Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

При истечении жидкости из. долотных отверстий ее давление трансформируется в скоростной напор. Вследствие значительного сужения потока в насадках жидкость приобретает большую ско­рость и дробится по числу долотных отверстий на отдельные струи. Последние, достигая забоя, интенсивно промывают его поверх­ность, увлекая за собой все разрушенные долотом частицы по­роды. В мягких породах струи бурового раствора, кроме того, могут непосредственно разрушать пароду забоя за счет гидро­мониторного эффекта. Было установлено, что порода в условиях забоя может-разрушаться не только при условии, что удельное давление на забой скважины больше напряжения сжатия породы, т. е. РудЗ^Осж, н0 и ПРИ условии, что ртя<оСж — На этом основании условие разрушения породы заданной прочности рекомендуется записывать в виде

Руд > КсГсЖ*

где К — числовой коэффициент, оценивающий соотношение между прочностью породы и давлением струи на нее, при котором размыв прекращается. В условиях ствола рекомендуется принимать: К=0,25-^0,35; при отсутствии противодавления /С=0,1-^0,15.

Формула для определения удельного давления на забой сква­жины от ударного действия струи выводится на основании тео­ремы количества движения: ‘

(V.10)

р = ——- (1 — COS ф) COS Р,’

S

где ф — угол изменения направления движения струи при отра­жении от забоя; р— угол отклонения струи от перпендикуляра при встрече с забоем.

Однако такое давление отмечается только в центральной части. струи в момент удара, так как давление быстро убывает при уда­лении от центра струи. К тому же сила удара, а равно давление на забой будут зависеть и от расстояния 10 сопла до забоя.

А. К — Козодой, А. В. Зубарев и В. С. Федоров приводят следую­щую, удобную для практических расчетов формулу: .

тде ^РуД —ударное давление струи на забое; v0—скорость струи при выходе из насадки; d0 — начальный диаметр струи, равный диаметру выходного отверстия насадки; у— удельный вес жидко­сти; а —2 tg а, причем принимается, что а=120°.

Представляют интерес экспериментальные исследования по определению динамического давления струи, выполненные Р. Г. Арзумановым и др. на уникальной для своего времени уста­новке. Результаты этих опытов показали, что нормальное дина­мическое давление струи при скоростях, характерных для прак­тики бурения обычными долотами, не может вызвать размыва горных пород. Однако размыв породы вполне возможен за счет поперечного потока, величина касательного напряжения которого рх может быть определена из выражения

У^П 1 I

Рх = 2g : “п = 1 ’16г, ойок1/г о, 693Z2 + 0,399/Я + 0.078Я2 * (У’12)

где ии—скорость поперечного потока; I—расстояние от точки замера до оси струи; R’—радиус выходного отверстия сопла; kx—коэффициент, учитывающий характер изменения силы удара в зависимости от расстояния до преграды.

По рекомендации Р. Г. Арзуманова, расстояние /ь на котором сила удара струи о преграду достигает максимального значения, может быть определено из следующей эмпирической зависимости:

li = 0,002v0. (V.13)

В деталях — вопрбс разрушения породы с использованием гидро­мониторного эффекта изучен еще далеко не достаточно. В отече­ственной и в зарубежной литературе предлагались различные методики определения таких важных показателей, как оптималь­ный диаметр выходного отверстия долота, оптимальный расход жидкости, максимальная гидравлическая мощность и т. п. Огра­ничимся рассмотрением условия достижения максимальной меха­нической скорости проходки при данной установленной мощности «буровых насосов при роторном бурении по способу, рекомендо­ванному К. А. Ибатуловым [24]. Сущность этого способа, не лишенного, правда, недостатков, сводится к следующему.

Обозначим гидравлические потери во всей ’циркуляционной системе, за исключением потерь в гидромониторном долоте, AQ2,

TOC o "1-5" h z т га „

з. потери в долоте —~ У. причем — Р—, где ад — опытный

d0 •

коэффициент; р — плотность жидкости; i — число отверстий в до­лоте. Тогда давление и гидравлическая мощность на насосах могут быть выражены следующими формулами:

, Т71

Рн ^ + "X Q2; (V.14)

■ . dr,

N = pBQ = AQ3 + ~^~Q3, (V.15)

< ‘

откуда

N

———— —. (V.16)

А 4- тЦ

Наряду с этим через расход можно выразить и механическую скорость проходки ом:

= (V.17>

где k — коэффициент, зависящий от свойств разрушаемых пород,, качества промывочной жидкости, конструктивных особенностей насадки и т. п.

Подставляя в (V.17) значение Q из (V.16) и определяя усло­вие максимума, К — А. Ибатулов [24] находит:

(V.18>

b-V-S’:

а затем, заменяя йц в (V.16) найденным значением из (V.18),. получает:

3 N

Ч = У U’ <V.,9>

Далее, используя выражения (V.14), (V.16) и учитывая, что. pfl=mQ2/do, выявляет следующее соотношение:

Ря=-^~Рш (V.20)»

Из полученного выражения следует, что при полном исполь­зовании установленной мощности бурового насоса максимальное динамическое действие струи на забой будет проявляться только, в том случае, если диаметр насадки и расход бурового раствора будут подобраны таким образом, что перепад давления на гидро­мониторном долоте составит 3/4 давления, развиваемого буро­выми насосами. »

Однако на практике, как правило, работать с полным исполь­зованием установленной мощности не представляется возможным, так как в циркуляционной системе всегда имеются недостаточно1 прочные звенья (например, буровой резиновый, рукав) и поэтому давление приходится ограничивать. А. К- Козодой, А. В. Зубарев и В. С. Федоров нашли, что в этом случае максимум забойной, гидравлической мощности достигается тогда, когда перепад дав­ления в отверстиях долота составляет не менее 2/3 от давления на буровых насосах, т. е. .

ря>-^-ри — (У-21)»

Что же касается максимального динамического воздействия струи на забой, оно наступает, когда перепад давления на долоте становится равным половине давления, развиваемого буровыми насосами:

Рд ^ 2 Рн (У • 22)

Следует оговориться, что до сих пор нет единого мнения по вопросу о том, какое из этих двух условий предпочтительнее для практики бурения. По мнению А. К. Козодоя, А. В. Зубарева и

В. С. Федорова, работать в режиме максимальной силы удара струи следует при бурении пород средней твердости. В мягких лородах, которые бурятся с высокой механической скоростью, предпочтительнее применять режим максимальной забойной гид: равлической мощности, т. е. идти по пути увеличения скорости истечения бурового раствора из долотных отверстий.

В то же время независимо от режима работы получающиеся расходы необходимо сопоставить с расходом, минимально необ­ходимым для выноса разбуренных частиц (Qmin): Если окажется, что Q<Qmin> расчеты следует пересмотреть.

Кроме того, следует иметь в виду, что применение того или иного режима существенно зависит от глубины бурения и общих гидравлических сопротивлений в циркуляционной • системе.

Сведения, касающиеся методики расчета гидромониторных до­лот, с учетом данных зарубежной литературы, можно найти л „Справочнике инженера по бурению” [61].

Комментарии запрещены.