Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Расчет диаметра зоны протаивания выполним для средней темпе­ратуры промывочной жидкости перед вскрытием интервала многолетне­мерзлых пород, которая согласно формуле (1.76) равна 11°С. Наимень­шее значение температуры согласно тому же выражению равно 3°С. По­этому температуру бурового раствора в интервале мерзлых пород прини­маем равной 7°С. Диаметр долота равен 0,295 м. Теплофизические свой­ства талой и мерзлой породы в соответствии с разделом 2.1: pi = = 1800 кг/м3; Я,1 = 1,77 Вт/(м-°С); Ci = 1257 Дж/(кг-°С); а = = 7,8-10-7 м2/с и Q2 = 1800 кг/м3; Яг = 2,56 Вт/(м-°С); с2 = = 922 Дж/ (кг — °С); а2 = 15,4 • 10-7 м2/с. Индексы 1 и 2 относятся к талой и мерзлой зонам. Содержание льда в породе 270 кг/м3. Естественную тем­пературу мерзлых пород принимаем равной 0, —3 и —7°С.

Результаты расчета диаметра протаивания вокруг скважины с исполь­зованием формул (2.27) и (2.29) представлены на рис. 6.1. Время тепло­обмена соответствует бурению интервала мерзлых пород, когда процесс углубления идет без значительных осложнений. При температуре мерзло­ты близкой к 0°С — «вялая» мерзлота, наличие которой характерно для некоторых районов страны, через 2 сут бурения диаметр зоны протаива­ния составит 0,66 м. Другими словами, увеличится против диаметра доло­та в 2,2 раза. При температуре мерзлых пород —7°С диаметр оттаявшей зоны будет 0,52 м. —

Более высокая скорость движения зоны плавления будет в первые мо­менты с начала циркуляции. Со временем темп движения уменьшается, так как возрастает толщина оттаявшего слоя и соответственно увели­чивается его тепловое сопротивление.

На рис. 6.2 приведено изменение объема оттаявшей породы на метр длины ствола скважины, рассчитанного поданным рис. 6.1. Отсюда следу­ет, что температура мерзлых пород оказывает существенное влияние на динамику процесса. Так, например, через 48 ч циркуляции объем оттаяв­шей породы составит 0,28 и 0,14 м3/м для температуры многолетней мерз­лоты 0 и —7°С. Соответствующие кривые на рис. 6.2 хорошо аппроксими­руются следующими эмпирическими выражениями:

Vt = 0.0214/0,665; V2 = 0,0214/0,49.

В, и

Частное от деления V на V2 показывает, во сколько раз объем оттаяв­шей породы при нулевой температуре пород больше того же объема, когда Т„=—7°С: V/V2=<0,18. Отсюда следует, что разница объемов со временем возрастает. Полученный результат объясняется тем, что в процессе тепло­обмена увеличиваются затраты тепла на прогрев породы.

Скорость кавернообразования при Т„ = 0 и —7°С равна

dVi/dt = 0,014/f0,335 = 0,0143 /Г, dV2/dt = 0,01 /Л5′ = 0,01 = 0,01/ /Г

Отсюда следует, что при Г,, = 0 скорость кавернообразования обратно пропорциональна УГ, а в случае Т„ = —7°С — величине /Г Например, через 1 ч после начала теплообмена dV2/dt — 0,01 м3/(м-с). Через 100 ч циркуляции скорость кавернообразования снижается в 10 ра&.

Если оттаявшая порода уносится со стенок скважины, то скорость ка­вернообразования dV/dt = const так как тепловое сопротивление удален­ной породы равно нулю. Поэтому интенсивность кавернообразования бу­дет существенно выше, чем в случае образования зоны протаивания вокруг скважины. ‘

Определим изменение температуры стенки скважины и размеры зоны протаивания в том случае, когда коэффициент теплоотдачи со стороны жидкости имеет конечное значение. Для этой цели воспользуемся выра­жениями (2.33) и (2.36). Расчет выполним при условии, что температура мерзлых пород Т„ близка к нулю, т. е. вокруг скважины формируется толь­ко зона протаивания, и утечки тепла через границу плавления равны ну­лю. Теплофизические показатели талой породы: Л,1 == 1,77 Вт/(м>°С); Qi = 1800 кг/м3; с = 1257 Дж/(кг*°С); а = 7,8-10-7 м2/с; W = 0,15;

q = 335 кДж/кг. Температура циркулирующей жидкости 10°С. Макси­мальное значение коэффициента теплоотдачи а в кольцевом пространстве принимаем таким, как в п. 3 раздела 1.6 (при х = 10 м), т. е. 160 Вт/(м2*°С). По мере бурения скважины местный коэффициент теплоотдачи (1.30) на глубине х снижается в зависимости от глубины скважины Н по формуле (Н—х)1/3 (начало координат х расположено на забое). Поэтому на глуби­не Н = 50 м коэффициент теплоотдачи промывочной жидкости в кольце­вом пространстве (на устье скважины) будет уже 94 Вт/ (м2 • °С), а на глу­бине 400 м снизится до 47 Вт/(м2-°С).

Результаты расчета представлены в табл. 6.1. Из таблицы следует, что при конечном значении коэффициента теплоотдачи температура стенки скважины отличается от температуры циркулирующей промывочной жид­кости. Так, например, спустя 1 ч после начала циркуляции при а = = 47 Вт/(м2-°С) температура стенки составляет только 38% от темпера­туры промывочной жидкости, а через 10 ч достигает 69%. От коэффициен­та теплоотдачи также зависит диаметр зоны протаивания. Например, при том же значении а ==47 Вт/(м2*°С) через 1 ч циркуляции диаметры от­личаются на 50 мм, а спустя 10 ч различие составляет около 70 мм. При других исходных данных размеры зоны протаивания можно определить, воспользовавшись зависимостями в гл. 2.

Комментарии запрещены.