Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Бурение скважин проводят в различных горно-геологических ус­ловиях и для эффективного их сооружения применяют разнообразные по составу и свойствам промывочные жидкости. Для контроля свойств промывочных жидкостей измеряют целый ряд их параметров, которые определяют соответствие этих свойств условиям бурения скважин.

Плотность — это масса единицы объема, выраженная в г/см3 или кг/м3. Плотность зависит от содержания и состава твердой фазы. Повышение плотности отрицательно сказывается на механической скорости бурения и в то же время она способствует созданию давле­ния на стенки скважины, предотвращению их обрушения и притоков в скважину воды, нефти и флюидов. Уменьшение плотности необхо­димо для устранения поглощения промывочных жидкостей, что воз­можно при введении в промывочную жидкость воздуха с целью по­лучения аэрированного раствора.

Плотность измеряют с помощью прибора ареометра АГ-ЗПП, вхо­дящего в комплект АБР-1 (рис. 6.2). В состав комплекта АБР-1 входят металлический футляр в виде ведерка 9 с крышкой, служащей пробо­отборником для раствора, и собственно ареометра АГ-ЗПП, состоящего из мерного стакана 5, донышка 6, поплавка 7, стержня 8 и съемного калибровочного груза 1. На стержне 8 поплавка 7 имеется две шка­лы 10: одна с делениями от 0,9 до 1,7 г/см3, другая —от 1,6 до 2,4 г/см3 и на противоположной поверхности — шкала поправок, а в верхней час­ти этого стержня размещена пробка 11. Кроме того, в нижней части стакана 5 расположена заглушка 2, внутри которой помещаются ком­пенсационный груз 3 и балласт 4. При измерении мерный стакан 5
до верха заполняется испытуемым раствором, из­быток которого стекает через боковые отверстия в верхней части мерного стакана 5, присоединя­ется поплавок, и ареометр в вертикальном поло­жении опускается в футляр-ведро 9 с чистой пре­сной водой. Отсчет плотности берут по уровню воды в сосуде обычно по левой шкале со значе­ниями плотности до 1,7 г/см3. Если раствор утя­желенный и ареометр полностью тонет в воде, груз 1 снимают, опускают ареометр в воду без груза, и отсчет берут по правой шкале с больши­ми значениями плотности — до 2,4 г/см3.

Рис. 6.2. Ареометр АГ-ЗПП в составе комплекта АБР-1

Перед применением ареометра проверяют точ­ность его показаний путем определения плотно­сти пресной воды, когда исправный ареометр дол­жен показывать ее плотность, равную 1,0 г/см3.

Допустимая погрешность измерения— ±0,01 г/см3.

Плотность нормальных глинистых растворов, приготовленных из бентонита, составляет 1,04—

1,08 г/см3.

Условная вязкость измеряется временем исте­чения 500 см3 раствора через трубку с диаметром отверстия 5 мм вискозиметра, воронку которого заполняют 700 см3 раствора. Комплект ВБР-1 (рис. 6.3) состоит из вискозиметра ВП-5 1, сетки 2 и мерной кружки 3. Для измерения условной вязкости закрывают ниж­нее отверстие трубки пальцем, через сетку заливают раствор (700 см3)

Рис. 6.3. Вискозиметр ВП-5 в составе комплекта ВБР-1

до края воронки. Подставляют мерную круж­ку объемом 500 см3, включают секундомер и одновременно открывают нижнее отверстие. По мере заполнения кружки раствором се­кундомер выключают и фиксируют время исте­чения. Для нормальных растворов условная вязкость составляет, как правило, Т = (20—25) с.

Правильность показаний вискозиметра про­веряют на чистой пресной воде комнатной температуры. При исправном вискозиметре условная вязкость воды Т= 15 с (водное число вискозиметра).

Повышенная вязкость раствора способ­ствует увеличению выхода керна и выноса частиц шлама и усилению связности рыхлых пород, но в то же время это приводит к сни­жению механической скорости бурения, уве­личению гидравлических сопротивлений, ухуд­шению очистки раствора от шлама в цирку­ляционной системе.

