Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В настоящем разделе представлены результаты исследований ка­вернообразования в мерзлых породах, влагосодержание которых состав­ляло 3—4%. Другими словами, вода только смачивала песок. Исследо­вание такого вида представляет интерес в том смысле, что позволяет ис­ключить влияние теплообмена вследствие малой льдистости пород. Или, выражаясь более конкретно, позволяет проследить влияние реологии бу­рового раствора на устойчивость оттаявшей приствольной зоны.

Подготовка рабочего элемента и ход эксперимента соответствовали проЦеДУРе’ подробно описанной в разделе 3.1 при циркуляции жидкости через круглую трубу. Только в данном случае кольцевую трубу (рабочий элемент) с диаметрами 0,036 и 0,1 м заполняли увлажненным песком. Для получения сопоставимых результатов в рабочий элемент во всех опы­тах помещалась одинаковая масса увлажненного песка.

Цель исследований заключалась в том, чтобы выяснить влияние рео­логических показателей жидкости на интенсивность и характер каверно­образования. По этой причине пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига последовательно через малые промежутки уменьша­лись. Время циркуляции, производительность и температура жидкости поддерживались на одном уровне. С целью определения влияния времени исследования были проведены при продолжительности циркуляции 600 и 1200 с. Скорость движения жидкости поддерживалась на уровне 0,22 м/с, что близко к практическим условиям. В соответствии с методикой экспе­римента (см. раздел 3.1) объем трубы между метками 4 и 8 (см. рис. 3.1) определяли перед началом и после включения циркуляции той жидкости, которая использовалась в данном опыте. В качестве циркулирующей жид­кости использовался водный раствор Na-КМЦ. Выбор жидкости такого типа обусловлен двумя причинами. Во-первых, Na-КМЦ используется для обработки и является компонентом буровых растворов. Во-вторых, в вод­ном растворе Na-КМЦ отсутствуют частицы глинистой фазы, которые бо­лее эффективно скрепляют частицы песка, а в покое создают прочную тик — сотропную структуру. Иными словами, исследования с водным раствором Na-КМЦ должны дать значения реологических показателей бурового раствора, обеспечивающие с некоторым запасом устойчивость оттаявшей приствольной зоны скважины.

После замораживания увлажненного песка рабочий элемент укрепля­ли в экспериментальной установке. Затем определяли начальный объем трубы между метками 4 и 8 и включали циркуляцию. Результаты экспери­мента (табл. 3.5) показывают, что вплоть до значений вязкости 0,03 Па-с отмечается минимальное кавернообразование. Практически же небольшое увеличение диаметра (1—2 мм) нельзя считать кавернообразованием, так как смыв слоя песка с поверхности «скважины> происходит непосред­ственно в первые моменты времени после начала циркуляции. Это на­блюдалось визуально через стеклянную трубу: вынос песка был замечен в течение небольшого периода времени (около 10 с) после начала циркуля­ции. Затем удаление песка из рабочего элемента прекращается. Следует отметить, что во время измерения начального объема отверстия между метками 4 и 8 оседания песка не происходит, что следует из визуальных наблюдений через нижнюю стеклянную трубу.

Небольшое увеличение диаметра рабочего элемента можно объяснить следующим образом. В течение кратковременного периода, в течение ко­торого определялся начальный объем трубы между метками 4 и 8, при­стенный слой оттаивает, так как влажность песка весьма мала. Соответ­ственно этому ослабляются связи между частицами песка. После начала циркуляции оттаявший пристенный слой выносится потоком промывочной жидкости под действием механического усилия — касательного напря-

