Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Вопросы очистки забоя стали изучаться сравнительно недавно. В нашей стране первые обобщающие исследования в этом направ­лении были выполнены В. С. Федоровым. Он пришел к выводу, что степень совершенства очистки забоя определяется в основном такими показателями бурового раствора, как его качество; коли­чество, приходящееся на единицу площади забоя; скорость исте­чения из долотных отверстий; расположение этих отверстий по отношению к шарошкам и к забою скважины.

Согласно существующим воззрениям, механизм — очистки забой — (ной зоны упрощенно может быть представлен следующей схемой.

После разрушения породы долотом отдельные разбуренные частицы под воздействием различных сил могут удерживаться на месте, не отрываясь от материнской породы. К таким силам отно­сятся вес частицы, сцепление между частицами, разность давле­ний над частицей и под ней и др. Отрыв частиц от материнской породы в значительной мере затрудняется из-за наличия на забое глинистой корки. Эта корка как бы изолирует пластовую жидкость (флюид) от бурового раствора и тем самым повышает сопротив­ляемость породы разрушению и отрыву от нее уже раздробленных частиц. Основная сила, которая действует на глинистую корку

в условиях забоя, определяется дифференциальным давлением представляющим собой разность между давлением бурового рас­твора на забой рр и давлением пластовой жидкости рпл:

Рдф — Рр — Рал = Тр [^р “Ь (^к + aKLTQ2] Рил» О ■ 23)>

где ур — удельный вес бурового раствора; //р — высота столба бурового раствора; Ьк, ак — коэффициенты, определяющие гидрав­лическую характеристику кольцевого пространства; Lr — длина колонны бурильных труб.

Вполне очевидно, что чем меньше дифференциальное давление,, тем лучше условия для отрыва частиц от породы.

Бобо и Хач предложили схему, согласно которой на забое в процессе бурения образуется ламинарный пограничный слой, тол­щина которого возрастает с увеличением вязкости бурового рас­твора. Частицы разбуренной породы находятся в этом ламинар­ном слое — и, следовательно, чем этот слой толще, тем качества очистки будет хуже. Толщину подобной застойной зоны над за­боем можно уменьшить за счет повышения скорости движения жидкости над забоем или за счет снижения ее вязкости.

При динамическом воздействии затопленной струи горизон­тальные ее составляющие, действующие в плоскости забоя, смы­вают шлам и выносят его в кольцевое пространство. Дойдя до стенки скважины, струя отражается обратно к центру, встречается со струями, идущими от сопла, и в результате образуются за­вихрения, способствующие очищению шарошек и взвешиванию — шлама.

Вопросы очистки призабойной зоны получили свое дальней­, шее развитие в работах Т. Г. Фараджева и др. Путем теоретиче­ских и экспериментальных исследований было выявлено, что для совершенной очистки забоя важную роль играют режимные пара­метры (включая качество раствора), характеристика струй, выте­кающих из сопел долота, а также пористость и проницаемость разбуриваемых пород; буровой раствор должен проникать на глу-г бину-разрушения забоя с тем, чтобы обеспечить полное смывание раздробленных частиц породы. Для этого необходимо затратить определенные усилия на преодоление перепада давления, возни­кающего при фильтрации жидкости в зону разрушения, ибо этот перепад тормозит отрыв частиц от забоя. . ■

Для определения оптимальных диаметров промывочных отвер­стий долота, обеспечивающих эффективную очистку забоя в зави­симости от расхода бурового раствора, были разработаны номо­граммы (Г. В. Габуния, Г. Е. Карасик).

Опираясь на данные своих экспериментов, Б. Б. Кудряшов и Н. Д. Михайлова показали, что основным фактором эффектив­ной очистки забоя является турбулентное состояние промывочного агента, находящегося в призабойной зоне [62]. При этом было подмечено, что на практике, как правило, соблюдается следующая закономерность: чем выше плотность применяемого промывочного

агента, тем ниже его скорость в восходящем потоке. В результате

. , vdp

величина динамических сил, т. е. числитель в формуле Re =——г

Ч

остается практически неизменной и не влияет на общее значение параметра Рейнольдса. Другое дело, когда изменяется вязкость раствора. Находясь в знаменателе, она влияет на параметр Рей­нольдса непосредственно. Таким образом, в изменении величины параметра Рейнольдса решающую роль играет не плотность про­мывочного агента, а его вязкость.

Некоторые особенности имеет очистка забойной зоны при буре­нии турбинным способом и при проводке наклонных скважин.

