Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Во многих случаях вместо жидкостной промывки целесооб­разно применять продувку сжатым воздухом (газом).

Продувка скважины газообразными агентами является эф­фективным технологическим средством, позволяющим в опре­деленных условиях существенно повысить производительность и снизить стоимость буровых работ.

Преимущества и недостатки продувки, область применения. Отличием воздуха (газа) от промывочных жидкостей являются очень малая вязкость, плотность и сжимаемость. Благодаря этому легко обеспечиваются высокие скорости восходящего по­тока при сильной его турбулентности. Происходит практически мгновенная и полная очистка забоя, нет вторичного измельче­ния шлама, он во много раз быстрее выносится на поверхность. Высокотурбулентный поток удовлетворительно охлаждает по­родоразрушающий инструмент. Нет гидростатического давления столба жидкости на забой, что улучшает условия разрушения породы. Механическая скорость бурения и рейсовая проходка возрастают и нередко в несколько раз. Воздух (газ) не загряз­няет продуктивных пластов при их вскрытии. Повышается ка­чество опробования.

В условиях, где применима продувка, существенно облегча­ется проблема водоснабжения — одна из наиболее сложных в организации буровых работ, резко упрощается проходка зон потерь циркуляции в необводненных горизонтах. Не возникает типичных для промывки осложнений, связанных с отрицатель­ными температурами. Быстрый вынос шлама позволяет вести непрерывный контроль, за проходимыми породами и четко ре­гулировать режим бурения. ‘Легко осуществляемый отбор об­разцов шлама может заменить подъем керна.

Основной недостаток продувки заключается в том, что эф­фективность ее применения в сильной мере зависит от степени обводненности проходимых пород. Применение продувки за­труднено в несвязных, сыпучих, а также в пластичных, липких породах. Недостатком является также’ необходимость борьбы с пылью — требуются герметизация устья и другие меры пред­осторожности. Расход мощности на привод компрессоров выше, чем на привод насосов. Выход керна в трещиноватых породах ниже, чем при промывке.

Продувку скважин газообразными агентами наиболее ра­ционально применять:

а) при бурении по необводненным трещиноватым и закарст — вованным породам в условиях потерь циркуляции промывочной

Рис. 2.26. Номограмма для определения потребной скорости восходящего по­тока воздуха при атмосферном давлении: — эквивалентный диаметр частицы; р — плотность породы; и>о — критическая ско­рость для шара; а>«=0,7 вуо — критическая скорость для частицы округленной (компакт­ной формы); и-91,2 ьу — скорость, потребная для устойчивого транспортирования ча­стицы к поверхности; порядок определения V

жидкости с целью сокращения затрат, средств и труда на борьбу с поглощениями;

б) в безводных, пустынных и высокогорных районах, где затруднена доставка воды;

в) в районах распространения многолетнемерзлых пород, а также в районах с суровой и продолжительной зимой для устранения простоев и осложнений, связанных с замерзанием промывочной жидкости;

г) при бурении в пучащихся породах, а также в породах, склонных к оползаниям под влиянием промывочной жидкости;

д) при бурении скважин на жидкие полезные ископаемые
в целях точной отбивки и высококачественного вскрытия сла­бонапорных продуктивных горизонтов;

е) во всех случаях, когда породы разреза безводны, для по­вышения механической скорости и рейсовой проходки.

Расчет режима продувки и выбор компрессоров. Скорость восходящего потока воздуха (газа) при атмосферном давлении, потребная для выноса наиболее крупных частиц шлама, может быть определена по формулам (2.14), (2.16) и (2.17). Для об­легчения расчетов служит номограмма (рис. 2.26)..

Практически скорость восходящего потока в зазоре между стенками скважины и бурильными трубами принимают: при бурении шарошечными и лопастными долотами 15—18 м/с; при бурении коронками, армированными твердым сплавом, 10— 12 м/с. Потребный расход воздуха (газа) при .нормальном ат­мосферном давлении можно определить по формуле (2.18). Вследствие сжимаемости газообразного агента скорость его восходящего потока в кольцевом пространстве скважины непо­стоянна, она уменьшается по направлению к забою и тем силь­нее, чем выше потери давления в кольцевом пространстве. Для компенсации снижения подъемной способности потока в приза­бойной зоне необходимо с глубиной скважины увеличивать расход. Действительный расход в реальных условиях с доста — точной в большинстве случаев точностью может быть опреде­лен по формуле

(2.37)

где (2 — расход, потребный для выноса шлама при атмосфер­ном давлении, м3/с; р3—давление в призабойной зоне кольце­вого пространства скважины, МПа; р0 — атмосферное давление на поверхности (р0=0,0981 МПа).

