Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Б. Б. Кудряшов В. К. Чистяков В. С. Литвиненко

Многообразные процессы, связанные с технологией бурения скважины, могут быть отнесены к следующим основным группам:

1) механические процессы — деформации и разрушение пород на забое и стенках скважины, работа и износ бурового инстру­мента и оборудования, спуско-подъемные и специальные операции в скважине и т. п.;

2) гидравлические процессы — циркуляция промывочной среды в системе скважина — буровой снаряд, транспортировка продук­тов разрушения или керна горных пород, тампонажных смесей, проявления пластовых флюидов и др.;

3) тепловые процессы — нагрев и охлаждение циркулирующей в скважине промывочной среды, бурового снаряда и оборудова­ния, окружающего скважину массива горных пород в результате действия как распределенных, так и сосредоточенных источников и стоков тепла, связанных с естественными и искусственно возни­кающими в процессе бурения тепловыми полями;

4) массообменные (диффузионные) и физико-химические про­цессы, связанные с изменением структуры и концентрации отдель­ных компонентов в циркулирующих в скважине промывочных и тампонажных средах, а также в горных породах; фазовыми пере­ходами в этих средах; фильтрацией жидких и газообразных сред через забой и стенки скважины и пр.

Одна из характернейших черт всех традиционных и разрабаты­ваемых новых технологических процессов бурения скважин, в основе которых лежат методы интенсивного механического, гидро­динамического, теплового, физико-химического воздействия на горные породы, заключается в том, что их эффективность опреде­ляется не только затратами энергии и переносом вещества, но и характером и величинами диссипации энергии и «рассеивания» вещества в окружающей среде. Уровень и характер этих потерь зависит от эффективности методов и средств управления процес­сами тепломассопереноса.

На современном уровне развития технологии бурения скважин основная роль принадлежит механическим и гидравлическим про­цессам. Однако особенности проведения буровых работ в ряде специфических природных и горно-геологических условий, даль­нейшее увеличение глубин бурения, разработка новых, более

прогрессивных и совершенствование существующих способов бу­рения обусловливают возрастающее влияние тепловых процессов на всех этапах сооружения и эксплуатации скважины.

Рациональное регулирование теплового режима бурящейся скважины перерастает в важную практическую задачу, успешное решение которой в значительной мере определяет эффективность сооружения самой скважины и выполнение ее целевой функции.

Под влиянием как высоких положительных, так и отрицатель­ных температур окружающих скважину горных пород часто возни­кают при бурении и креплении скважин различного рода осложне­ния и аварии, резко снижается производительность и повышается себестоимость буровых работ, существенно падает эффективность и качество исследования скважин.

Так, изменение температуры циркулирующей в скважине про­мывочной среды оказывает заметное влияние на ее реологические свойства и связанные с ними гидравлические характеристики цир­куляционных потоков, что приводит к возрастанию или уменьше­нию гидродинамического давления в скважине, изменению мощ­ности на привод насосов, меняются условия очистки скважины от продуктов разрушения породы на забое, требуются дополнитель­ные меры по приготовлению, обработке и очистке промывочной среды.

Температурный фактор оказывает также значительное влияние на процессы крепления стенок скважин и изоляции отдельных пластов и продуктивных горизонтов, от него зависят качество там­понирующих растворов, надежность и полнота заполнения ими за- трубного пространства, образование прочного и непроницаемого тампонажного камня. Температурные условия определяют дли­тельную устойчивость ствола скважины, работу скважинного и по­верхностного бурового оборудования и инструмента.

С увеличением температуры снижается работоспособность по­родоразрушающего инструмента и возрастает износ его вооруже­ния: алмазов, синтетических сверхтвердых материалов, твердо­сплавных вставок и резцов, зубьев и режущих кромок долот и коронок, опор долот и др. Повышаются требования к качеству при­меняемых материалов: стали и сплавов для бурильных, колонко­вых и обсадных труб, резине протекторов и уплотнений, изоля­ционным материалам, подшипникам и другим изделиям, особенно при бурении сверхглубоких скважин, когда температура в при­забойной зоне достигает 200—300 °С.