Статическое напряжение сдвига ха­рактеризует прочность структуры глини­стого раствора, образующейся за опре­деленное время его пребывания в покое. Количественной мерой прочности струк­туры является то минимальное напряже­ние, которое придает раствору текучесть и которое называют статическим напря­жением сдвига. Для измерения этого па­раметра используют ротационный вис­козиметр СНС-2 (рис. 6.4), состоящий из цилиндра 6, подвешенного на упругой нити 2 с помощью конуса 1, кронштей­на 4, стакана 7, установленного на сто­лике 8. Вращение с частотой 0,2 мин4 через редуктор 12 и шкив передается столику от электродвигателя 13. Во избе­жание скольжения испытуемого раство­ра поверхность подвешенного цилиндра сделана рифленой. На трубке 3, соединенной с цилиндром, укреплен лимб 14 с делениями от 0 до 360°. На уровне лимба на кронштейне находится указатель 5. Для установки станины 11 прибора в горизон­тальное положение имеются опорные 10 и установочные 9 винты.

Рис. 6.4. Схема ротационного вискозиметра СНС-2

Перед измерением станину прибора с помощью установочных винтов приводят в горизонтальное положение, о чем будет свидетель­ствовать соосное расположение цилиндра 6 в стакане 7. Затем пово­ротом конуса совмещают ноль лимба 14 с указателем, после чего ко­нус фиксируется легким нажатием сверху.

В зазор между цилиндром и стаканом заливают исследуемую жид­кость до тех пор, пока уровень ее не совпадет с верхним основанием цилиндра 6. Испытуемую жидкость хорошо перемешивают путем вра­щения (вручную) внутреннего цилиндра, после чего ноль лимба совме­щают с указателем, включают секундомер и жидкость оставляют в покое до образования структуры. Жидкость выдерживают в покое после ус­тановки внутреннего цилиндра в течение 1 и 10 мин и затем определя­ют соответствующие значения статического напряжения сдвига 0, и 01О.

При включении электромотора вращение стакана через структуру раствора передается внутреннему цилиндру 6, который закручивает упругую нить 2. Закручивание нити с цилиндром 6 вследствие плас­тической деформации раствора постепенно снижается. В момент, когда сила сопротивления нити при закручивании станет равной силе со­противления трения между раствором и поверхностью цилиндра, струк­тура раствора разрушается и цилиндр останавливается. Угол закручи­вания нити (ср) определяют по лимбу прибора с помощью указателя, закрепленного на штативе. Затем раствор в стакане вновь перемеши­вают и производят аналогичное измерение угла закручивания ср через 10 мин выдержки раствора в покое.

Статическое напряжение сдвига (Па) вычисляют по формуле

0, = ЛГ(Ф2-Ф1>;

(6.1)

0ю = ЛГ(ф2 — ф,),

где ф, и ф2 — начальный и конечный отсчет соответственно по шкале лимба, град.; К — константа прибора, характеризующая величину ста­тического напряжения, приходящегося на 1 град, угла закручиванию нити, Па/град.

Статическое напряжение для нормальных глинистых растворов находится в пределах 0, = 1,5—2,0 Па, 01О = 2,5—4,0 Па.

При низких значениях статического напряжения сдвига буровой шлам быстро выпадает в осадок, что может привести к прихвату бу­рового инструмента. При повышенных его значениях происходит более эффективное кольматирование пор и трещин,-что способствует устра­нению поглощения промывочной жидкости. Но при этом хуже очи­щается буровой раствор от шлама на поверхности, возрастают пуско­вые давления на насосе.

Водоотдача и толщина фильтрационной корки являются наиболее важными характеристиками промывочных жидкостей. Водоотдача — это способность раствора отдавать воду под избыточным давлением через пористую перегородку. В процессе фильтрации воды через по­ристую перегородку на стенках скважины формируется фильтрационная корка, и чем выше ее плотность, тем меньше воды отфильтровыва­ется в стенки скважины под действием гидростатического давления столба промывочной жидкости, а также лучше сохраняется устойчи­вость стенок скважин. Минимальная водоотдача особенно важна при бурении рыхлых, малосвязанных осадочных пород для сохранения их устойчивости.

Водоотдачу измеряют в см3 за 30 мин при перепаде давления на стандартном фильтре в 0,1 МПа. Фильтрационную корку измеряют металлической линейкой в мм.

Прибор ВМ-6 (рис. 6.5) для измерения водоотдачи состоит из ос­нования, напорного цилиндра с плунжером и фильтрационного ста­кана с принадлежностями. Фильтрационный стакан 6 в верхней части имеет горловину с наружной резьбой, нижний конец его также имеет резьбу. Узел напорного цилиндра состоит из собственно цилиндра 9 с ввернутой в него втулкой, плунжера 11 и груза —шкалы 10, укреп­ленного на плунжере. Шкала нанесена на прозрачный пластмассовой пленке и прикреплена к грузу винтами. Сквозь шкалу видна отсчет- ная риска на верхнем конце втулки цилиндра.