Поскольку потери давления воздуха (газа) зависят от ско­рости движения и плотности, являющихся в свою очередь функцией давления и непрерывно меняющихся по длине по­тока, расчет давления ведут в направлении, обратном движе­нию газообразного агента, отталкиваясь от заранее известного атмосферного давления. В большинстве случаев можно для простоты не учитывать влияние шлама на аэродинамические сопротивления и на статическое давление столба воздуха (газа) в кольцевом пространстве. Тогда абсолютное давление в начале любого участка потока можно определять по фор­мулам:

для горизонтального потока по выкидной линии

для восходящего потока в кольцевом пространстве

= (2.39)

для нисходящего потока по колонковой трубе, утяжелен­ным и бурильным трубам

для определения давления в начале поверхностной нагнета­тельной линии служит формула (2.38). В этих формулах

а К СТГср ; Ь = ц-

ИЭР2 2РГср

где рк, рн — абсолютное давление в конце и начале участка с постоянным поперечным сечением, МПа; б — массовый рас­ход газообразного агента, кг/с; Я — газовая постоянная (для воздуха нормальной влажности); 7ер—-средняя температура в циркуляционной системе скважины, К; I — длина участка по­тока, м; йэ — эквивалентный диаметр канала потока (для круг­лого канала равный его диаметру, для кольцевого—разности диаметров), м; Т7 — площадь сечения канала потока, м2; g — ускорение свободного падения (§ = 9,81 м/с2); а — угол наклона скважины к горизонту, градус; К — безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления; 1Э — длина канала нормаль­ного сечения, потери давления на которой эквивалентны поте­рям на преодоление местных сопротивлений, м.

Приведенные формулы получены из уравнения Бернулли путем осреднения плотности газообразного агента по длине участка потока и потому наиболее просты. Их достоинством является, кроме того, правильный учет местных сопротивлений через эквивалентную длину /э, не приводящий в отличие от других существующих формул к искусственному искажению статического давления столба воздуха (газа) в кольцевом про­странстве и внутреннем канале бурильной колонны.

Для определения /э служит формула

1э=йг^, м, (2.41)

где п — число местных сужений; £ — безразмерный коэффици­ент местного сопротивления, определяемый по формуле (2.31).

Коэффициент аэродинамического сопротивления для любого участка восходящего и нисходящего потоков в порядке первого приближения может быть определен по формуле Веймаута

V А,

где йэ — эквивалентный диаметр кольцевого канала, потока (для круглого канала бурильных труб й1), м.

В начале расчета в качестве давления на конце выкидной линии подставляется атмосферное давление рк = ро — Потери дав­ления в колонковом наборе или долотах могут быть вычислены по соответствующим участкам, но обычно их принимают по данным практики в пределах 0,05—0,2 МПа.

При расчете давления в призабойной зоне кольцевого про­странства массовый расход б определяется по заранее найден­ному расходу (2, достаточному для выноса шлама лишь при атмосферном давлении. Действительный же расход Свычис­ленный по формуле (2.37), будет больше, а значит, несколько возрастут и потери давления. Однако вносимая этим в расчеты погрешность незначительна.

Приведенные расчетные зависимости применимы для случая бурения по необводненным породам. Влияние обводненности учитывается опытными коэффициентами для конкретных про­изводственных условий. На основании аэродинамических рас­четов выбирают компрессор с запасом по подаче и давлению 15—20 % на случай борьбы с возможными осложнениями. При большом потребном расходе воздуха параллельно включают несколько компрессоров с малой подачей. При высоком потреб­ном давлении целесообразно использовать дожимной компрес­сор в сочетании с компрессорами низкого или среднего давле­ния. В настоящее время при бурении с продувкой используются поршневые компрессоры. Весьма перспективны ротационные и, в особенности, винтовые компрессоры. В США на буровых ра­ботах распространены поршневые компрессоры с подачей

14,5 м3/мин и рабочим давлением 1,0—2,4 МПа. В СССР при колонковом бурении используют главным образом передвиж­ные компрессорные станции, краткая техническая характери­стика которых приводится в табл. 2.5.

