Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В последние годы быстро развиваются тепловые способы бурения, а также способы применения холода для повышения выхода и качества керна, временного закрепления влажных, обводненных неустойчивых пород и борьбы с потерями цирку­ляции.

В связи с ростом глубин скважин и интенсификацией про­цессов бурения, применением тепла и холода как технологиче­ских средств, распространением буровых работ в полярных районах температура в скважине становится одним из основ­ных параметров режима бурения.

Все это ставит задачу изучения температурного режима бу­рящейся скважины в целях его сознательного регулирования и нормализации.

Нагрев и охлаждение породоразрушающего инструмента при бурении. В процессе бурения породоразрушающий инстру­мент нагревается за счет совершаемой на забое механической работы. Можно считать, что вся развиваемая на забое механи­ческая энергия переходит в тепловую. (По данным Л. А. Шрей — нера физический к. п. д. разрушения породы при бурении не превышает 0,01 %). Генерируемое на забое тепло поступает в тело инструмента и частично в породу. Промывочная среда, омывающая инструмент, в результате конвективного теплооб­мена отводит поступающее тепло. В определенный момент до­стигается тепловой баланс — количество поступающего в еди­ницу времени тепла становится равным отводимому охлаждаю­щей средой. При этом в теле инструмента устанавливается постоянное поле температур.

За меру нагрева бурового инструмента может быть принята усредненная температура торца <т, для определения которой в случае бурения кольцевыми коронками служит формула

. 2к — f *0, (2.43)

п — у/ («^ + а2г>2) (Г>2 — о) 2вср где N — мощность, затрачиваемая на забое, Вт; в — массовый

расход промывочной среды, кг/с; ср— удельная теплоемкость среды при постоянном давлении, Дж/(кг-°С); аь а2 — коэффи­циенты теплоотдачи в зазорах соответственно между коронкой м керном, между коронкой и стенками скважины, Вт(м2 • °С); Е>и £>г — внутренний и наружный диаметры короночного кольцу, м; г!0 — начальная температура промывочной среды, °С; к— ко­эффициент, учитывающий распределение тепловых потоков,

к =——— ■—• (2.44)

^-2 V С1 4“ V

где Яь 1.2 — коэффициенты теплопроводности материала ко­ронки и буримой породы, Вт/(м>°С); аи йг — коэффициенты температуропроводности материала коронки и буримой по­роды, м2/с.

Коэффициенты теплоотдачи сц и аг, зависящие от условий и режима движения промывочной среды, определяются по фор­муле

<* = N11 —, (2.45)

Ъэ

где К — коэффициент теплопроводности промывочной среды, Вт/ (м • °С); Оэ — эквивалентный диаметр соответствующего кольцевого канала, м; 1Чи — параметр Нуссельта.

Для сжимаемой среды (воздуха)

1Ми= 0,018Не°’8, (2.46)

для жидкости (приближенно)

N11 = 0,02Ще°’8Рго,’,3> (2.47)

где Ие — параметр Рейнольдса, определяемый из формулы

(2.21) , (2.47); Рг — параметр Прандтля.

При ориентировочных расчетах можно принимать: для стали Я1 = 45 Вт/(м-°С); а=1,11-10~6 м2/с; для большинства горных пород 7.2=0,6-М,8 Вт/(м-°С), й2=2,5ч-7,5• 10-7, для промывочных агентов (при средней температуре 20 °С) —для воды Я,=0,58 Вт/(м-°С); ср=4,19-103 Дж/(кг-°С), Рг = 7,0; для нормального глинистого раствора Л=1,75 Вт/(м-°С), ср= = 3,15’103 Дж/(кг-°С), Рг = 10ч-40 (тем больше, чем выше вязкость); для воздуха Я,=0,023 Вт/(м-°С), ср= 1 • Ю3Дж/(кгХ Х°С). Необходимые при расчетах значения мощности, разви­ваемой на забое при алмазном, твердосплавном и других спо­собах бурения, определяются с помощью зависимостей, приве­денных в главе 1.