В нижней части цилиндра имеется отверстие, которое служит для спуска масла 8 из цилиндра при установке шкалы на «0» (совмещение нулевой отметки шкалы с риской на втулке цилиндра). Отверстие пе­рекрывается иглой 7. Цилиндр соединяется с фильтрационным ста­каном 6 посредством резьбы. В месте соединения устанавливают уп­лотнительную прокладку из маслостойкой резины. Основание 3
представляет собой пластмассовую чашку с резьбой для соединения с фильтрационным стаканом, отверстием под пробку 4 и каналами 1 для сброса фильтрата. На поверхность основания укладывают филь­трационную бумагу, на которой размещают резиновую прокладку 2, герметизирующую соединение основания и фильтрационного стакана.

Для измерения водоотдачи в фильтрационный стакан, соединенный с основанием и размещенным в нем фильтром, заливают 120 см3 про­мывочной жидкости 5. На стакан навинчивают напорный цилиндр и заливают масло. Затем в цилиндр вставляют плунжер с грузом-шкалой. Ноль шкалы совмещают с риской на напорном цилиндре в результа­те дренажа масла через отверстие при слегка отвернутой игле 7. Вклю­чают секундомер, и в основании убирают пробку 4 для прохода воды. Время измерения составляет 30 мин. В процессе измерения груз-шкала через плунжер и масло создает избыточное давление в 0,1 МПа на раст­вор в фильтрационном стакане. Под действием избыточного давления вода отфильтровывается из раствора через фильтрованную бумагу, на ко­торой образуется фильтрационная корка. Шкала прибора позволяет оп­ределять водоотдачу до 40 см3 (объем жидкой фазы раствора).

Для ускорения определения водоотдачи используют бланк с двой­ной логарифмической сеткой. Измерив водоотдачу за два промежутка времени (например, 5 и 10 мин), можно методом графической экстра­поляции определить водоотдачу за 30 мин. При таком методе опре­деления водоотдачи толщина и качество фильтрационной корки не показательны.

Для нормальных глинистых растворов считается допустимой водо­отдача в пределах 10—12 см3 за 30 мин при толщине глинистой корки 1,0—1,5 мм.

Содержание песка в растворе определяют с помощью металличе­ского отстойника ОМ-2 (рис. 6.6), представляющего собой цилиндр 2 со стеклянной измерительной пробиркой 4 в нижней части. На боко­вой поверхности пробирки имеется шкала 8 с делениями через 0,1 см3. Пробирку крепят в прорези цилиндра с помощью винта 7, перекла­дины 6 и прокладками 3 и 5. Сверху отстойник закрывается крыш — кой-колпаком 1 объемом 50 см3.

Для определения содержания песка в прибор сначала заливают 500 см3 воды, затем с помощью крышки-колпака отливают 50 см3 воды и заливают столько же глинистого раствора. Объем жидкости 500 см3 в приборе соответствует положению уровня у отверстия в боковой поверхности. Надев крышку и закрыв отверстие пальцем, отстойник не­сколько раз переворачивают и встряхивают, после чего устанавливают в вертикальное положение и оставляют в покое на 1—2 мин. За это время из раствора оседают частицы песка (шлама) или нерастворив — шиеся частицы глины.

По делениям на шкале пробирки определяют объем осевших час­тиц У„ (в см3) и, умножив полученный результат на два, получают содержание песка (%):

П=К„-2. (6.2)

Стабильность раствора определяют с помощью цилиндра ЦС-2 (рис. 6.7) и ареометра АГ-ЗПП.

Отобрав пробу раствора из приемной емкости, его заливают в ци­линдр стабильности 2 и оставляют его в состоянии покоя в течение 24 ч, для чего прибор подвешивают на ручке 3 с отверстием. Затем, слив верхнюю часть раствора до пробки 1, измеряют плотность раст­вора, находившегося в нижней и верхней частях цилиндра. Показа­телем стабильности является разность в измерениях двух значений плотности, которая не должна быть не более ±0,02 г/см3.

Реологические параметры характеризуются пластической (дп) и эф­фективной (кажущейся) вязкостью (цэ), а также динамическим напря­жением сдвига (т0). Эти параметры определяются расчетным путем с использованием результатов измерений, полученных на вискози­метре сдвиговых напряжений ВСН-3.