В турбобурах с уплотнением в нижней опоре весь буровой раствор проходит через долотные отверстия. Но в серийных турбо­бурах часть бурового раствора, попадая в кольцевой зазор между поверхностями ниппеля и вала, уходит непосредственно в затруб — ное пространство, минуя долотные отверстия. Истекающая через — этот зазор жидкость, образует над долотом встречный конусооб­разный поток, напоминающий по своей форме своеобразный веер. В процессе эксплуатации зазор будет все время увеличиваться, расход жидкости через промывочные отверстия будет умень­шаться, а «веер» — увеличиваться. По Б. И. Мительману к Б. А. Гулиеву, величина утечек через зазор может составлять от 10—15 до 40—45 % от расхода жидкости через турбинки турбо­бура. Однако до сих пор нет единого мнения о том, как — положи­тельно или отрицательно влияют отмеченные факторы на сте­пень очистки призабойной зоны.

Рассматривая условия очистки забоя наклонных скважин,. Т. Г. Фараджев пришел к выводу, что в данном случае кроме всего прочего следует осуществлять периодическую промывку’ с вращением бурильной колонны при повышенной, по сравнению с вертикальной скважиной,- подачей буровых насосов (на 20—30 %). ,

В лабораториях ВНИИБТ и МИНХ и ГП были выполнены оригинальные опыты, позволившие в стендовых условиях выяснить траекторию движения потоков циркулирующего агента (воздух) и частиц шлама в призабойной зоне. Также была измерена пло­щадь поперечного сечения этой зоны на различной высоте от за­боя, что важно для определения локальной скорости движения потока промывочного агента и его подъемной силы. Обработка результатов опытов на основе законов подобия позволила рас­пространить полученные выводы на случай работы с любыми про­мывочными агентами. При этом было установлено, что основными путями для удаления шлама с забоя являются узкие зазоры, так как более широкие проходы между лапами перекрыты встречными потоками из периферийных (боковых) сопел или отраженными потоками, выходящими из проемов в корпусе долота между лаПами. .

В более поздних исследованиях для установления механизма выноса шлама при различных промывочных схемах долота исполь-

зовались иные методы и, в частности, киносъемка процесса [18]. Эксперименты проводились в диапазонах частот вращения долота, характерных для роторного (п = 504-200 об/мин) и турбинного (п = 200-^600 об/мин) бурения.

Результаты исследований показали, что для условий выноса шлама из призабойной зоны в кольцевое пространство существую­щая схема расположения промывочных отверстий в долоте (три

периферийные, боковые, насадки, расположенные между лапами) неэффективна и что дальнейшего увеличения гидромониторного эффекта следует ожидать за счет применения асимметричной схе­мы расположения насадок, при­ближения их к поврехности за­боя и использования долот с от­верстиями в лапах.

Развивая и углубляя эту идею, Н. А. Жидовцев и др. [22] разработали новую конструкцию долота с асимметричной схемой промывки и дифференцирован-^ ным назначением насадок. Так/ насадка 3 (рис. 17) направляет часть потока в периферийную зону забоя, оказывая на него ди­намическое воздействие. Насад­ка 2, закрепленная в цапфе, обеспечивает движение другой части потока по касательной к забою и создает здесь усиленный поперечный поток, отметающий разбуренные частицы от центра к периферии. Наконец, насадка 1 («эжекционная») вынуждает третью часть потока изменить свое направление и двигаться вверх от забоя, тем самым создавая условия для ускоренного движения потока в затрубном пространстве и эжекционного воздействия на слои жидкости, находящиеся непосредственно над забоем.

Исследования, выполненные с использованием трубки Пито специальной конструкции, позволили авторам работы [22] полу­чить весьма наглядные эпюры распределения, давления на забое при работе серийным и опытным (£> = 214 мм) долотом нового образца. Анализ этих эпюр и некоторых других данных полностью подтвердил ранее сделанные выводы, что в серийном долоте основные восходящие потоки движутся в зазорах между спинками лап и Стенками скважин, огибая стоячие вихри над насадками, которые преграждают путь потоку через проемы между боковыми стенками лап.

При новой схеме промывки проемы между лапами остаются свободными от струй и именно в эти пространства устремляются основные потоки бурового раствора. Что касается зазоров между

спинками лап и стенками скважины, то здесь движение практи­чески отсутствует. При этом восходящий поток за лапой движется не вдоль нее (как у серийного долота), а по винтовой восходящей в направлении к эжекционной насадке, свидетельствуя о том, что — действие этой насадки распространяется до самого забоя.

По мнению авторов [22], и с ними можно согласиться, для правильного понимания сущности гидродинамических процессов, происходящих в призабойной зоне, весь процесс очистки целесо­образно рассматривать состоящим не из двух этапов (отрыв частиц от массива и транспортировка их по забою, а затем в за- трубное пространство), как это принято, а из трех: 1) отрыва частиц породы от забоя; 2) транспортировки этих частиц по забою — к местам возможного выхода в надшарошечную зону; 3) подъема частиц из надшарошечной зоны в затрубное пространство. В соответствии с этими этапами дифференцируется и название- каждой из насадок[11].

Создание оптимальных условий для выноса шлама, предупреж­дение образования сальников и возникновения поглощений зави­сят и от конфигурации долота. С такой точки зрения долота лопастного типа оказались выгоднее, чем шарошечные.

Комментарии запрещены.