Формула (2.43) показывает, что эффективность охлаждения бурового инструмента зависит главным образом от расхода промывочной среды, ее теплоемкости и начальной температуры и от поперечных размеров (геометрии) коронки. Наилучшее охлаждение обеспечивает вода, наихудшее — воздух; глинистые

и прочие растворы занимают промежуточное положение. Ре­зультаты расчетов по формуле (2.43) для случая бурения твер­досплавной коронкой МР-2 диаметром 93 мм с использованием различных промывочных агентов при реализуемой на забое мощности 2,2 кВт и для случая бурения алмазной коронкой диаметром 59 мм с продувкой воздухом при различных значе­ниях забойной мощности представлены на рис. 2.32.

При бурении с продувкой условия охлаждения хуже, чем при промывке, из-за весьма малой плотности и теплоемкости

0-246 0,мг/мин Рис. 2.32. График расчетной зависимости температуры на торце коронки от расхода воздуха и забойной мощности: с —коронка армирована твердыми сплавами; / — воздух; 2 — глинистый раствор; 3 —* вода; б — алмазная коронка

воздуха. Распространенное в литературе утверждение о резком охлаждении воздуха в зоне забоя скважины (до отрицатель­ных температур) за счет адиабатического расширения оши­бочно. В действительности при отсутствии теплообмена нагре­того инструмента с породами здесь имеет место адиабатиче­ский процесс течения газа с трением, и снижение температуры за счет расширения воздуха должно определяться по формуле

А^-^1 = — 0.0005(&2—о?), °С, (2.48)

где 1>1, и2 — скорости движения воздуха до и после истечения в кольцевое пространство, м/с; & — показатель адиабаты (для воздуха &=1,41); Н — газовая постоянная (для воздуха нор­мальной влажности /? = 29,34).

Эффект охлаждения (при бурении) не превышает десятых долей градуса, так как при истечении воздух не совершает

механической работы и снижение его температуры возможно лишь за счет перехода внутренней тепловой энергии в кинети­ческую, прирост которой незначителен. Фактически же в про­цессе бурения воздух, охлаждая инструмент, сильно нагре­вается.

Задача надежного охлаждения инструмента ставится осо­бенно остро при алмазном бурении с продувкой. Она решается путем совершенствования геометрии инструмента, что сводится в основном к повышению поверхности теплообмена и обеспече­нию повышенных расходов воздуха с одновременным сниже­нием различными способами его начальной температуры.

Температурный режим бурящейся скважины и его регулирование

Под влиянием высоких температур и давлений на больших глубинах активизируются процессы химического взаимодейст­вия между отдельными компонентами бурового раствора, между раствором и проходимыми породами. Растворы утрачи­вают свои полезные реологические свойства. Пресные утяже­ленные растворы необратимо загустевают, соленые теряют структуру, разжижаются, из них выпадает утяжелитель. При температурах 180—200 °С существующие способы химической обработки растворов для повышения термостойкости оказыва­ются бессильными.

Высокие температуры отрицательно влияют на работу элек­тробуров и турбобуров, на стойкость долот, существенно ус­ложняют процессы обсадки и цементирования колонн.

Борьба с осложнениями из-за высоких температур представ­ляет собой одну из главных проблем сверхглубокого бурения.

В обширной области распространения многолетнемерзлых пород учет температурного фактора, поддержание темпера­туры в стволе в определенных пределах является основным ус­ловием успешного бурения скважин. Это же относится к буре­нию скважин в сплошных льдах Антарктиды, Гренландии, гор­ных ледников.

Под температурным режимом бурящейся скважины пони­мают распределение температуры циркулирующей промывоч­ной среды в бурильной колонне и кольцевом пространстве скважины в зависимости от глубины бурения, продолжительно­сти циркуляции, свойств промывочной qpeды, ее расхода и на­чальной температуры, свойств окружающих пород, возрастания их температуры с глубиной и других факторов.

