Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В сложных геолого-технических условиях (поглощающие гори­зонты, многолетнемерзлые породы и др.) все большее применение при колонковом бурении находит бурение с пеной в качестве очистного агента.

При глубине бурения до 150—100 м (в зависимости от водо- притока в скважину) пена нагнетается в скважину компрессора­ми, развивающими давление до 0,8 МПа. При большей глубине бурения для нагнетания пены используются различные дожимные устройства (бустеры), устанавливаемые на буровых насосах. Про­изводительность дожимного устройства определяется подачей на­соса и давлением воздуха, подаваемого от компрессора.

Для расчета потерь давления при циркуляции в скважине пены необходимо определить объемные расходу воздуха и жидкой фазы в газожидкостной смеси (пене). Определение объемных рас­ходов воздуха и жидкой фазы (водный раствор ПАВ, водоприток) производится на основании опыта бурения с пеной. Обычно сум­марный объемный расход жидкой фазы с учетом водопритоков в скважину колеблется в пределах 2,5- 10“4-М,5-10“3 м3/с. Прини­мая степень аэрации пены для условий бурения скважин а = = 150+50, можно рассчитать объемный расход воздуха для по­лучения пены

Кг = аУт, (У1.34)

где Уж — объемный расход жидкой фазы с учетом водопритока в скважину, м3/с; Уг — объемный расход воздуха при атмосферном давлении (1 • 105 Па), м3/с.

Для расчета потерь давления при циркуляции в скважине пены и определения давления нагнетания рекомендуется методика, изложенная в работе [18].

В случае циркуляции пены расчет давления производится ана­логично условиям воздушной продувки и ведется в направлении, обратном движению потока (см. рис. 9).

Исследования и опыт бурения при использовании пены в каче­стве очистного агента показали, что давление нагнетания можно принять равным давлению на забое скважины в восходящем по­токе с учетом потерь давления в колонковом снаряде и коронке, а также в наземной обвязке.

Давление на любой глубине скважины в восходящем по вер­тикальному кольцевому каналу потоке пены может быть рассчи­тано по формуле, предложенной в работе [18]:

р = ру + (Ь + п)к-«£=">-1П -(6 + ">** + 2апр + +

, 2 (Ь + п) 2апру + а2п

2аУЬп а(Ь + п)УЬп (р— р7)

_]———— аГс10—————————————— ————- (VI.35)

(Ь + п) а2Ьп + [(6 + п) р + ап] [(Ъ + п) р7 + ап]

Принимая Л = //, получим р = рз, т. е. давление в восходящем потоке пены у забоя скважины.

Расчет давления по формуле ^1.35) является трудоемким, требует машинного счета и производится методом последователь­ного приближения, для чего формула (У1.35) записывается в сле­дующем виде:

Р — Ру а (Ь — л) (Ь + п) р2 + 2апр + а*п

Л = — Г-Н — + оТТ 1 1п

2аУЬп, ________________ а(Ь + п)УьК (р — ру)________ д/т осч

— (Ь + л)* а*Ьп + [(6 + п) р + ап) ЦЬ + п) ру + ап) ‘ ‘У100’

В формулах (У1.35) и (У1.36) приняты следующие сокращения:

< = Р »-•(! +£);

П = Х °Ж (От + 0Г) см 2ЦЯр

где ру — давление на устье скважины, принимаемое равным МО5 Па; к, Н — глубина скважины (текущая и конечная глуби­на соответственно), м; р3 — давление у забоя скважины в восхо­дящем потоке при Л = Я, Па; р — плотность жидкости, кг/м3; Ож, йТ — массовые расходы, соответственно жидкости и газа, кг/с; Т7 — площадь сечения кольцевого канала, м2; Д,—.эквивалентный диа­метр кольцевого канала, м; Т — средняя температура в скважине, °С; Я— газовая постоянная (для воздуха Я = 287 Дж/кг-К); Яс. ч— безразмерный коэффициент сопротивления движения газожид­костной смеси (пены), может быть рассчитан для восходящего потока по следующим формулам:

= + 7Г-); я = 0>009407 , (У1.37)

°г / ^5Г

где X — безразмерный коэффициент сопротивления при движении воздуха; Кг— безразмерный коэффициент Гастерштадта, завися-; щий от рода транспортируемого материала, режима движения по­тока и его свойств. При циркуляции пены со степенью аэрации в пределах а=10-=-80 значения УСР=0,95-г-1,03. Массовый расход воздуха (?Г рассчитывается по формуле (У1.31).

Давление нагнетания пены может быть ориентировочно рассчи­тано по формуле

Рн = Ра + Ал + д Ръ (У1.38)

где Д/?1—давление на преодоление сопротивлений в долоте, колон­ковом наборе и т. п. (принимается из опытных данных Лрг= = 0,0354-0,05 МПа); Др2 — давление на преодоление сопротивле­ний в наземной обвязке (принимается равным —0,05 МПа).

Пример 7. Определить потребное давление нагнетания пены при бурении скважины в многолетнемерзлых породах на глубину 150 м диаметром 93 мм. Бурильные трубы 50МЗ. Температура скважины 7=268 К. Для нагнетания пены используется компрессор ПК-10.