Особенности техники и технологии бурения с продувкой. При бурении с продувкой. могут быть использованы любые бу­ровые станки и установки, а также обычный породоразрушаю-

Таблица 2.5

Краткая техническая характеристика передвижных компрессорных станций Марка Подача, М’Умнн Рабочее давление» МПа Тип двигателя Мощность двигателя, кВт ЗИФ-55В 5 0,7 ЗИЛ-157 37 ПР-6М 6 0,79 Д240Л 58,8 ПВ-10/8М/ 11,2 0,68 ЯНЗ-236 180 ПР-10М 10 0,79 А01МК 130 ПР-10Э 10 0,68 Электродвигатель АОП2-91-ЧУ2 75

щий инструмент и принадлежности. Главное отличие состоит в том, что вместо насосов используют компрессоры (кроме слу­чая продувки природным газом). Требования к нагнетательной линии те же, что и при промывке — безопасность и минималь­ные потери давления. Дополнительно требуются устройства для периодического спуска масла и конденсата, а при использова­нии выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания — уст­ройства для их очистки от вредных примесей, вызывающих кор-

Рис. 2.27. Схема обвязки оборудования при колонковом разведочном бурении с продувкой воздухом: I — компрессор; 2— ресивер; 3— шланг; 4 — масловодоотделитель; 5 — спускной кран; 6 — отводной патрубок; 7, 9, 13, 14 — вентили; 8 — отводной шланг; 10 — расходомер; II — манометр; 12 — термометр; 15 >—тройник; 16 — нагнетательный шланг; 17 — саль­ник; 18 — ведущая штанга в шпинделе; 19 — шланг от насоса; 20 — выкидная труба; 21 — шламоотбойник

розию. В качестве контрольно-измерительной аппаратуры ис­пользуют манометры, поплавковые или диафрагменные расходо­меры, газовые счетчики и термометры/ Температура сжатого воздуха (газа) не должна быть выше 90 °С, так как это вызы­вает разрушение резиновых шлангов. Требуется специальное оборудование устья скважины, заключающееся в устройстве выкидной линии, прокладываемой обычно под полом буровой в сторону господствующих ветров на расстояние не менее 10 м, и в установке на обсадной трубе герметизирующего устройства. Выпускается серийно герметизатор УГ конструкции ВИТР, применяемый также для создания обратной циркуляции жидко­сти. Для сбора шлама и борьбы с пылью в конце выкидной ли­нии устанавливают циклонный шламоуловитель или конец ее опускают в резервуар с водой. Для уменьшения попадания пыли внутрь бурового помещения в выкидную линию включают
всасывающий вентилятор или же у устья скважины устраи­вают воздушный эжектор, используя избыток воздуха от ком­прессора. Достаточно мощный вытяжной вентилятор, встроен­ный в выкидную линию, позволяет обойтись без герметизации

устья скважины. Схема об­вязки показана на рис. 2.27. Трубопроводы поверхност­ной обвязки не должны иметь резких сужений ц по­воротов.

При бурении с продув­кой следует использовать только бурильные трубы муфтово-замкового соеди­нения с широкими проход­ными каналами и кони­ческими резьбами. Такие соединения обеспечивают минимальные потери дав­ления и утечки воздуха.

При бурении по совер­шенно сухим или мерзлым породам для предупрежде­ния попадания конденсата на забой кроме обычно при­меняемых поверхностных влагоотделителей (рис. 2.28, а) в состав бурильной ко­лонны включают скважин­ные влагоотделители (рис. 2.28, б).

Рис. 2.28. Влагоотделители: а — поверхностные; б

скважинные

Особым требованием, ко­торое предъявляется при продувке к породоразру­шающим инструментам, яв­ляется обеспечение свобод­ного прохода воздуха (газа) в зоне забоя. По­этому предпочтительны твердосплавные коронки с повышенным выпуском резцов и с увеличенной площадью се­чения промывочных каналов. Одна из причин неоднократно от­мечающегося перегрева алмазных коронок при бурении с про­дувкой— малая площадь сечения промывочных каналов. ЛГИ совместно с ЦНИГРИ разработана специальная конструкция алмазных коронок МЦПИ для бурения с продувкой, отличаю­щаяся повышенным числом и площадью канавок и продольной оребренностью матрицы.

Переход с промывки на продувку не вызывает существен­ных изменений обычно принятых значений осевого давления на забой и частоты вращения. Основное внимаиие уделяется обес­печению оптимального расхода газообразного агента.