В общем случае бурения глубокой скважины с промывкой раствором температура последнего в нисходящем потоке непре­рывно возрастает за счет теплообмена через стенку бурильной колонны с восходящим по кольцевому каналу потоком рас­твора, имеющего более высокую температуру. У забоя раствор претерпевает местный нагрев за счет тепла, воспринимаемого им при охлаждении работающего долота (забойного двига­теля). Поднимаясь от забоя, раствор продолжает нагреваться за счет теплообмена’ с окружающими породами, достигает мак­симальной температуры, а затем охлаждается, отдавая накоп­ленное тепло нисходящему потоку в трубах и породам, имею­щим в верхних горизонтах меньшую температуру. Теплообмен сопровождается выделением тепла за счет гидравлической ра­боты трения потока. Интенсивность теплообменных процессов непрерывно изменяется во времени за счет изменения темпера­турного состояния окружающих скважину пород, нижние гори­зонты которых постепенно охлаждаются, а верхние нагре­ваются.

Сложная задача о нестационарном (зависящем от времени) температурном режиме скважины находит наиболее простое решение на основе использования коэффициента нестационар­ного теплообмена между потоком промывочной среды и ок­ружающим горным массивом. В этом случае задача сводится к решению неоднородного линейного дифференциального урав­нения второго порядка с постоянными коэффициентами для температуры в нисходящем потоке, функционально связанной с температурой в кольцевом канале. Окончательные аналити­ческие выражения для распределения температуры по глубине И при конечной глубине скважины Н (для простоты — без учета выделения тепла за счет гидравлической работы трения) имеют вид:

для нисходящего потока в бурильной колонне

= + ^—0(-^—А (2.49)

V кп )

где

Аглг*н + В Аг. ег’н+В

«1————————— ; гц~

Е Е

для восходящего потока в кольцевом канале

/2 = №2е |Л-)-п2® ! (2.50)

где

Агрг*н — ь В^ Аг./’н + В —

Та Тл

т2 =—————- —; п2=——————————

В этих формулах А, В, Е — сокращающие обозначения

Сс Л п кп д ,

где г, г2 — корпи характеристического уравнения

» Кс, „ Л?»2 ьгч

±Л/~+М°

где /гх—коэффициент теплопередачи через стенку бурильной трубы, Вт/(м-°С).

к ————— г-1—————- (2.51)

1 ■ 1 -1п. а* ■

2^^ с! 1

Прирост температуры промывочной среды у забоя за счет ох­лаждения работающего долота (забойного двигателя)

Д/3=103 —, (2.52)

вер

где — начальная температура промывочной среды, нагнета­емой в бурильные трубы, °С; ?0 — условная постоянная темпе­ратура поверхности (температура нейтрального слоя), °С; о — геотермический градиент, °С/м; /г, Н, Б — глубина (текущая координата), конечная глубина и диаметр скважины, м; О, ср — массовый расход и удельная теплоемкость промывочной среды, кг/с и Дж/(кг-°С); к, т —коэффициент нестационарного теплообмена, Вт/(м-°С); си, а2 — коэффициенты теплоотдачи во внутреннем канале бурильных труб и в кольцевом простран­стве, определяемые по формулам (2.45) — (2.47), Вт/(м2>°С); йи с1’2 — внутренний и наружный диаметры бурильной трубы, м; Хст — коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(мХ Х°С); N — развиваемая на забое мощность, кВт.

При технологических расчетах значения коэффициента не­стационарного теплообмена 1гт можно определять по прибли­женной формуле

Ъ————- =г. (2-53)

1 + В1 у Ро

где Ъ = а2Р>1п — параметр Био; Ро = апт/Я2 — параметр Фурье; 7П, ап — коэффициенты теплопроводности и температуропро­водности пород массива соответственно, Вт/(м-°С), м2./с; х — время (продолжительность циркуляции), с; — радиус сква­жины, м.

Приведенные выражения пригодны для практических рас­четов по прогнозированию и регулированию температурного режима скважин при любом виде промывочной среды и любой длительности циркуляции после продолжительного простоя, в течение которого в массиве восстанавливается естественное поле температур.

