Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Общеизвестно, что в толще мерзлых пород широко распространены суглинки и супеси. В смысле кавернообразования наиболее опасными являются супеси. Обычно соотношение песка и глины изменяется в широ­ких пределах. В среднем содержание глины можно принимать примерно 5—8%. В литературе известны результаты экспериментальных исследова­ний кавернообразования в мерзлых породах, представленных смесью пес­ка и глины [37, 28].

Авторы работы [37] экспериментальные исследования процесса кавер­нообразования проводили на установке, состоящей из модели скважины, холодильной камеры, емкости для раствора, центробежного насоса и систе­мы трубопроводов. Модель скважины представляла собой полый цилиндр высотой 350 мм. При подготовке модели к исследованию в разъемный корпус диаметром 250 мм с установленной в центре него раздвижной труб­кой диаметром 48 мм насыпали навеску песка с примесью глины с влаж­ностью 15% и замораживали при температуре —2°С. Состав породы, влаж­ность и температура приняты равными фактическим средним значениям мерзлых пород Медвежьего и Уренгойского месторождений. Перед прове­дением каждого опыта центральную трубку извлекали из корпуса. К вхо­ду и выходу из модели присоединяли два вертикальных трубопровода одинакового диаметра со скважиной и длиной 1м каждый. В течение каж­дого опыта через 2—5 мин измеряли концентрацию песка в растворе, с помощью чего вычисляли средний диаметр ствола скважины.

Температура измерялась на входе и выходе раствора из модели ртут­ными термометрами, а расход — объемным методом. Реологические свой­ства промывочной жидкости определяли на вискозиметре ВСН-3, а тепло­физические — на приборе, в основе которого лежит принцип двух темпе­ратурно-временных интервалов. .

Для упрощения последующих расчетов кавернозность скважины оце­нивалась показателем кавернозности (отношение диаметров отверстия после опыта и перед его началом). В качестве циркулирующих жидкостей использовались необработанные и обработанные полимерными реагента­ми (Na-КМЦ, полиэтиленоксид, гипан) глинистые, а также водные раст­воры. Режим течения поддерживался ламинарным и турбулентным.

Исследования показали, что кавернообразование развивается более ин­тенсивно при турбулентном режиме течения циркулирующей жидкости: коэффициенты кавернозности отличаются приблизительно в 2 раза. Авто­ры работы [37] считают, что для снижения интенсивности кавернообра­зования в мерзлых породах следует бурить скважины при минимальных числах Тихонова. Для этого прежде всего следует уменьшать время дей­ствия на открытые стенки жидкости, снижать ее подачу и плотность, при­менять растворы с высокой теплопроводностью и пониженной удельной теплоемкостью.

В качестве комментария отметим, что некоторые из представленных рекомендаций вполне правомерны. Другие являются сомнительными. В частности, это относится к предложению применять промывочные жидкос­ти с высокой теплопроводностью.

В работе [28] проведена оценка степени влияния основных факто­ров на процесс кавернообразования в мерзлых породах. Эксперименталь­ная установка представляла собой цилиндрический образец мерзлой породы высотой 0,55 м, имеющий внутри канал круглого сечения диамет­ром 0,016 м. Циркуляция промывочной жидкости по стволу модели осу­ществлялась центробежным насосом с объемной скоростью (2,54- j-7)- 10~4 м3/с. Для гидродинамической стабилизации потока на концевых участках устанавливались трубы длиной по 0,9 м внутренним диаметром, равным диаметру ствола модели (0,016 м). Мерзлая порода была пред­ставлена отсортированным песком зернистостью 0,22—0,26 мм с содержа­нием глинистого материала в количестве 5—8% и льдистостью 14—25%.

Температура породы перед началом опытов составляла —4-.———————— 10°С.

Удельная теплоемкость мерзлой породы 880—1020 Дж/(кг*°С), а темпе­ратуропроводность (1,4-т-1,8)* 10_6 м2/с.