Прибор ВСН-3 (рис. 6.8) состоит из следующих частей: двухско­ростного редуктора 1, синхронных электродвигателей 2 (СД-54) и 4 (СД-2), переключателя редуктора 3, размещенных в корпусе 75, а также

Рис. 6.7. Цилиндр стабиль­ности ЦС-2

шестеренки обгонной муфты 5, трансмиссионного вала 6, телескопи­ческого стола 14, на котором устанавливают стакан 13 с буровым раствором. Измерительный механизм прибора включает в себя гильзу (наружный вращающийся цилиндр) 11, цилиндр 12, подвешенный на пружине 9 (динамометр), измерительную шкалу 7, шкалу крутиль­ной головки 8 и крутильную головку 10.

Техническая характеристика ВСН-3

Предел измерения касательных напряжений сдвига (предельно­го статического напряжения сдвига) (Па) для пружин:

№ 1 0-45

№ 2 0-90

Предел измерения динамической вязкости ньютоновских жидко­стей при 200 об/мин гильзы (Па-с) для пружин:

№ 1 0,001-0,2

№ 2 0,001-0,4

Частота вращения гильзы, об/мин 0,2; 200; 300;

400; 600

Основная приведенная погрешность измерения (%) не более:

TOC o "1-5" h z касательных напряжений сдвига 4

динамической вязкости 5

Погрешность отсчета угла поворота измерительного элемента, град. ±0,5

Ток переменный напряжением, В 220 ±2323

Предел термостатирования, °С 20—60

При измерениях с помощью трансмиссии и редуктора прибора ВСН-3 гильза 11 может вращаться с частотой 0,2 (для определения статического напряжения сдвига), 200, 300, 400 и 600 мин 1 (для опре­деления реологических параметров).

п, мин Рис. 6.9. Образец реограммы, получаемой при измерениях на приборе ВСН-3

Для проведения измерений испытуемый раствор заливают в ста­кан 13 до риски на внутренней его поверхности. С помощью теле­скопического стола 14 этот стакан фиксируют в верхнем положении. При этом промывочная жидкость находится в зазоре между гильзой 11 и цилиндром 12. Во время вращения гильзы крутящий момент пере­дается жидкости в зазоре. Скорость вращательного движения концент­рических слоев жидкости в зазоре уменьшается по направлению от вращающегося цилиндра к измерительному. Между слоями жидкости возникают касательные напряжения сдвига, и чем они больше, тем выше касательные напряжения в жидко­сти и крутящий момент, передающийся измерительному цилиндру. Об этом сви­детельствует увеличение угла поворота этого цилиндра.

Используя различные скорости враще­ния наружного цилиндра, измеряют угол поворота измерительного цилиндра 12 по шкале 8, пропорциональный величине касательного напряжения в жидкости.

После проведения измерений на при­боре ВСН-3 строится реограмма в ко­ординатах п (частота вращения, мин’1) и ф (угол закручивания пружины при­бора, град), образец которой приведен на рис. 6.9.

На данной реограмме обычно выделяется прямолинейный участок с углом наклона а. Обработка реограммы позволяет получить основ­ные реологические параметры: пластическую вязкость:

(6.3)

1 Ф2-Ф1

tga п2-пх

Если обозначить свойства пружины и геометрические размеры подвесной системы коэффициентом К1 (Па • с) при <р, = фмо (угол закручивания пружины при частоте 300 мин1) и ф2 = Фбоо (то же
при частоте 600 мин1), то выражение (6.3) будет иметь следующий вид:

Ип = А|(фбоо-фзоо); (6.4)

динамическое напряжение сдвига находят через величину отрезка <р0 по абсциссе:

«1

Величину ф0 можно уподобить динамическому напряжению сдви­га т0 (Па), и если учесть константы прибора и К2 и что ф, = ф3(Ю (угол закручивания пружины при частоте 300 мин-1), то:

TOC o "1-5" h z *о = ^(фзОО ~ -^зИп); (6.5)

эффективную (кажущуюся) вязкость находят из соотношения

Ш = -^Фб<ю, (6-6)

. мПа • с.

где т = 32,2 константа пружины № 2; со — угловая частота,

тсп

со=30’ Фб«)— Угол закручивания при частоте п.

Приняв л = 600 мин"1 и определив фб«,, можно получить в мПа-с

1^э = ^ФбОО — (6-7)

Для пружины № 2:

К, = 10‘3; ^ = 0,3; Я^Ю3.

Комментарии запрещены.