Решение. Объемный расход воздуха определяется подачей компрессора и необходимым расходом воздуха в пеногасительном устройстве. Принимаем рас­ход воздуха для образования пены равным 2 м3/мин (0,033 м3/с).

Расход жидкой фазы (водного раствора ПЛВ) рассчитаем, задаваясь сте­пенью аэрации а=80, тогда

Ут =-¥*- = 4,12-10-* м»/с.

ОС

<?р =

287-268

= 4,29-10-2 кг/с.

Массовый расход жидкости составит С7т=4,12-10-4* 1 -103=0,412 кг/с. Рассчитаем величины, входящие в формулы (У1.35) и (VI.36): 0,009407 Л ЛЛ„Г • 287*268 = 8- 10е; I ————————— =0,0265;

4,29*10~а

2-0,043*4,822.10“в-108

а = 1000

0,412

ЇЛП043 = 1,08-Ю4;

а

4,29-10

1000 ^1 +

6 = 9,8

0,412 Хсм = 0,0265 (і+ 1 4 °д4^ ) = 0.28; 0,412(0,412 + 4,29-10-2)

п = 0,28

= 26,2.

Расчет давления по восходящему потоку у забоя скважины производим по формуле (У1.36) методом последовательных приближений микрокалькулятором «Электроника БЗ-34». Для расчета составлена программа:
5 П9 6 ИПО 7 Рха 8 | 09ИП2 42 | 43 ИПЗ 44 х 45 ИП9 46 + 47 П9 48 ИПО
00 ИПО 01ИП1 02 — 03ИП2 04 + 35ИП5 36 + 37 ПВ 38ИПА 39 ИПВ 40 + 41 Нп	10 х 11 ПА 12 ИПО 13ИП4 14 х 49ИП1 51ИП7 52 х 53 ИП2 54 х 55 ПА
152 16х 17ИПА 18 + 19ИП5 56ИІІ1 57ИП2 58 х 59ИП4 60 + 61 ПВ 62 ИПО	20 + 21 ПА 22ИП1 23 Рха 24 t 63 ИП2 64 х 65ИП4 66 + 67 ИПВ 68 х 69ИП8	25 ИП2 26 х 27 ПВ 28ИП1 29ИП4 70 + 71 ПВ 72ИПА 73 ИПВ 74 +
30 х 31 2 32 х 33 ИПВ 34 + 77ИП6 78 х 79 ПА 80 ИП9 81 ИЛА
75 Ра^ 82 — 76 | 83 С/П

В память вводятся следующие обозначения:

2а “I/Ип (Ь + п)* -а^Ьп агЬп

П4 «- П5-«- П6^-

ап а2п

по­ пи П2« ПЗ^

“Рз ■(I+») а (Ь — п) (Ь + п)»

П7 П8-

Необходимое давление нагнетания пены составит примерно Ян=2,2*105-Ь — Ь0,5’105=3,2-105 Па.

Пример 8. Рассчитать давление нагнетания пены при бурении скважины глубиной 1000 м в трещиноватых породах с водопритоком в скважину до 30 л/мин. Диаметр скважины 76 мм, бурильные трубы 50МЗ. Средняя темпера­тура в скважине 7’=283 К.

Решение. Установленное на буровой оборудование — буровой насос ИГР с дожимным устройством позволяют подавать в скважину газожидкостную смесь с расходом 2 м3/мин (0,033 м3/с) в пересчете на нормальное давление. По опыту бурения с пеной расход жидкой фазы с учетом водопритока в скважину можно принять 35 л/мин. (5,8-10"4 м3/с). Тогда объемный расход воздуха в смеси

составит Уг = 0,033 — 0,58-10“3 = 3,24-10“2 м^с.

Степень аэрации данной газожидкостной смеси на выходе составит

3,24* 10-М-10*

°г =——— ШШ——— = °-04кг/с.

Массовый расход жидкой фазы будет (?ж=0,58 кг/с.

Рассчитаем величины, входящие в формулу (VI.36) для определения дав­ления у забоя скважины в восходящем потоке пены:

TOC o "1-5" h z 0.04 / 0 04

а = 1000 -1—- -287-283 = 5,6* 10е; Ь = 9,8-1000 ( 1 + — ) = 1,05-10*;

0,58 0,58/

Д, = 0,076 — 0,05= 0,026 м; F = 0,785 (0,076*— 0,05а) = 2,57*10“3 м*;

0, 009407 Л / 0,58

1 ■ тш МЗИ: *-1- °-03,4(1 +1 ‘ — М87;

п — 0,487 °.5*(0.5в + 0.04) _

2-0,026*6,6-10~®* 1 • 103

Расчет ведется так же, как сказано в примере 7 с использованием той же программы для данных примера 8, которые вводятся в память по указанной схеме.

В результате расчетов получаем, что давление у забоя в восходящем потоке пены составит 29* 105 Па.

Тогда по формуле (VI.38) получим ориентировочное значение давления нагнетания пены

/>„= 29.10*+ 0,5-10*+ 0,5* 10* = 30-10* Па или 3 МПа, что вполне обеспечивается насосом 11 Гр, .установленным на буровой.

Комментарии запрещены.