На рис. 2.33 показан график расчетного распределения тем­пературы раствора через 2 ч после начала циркуляции при ро­торном бурении в зависимости от расхода раствора и интенсив­ности теплообмена между нисходящим и восходящим потоками. В обычном случае глубокого бурения с жидкостной промывкой прирост температуры раствора на забое Atз мал, максимум температуры ^шах устанавливается вблизи забоя и по величине близок к призабойной £в — С увеличением расхода раствора тем­пература у забоя tз снижается, а на выходе из устья может не­значительно возрастать.

Рис. 2.33. График расчетного рас­пределения температуры по стволу бурящейся скважины: а — при расходе 40 л/с; б — при рас­ходе 20 л/с; пунктирные линии — при теплоизолированной бурильной ко­лонне и расходе 20 л/с

Расчеты и подтверждающие их натурные измерения показы­вают, что при глубоком бурении снижение начальной темпера­туры раствора £)н практически не сказывается на температур­ных условиях в призабойной зоне, вызывая лишь снижение устьевой температуры.

В то же время увеличение вязкости раствора или умень­шение частоты вращения ко­лонны вызывает некоторое сни­жение 1Я и возрастание /у, что объясняется снижением интен­сивности теплообмена между’ нисходящим и восходящим по­токами-.

Резкое снижение теплового взаимодействия между встреч­ными потоками может быть до­стигнуто за счет теплоизоляции бурильной колонны с помощью синтетических материалов с од­новременной защитой от коррозии. При этом нисходящий поток практически не участвует в теплообмене, коренным образом ме­няется характер распределения температуры в глубокой сква­жине (см. рис. 2.33). Призабойная. температура?3 приближается к начальной tu^, максимум температуры снижается по абсолют­ной величине н перемещается в верхнюю (обычно обсаженную) часть скважины, температура на выходе из устья /у возрастает. Последнее способствует экономичному охлаждению горячего раствора в простейших градирнях, эффективному тепловому «дренажу» без применения машинного холода. Теплоизоляция бурильной колонны устраняет нерациональные потерн холода в процессе его транспортирования к забою.

Близкое к описанному изменение характера распределения температуры по’скважине можно получить и без теплоизоля­
ции колонны за счет добавления в раствор полимеров типа по — лиоксиэтилена или гуаровой смолы в количестве 0,01—

0, 03 вес. %• Длинные молекулы этих полимеров резко снижают турбулентность, в силу чего в несколько раз уменьшается ин­тенсивность теплообмена между потоками. При этом снижа­ются также потери энергии на гидравлическую работу трения.

Возможности химической обработки растворов для повыше­ния термостойкости не безграничны. На основе сочетания теп­лоизоляции бурильной колонны с охлаждением раствора на поверхности и применения снижающих турбулентность поли­мерных добавок возможно принудительное регулирование и нормализация температурного режима глубоких и сверхглубо­ких скважин.

Для прогнозирования температурных условий в глубоких скважинах часто достаточно знать лишь призабойную темпера­туру. Приняв в выражении (2.50) к = Н, а также для условий глубокого бурения с жидкостной промывкой г2е 2Н = 0 и At = 0, получим определение призабойной температуры простой рас­четной формулой

£3 = (^щ—£(Н———————— е J ^—————- Мо~Ь°^> (2.54)

кп } тх) г2

При колонковом разведочном бурении с жидкостной про­мывкой в большинстве случаев можно принимать о=0, что дает следующую приближенную формулу для забойной темпе­ратуры:

и = &н-*п) (1 — -^)еГаН + (2.55)

где /п — средняя по глубине естественная температура пород массива, °С.

Температурный режим скважины при бурении с продувкой существенно отличается от случая жидкостной- промывки. В силу малых значений плотности и теплоемкости воздуха (газа) при различных температурах он песет с собою в не­сколько десятков раз меньший запас тепла (холода), чем про­мывочная жидкость. По этой причине его температура с глу­биной скважины быстро приближается к температуре окру­жающих горных пород и сильно возрастает в призабойной зоне (Д£3) за счет тепла, выделяющегося при работе породоразру — щающего инструмента. На величину температуры в скважине оказывает влияние массообмен (испарение или конденсация влаги).