жения трения. В дальнейшем поровое пространство песка под действием перепада давления быстро насыщается циркулирующей жидкостью. Сцеп­ляющий частицы песка лед протаивает, и мерзлый песок спустя короткий период времени переходит в талое состояние. Образуется вязкая песчаная масса — своеобразный «плывун>. Однако, как показывает опыт, оплыва­ние массы не происходит. Это, видимо, объясняется двумя обстоятельства­ми. Во-первых, водный раствор Na-КМЦ обладает склеивающим действи­ем, т. е. склеивает частицы песка. В быту это, например, используется для склеивания бумаги или наклейки обоев в квартирах. Во-вторых, попа­дание водного раствора Na-КМЦ в поровое пространство, в соответствии с уравнением Муни (1.20), приводит к повышению вязкости песчаной мас­сы. Из уравнения (1.20) следует: во сколько раз выше вязкость поровой жидкости, во столько раз выше вязкость песчаной массы. Так, например, при температуре 20°С замена в поровом объеме воды на водный раствор Na-КМЦ (опыт 1 в табл. 3.5) приводит к повышению вязкости песчаной массы в 49 раз. Эти два фактора и придают оттаявшей песчаной массе определенную устойчивость. Влияние третьего фактора обсудим в даль­нейшем.

В опытах 1—8 объем каверн невелик и в среднем составляет 20 см3. Начальный объем отверстия в рабочем элементе 0,785 — З. б2- 25 = 254 см3, т. е. объем увеличивается только на 8%. Какой-либо закономерности при уменьшении вязкости водного раствора Na-КМЦ от 0,040 до 0,028 Па-с не прослеживается. Продолжительность циркуляции также не влияет на кавернообразование. Из данных табл. 3.5 следует, что объем ка­верн совершенно одинаков при длительности циркуляции 600 и 1200 с.

Отличительной особенностью опытов 9 и 10 является то, что здесь не отмечено даже минимального кавернообразования. По-видимому, это связано с тем, что реологические показатели циркулирующей жидкости уже малы. Поэтому механического воздействия — касательного усилия трения о стенку скважины — уже недостаточно, чтобы удалить частицы песка. В этом смысле опыты 9 и 10 являются переходными между опытами 1—8 (кавернообразование минимально) и И и 12 (кавернообразование максимально). Продолжительность циркуляции и здесь не оказывает влияния на процесс, так как кавернообразование по истечении 600 и 1200 с отсутствует.

В опытах 11 и 12 объем каверн резко увеличивается. Интересно отме­тить следующую особенность. Дело в том, что визуальные наблюдения че­рез стеклянные трубы, расположенные выше и ниже рабочего элемента (см. рис. 3.1), указывают на отсутствие процесса кавернообразования в течение всего периода — циркуляции, так как частицы песка в жидкости не замечены. Другими словами, характер процесса соответствует опытам 9 и 10. Однако после остановки циркуляции через 600 или 1200 с наблюдается лавинообразное осыпание песка, содержащегося в рабочем элементе.

При описании опытов 1—8 отмечалось, что о третьем факторе устой­чивости будет сказано в дальнейшем. В опытах 11 и 12 устойчивость от­таявшей песчаной массы, по-видимому, обеспечивает третий фактор — ка­сательное усилие трения по боковой поверхности канала в рабочем эле­менте. Поскольку циркуляция жидкости происходит снизу вверх, то дей­ствие этого усилия направлено вверх, что поддерживает песчаную массу. В момент остановки циркуляции действие касательной силы прекращается и происходит осыпание приствольной зоны. Отсюда следует еще одна практическая рекомендация: при бурении мерзлых пород не допускать частых остановок циркуляции.

При снижении вязкости водного раствора Na-КМЦ ниже чем в опы­тах 11 и 12 определить кавернообразование не представляется возмож­ным, так как обрушение песка происходит во время определения начально­го объема рабочего элемента между метками 4 и 8.

В практических условиях бурения мерзлых пород температура про­мывочной жидкости достигает значений около 20°С [15, 16], что соответ­ствует условиям настоящего эксперимента. Учитывая полученные резуль­таты, можно рекомендовать следующие реологические показатели промы­вочной жидкости, которые должны обеспечить устойчивость пристволь­ной зоны в недоувлажненных песках: пластическая вязкость не ниже 0,025 Па *с и динамическое напряжение сдвига не менее 5 Па. При исполь­зовании воронки СПВ-5 это, примерно, соответствует условной вязкости 60—80 с, что удовлетворительно совпадает с промысловыми данными [15, 16]. Более детально на этом вопросе, т. е. выборе реологических пока­зателей промывочной жидкости для бурения мерзлых пород, остановимся в гл. 6.

Комментарии запрещены.