ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СКВАЖИН ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ СПОСОБЕ БУРЕНИЯ

Автор: Юшков И.А., Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина

Обеспечение устойчивости стенок пробуренной скважины – проблема, с решением которой приходится сталкиваться при бурении скважин независимо от их назначения и глубины. Описанием процессов, происходящих в горных породах при проведении буровых работ, посвящены многочисленные исследования, а наиболее значительных результатов в этой области добились Б.В.Байдюк, Л.А.Шрейнер, А.А.Шамсиев, Р.С.Яремийчук.

В Донецком государственном техническом университете при проведении конструкторско-технологических работ, направленных на создание новых технических средств морского бурения, определился ряд вопросов, связанных с устойчивостью скважины, которые ранее не исследовались. В частности, разрабатываемая в ДонГТУ технологическая схема многорейсового поинтервального бурения погружными пробоотборниками не предусматривает применения обсадных труб или специальных глинистых растворов, традиционно используемых как способ закрепления неустойчивых стенок скважины [2]. В связи с этим, для проверки работоспособности и безаварийности предлагаемой технологии морского бурения потребовались специальные исследования, призванные, во-первых, оценить стабильность стенок скважины и форму ее ствола при непрерывном воздействии на них движущегося потока жидкости и, во-вторых, изучить особенности формирования приустьевой зоны скважины. Специфика второй задачи заключается в том, что она чрезвычайно важна с точки зрения определения размеров опорных элементов подводной стабилизирующей рамы морского пробоотборника, но совершенно не актуальна для бурения с поверхности земли.

Очевидно, что необходимости в проведении фундаментальных теоретических разработок описанных выше проблем нет, поскольку результаты таких исследований не нашли бы широкого применения ни в практике наземного бурения, ни в глубоководных морских изысканиях. В этом случае предпочтение все же отдается бурению с колоннами водоотделяющих и бурильных труб, а не бурению автономными пробоотборниками. Поэтому решение поставленных задач проводилось путем экспериментальных исследований методами физического моделирования.

При постановке экспериментов исходили из предположения, что на размеры и форму скважины и воронки оказывают влияние как технологические факторы (количество жидкости Q, время размыва tp, глубина бурения L), так и факторы, обусловленные физико-механическими свойствами пород (влажность W, плотность сложения Pq, средний диаметр частиц грунта dср):

Dскв, dвор. = f (Q, tp, L, W, Pq, dср)

Эксперименты проводились на стенде, включающем буровой насос НБ4-320/63, систему подвода рабочей жидкости, аппаратуру контроля количества и давления жидкости в системе, модель бурового снаряда в виде трубы и емкости с породой.

Использовались две основные модели бурового снаряда:

А – наружный диаметр 89 мм, линейный масштабный коэффициент l = 1,43;

В – наружный диаметр 30 мм, линейный масштабный коэффициент l = 4, 23.

Размеры емкости для исследуемой породы выбраны таким образом, чтобы не влиять на формируемую при размыве воронку модельной скважины, а разъемный корпус емкости позволяет получать профиль скважины вдоль ее оси. Количество подаваемой жидкости варьировалось в широком диапазоне от 1,36?10-4 до 1,67?10-3 м3/с. Исследования проводились со следующими грунтами:

• Песок мелкозернистый (удельная плотность 1520 кг/м3, содержание частиц от 0,1 до 0,25 мм – 78%);
• Песок пылеватый (удельная плотность 1750 кг/м3, содержание частиц от 0,1 до 0,25 мм – 53,6%);
• Песок крупнозернистый (удельная плотность 1492 кг/м3, содержание частиц крупнее 0,5мм – 58,6%);
• Суглинок тугопластичный (удельная плотность 2090 кг/м3).

Влажность песчаного грунта изменялась в пределах от 0 до 40%.

Большее число опытов проводилось с песчаными грунтами – наиболее распространенными и в то же время наименее изученными с позиций устойчивости породами шельфовых зон морей.

В таблице 1 приведена выборка наиболее характерных замеров профиля скважины снарядом типа В. Полученные результаты измерений сформированного гидравлическим бурением профиля скважины позволяют сделать вывод о наличии цилиндрического ствола и конусообразной приустьевой воронки, составляющей для модели 5-10% от общей глубины бурения.

Таблица 1. Результаты экспериментальных данных, полученных при гидравлическом способе бурения модельной скважины.

Для крупнозернистого песка отмечено образование вокруг воронки характерного намыва с гребнем. Вершина гребня составлена легкими фракциями песка. При экспериментах с суглинками и пылеватыми песками вороночный гребень не образовывался, очевидно вследствие более равномерного распределения вымытых частиц по приустьевой поверхности.

Особенностью решаемой задачи об устойчивости ствола скважины является то, что стабильность стенок скважины необходима только в процессе углубления и подъема бурового снаряда.

Экспериментальные исследования показали, что стенки скважины являются устойчивыми в процессе подачи жидкости практически независимо от влажности размываемой породы. При прекращении напорной подачи жидкости происходит оползание и обвалы влагонасыщенных пород в скважину, причем обвалы песчаных грунтов наступают непосредственно после завершения бурения.

Для определения факторов, влияющих на возникновение воронки в приустьевой зоне скважины, была поставлена серия параллельных опытов. Испытывались крупнозернистые пески с фиксированными значениями влажности и плотности сложения. Эксперименты проводились для трех случаев:

• образование воронки без погружения снаряда;
• образование воронки с погружением снаряда в процессе размыва на фиксированную глубину;
• исследование характера образований при предварительном искусственном заглублении снаряда на ту же глубину.

Из результатов, приведенных в таблице 2, следует, что воронка образуется независимо от места и глубины воздействия потока на массив породы.

Таблица 2. Результаты замеров приустьевой воронки

При погружении снаряда гидроразмывом воронка несколько больше воронки, образованной при искусственном заглублении снаряда. Очевидно, процесс формирования приустьевой воронки при размыве можно разделить на два этапа: начальный – формирование воронки отраженным потоком жидкости и окончательный – вынос и оседание на конусной части воронки частиц породы.

Размеры воронки реальной скважины, подсчитанные по методике расчета подобия русловых деформаций [1], ожидаются в пределах 0,6 - 1,0 метров, что гарантирует надежность устойчивого расположения стабилизирующей опоры на дне, поскольку минимальное расстояние между опорными элементами составляет 3,6 метра.

 

Начало