Приближенное распределение температуры воздуха (газа) при колонковом бурении с продувкой определяют с помощью зависимостей (2.49) и (2.50), принимая в нихг2еГ2Н = 0 и а=0.

Для определения призабойной температуры в этом случае служит упрощенная формула

^з = (^1н-иГ1 —+ ^п. (2.56)

V Н) Сс г2

При бурении с продувкой температурный фактор играет весьма важную роль, в особенности при использовании алмаз­ного инструмента, а также при бурении в многолетнемерзлых породах.

Многолетнемерзлые породы обладают рядом специфических особенностей, затрудняющих бурение скважин. Слабосвязные рыхлые отложения, а также разрушенные скальные породы, сцементированные в мерзлом состоянии льдом, весьма чувстви­тельны к нарушению их естественной температуры. Обладая высокой прочностью в мерзлом состоянии, при оттаивании та­кие породы могут полностью терять связность и устойчивость. Любые горные породы с отрицательной естественной темпера­турой, в том числе не содержащие льда монолитные скальные, усложняют процесс бурения, поскольку являются аккумулято­рами холода.

Для обычной практики бурения по мерзлым породам ти­пичны две группы осложнений.

1. Осложнения, вызываемые протаиванием и потерей связ­ности сцементированных льдом рыхлых пород под влиянием тепла, вносимого в скважину циркулирующей промывочной средой и выделяющегося за счет механической работы снаряда. Они выражаются в просадочности, оползании, обвалах породы, прихватах инструмента и обсадных труб, смятии и самопроиз­вольном опускании последних, в снижении выхода и качества керна и др.

2. Осложнения, вызываемые замерзанием циркулирующей в скважине промывочной среды на водной основе за счет теп­лообмена с мерзлым массивом. Они выражаются в образовании ледяной шуги, прихватах инструмента при извлечении, в пол­ном перемерзании скважины.

Причиной этих осложнений является нарушение нормаль­ного температурного режима скважяны, при котором интенсив­ность теплообменных процессов между мерзлым массивом и циркулирующей средой остается в допустимых пределах, не вызывающих изменения их фазового состояния.

Применение незамерзающих солевых растворов не устра­няет опасности протаивания мерзлоты, если не поддерживать их температуру в пределах отрицательных значений.

При бурении мерзлых пород с продувкой осложнения вто­рой группы устраняются полностью, а острота проявления ос­ложнений первой группы в силу малой плотности и теплоемко­сти воздуха резко снижается. Однако, поскольку сжатый воз­дух выходит из компрессора с высокой температурой ( + 70-т-

-ь+80 °С), протаивание мерзлоты с потерей связности часто наблюдается на практике, особенно в летнее время. Возникают, 1 кроме того, специфические осложнения, связанные с выпаде­нием и замерзанием конденсата при охлаждении горячего воз­духа в скважине и выражающиеся в образовании сальников, ледяных пробок, в прихватах и прижогах инструмента. Выпа­дение и замерзание конденсата особенно отрицательно сказы­ваются при пневмоударном бурении.

Радикальным средством предупреждения всех этих ослож­нений, а также полезным средством нормализации температур-

а

б

-2040 0 10 20 -40-30-2040 п0 10 20

Рис. 2.34. График распределения температуры в бурильных трубах и коль­цевом пространстве скважины диаметром 180 мм (бурение на россыпях) при расходе воздуха 9 м3/мин, конечных глубинах 50, 100, 150 м, продолжитель­ности циркуляции 2 ч и различных начальных температурах нагнетаемого в скважину воздуха:

а — (+30 °С), б—(—6 СС), в—(—30 °С); 1—температура в бурильных трубах; 2 — температура в кольцевом пространстве —

ного режима алмазного инструмента при бурении с продувкой является охлаждение сжатого воздуха.