При проведении исследований структурная вязкость жидкости-тепло­носителя составляла (4,6-Ь28,5)* 10-3 Па*с, а динамическое напряжение сдвига 0,7—16,5 Па. Изменение реологических свойств глинистого раство­ра осуществлялось обработкой полимерными реагентами. Температура промывочной жидкости изменялась от +7 до + 15°С.

Получены экспериментальные зависимости диаметра ствола скважины при ламинарном и турбулентном режимах течения. Установлено, что при ламинарном режиме основное влияние на разрушение мерзлых пород оказывает время контакта и температура промывочной жидкости. Однако при турбулентном режиме действие температуры резко уменьшается. Ос­новными факторами, определяющими интенсивность кавернообразования при турбулентном режиме циркуляции, являются вязкость промывочной жидкости, время контакта, теплопроводность и теплоемкость циркулиру­ющего агента. Изменение скорости восходящего потока при любом режи­ме течения раствора оказывает незначительное влияние на процесс раз­рушения мерзлых пород в сравнении с основными факторами.

В целом данный экспериментальный материал представляет интерес, однако анализ его выполнить затруднительно, так как изложение имеет реферативную форму.

Ниже предлагается экспериментальный материал, выполненный на ус­тановке, подробно описанной в разделе 3.1. Участок теплообмена — ра­бочий элемент — имел те же размеры: высота 0,25 м и наружный диаметр 0,1 м. Круглый канал по оси рабочего элемента имел начальный диаметр 0,036 м. Время теплообмена во всех опытах принималось равным 10 мин. Модель пласта была представлена мерзлой породой, состоящей из того же песка, который использовался ранее (см. разделы 3.3 и 3.4). К этому песку добавлялась глинистая фракция в количестве 5% (во всех случаях). В не­которых опытах в качестве глинистой фракции использовался Na-бенто­нит, но в большинстве случаев обычная комовая глина. Подготовка модели пласта мерзлых пород к опыту состояла в следующем. Готовилась задан­ная навеска песка и глины. Эти материалы тщательно перемешивались в сухом виде. Затем в ту же емкость добавлялась дистиллированная вода с тем расчетом, чтобы влажность системы была 15%. В пересчете на воду это составляло около 270 кг/м3. После этого породу помещали в кольцевое пространство рабочего элемента и замораживали при темпе­ратуре —7-.———————— 12°С. После этого доводили температуру рабочего элемен­та до — 1 2°С и начинали эксперимент.

Для анализа экспериментального материала, приведенного в табл. 3.6, выполним некоторые тепловые расчеты. Во-первых, определим коэф — I

фициент теплоотдачи жидкости к стенке скважины по выражению, полу­ченному из формулы (1.27):

, / voDoCq Do ■» 1/3

I г) ‘

Принимая средние для настоящего эксперимента (см. табл. 3.6) исход­ные данные Х = 0,78 Вт/(м*°С), с = 3980 Дж/(кг-°С), с = П00 кг/м3, t>0 = 0,24 м/с, Do = 0,036 м, Л = 0,25 м, р.2 = 0,01 Па-с, Ц| = = 0,00178 Па-с, получаем а = 890 Вт/(м2-°С).

На основании выражения (3.1) получим формулу для расчета диамет­ра зоны протаивания в модели скважины

|/г,2, t,763"0tx (5icqv/3

D~ У°оЦ—•

Для расчета принимаем те же исходные данные и дополнительно к ним следующие показатели: То = 20°С, Q2U7 = 270 кг/м3, q = = 335 кДж/кг. Эта формула дает возможность определить диаметр зоны протаивания в предположении, что вся оттаивающая порода сразу после оттаивания удаляется со стенки «скважины». На рис. 3.7 график этой за­висимости представлен кривой /.

Кривая 2 на рис. 3.7 представляет собой расчет по формуле (2.27) при условии фо — 1, т. е. дает верхнее значение диаметра протаивания. Здесь предполагается, что оттаявшая порода не удаляется со стенок скважины вообще.