Особо важную роль температурный фактор приобретает при бурении скважин в многолетнемерзлых породах, которые распро­странены на 49,7 % территории СССР. Осложнения при бурении скважин в многолетнемерзлых породах, связанные с замерзанием промывочной жидкости на водной основе или с потерей устойчи­вости сцементированных льдом рыхлых пород при протаивании [23, 30], требуют детального изучения теплообменных процессов в скважине и тщательного учета температурного фактора.

Применение форсированных режимов бурения, широкое внед­рение алмазного инструмента требуют обеспечения достаточного охлаждения породоразрушающего инструмента с целью увеличе­ния механических скоростей, повышения его износостойкости и сни­жения стоимости бурения, что вызывает необходимость изучения закономерностей теплообменных процессов в призабойной зоне скважины, механизма нагрева и охлаждения инструмента.

За счет соответствующего регулирования температуры промы­вочной среды возможно получение кондиционного керна в есте­ственном мерзлом состоянии из мерзлых пород, а также в слабо — связных и несвязных влажных породах путем их замораживания в процессе бурения скважины, когда все прочие методы бессильны. Замораживание пород в процессе бурения перспективно в целях борьбы с осложнениями при бурении обводненных и неустойчивых пород как средство их временного крепления, устранения поглоще­ний промывочной жидкости. Разработка технических средств и технологических приемов бурения с одновременным заморажива­нием буримых пород может базироваться только на детальном изучении теплообменных процессов в призабойной зоне скважины, анализе механизма их протекания.

В настоящее время в практику буровых работ все шире внед­ряются разнообразные тепловые методы разрушения или разуп­рочнения горных пород, эффективность которых уже в меньшей степени зависит от механических свойств, а в большей степени оп­ределяется тепловыми свойствами и температурой горных пород. В условиях интенсивного теплового воздействия на породу забоя обеспечивается ослабление ее прочностных свойств или разруше­ние за счет термических напряжений в приповерхностном слое (термическое или огневое бурение), а также плавления или даже испарения (контактное бурение-плавление, электродуговое, лазер­ное и пр.).

Плавлением с последующим затвердеванием расплава на стен­ках скважины и керна может быть создана прочная водонепрони­цаемая оболочка, способная заменить обсадную колонну в неус­тойчивых породах, а также обеспечить сохранность и представи­тельность керна.

Поскольку для большинства горных пород температура плав­ления и удельное количество теплоты на агрегатный переход из твердого состояния в жидкое являются величинами сравнительно высокого порядка, практическое применение метода бурения горных пород плавлением требует концентрации в зоне забоя зна­чительной тепловой энергии, создания высокотемпературных пенетраторов из жаропрочных материалов и специальных техно­логических приемов. Однако тепловое бурение плавлением снеж — но-фирновых и ледовых толщ уже сейчас получило широкое при­менение (Антарктида, Гренландия, высокоширотные и высокогор­ные ледники) [23, 55, 62, 63].

Гл. 1—5 написаны В. К. Чистяковым, кроме разделов 1.3, 2.1,

2.2, 3.4, 4.1, 4.3 и 4.4, написанных совместно Б. Б. Кудряшовым и В. К — Чистяковым, раздела 5.4, написанного совместно Б. Б. Куд­ряшовым и В. С. Литвиненко, разделов 1.1, 5.1, 5.5, написанных совместно В. С. Литвиненко и В. К. Чистяковым, раздела 5.5.3, написанного В. С. Литвиненко, и разделов 2.3 и 2.4, написанных

A. М. Яковлевым. Введение и заключение написаны Б. Б. Кудря­шовым, им же выполнено редактирование рукописи.

Авторы приносят глубокую благодарность сотрудникам кафед­ры технологии и техники бурения скважин, отраслевой лаборато­рии ТТРБ и отдела антарктических исследований Проблемной лаборатории горной теплофизики Ленинградского горного инсти­тута Н. Е. Бобину, А. А. Земцову, В. И. Коваленко, Б. С. Мои­сееву, В. М. Пашкевичу, Г. Н. Соловьеву, А. М. Шкурко, а также сотрудникам кафедры прикладной математики Казанского госу­дарственного университета А. Н. Саламатину, С. А. Фомину,

B. А. Чугунову, принимавшим активное участие в исследованиях и разработках, послуживших основой для настоящей работы.

Комментарии запрещены.