На рис. 2.34 приводятся графики распределения темпера­туры воздуха в зависимости от его начальной температуры и глубины скважины в случае колонкового бурения при разведке россыпи твердосплавной коронкой диаметром 180 мм по мерз­лым суглинкам (£„ = —3°С; рп=2070 кг/м3; сп=1,22-10_3

Дж/(кг-°С); Кп = 2,32 Вт/(м-°С) с использованием бурильных труб диаметром 63,5 мм. Расход воздуха 9 м3/мин, развиваемая на забое мощность 3 кВт.

Кривые на рис. 2.34 показывают, что температура в сква­жине не превышает температуры мерзлых пород лишь при ма­лых глубинах и охлаждении воздуха до —30 °С. С увеличе­нием глубины до 100—150 м температура воздуха в призабой1- ной зоне достигает положительных значений. Кратковременное воздействие положительных температур воздуха порядка 5-н ^10 °С на окружающие мерзлые породы в призабойной зоне

скважины при непрерывно движущемся забое не приводит к их протаиванию с потерей связности, сохраняется также естест­венное мерзлое состояние керна.

Однако наилучшие условия для бурения в мерзлых породах могут быть, когда ни в одной точке скважины температура не выходит’ за пределы отрицательных значений, это достигается за счет сочетания охлаждения воздуха на поверхности и тепло­изоляции бурильной колонны.

В зимний период охлаждение сжатого воздуха до низких отрицательных температур легко осуществить с помощью реб­ристо-трубчатого теплообменника с большой теплопередающей поверхностью и вентилятора для принудительного продувания атмосферного воздуха. Для борьбы с обледенением теплооб­менника его прогревают в перерывах между рейсами за счет выключения вентилятора и спускают конденсат.

В летний период даже в районах Крайнего Севера необхо­дима двухступенчатая система охлаждения. Первая ступень аналогична описанной выше и служит для охлаждения пода­ваемого компрессором горячего сжатого воздуха до темпера­туры атмосферного. Вторая ступень предназначена для охлаж­дения воздуха до отрицательных температур.

В Ленинградском горном институте разработаны и испы­таны при бурении в Якутской АССР и Магаданской области две системы охлаждения сжатого воздуха, различающиеся устройством второй ступени охлаждения. Первую ступень в обоих случаях составляет компактный ребристо-трубчатый теплообменник КВ-30 (теплопередающая поверхность 30 м2) с осевым вентилятором МЦ-5.

Воздушная холодильная машина ВХМ-ЛГИ в качестве вто­рой ступени имеет поршневой детандер-пневмодвигатель ДР-5У, в котором охлаждение сжатого воздуха от температуры 20—■

1,5 °С до —15 —20 °С происходит за счет частичного расшире­ния с отдачей внутренней тепловой энергии в виде внешней механической работы, полезно затрачиваемой на привод вен­тилятора первой ступени. Достоинством этой системы является простота изготовления и обслуживания, недостатком — значи­тельные потери давления воздуха в детандере (с 0,7-70,8 до 0,2—0,3 МПа). Поэтому установка ВХМ-ЛГИ примеиима лишь при бурении мелких скважин при инженерных изысканиях.

Более совершенна и универсальна установка для охлажде­ния сжатого воздуха ОСВФ-ЛГИ с фреоновой парокомпресси­онной холодильной машиной в качестве второй ступени. Ее фреоновый компрессорно-конденсаторный агрегат имеет холо — — допроизводительность Ю тыс. Дж/ч при температуре кипения — фреона — 15 °С.

Обе установки рассчитаны на охлаждение сжатого воздуха в количестве 10 м3/мин до отрицательных температур в летний период при температуре атмосферного воздуха до 25 °С.

Опыт колонкового бурения по сцементированным льдом — рыхлым мерзлым породам с продувкой охлажденным воздухом показывает, что помимо высокого выхода и качества керна, со­хранения его естественной криологической структуры этот спо­соб обеспечивает рост производительности в 3—4 раза по срав­нению с широко применяемым в районах распространения мно­голетней мерзлоты способом бурения «всухую».

