Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Бурение скважин в многолетнемерзлых породах связано с це­лым рядом осложнений: оползни и обвалы рыхлых пород, связан­ные с этим прихваты инструмента и обсадных труб; снижение вы­хода и качества керна, происходящее в результате растепления по­род за счет тепла, вносимого в скважину циркулирующим промы­

вочным агентом, а также выделяющегося в процессе работы поро­доразрушающего инструмента; замерзание промывочной жидкости в скважине и полное ее промерзание при вынужденных останов­ках, затяжки и прихваты бурильных труб, прихваты и смятие ко­лонн обсадных труб, низкое качество цементирования, происходя­щие в результате теплообмена промывочного агента с окружающи­ми мерзлыми породами.

Главной причиной тех и других осложнений является наруше­ние температурного режима скважины, возникшее как результат применения технологии бурения без учета теплообменных процес­сов между мерзлыми породами и циркулирующим промывочным агентом.

Нормальным температурным режимом скважины при бурении в многолетнемерзлых породах является такой режим, при котором интенсивность теплообменных процессов между мерзлыми порода­ми и циркулирующим промывочным агентом по всей глубине сква­жины в процессе ее бурения остается в допустимых пределах, не вызывающих изменения их фазового состояния.

Смысл нормализации температурного режима скважины при бурении в мерзлых породах заключается в регулировании тепло­обменных процессов за счет изменения физических и теплофизи­ческих свойств промывочного агента с целью предотвращения ос­
ложнений, связанных как с растеплением пород и потерей их связ­ности и устойчивости, так и с замерзанием промывочной жидкости в скважине.

Многочисленными исследованиями [16, 17, 43] установлено, что в наибольшей мере условиям бурения в многолетнемерзлых породах отвечает технология бурения с применением продувки воздухом, охлажденным до отрицательных температур. Установ­лено также [16], что важнейшими параметрами, характеризующи­ми температурный режим скважины при бурении в многолетне­мерзлых породах, являются значения температуры воздуха в. коль­цевом пространстве у забоя и устья скважины, величина макси­мально допустимой температуры воздуха и необходимая темпера­тура нагнетаемого в бурильные трубы охлажденного воздуха.

На основании общих зависимостей (VII.1) и (VII.2) Б. Б. Куд­ряшовым были получены следующие формулы для расчета темпе­ратуры воздуха, удобные для практических расчетов:

для температуры в кольцевом пространстве скважины у забоя

(VII. 17)

GCp тg

для температуры в кольцевом пространстве скважины у устья

*т“Й.-*1н) — + *ш (VII. 18)

1

Г

для максимально допустимой температуры воздуха, при кото­рой не наступает потеря связности слагающих стенки скважины мерзлых пород,

<VIM9)

для необходимой температуры воздуха, нагнетаемого в буриль­ные трубы,

/» ■= + (ta — т1 • — ) —. (VII.20)

@ср т% / тч ri

где tn — средняя естественная температура окружающих скважи­ну мерзлых пород, °С; остальные обозначения те же, что в фор­мулах (VIIЛ) и (VII.2). Расчет входящих в формулы коэффици­ентов и других величин производится по формулам (VII.7), (VII.8), (VII.10), (VII. 11), (VII.13), (VII.15) — (VII.18).

Все приведенные формулы могут быть использованы для про­гнозирования температурного режима бурящейся скважины, а так­же для проектирования режимов бурения с продувкой охлажден­ным сжатым воздухом при бурении в многолетнемерзлых породах.

Пример 2. Рассчитать необходимую температуру воздуха, нагнетаемого в скважину, при бурении в многолетнемерзлых порюдах с tn=— 5°С, а также максимально допустимую температуру воздуха.

Исходные данные: глубина бурения Я=300 м; диаметр скважины D=
=0,076 м; т=*3600 с; ^0=2,5 м*/мин; породы типа мерзлых песчаников; Ы= =2500 Вт. Бурильные трубы СБТ 50МЗ.

Решение. По прил. 12, 17, 18 находим теплофизические свойства воздуха и мерзлой горной породы. Для воздуха р= 1,317 кг/м3, ср — 1 * 103 Дж/(кг*°С); для породы — сп=2*103 (Дж/(кг*градус); Хп=2,21 Вт/(м*градус); УРп=*25%.

1. Массовый расход воздуха составит

С=2,5Х 1,317/60 = 0,055 кг/с.

2. Прирост температуры на забое за счет работы коронки, формула {УІІ.7)

2500

д<8 = — “ 2.8’ 10* X 0,0009 = 42,9° С.

0,055

3. По формулам (VII.10) и (VII.1!) находим значения коэффициентов теп­лоотдачи,

2 5°»8

а = 0,163 ———————————————————— = 65,4;

(0,076 + 0,05)°-8 (0,076 — 0,05)

«! = 0,163 х 2,5°’8/0,039°’8 = 4,54.

4. По формуле (VI 1.8) рассчитаем коэффициент теплопередачи

6=————— ——————— ——- —— —:——————- ———— =0,168.

1 1п 4-

4,54 X 0,039 + 2 Х 45,5 ° 0,039 + 65,4 X 0,05

5. По формуле (VII.13) рассчитываем коэффициент нестационарного тепло­обмена

Ш=6МХМ18 =

2,21

1, 35-10-« х 3600 „ , 65,4

Ро = ———— —————— =3,360; кт =—————————— ——- —————— =26.

0,038 1 + 1,12 /3,360

6. По формуле (VII.16) находим коэффициент интенсификации теплообмена

1 + м! ЛІгТ-»те-

7. Рассчитаем сокращающие обозначения л и Гг, входящие в формулу (VI 1.20):

3,14 /1,003 X 26 X 0,076

Гх’ Гг~ 0,055-103 2 ±

, //1,003 X 26 х 0,0762

±1/ (—————————————- ) + 1,003 x 0,168 x 26 x 0,076];

ги г3 = 0,057(0,99 ± 1,14); ^ = 0,121; га = —0,0085.

8. По формуле (VII.19) получаем максимально допустимую температуру

26 х (—5)

^=-^=кг=3‘3°с-

9. По формуле (УП.20) рассчитаем необходимую температуру воздуха, на­гнетаемого в бурильные трубы при бурении по мерзлым породам, для предот* вращения растепления стенок скважины

( 0.168 X 3,14 42,9 ^ 0.121 X е“0*0085х30°

^1н = —5+^ —5— 0 055 х 110з X _о, оо85) —0,0085 — 0,121 =

= — 8,3° С.

Комментарии запрещены.