При бурении по многолетнемерзлым породам важным фак­тором становится температура сжатого воздуха. Его принуди­тельное охлаждение от —5 до —10 °С полностью устраняет ос­ложнения, связанные с протаиванием мерзлых пород в про­цессе бурения. В зимний период целесообразно применять для этого ребристотрубчатый теплообменник с краном для спуска конденсата и вентилятором/ в летний период необходима вто­рая ступень охлаждения — поршневой или турбодетандер. На

Рис. 2.29. Схема охлаждения сжатого воздуха с помощью воздушной холо­дильной машины ВХМ-1-ЛГИ: 1—компрессор; 2 — ресивер; 3— ребристо-трубчатый теплообменник; 4 — осевой венти­лятор; 5 — поршиевой пневмодвигатель ДР-5У, используемый в качестве детандера

рис. 2.29 показана схема воздушной холодильной машины ВХМ-1-ЛГИ с поршневым пневмодвигателем ДР-5У в качестве детандера, мощность которого полезно используется на привод вентилятора первой ступени. Охлаждение в детандере связано с понижением давления сжатого воздуха на выходе. Поэтому такие устройства применимы при бурении мелких скважин, например, на россыпях или при инженерных изысканиях. Наи­лучшей второй ступенью, охлаждения является фреоновая па­рокомпрессионная холодильная машина. Весьма полезным меро­приятием при бурении с продувкой в мерзлых породах в допол­нение к охлаждению является принудительная осушка сжатого воздуха до низкотемпературной точки росы с помощью перио­дически прокаливаемого силикагеля. Соответствующая уста­новка разработана отраслевой лабораторией ТТРБ в ЛГИ.

Борьба с осложнениями при бурении с продувкой. Основной причиной осложнений при бурении с продувкой является по­ступление в скважину воды. Исследованиями ВИТР установ­лено, что при водопритоках до 10 % образующегося в единицу времени шлама происходит его слипание и агрегатирование ча­стиц, что может привести к зашламованию скважины. Основ­ная мера борьбы, с этим — увеличение расхода воздуха (газа), что способствует полному выносу шлама. При водопритоках от 10 до 35 % шлама происходит его налипание на стенки сква­жины и бурильные трубы, образование сальников, затяжки и обрывы инструмента при подъеме. При водопритоках свыше 35 % шлама сальники не образуются. Сальники можно раз­мыть, добавляя в скважину воду. Радикальным средством борьбы с сальникообразованием является добавление в поток воздуха пенообразователей в виде 0,5—1,5 %-ных водных рас­творов в количестве 10—50 л на рейс в зависимости от диа­метра скважины и скорости бурения. Наиболее эффективны

Рис. 2.30. Схема обвязкн оборудования при роторном бурении с промывкой аэрированной жидкостью: 1 — обычный насос; 2 — иасос высокого давления (до 15 МПа) и переменной произво­дительности; 3 — компрессор переменной производительности и давления (до 15 МПа); 4 — компенсатор; 5 — обратные клапаны; 6 — предохранительный клапан; 7 и 8— ка­мера смешения н задвижки; 9—обратный клапан в бурильной колонне; 10— вращаю­щееся уплотнение; 11 — циклон; 12 — выкидная линия; 13 — превентор; 14 — трошшк с отводом

ОП-Ю, ОП-7. За рубежом известны многие подобные вещества. В США с применением пенообразователей проходят до 70 % скважин из числа буримых с продувкой. Для борьбы с сальни­кообразованием используют порошкообразные гидрофобные ве­щества и парообразные органо-кремниевые соединения. До­бавки ПАВ способствуют также полному выносу шлама.

Если в скважине сохраняется столб воды, гидростатическое давление которого не выше рабочего давления компрессора, можно очищать забой по принципу эрфлита. Для этого в со­став снаряда включают вместительную шламовую трубу или гирлянду шламовых труб, куда пузырьки воздуха выносят шлам с забоя. При малых и средних водопритоках скважину можно «сушить», приостановив бурение и длительное время продувая теплый воздух, что неэкономично. В США запатенто­ван способ испарения воды за счет тепла, образующегося при сжигании на забое топлива, добавляемого в поток воздуха.

