Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Для расчетного анализа полученной зависимости (3.9) ме­жду безразмерной скоростью бурения с одновременным замора­живанием породы в зоне забоя Реагр, интенсивностью теплообмен­ных процессов в этой зоне Віз, теплофизическими свойствами гор­ных пород Ко и Ка и температурой в зоне забоя 0агр известную трудность представляет ее характер. При известных значениях теплофизических констант и температуры в зоне забоя уравнение (3.9) относительно безразмерной скорости бурения Реагр являет­ся трансцендентным. Более простое выражение для анализа мо­жет быть получено при решении уравнения (3.9) относительно безразмерного критерия интенсивности теплопередачи в зоне за­боя Ві3. После соответствующих преобразований получаем зависи­мость

в _________________ _______________________________________ Р^гР[Ко + (/С0//С?,)вагр]__________________________________________________________________

О — ©агр) еХР (- РеГгр) — [КО + (Ка/Кк) ©агр] [1 — ехр (- Ре-р)]

(3.10)

ИЛИ

(3.1.)

ехР ( Реагр) Iі + Ко + (К}./Ка) Оагр / ‘

Анализ выражения (3.10) позволяет установить предельно до­пустимую скорость бурения Реагр, обеспечивающую при заданных температурных условиях в зоне забоя опережающее промерза­ние породы, из следующего ограничивающего соотношения:

ехр (— Реагр) (1 + Ко ^ (кика) вагр ) > 1 • (3-12)

После соответствующих преобразований неравенство (3.12) мо­жет быть приведено к выражению

Ре-р <1п (1 + Ко + (К~/Ка) еаі р ) • (3-13)

Равенство в выражениях (3.12) и (3.13) наступает при бесконечно большом значении критерия Ві3, что соответствует равенству тем­пературы промывочной среды — хладоносителя в зоне забоя и тем­пературы породы на подвижной поверхности забоя:

Такой режим бурения с одновременным замораживанием горной породы в зоне забоя соответствует условиям применения жидких промывочных агентов — хладоносителей (низкотемпера­турные растворы на водной и углеводородной основах и пр.),

Наименование	Ро	Рп	Рп		№ "п
	кг/м3		Кп
Среднезернистый песок	2600	2020	1970	0,30	0,20
Супесь с включениями	2650	2140	2070	0,25	0,15
обломочного материала Глинистая порода	2700	1920	1850	0,40	0,30

Примечание, і — льдистость пород.

обеспечивающих при соответствующих расходах высокие значения коэффициента теплоотдачи а3.

Анализ выражения (3.13) показывает, что при малых значе­ниях безразмерной температуры среды в зоне забоя ©агр—>-0, со­ответствующих условию близости начальной температуры горной по­роды к температуре агрегатного перехода ^по-^агр или условию достаточно низкой температуры промывочной среды в зоне забоя и ^по, предел безразмерной скорости бурения определяется только теплофизичсскими свойствами горных пород:

1

1

Ко

(3.14)

Для оценки влияния определяющих факторов на процесс буре­ния с одновременным замораживанием горных пород проведены расчеты для основных типов влагонасыщенных рыхлых песчаных и глиннстых отложений (табл. 3.1). Результаты расчетов зависи­мости безразмерной скорости бурения Реагр от интенсивности теп­лообмена в зоне забоя Ві3 для различных значений безразмерной температуры ©агр применительно к трем типам горных пород при­ведены на рис. 3.2. Как видно из графиков, уже при Ві3 = 10 зна­чение Реагр стремится к своей предельной величине,- определяемой равенством в выражении (3.13) правой и левой частей.

Для анализа влияния забойной температуры промывочной среды — хладоносителя на скорость бурения с одновременным замораживанием, обеспечивающую заданную глубину опережаю­щего забой промораживания породы, выражение (3.9) удобно преобразовать к виду

*‘э = С1 + пйг) ехр (Реагр)

1,

(3.15)

где Кг3 ~ критерий, определяющий влияние туры промывочной среды — хладоносителя на промораживанием породы забоя: забойной темпера — процесс бурения с

агр

сп Рп (<3 ^агр)

Д<„

агр

4Рп (<

свойства влагонасыицениых пород і сп сп *п а+ п “п кДж/(кг-°С) Вт/(м-°С) 10~3 М2/с 1,0 1,35 1,00 2,60 3,10 0,94 1,57 0,9 1,25 1,00 1,85 2,30 0,69 1,11 0,7 1,70 1,40 2,00 2,60 0,62 1,00

т. е. отношение количества теплоты, отбираемого для охлажде­ния промерзающей породы забоя до температуры хладоносителя,

о

Рис. 3.2. Расчетные зависимости безразмерной скорости бурения с одновремен­ным замораживанием пород Ре~гр от интенсивности теплообмеиных процессов Ві3 при различных значениях температуры в зоне забоя, а —песок среднезернистый, И’В=0,20; б—глинистая порода, №^=0,30.