Кривая 3 соответствует расчету по той же формуле (2.27), но с учетом кривизны поверхности протаивания, а зависимость 4 — расчету по форму­ле (2.33). Здесь учитывается конечное значение коэффициента теплоотда­чи, равное 890 Вт/(м2-°С). Кривые 2—4 получены при значениях тепло­физических показателей оттаявшей мерзлой породы в соответствии с данными раздела 2.1. .

На рис. 3.7 представлены также расчеты по формуле (2.33) темпера­туры стенки скважины во время циркуляции, т. е. при том условии, что каверны не образуются (кривая 5).

ГТ

Рис. 3.7. Расчетные по — ^ казатели модели пласта.

1S 12 б 4

Сопоставим результаты, представленные на рис. 3.7 и в табл. 3.6. Про­должительность эксперимента составляла 10 мин. Из данных рис. 3.7 сле­дует, что за этот период времени диаметр зоны протаивания составляет около 0,074 м. Из табл. 3.6 видно, что диаметр скважины с учетом кавер­нообразования значительно ниже. Отсюда следует, что зона протаивания опережает зону кавернообразования. Другими словами, можно предполо­жить, что основным фактором кавернообразования здесь является (при условии ламинарного течения) процесс взаимодействия потока промывоч­ной жидкости со стенкой скважины.

Опытные данные в табл. 3.6 представлены таким образом, что с увели­чением номера опыта возрастает касательное трение потока промывоч­ной жидкости о стенку скважины. Анализ показывает, что в опытах 1 —10 с возрастанием усилия трения интенсивность кавернообразования увели­чивается. Так, в опытах 1—4 кавернообразование практически отсутству­ет, так как диаметр канала в рабочем элементе увеличился всего на 1 мм. Начиная с опыта 5 кавернообразование резко возрастает, а в опытах 11 — 12 вновь начинает снижаться.

Такой характер изменения кавернообразования можно пояснить следу­ющими рассуждениями. Как следует из данных рис. 3.7, вокруг канала образуется оттаявшая зона. Однако обрушения не происходит, поскольку устойчивость обеспечивается глинистой фракцией, которая скрепляет частицы песка. В то же время содержание глинистой фракции невелико (всего 5%), поэтому оттаявшая порода может удаляться потоком жидкос­ти. При движении промывочной жидкости у стенки скважины действуют касательные напряжения, которые в рамках вязкопластичной модели можно определить из формулы типа (1.4): т=ут]+(4/3)то. Это выражение можно получить из известного уравнения Букингама. Касательные напря­жения т характеризуют сдвигающее усилие, действующее на единицу поверхности контакта жидкости с поверхностью канала. В результате происходит смыв частиц песка, если прочность сцепления меньше сдвига­ющего усилия трения. Из данных табл. 3.6 следует, что в опытах 1—4 ка­сательное усилие трения невелико, и кавернообразование отсутствует. До­полнительно к этому частицы полимера скрепляют твердую фазу, о чем бы­ло сказано в разделе 3.4. В опытах 5—10 использовалась жидкость, в которой отсутствовали частицы полимера, поэтому с ростом сдвигаю­щего усилия кавернообразование протекало более интенсивно. В экспери­ментах 11 —12 циркулирующая жидкость подвергалась обработке Na — КМЦ, поэтому интенсивность кавернообразования несколько снижается. Связано это, видимо, с тем, что на стенках канала в рабочем элементе образуется глинистая корка, которая имеет более высокое сцепление с от­таявшей породой. Визуальные наблюдения показали, что образование глинистой корки происходит. Данные табл. 3.6 показывают, что основной вклад в подавление кавернообразования, видимо, вносит полимерная до­бавка. Действительно, в опытах 1—4, где вязкость раствора обеспечива­лась только введением полимерной добавки, интенсивность кавернообра­зования наименьшая. В опытах 5—10, где вязкость растврра обеспечива­лась только введением твердой фазы, кавернообразование наибольшее. И наконец, в опытах 11 —12, где вязкость раствора обеспечивалась введё —

иием твердой фазы и полимера, кавернообразование занимает промежу­точное положение.

