Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Известно, что в разрезе мерзлых пород распространены пласты, которые характеризуются избыточной льдистостью. Обычно это относится к четвертичным отложениям, образовавшимся одновременно с промерза­нием [17]. Частицы песка в породах такого типа, как правило, не имеют связности, поэтому вся оттаявшая порода удаляется со стенок скважины и выносится потоком промывочной жидкости на поверхность. В результате развивается интенсивное кавернообразование. Исследование кавернооб — разования представляет интерес и в том смысле, что водонасыщенные пески представляют собой породу одного из предельных типов — наиболее подверженного суффозии (размыву). Поэтому по результатам исследова­ний можно оценить влияние и получить предельно допустимые показатели реологических свойств промывочной жидкости, которая при бурении мерз­лых пород обеспечит минимальное кавернообразование. Другой предель­ный тип мерзлой породы, характер и особенности кавернообразования бу­дут рассмотрены в следующем разделе.

Порядок эксперимента в точности соответствовал исследованию плав­ления льда при течении жидкости в круглой трубе. Отличие состояло только в одном: вместо рабочего элемента — цилиндра из льда — исполь­зовался цилиндр из мерзлого песка. Его подготовка заключалась в следу­ющем. Кольцевую трубу с диаметрами 0,036 и 0,1 м заливали дистил­лированной водой, а затем доверху засыпали сухим песком с периоди­ческой трамбовкой. После этого переувлажненный песок замораживали. Таким образом, цилиндр из мерзлого песка имел максимально возмож­ное влагосодержание, составляющее в среднем 400 кг/м3. Собственно го­воря, переувлажненный мерзлый песок можно рассматривать как лед, часть которого замещена частицами песка. Лед имеет плотность 920 кг/м3, а в мерзлом песке содержится 400 кг/м3 льда. Другими словами, большая часть объема замещена песком. В качестве циркулирующих жидкостей использовались водные растворы Na-карбоксиметилцеллюлозы (Na — КМЦ) и Na-бентонита. Свойства жидкостей соответствовали показате­лям, которые были использованы в экспериментах по исследованию плав­ления льда (см. табл. 3.1 и 3.2). Это дает возможность провести сопостав­ление и отделить особенности кавернообразования во льду и переувлаж­ненном песке.

Результаты эксперимента представлены в табл. 3.3 и 3.4. Подход, ис­пользованный при обработке опытных данных, соответствовал разделу 3.1. Так, поправка Зидера—Тейта ф, характеризующая влияние различия вяз-

кости циркулирующей жидкости и пристенного слоя воды, определялась из выражения (3.4). Теоретическое значение удельной скорости кавер­нообразования находим из выражения, которое согласно (3.3) равно

V т£( <3’9>

где %г и аг — тепло — и температуропроводность циркулирующей жидкости (принимаем по данным табл. 3.1); q = 3,35- 10s Дж/кг — скрытая теплота плавления льда; h = 0,25 м — длина рабочего элемента (цилиндра из мерзлого переувлажненного песка); Qi — расход циркулирующей жид­кости, м3/с; Wq2 = 400 кг/м3 — содержание льда в мерзлом песке.

Чтобы иметь возможность сопоставить теоретическое значение (3.19) с экспериментом, необходимо опытное значение V/{Tt) разделить на т. е. учесть поправку Зидера — Тейта. Из данных табл. 3.4 следует, что сов­падение теоретических расчетов и экспериментальных данных удовлетво­рительное. Поскольку выражение (3.19) справедливо для ламинарного по­тока, то режим течения циркулирующей жидкости и пограничного слоя воды был ламинарным. Такая же картина имела место при исследовании плавления льда, когда через рабочий элемент циркулировал водный раст­вор Na-КМЦ. Таким образом, при циркуляции водного раствора Na-КМЦ плавление переувлажненного песка и льда протекает совершенно анало­гично, что следует из данных табл. 3.4 и рис. 3.5. Различны только значе­ния удельной скорости кавернообразования: плавление льда происходит в 2,3 раза медленнее, поскольку в мерзлом песке в 2,3 раза меньше льда.