к теплоте, которую необходимо отобрать для охлаждения немерз­лой породы до температуры агрегатного перехода и для собствен­но агрегатного перехода содержащейся в породе влаги. В этом выражении

Ал _____ ^ и 4- .1. йп ___________ спРп (^агр ^по) Фу

агп — ~Г~ иагр гпОУ ~ •

К сп Рп

Последнее соотношение показывает возможное изменение тем­пературы мерзлой породы при таком отводе от нее теплоты, кото­рый необходим на ее первоначальное охлаждение до температуры агрегатного перехода и отвод теплоты кристаллизации воды.

Выражение (3.15) может быть существенно упрощено для слу­чая бурения с использованием жидких промывочных агентов — хладоносителей, когда при большом значении коэффициента теп­лоотдачи на поверхности забоя а3 критерий Ві3->-о°, что позво­ляет считать температуру породы на поверхности забоя скважины практически равной температуре промывочной среды — хладоно — сителя:

1г=Я3 ^ *3-

Для этих условий из выражения (3.15) легко получить упро­щенную зависимость для определения безразмерной скорости бу­рения

Реа"гр = 1п(і +^д^) = 1п(1+/(<з). (3.16)

Сравнение выражений (3.14) и (3.16) показывает, что в усло­виях, когда для охлаждения горной породы до температуры агре­гатного перехода требуется отвод незначительного количества теплоты в единицу времени, критерий, определяющий влияние за­бойной температуры на скорость бурения с одновременным замо­раживанием, является обратным критерию Коссовича:

Кі3= 1/Ко. (3.17)

Выражение (3.16) при условии ^агр = О, переходит в известную зависимость [12]. Если же начальная температура горных пород близка к температуре агрегатного перехода вода — лед, т. е. /агр—

— ^пО-^0, то можно получить еще более простые выражения для определения скорости бурения с одновременным замораживанием горных пород:

р. — | Фу "Ь СП Рп | ^3 I _____________ 1^11 ^ ^ /о 1 о

Реагр— ІП — ІП^1-Ь-^) (3.18)

ИЛИ

<319>

а~

6 1п

Как показал анализ, проведенный в работах [12, 23, 62], буре­ние с одновременным замораживанием горных пород при тех не-

Рис. 3.3. Результаты расчетов зависимости /С<3 = /(Рвдгр) по формулам (3.15) н (3.21) при различных значениях ЕН3.

значительных температурах охлаж­дения промывочных агентов — хла — доносителей, которые в настоящее время определяются реальными ус­ловиями геологоразведочного про­изводства, характеризуется сравни­тельно низкими допустимыми ско­ростями бурения и ^ 1,0 Ч — 2,0 м/ч и небольшой глубиной опережаю­щего промерзания породы забоя б = 0,01 -г — 0,001 м.

Поэтому в условиях, когда механическая скорость бурения не является определяющим фактором, например при замораживании отдельных талых надмерзлотных или межмерзлотных зон, при бу­рении в многолетнемерзлых породах эффективно применение ох­лажденного до отрицательных температур сжатого- воздуха.

Практически для всех случаев бурения с одновременным замо­раживанием горных пород безразмерный критерий скорости изме­няется в пределах

0<РеГп»< 1.

Это обстоятельство позволяет соответственно упростить выра­жение (3.15). Для этого перепишем его в виде

)

ехр (-

Ре

агр

i/p«

1

агр

t.

1агр

1 + Реагр/Шз~ехР(- Реагр)

(3.20)

Kt.

Разлагая в выражении (3.15) функцию ехр (—Реагр) в ряд Тейлора и ограничиваясь членами ряда, содержащими Ре^р в ну­левой и первых степенях, после преобразований получаем выра­жение (з ^агр 1 + 1/В13

(3.21)

Kt =

л<„

Упрощенная зависимость (3.21) аналогична выражению, полу­ченному в работе [23]. Результаты расчетов зависимости Kt3 — f (Реа7р, Bi3) по фор­мулам (3.15) и (3.21) представлены на рис. 3.3. Как видно из сравнительного анализа полученных результатов, погрешность уп­рощенной зависимости (3.21) не превышает 10 % в рабочем диа­пазоне изменения Peдrp и Bi3.

Комментарии запрещены.