Может быть еще одно объяснение, почему при движении полимеров (их водных растворов) кавернообразование не развивается. Возможно, что определенную роль играет также гидродинамическая картина течения жидкости около стенки скважины. Известно, что вблизи твердой, обтекае­мой поверхности образуется, так называемый, пограничный слой. Его толщина зависит от вязкости жидкости. Для жидкостей с достаточно высокой вязкостью толщина пограничного слоя будет такой, что все пес­чинки затоплены в этом слое. По этой причине эрозия поверхностного слоя оттаявшей мерзлой породы будет отсутствовать. Необходимо иметь в виду, что такое объяснение справедливо для мерзлой породы, пред­ставленной смесью песка и глины, т. е. имеющей определенную ус­тойчивость. Это, например, не относится к переувлажненным мерзлым пес­кам или льдам.

Используя основные положения теории пограничного слоя, можно опре­делить необходимую вязкость водного раствора полимера, которая обес­печит исключение эрозии стенки скважины. Только для этого необходимо задаться высотой выступов частиц твердой фазы. В частности, для этой цели можно использовать известный график Никурадзе.

Нами выполнен также эксперимент по исследованию кавернообразова­ния при циркуляции воды. В целом результаты показали, что в этом случае кавернообразование развивается интенсивно и соответствует зависимос­ти 1 на рис. 3.7. Другими словами, протаявшая порода сразу удаляется со стенок скважины. Это может быть одним из факторов, свидетельству­ющих о влиянии толщины пограничного слоя на процесс кавернообразо­вания.

Несколько экспериментов выполнено с использованием в качестве глинистой фракции Na-бентонита. Его содержание в объеме песка состав­ляло также 5%. Прокачка водных растворов полимера, Na-бентонита, а также комовой глины показала, что кавернообразование отсутствует. Длительность опытов достигала 40 мин. Этот результат, видимо, также свидетельствует о том, что определяющим кавернообразование процессом является картина взаимодействия потока с обтекаемой поверхностью. Бентонит является высокодисперсной добавкой, которая придает породе повышенную устойчивость. Сцепление между частицами породы будет вы­ше, чем в случае использования 5% комовой глины. Поэтому касательного усилия трения уже недостаточно для удаления частиц песка с обтекаемой поверхности.

Из гидродинамики известно, что толщина пограничного слоя вблизи стенки скважины зависит от скорости течения жидкости. Так, с возраста­нием скорости толщина пограничного слоя снижается, и наоборот. В этом плане заслуживает внимание рекомендация о целесообразности снижения расхода промывочной жидкости при бурении мерзлых пород. Этот вопрос будет затрагиваться в гл. 6.

В заключение необходимо отметить следующее обстоятельство. Сде­ланный выше анализ нельзя в полном объеме переносить на реальные скважины, поскольку в кольцевом пространстве между стенкой скважины и колонной труб будет иное распределение скоростей и другие касатель­ные напряжения на контакте порода — жидкость. Но, видимо, в целом картина будет аналогична. Действительно, в кольцевом пространстве сква­жины обычно наблюдается [64] ламинарный режим течения, что имело место и в опытах. Касательное усилие слабо зависит от первого слагаемого, содержащего вязкость, а в основном определяется значением предельного напряжения сдвига. В эксперименте и на практике эти показатели соответ­ствуют друг другу. Необходимо также отметить, что интенсивность эро­зии поверхностного слоя стенки скважины зависит не только от реоло­гических свойств и режима течения промывочной жидкости. Большое зна­чение может иметь такой показатель, как абразивность, поскольку в цир­кулирующей жидкости может содержаться большое количество абразив­ных песчаных частиц. В отдельных случаях этот фактор может оказаться определяющим. Поэтому при бурении мерзлых пород необходимо обра­щать внимание на очистку от песчаной фракции, а также снижать расход промывочной жидкости.

В настоящей главе рассмотрены особенности кавернообразования в мерзлых породах различного типа. Полученные результаты использова­ны в гл. 6 при разработке практических рекомендаций.

Комментарии запрещены.