■ Пути использования газообразных агентов при бурении. В условиях сильных водопроявлений и при необходимости сни­зить гидростатическое давление на забой, например, при вскрытии слабонапорных горизонтов, целесообразна промывка

Воздух Вода Шлам

Рис. 2.31. Прямая и обратная местные циркуляции пластовых вод: а — с помощью погружного иасоса с пневматическим приводом; 1— компрессор; 2— ресивер; 3— нагнетательная линия; 4— регулировочные вентили; 5 — расходомер; 6 — манометр; 7 — шланги; 8 — сальники; 9 — бурильные трубы; 10 — погружной насос (а— пневматическая, б — гидравлическая части); 11 — колонковый набор; б — эрлифтиым снарядом конструкции БИТР; / —обычные бурильные трубы; 2 — соединение обычных труб с двойными; 3 — выпуск водовоздушной смеси; 4—внешние несущие трубы; 5 — внутренние воздухопроводящие трубы; 6 — смеситель; 7 — колонковый набор с внут­ренней шламовой трубой

аэрированной жидкостью. В качестве жидкой фазы можно при­менять воду или глинистый раствор, в качестве газовой — сжа­тый воздух или природный газ под давлением. Схема обвязки оборудования для бурения показана на рис. 2.30.

В обводненных породах, когда бурение с продувкой стано­вится нерациональным, очистка забоя может осуществляться за счет прямой или обратной местной циркуляции подземных

вод с помощью погружного насоса с пневматическим приводом, включаемого в состав бурильной колонны ниже статического уровня (рис. 2.31, а). При достаточно большой высоте столба воды над забоем (не менее 60—70 м) для создания местной циркуляции с успехом используются эрлифтные снаряды (рис. 2.31, б), не имеющие движущихся частей. При прямой местной циркуляции шлам выносится в шламовую трубу и ча­стично в дренажные каналы пород, при обратной — во внутрен­нюю шламовую трубу.

Эрлифтные снаряды и погружные пневматические насосы могут существенно расширить область рационального примене­ния энергии сжатого воздуха (газа).

Во многих случаях после проходки верхней безводной части разреза с продувкой воздухом в условиях возникающих с глу­биной водопроявлепий можно переходить на местную циркуля­цию подземных вод с использованием того же компрессорного оборудования.

В ряде случаев целесообразно применение обратной цирку­ляции газообразного агента. Заслуживает внимания при не­больших глубинах «вакуумное» бурение, т. е. создание обрат­ной циркуляции атмосферного воздуха путем его засасывания через бурильные трубы.

Весьма перспективной для ряда распространенных ослож­ненных условий является новая эффективная газожидкостная система — модифицированная стабильная пена. Для получения стабильной пены используют пеногенераторы различного типа, компрессор со сравнительно небольшой подачей и высоким давлением, промывочный насос или дожимной компрессор (в частности, из переоборудованного промывочного насоса) для подачн под давлением смеси воздуха с водным раствором ПАВ — пенообразователя. Для обеспечения высокой устойчиво­сти пены в водный раствор ПАВ добавляют стабилизаторы. Для условий бурения в мерзлых породах вводят также анти­фризы (этиленгликоль, изопропиловый спирт) или №С1. В не­обходимых случаях добавляют ингибиторы коррозии.

Стабильная пена при движении в скважине обладает в 7—

8 раз большей несущей способностью, чем вода, низкой водо­отдачей, хорошими смазочными и эффективными при бурении в мерзлоте теплофизическими свойствами (весьма малая теп­лоемкость и теплопроводность). Пена нашла довольно широ­кое применение в США при бурении на нефть и газ, особенно в мерзлых породах на Аляске. При этом используется, в част­ности, способность пены намерзать на стенках скважины, со­здавая надежную теплоизоляцию. Пена является эффективным технологическим средством борьбы с потерями циркуляции.

В этих целях в нашей стране начаты опытные работы по при­менению пены при нефтяном бурении. Отраслевой лаборато­рией ТТРБ при ЛГИ с успехом применена пена при колонко­вом бурении на Кольском полуострове. В ЧССР модифициро­ванная стабильная пена оказалась эффективной при алмазном бурении снарядами ССК-59 в условиях, где полимерные рас­творы на основе полиакриламида не обеспечивают устранения потерь циркуляции.

Уже накопленный опыт показывает, что несмотря на необ­ходимость в дополнительном оборудовании, устройствах, мате­риалах, бурение с применением пены в осложненных условиях экономически эффективнее бурения с промывкой растворами и с продувкой воздухом.

Комментарии запрещены.