УДК: 622.243.14.

 

О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПРОМЫВКИ ПРИ БУРЕНИИ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН

 

кандидат техн. наук Филимоненко Н.Т. (ДонГТУ)

 

Выдержать требование замкнутости гидравлического контура глубоких скважин сложно, так как они, как правило, пересекают трещиноватые зоны природного и техногенного происхождения. В эти зоны уходит дорогостоящая промывочная жидкость. В практике разведочного бурения это явление называется поглощением очистного агента. В настоящее время буровая наука располагает конкретными методами предупреждения и ликвидации поглощений. Однако, попытки их реализовать негативно влияют на непрерывность технологического процесса бурения скважины и не всегда дают положительный результат. Это отрицательно сказывается на технико-экономических показателях геолого-разведочных организаций, находящихся в тяжелейшем экономическом положении. Поэтому, в настоящее время необходима эффективная и ресурсосберегающая технология промывки глубоких скважин в условиях поглощения очистного агента.

Опыт промышленного применения [1] показал, что в таких условиях целесообразно использовать технологию призабойной пульсирующей промывки забоя скважины оставшейся в ней жидкостью, сочетая, при необходимости, данный способ промывки с методом поинтервального тампонирования проницаемой зоны.

Призабойная промывка (рис. 1) создается путем вытеснения жидкости на забой скважины 7 через нагнетательный клапан 4 вытеснительной камеры погружного пневматического вытеснителя 2 сжатым воздухом, периодически подающимся в нее по колонне бурильных труб 1. Вытеснительная камера заполняется через всасывающий клапан 3 за счет гидростатического давления столба жидкости h .

Рабочий цикл T (рис. 2а) погружного пневматического вытеснителя состоит из периодически повторяющихся этапов вытеснения t_в промывочной жидкости и заполнения t_зап ею вытеснительной камеры. Поскольку на этапе заполнения промывка забоя скважины отсутствует, внутрискважинная циркуляция носит явно выраженный пульсирующий характер.

Технология обладает следующими преимуществами. Экономична, так как нет необходимости доставки на объект работ промывочной жидкости. Экологична, поскольку осуществляется естественным очистным агентом без специальных реагентов, практически весь спектр которых токсичен. Однако, возможности ее реализованы далеко не полностью. Одна из причин - необоснованное, по мнению автора, ограничение применения пульсирующей промывки по глубине скважины. Поэтому, была поставлена задачу теоретически доказать и подтвердить в производственных условиях возможность применения пульсирующей промывки скважины в глубоких скважинах.

Известна формула (1) [2] для расчета минимально допустимой скоростью восходящего потока очистного агента V_в, при пульсирующей промывке скважины. Она используется при расчете режимных параметров внутрискважинной пульсирующей промывки неглубоких (100-250) м разведочных скважин.

,

((1)

где С - скорость выноса шлама восходящим потоком, м/с; U - скорость оседания шлама, м/с; t_в - длительность этапа вытеснения, с; t_з - длительность этапа заполнения вытеснительной камеры, с.

При бурении глубокой скважины, давление сжатого воздуха в вытеснительной камере за счет которого осуществляется вытеснение промывочной жидкости на забой скважины, будет небольшим. Причины этому - потери давления по длине колонны бурильных труб глубокой скважины и низкое максимально возможное давления сжатого воздуха в ресивере двухступенчатого компрессора (до 0.9 МПа). Поэтому, последний не может обеспечить вытеснение промывочной жидкости со скоростью восходящего потока соизмеримой с минимально допустимой, определяемой по формуле (1).

Покажем, что расчеты V_в, выполняемые по (1), дают завышенные значения Перечислим факторы, завышающие V_в.

Необходимость завышения  аргументировалась тем, что скорость выноса шлама  должна обеспечить его подъем на такую высоту, которая компенсировала бы его оседание со скоростью U на этапе заполнения вытеснительной камеры,  (рис. 2б), когда отсутствует промывка. Это и учитывала логика вывода формулы (1). Принимая во внимание то, что процесс седиментации изучен Риттингером, был проведен расчет расстояния, на которое переместится шлам при седиментации во время заполнения вытеснительной камеры t_з. Расчет показал, что даже при самых неблагоприятных условиях (тяжелые породы, значительное обогащение шламом промывочной жидкостью с наличием крупных частиц в нем, большое время заполнения вытеснительной камеры ( > 20 c)) величина U не превышает 3.5 м. Это расстояние значительно меньше суммарной длины колонковой и наружной шламовой труб. Поэтому, оседания шлама на забой скважины на этапе заполнения вытеснительной камеры рабочего цикла пневматического вытеснителя не будет. Таким образом, величина , входящая в формулу (1) необоснованно завышает значение V_в.

Тогда минимально необходимую скорость восходящего потока V_в  можно определить из выражения (2).

(2)

Однако сама формула (2) и расчет входящего в нее параметра С требует уточнения. Последний рассчитывается по принятой для колонкового бурения формуле (3) [4], исходя из рекомендуемой при бурении с прямой промывкой разности

Рис.2 Совмещенные графики рабочего цикла пневматического вытеснителя и перемещения шлама на рабочем цикле.

 

плотностей восходящей r_ж^в и нисходящей r_ж^н жидкости, обеспечивающей вынос шлама на дневную поверхность при условии равномерной зашламованности столба жидкости.