При бурении глубоких скважин с продувкой наряду с ох­лаждением сжатого воздуха на поверхности и теплоизоляцией бурильной колонны целесообразно применение пневматического забойного двигателя. Это мероприятие позволяет почти пол­ностью устранить местный прирост температуры воздуха в зоне забоя, поскольку механическая работа породоразрушающего инструмента производится в этом случае за счет внутренней тепловой энергии воздуха.

Бурение с одновременным замораживанием проходимых пород

Сущность способа бурения с одновременным заморажива­нием проходимых пород заключается в том, что за счет тепло­обмена промывочной среды — холодоносителя с влажными пли обводненными слабосвязными породами непосредственно в про­цессе бурения происходит их замораживание, опережающее за­бой. При этом в забое, в стенках скважины и керна непрерывно поддерживается прочная ледогрунтовая корка, устраняются по­тери циркуляции, обеспечивается устойчивость пород, достига­ется высокий выход керна.

Точное решение одномерной задачи о бурении с одновре­менным замораживанием может быть получено на основе ме­тодики движущегося плоского стока тепла со специальным ус­ловием Стефана на границе раздела талой и мерзлой зон. В прикладных расчетах физические и теплофизические свой­ства одцой и той же породы в мерзлом и талом состояниях можно считать неизменными. Тогда основная аналитическая зависимость для скорости бурения с замораживанием приобре­тает следующий простой вид:

^___ ап Сп ^заб) /£ 57)

г -71Г + сГ1<п

где 5 — механическая скорость бурения с замораживанием, м/ч; г — толщина ледогрунтовой корки забоя, м; ап — коэффи­циент температуропроводности породы, м2/с; с„ — удельная теп­лоемкость породы, Дж/(кг-°С); /„ — естественная температура породы, °С; ц — скрытая теплота плавления льда (д = 3,35Х Х105 Дж/кг); И?—активная влажность породы в долях еди­ницы; *заб — температура поверхности забоя, °С.

Из формулы (2.57) могут быть получены расчетные зависи­мости для определения толщины ледогрунтовой стенки г и тем­пературы поверхности забоя /Заб при прочих известных усло­
виях. Выразив температуру забоя через коэффициент теплоот­дачи а и температуру промывочной среды — холодоносителя, зависящую от развиваемой на забое мощности N и температур­ного режима скважины в целом, можно получить расчетные за­висимости для всех основных параметров режима бурения с одновременным замораживанием.

Рис. 2.35. График зависимости глубины промораживания породы забоя от меха­нической скорости бурения: а—прн продувке воздухом с начальной температурой *1= —20 °С; б—при промывке солевым раствором ЫаС1 с начальной тем­пературой /1 — —20 °С: / — влажность породы 15 %; 2-10 %; 3 — 5 %

Важнейшими факторами, определяющими глубину опере­жающего забой замораживания г, являются свойства холодо­носителя, его расход и на­чальная температура, а также механическая ско­рость бурения.

На рис. 2.35 приводятся расчетные зависимости глу­бины промораживания за­боя г от механической ско­рости бурения с продувкой воздухом и промывкой вод­ным раствором №С1 при одинаковой начальной тем­пературе холодоиосителей 1=—20 °С и различной влажности породы типа су­глинков. Графики показы­вает, что при продувке воздухом промораживание забоя полностью прекра­щается уже при скоростях бурения менее 1 м/ч, тогда как при жидкостном холодоносителе в силу во много раз большего запаса холода ледогрунтовая корка на забое толщиной в несколько миллиметров сохраняется при вполне приемлемых скоростях бурения.

Опыты по бурению с замораживанием влажных оболовых песков на Кингисеппском месторождении фосфоритов, прове­денные ЛГИ совместно с Ленинградской комплексной геологи­ческой экспедицией с использованием в качестве холодоноси­теля керосина, охлажденного сухим льдом до температуры —30ч—45 °С, показали техническую и экономическую пер­спективность этого нового способа бурения.

Комментарии запрещены.