких расходах уменьшается вероятность размыва породы, оттаявший слой которой выполняет роль тепловой изоляции, снижающей интенсивность кавернообразования. Существенное влияние этого слоя видно из сопостав­ления графиков на рис. 6.3 и 6.4. Обращает внимание пологий характер кривых вблизи значений Qi или Qi, т. е. имеется резерв регулирования расхода промывочной жидкости.

Поскольку температура раствора в скважине со временем приближает­ся к 0°С, то в некоторых случаях возможно примерзание обсадных труб к стенкам скважины — прихваты колонны. Ниже изложен материал по данным работы [46], посвященной этому вопросу.

Одним из осложнений при строительстве скважин в зонах пород с низ­кими температурами является трудность спуска обсадной колонны, что связано с примерзанием к стенкам скважины. Это явление, например, от-

Рис. 6.4. Объем каверн на 1 м длины ствола скважины, рассчитанный по данным рис. 6.3.

мечалось в скважине, пробуренной на глубину 307 м в интервале мерзлых пород. Температура промывочного раствора на выходе находилась в пре­делах от 0 до 1°С. В течение месяца скважина простаивала в ожидании доставки обсадных труб. При спуске колонны диаметром 146 мм возник прихват вследствие примерзания труб к стенке скважины. Для ликвида­ции примерзания дважды, на глубине 80 и 230 м, была проведена закачка в затрубное пространство в интервал примерзания раствора хлористого кальция, имевшего температуру 5°С. Это позволило спустить обсадную ко­лонну до глубины 277 м, хотя проектная глубина спуска составляла 307 м. Примерзание колонн наблюдалось и в других скважинах.

Примерзание обсадной колонны в зимний период, по мнению авторов, происходит из-за того, что в скважину спускаются трубы, имеющие отри­цательную температуру окружающего воздуха. Это достаточно для того, чтобы охладить промывочную жидкость в скважине до 0°С. Минимально допустимую отрицательную температуру труб, при которой не может прои­зойти примерзание обсадной колонны к стенке скважины, рекомендуется принимать по данным табл. 6.2. Здесь приводятся результаты расчетов, выполненных для случая спуска обсадных труб диаметром 114, 146, 168, 219, 324 и 508 мм. Зависимость допустимой температуры труб от темпера­туры промывочной жидкости в скважине линейна, поэтому для темпера­тур жидкости, не приведенных в табл. 6.2, температура труб легко вычис­ляется по значениям температуры жидкости.

Анализ табличных данных показывает, что с повышением диаметра обсадных труб допустимая температура обсадной колонны на поверхности значительно снижается. Так, например, для температуры жидкости в скважине 2°С, допустимая температура обсадных труб снижается в 1,5— 2 раза при снижении наружного диаметра с 508 до 324 мм. Основное влия-

Таблица 6.2 Допустимые температуры колонны обсадных груб Наруж­ный диаметр обсадных труб, мм Внутрен­ний диаметр обсадных труб, мм Масса 1 м обсадной колонны, кг Диаметр долота, мм Темпера­тура жидкости в скважи­не, °С Допустимая температура колонны труб, °С 508 486 139 660 2 —50 508 486 139 660 1 —24,8 324 300—306 94—72 394 2 —264— 34 324 300—306 94—72 394 1 — 134—17 219 195—205 63—38 295 2 -21-1—36 219 195—205 63—38 295 1 -11-г—18 168 140—155 54—27 243 2 -16-Ь—34 168 140—155 54—27 243 1 —84—17 146 124—133 38—23 214 3 —254—45 146 124—133 38—23 214 2 — 184—31 146 124—133 38—23 214 1 —94—15 114 96—102 24—16 145 1 —64—10

ние на это оказывает масса спускаемых труб. Так, для колонны 508 мм масса составляет 139 кг/м, а для диаметра 324 мм 72 — 94 в зависимости от толщины стенки.

В рассмотренном выше примере [46] производился спуск колонны диаметром 146 мм, при этом трубы имели температуру на воздухе около —15°С. Из табл. 6.2 следует, что при температуре жидкости 1°С и ниже возможно примерзание обсадной колонны такого диаметра к стенке сква­жины для этих исходных данных. Такая ситуация и была зафиксирована в практических условиях [46].

Предложенный метод расчета минимально допустимой отрицательной температуры обсадных труб может быть полезен для выбора теплового режима при спуске колонны в скважину. Это позволит избежать осложне­ний и остановок в процессе спуска обсадной колонны, что окажет положи­тельное влияние на качество крепления скважин в интервалах залегания мерзлых пород. При выполнении расчетов приняты следующие исходные данные: теплоемкость и плотность жидкости в скважине 2514 Дж/(кг*°С) и 1350 кг/м3; теплоемкость труб 461 Дж/(кг«°С).

Комментарии запрещены.