,

(3)

где S₁ и S₀  - соответственно площади забоя и кольцевого пространства между стенками скважины и бурильными трубами, м²; V_м - механическая скорость бурения, определяемая по справочнику укрупненных сметных нормативов (СУСН), м/с; Z - коэффициент, учитывающий винтообразное движение частиц вследствие вращения бурового снаряда. Для ньютоновской и неньютоновской жидкости r_ж^в-r_ж^н рекомендуется соответственно 10 кг/м³ и 20-30 кг/м³ [3] .Однако, призабойная пульсирующая промывка не обеспечивает вынос шлама на дневную поверхность по причине отсутствия замкнутости гидравлического контура скважины. Шлам должен быть поднят до верхнего торца наружной шламовой трубы 5, (рис.1) находящейся в нижней части столба жидкости, и максимально собраться в ней, а не выноситься потоком в пространстве между стенками скважины 7 и бурильными трубами 1 в верхнюю часть столба жидкости. В нем жидкость должна быть минимально зашламованна, поскольку именно оттуда она через всасывающий клапан 3 поступает в вытеснительную камеру 2. По этой причине этот интервал скважины можно назвать зоной нежелательного нахождения зашламованной жидкости. Поэтому, плотность обогащенной шламом жидкости, циркулирующей в призабойной части r_ж^в, (восходящий поток) будет превышать плотность жидкости верхней части ее столба r_ж^н, откуда она поступает в вытеснительную камеру 1 и вытесняется сжатым воздухом на забой скважины (нисходящий поток). Таким образом, обеспечивая условие неравномерности зашламования столба жидкости в скважине, формула для расчета С будет иметь вид:

(4)

Сокращающие выраженияG₁, G₂ , G₃ иG₄, входящие в (4) имеют следующий вид:

;;;

.

где d_с - диаметр скважины, м; d₄ - диаметр керна, м; d₂^н - наружный диаметр бурильной трубы, м; d₃^н  - наружный диаметр колонковой и шламовой трубы, м; l₃, l_ш - длины соответственно колонковой и шламовой труб, м; i - коэффициент, учитывающий процент извлечения керна.

После корректирования формулы для расчета С,  покажем необходимость уточнения применения (4) при расчете V_в  по формуле (2). Для аргументирования вышесказанного показан теоретический график перемещения шлама за период рабочего цикла T пневматического насоса (рис. 2б), из которого видно, что величина С не постоянна. Процесс движения шлама будет корреллировать с характером изменения интенсивности восходящего потока (рис. 2а), прогноз которого выполняется по разработанной и экспериментально подтвержденной автором теории [5] применительно к любому очистному агенту. Таким образом, зная изменение скорости восходящего потока V_в на этапе вытеснения (участок АВС), мы можем рассчитать и степень ее изменения e, путем определения среднеарифметического от суммирования отношений текущего значения прогнозируемой скорости V_вⁱ к максимальному V_в^max на всем этапе вытеснения. Аналитически это будет выглядеть:

(5)

Учтем изменение С, путем умножения последней на e. Таким образом, с учетом всех приведенных выше рассуждений, формула для расчета минимально необходимой скорости восходящего потока при призабойной пульсирующей промывке будет иметь вид:

(6)

В табл.1 и табл.2 приведены значения соответственно С и v_в, полученные при расчетах по формулам (3), (4) и (1), (6) для скважины глубиной 1000 м конечным диаметром 0.093 м с высотой столба жидкости в ней 50 м. Для подачи сжатого воздуха используется компрессор производительностью 0.0083 м³/с при давлении сжатого воздуха в ресивере 0.5 Мпа.

 

Таблица 1. Значения С, полученные по формулам (3) и (4).

Формула, по которой выполнялся расчет С
Рассчитанное значение С, м/с	0.4039	0.2038

 

Таблица 2. Значения v_в, полученные по формулам (1) и (6).

Формула, по которой выполнялся расчет vв.
Рассчитанное значение vв, м/с	0.5992	0.2507

Из табл. 1 и табл. 2 видно , что значения С и v_в, рассчитываемые по формулам (3) и (1) отличаются примерно в два раза. Полигонные испытания подтвердили возможность призабойной пульсирующей промывки скважин со скоростью восходящего потока промывочной жидкости, определяемой по формуле (6). Таким образом, опасение применения данного способа промывки при бурении скважин большой глубины скорее субъективно, чем обоснованно.

 

Библиографический список

 

1. Филимоненко Н.Т., Пилипец В.И. Некоторые результаты производственных испытаний технологии бурения скважин с применением погружного пневмонасоса. -Донецк, ДПИ, 1984. -10с. -Деп. В УкрНИИНТИ 12.10.1984 N1734 Ук.84.

2. Филимоненко Н.Т., Ивачев Л.М., Чистяков В.К. Расчет необходимой скорости восходящего потока промывочной жидкости при промывке скважины пульсационным пневмонасосом. -Донецк, ДПИ, 1985. -7с. -Деп. в Укр НИИНТИ 14.03.85 N1737 Ук.85.

3. Ивачев Л.М. Промывочные жидкости и тампонажные смеси :Учебник для ВУЗов. -М.:Недра, 1987. -242 с.

4. Сулакшин С.С. Основы теории разрушения горных пород и удаления продуктов разрушения при бурении скважин. Томск, изд ТГУ, 1964 -264 с.

         5. Филимоненко Н.Т., Комарь П.Л. К вопросу прогнозирования интенсивности призабойной пульсирующей промывки применительно к неньютоновской жидкости. // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. -1993.- Вып.16. - с. 40-49.