Другая картина следует из сопоставления данных табл. 3.4 и рис. 3.3, когда циркулирующей жидкостью был водный раствор Na-бентонита. Из графика на рис. 3.3 видно, что в диапазоне изменения Q от 12,7 до 23 экспериментальные результаты существенно превышают теоретические значения. В разделе 3.1 такая особенность эксперимента была связана с пульсационной турбулентностью пристенного слоя воды и соответствую­щим усилением теплоотдачи. Однако при циркуляции водного раствора Na-бентонита через цилиндр из переувлажненного песка пульсационная турбулентность не проявляется. Такую ситуацию можно объяснить сле­дующим образом. Поверхность рабочего элемента из льда для обтекаю­щей жидкости является гладкой. Пристенный слой воды имеет вполне определенную толщину, от которой зависит режим течения воды. Так, на­пример, согласно разделу 3.1 и табл. 3.2 при Q = 12,7 (начало турбулиза­ции) толщина пограничного слоя воды имеет наибольшее значение 0,18 мм. В момент Q = 23 (подавление турбулизации) толщина пристен­ного слоя составляет уже 0,05 мм.

При плавлении льда в рабочем элементе из переувлажненного песка поверхность отверстия уже не является гладкой: она образована из частиц песка. Согласно экспериментальным данным табл. 3.3 и 3.4 в мерзлом песке плавится такое же количество льда, поэтому толщина пограничного слоя воды должна соответствовать случаю плавления цилиндра из льда. Как было отмечено выше, толщина пограничного слоя воды в области ано­малии (см. рис. 3.3) составляет 0,05—0,18 мм, что соизмеримо с высотой выступов отдельных песчинок. По этой причине толщина пограничного слоя воды, расположенного над поверхностью твердой фазы, будет невели­ка. Другими словами, эффективная толщина пограничного слоя воды при обтекании мерзлого песка значительно меньше, чем при обтекании льда. Поскольку тонкий слой может сохранять ламинарную форму течения при достаточно больших числах Рейнольдса, то пульсационная турбулент­ность не возникает.

Отсюда следует интересный, но парадоксальный, на первый взгляд, вывод: при бурении скважин скорость кавернообразования во льду может значительно превышать скорость кавернообразования в мерзлых пере­увлажненных песках. Конкретные расчеты приведены в гл. 6.

Второй практический вывод можно сделать на том основании, что схемы кавернообразования во льду и переувлажненном мерзлом песке аналогичны. В том и другом случае основную часть поперечного сечения занимает циркулирующая жидкость, а вблизи стенки образуется тонкий слой воды — пограничный слой. Далее отметим, что плотность промывоч­ной жидкости, как правило, значительно превышает плотность воды, что придает двухфазному потоку дополнительную устойчивость. Это было от­мечено в опытах с водным раствором глицерина в разделе 3.1. Его плот­ность и вязкость (см. табл. 3.1) близки к таковым промывочной жидкости в скважинах. Поэтому определять момент начала турбулизация погранич­ного слоя воды можно с использованием экспериментального значения Аг/Яег (критическое значение), полученного в опытах с водным раствором глицерина. Критическое значение Аг/Иег соответствует случаю плавления льда. Применительно к мерзлым пескам, где толщина пограничного слоя воды значительно ниже, будем иметь расчетный запас.

Критическое значение согласно данным раздела 3.1 равно 916 и может быть представлено в виде

Aj_ я g(D-d)D+d)^ = 916 (3 20)

Re2 4 nQi

где g — ускорение силы тяжести, м/с2; D — диаметр скважины, м; d —

наружный диаметр корпуса турбобура, УБТ или бурильных труб, м; Aq —

разница плотностей промывочной жидкости и воды, кг/м3; т) и Qi — плас­тическая вязкость, Па*с, и расход, м3/с, промывочной жидкости.

Применение формулы (3.20) в практических расчетах рассмотрено в гл. 6.

Комментарии запрещены.