Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Основным осложнением при бурении скважин в мерзлых породах является многофакторный процесс — интенсивное кавернообразование. Оно развивается в породах различного типа. Это могут быть пески с различной льдистостью, залежи пластового льда толщиной до несколь­ких десятков метров, а также пески с небольшим содержанием глинистой фракции. Увеличение диаметра скважины является причиной различных осложнений. Сюда относятся низкое качество цементирования, поломки и прихваты бурильных и обсадных труб, смятие обсадных труб в процессе замерзания жидкости в кавернах, поверхностные просадки грунта, потеря устойчивости буровых вышек и т. п. Чаще всего кавернообразование при­урочено к интервалам залегания песчаных отложений, в которых лед яв­ляется цементирующим материалом, скрепляющим отдельные частицы пес­ка между собой. По мере таяния льда частицы песка теряют связность и удаляются промывочной жидкостью со стенок скважины. Характер возникновения и развития процесса в связи с его многообразием изучен недостаточно.

В настоящей главе представлены собственные результаты автора по изучению проблемы кавернообразования в мерзлых породах различного типа, а также известные литературные данные.

Экспериментальные исследования выполнены на установке [50], схема которой представлена на рис. 3.1. Жидкость из емкости 7 через всасываю­щий патрубок 14 отбиралась насосом 17 и нагнеталась через патрубок 16 и вентиль 15 на вход вертикально расположенной стеклянной трубы 9. Здесь она поднималась вверх, проходила рабочий элемент 5 — цилиндр из мерзлой породы или льда, стеклянную урубу / поступала чёРез слив-

ной патрубок 3 в емкость 7. Этот контур циркуляции является основным. При закрытых вентиле 11 и кранах 2 и 12 жидкость движется только по основному контуру. Вспомогательный контур циркуляции включает в себя емкость 7, всасывающий патрубок 14 и насос 17, а также перепускной патрубок 10 с вентилем 11. При закрытом вентиле 15 циркуляция идет только по вспомогательному контуру. Этот контур предназначен для вы­равнивания свойств жидкости, а также регулирования расхода через ос­новной контур, что достигается изменением степени открытия вентилей 15 и 11. Регулирование расхода проводилось перед закреплением рабочего элемента, вместо которого устанавливалась сменная трубка такого же размера. Таким образом, циркуляция в течение всего опыта происходила с постоянным и известным расходом. Кроме того, скорость течения жидкости наблюдалась визуально во время заполнения стеклянных трубок снизу вверх и контролировалась секундомером. .

Подготовка рабочего элемента к работе заключалась в следующем. В экспериментах со льдом в сменную металлическую трубу высотой 0,25 м, а также с внутренним и наружным диаметрами 0,1 и 0,114 м концентрично помещалась трубка с диаметрами 0,029 и 0,036 м. В кольцевое простран­ство с диаметрами 0,036 и 0,1 м заливалась дистиллированная вода, кото­рая замерзала при температуре —7-. 12°С в течение 1—2 сут. Затем

внутренняя трубка заполнялась горячей водой, что позволяло сразу из­влечь ее из ледяного цилиндра. Наружная поверхность трубы диаметром 0,114 м теплоизолировалась несколькими слоями бумаги. Подготовленный образец выдерживался определенный период времени при положительной

температуре, чтобы температура льда перед началом опыта приняла зна­чение —1-1 2°С. Небольшая отрицательная температура дает основа­

ние исключить утечки тепла через наружную боковую поверхность рабоче­го элемента, а также затраты тепла на прогрев льда. После этого торцевые поверхности льда подравнивались соответственно краям трубы.

Таким образом, рабочий элемент, представляющий собой вертикаль­ную полую трубу из льда с диаметрами 0,36 и 0,1 м, высотой 0,25 м и тем­пературой — 1-=—— 2°С подготовлен к работе. Сразу после этого рабочий

элемент в течение 2—3 мин закреплялся в соответствующем месте экспериментальной установки. К входному и выходному отверстиям ледя­ного или мерзлой породы подсоединялись стеклянные трубки с внутренним диаметром 0,038 м и длиной 1 м каждая.

Для исследования процесса в трубе кольцевого поперечного сечения внутри стеклянных трубок по всей их длине размещалась медная трубка с наружным диаметром 0,016 м. Таким образом, диаметры кольцевого пространства на успокоительных участках составляли 0,016 и 0,038 м. На участке теплообмена диаметр отверстия обычно возрастал от 0,036 до 0,046 м и в среднем составлял 0,041 м, т. е. диаметры кольцевого простран­ства на длине рабочего элемента в среднем составляли 0,016 и 0,041 м. Торцевые уплотнения создавались резиновыми прокладками и поджим­ными винтами.

После установки рабочего элемента включалась циркуляция, про­должительность которой в зависимости от расхода составляла 60—180 с. Длительность опыта выбиралась с таким расчетом, чтобы средний диаметр отверстия в ледяном цилиндре составлял 0,041—0,043 м. Ограничение диаметра было предусмотрено с целью предупреждения существенного изменения картины течения жидкости в рабочем элементе. Таким образом, внутренние диаметры рабочего элемента и стеклянных труб в среднем от­личались на 5 мм, что предполагает слабое нарушение картины течения жидкости по длине успокоительных участков и участка теплообмена.

После завершения опыта выключался насос 17 и перекрывался вен­тиль 15. Часть жидкости из верхней стеклянной трубки сливалась через кран 2 и патрубок 6 в емкость 7, до совмещения уровня с меткой 4. Затем при закрытом кране 2 открывался кран 12 и жидкость по патрубку 13 сли­валась в мерный сосуд до тех пор, пока уровень жидкости не совместится с меткой 8 на нижней стеклянной трубке. Мерный сосуд 18 показывает объем системы между метками 4 и 8. Аналогичным образом определялся тот же объем перед циркуляцией. Таким образом, разница объемов систе­мы до и после циркуляции дает объем каверн в ледяном цилиндре или ци­линдре из мерзлой породы.

На описанной установке выполнено экспериментальное изучение ка — вернообразования во льду и в мерзлых породах при ламинарном течении жидкостей различного типа. Условия проведения опытов моделируют процесс бурения скважин. В более широком смысле результаты исследо­ваний могут представить интерес в таких областях знания, как кольцевые двухфазные течения, а также в проблеме устойчивости. Дело в том, что между основным потоком жидкости и поверхностью льда образуется пограничный слой воды, т. е. в эксперименте реализуется кольцевое двух­фазное течение. Наличие этого слоя оказывает существенное влияние на теплоотдачу, а известные толщина и свойства дают возможность оценить устойчивость ламинарного потока жидкости.

Комментарии запрещены.