УДК622.24
Гидравлическое бурение гидрогеологических скважин с одновременной обсадкой ствола
Юшков И.А., Юшков А.С., Якименко Д.С.
Донецкий национальный технический университет, Украина
По прогнозам международных экспертов в XXI веке обеспечение человечества питьевой водой станет весьма серьезной проблемой, а вода будет важным стратегическим ресурсом наравне с углеводородным сырьем.
В связи с этим потребность в бурении скважин для водоснабжения и их оснащении не только не снижается, но и в перспективе станет еще большей.
Одним из используемых при сооружении гидрогеологических скважин способов является гидродинамическое (гидравлическое) бурение с применением струйных потоков для разрушения и удаления породы с забоя.
На кафедре технологии и техники геологоразведочных работ Донецкого национального технического университета проводятся исследования, направленные на создание снарядов, реализующих гидравлический способ бурения в мягких породах для скважин гидрогеологического назначения.
Целью исследований является создание устройства, способного осуществлять бурение скважины с одновременной обсадкой без прекращения подачи жидкости во время наращивания труб, а также разработка технологических рекомендаций по использованию такого устройства. Необходимость в такой технологии обусловлена тем, что в неустойчивых породах и относительно глубоких скважинах перерывы в подаче жидкости на время наращивания очередной обсадной трубы приводят к оплыванию стенок скважины, прихвату колонны или затруднениям при восстановлении процесса.
Экспериментальные исследования и имеющийся опыт гидравлического бурения доказывают, что разрушение породы в мягких и средних по твердости породах практически всегда происходит при значительно меньших значениях давления струи на забой, чем прочностные пределы породы [1]. Специфичность этого явления заключается в том, что разрушение вызвано не столько сжатием породы, сколько интенсивным нарушением целостности массива путем разъединения породы на частицы и “вырывания” отдельных агрегатов грунтовой массы. Необходимо отметить, что аналогичным образом в теории русловых деформаций описывается механизм размыва стенок каналов, сложенных слабосвязными грунтами [2]. Очевидно, что и при гидравлическом бурении в качестве основного параметра, определяющего качественную оценку воздействия жидкости на забой, целесообразнее всего использовать значение скорости потока, при которой обеспечивается надежный размыв породы. В гидротехническом строительстве используются значения предельной неразмывающей скорости потока [uнер], нормируемой в зависимости от типа грунта [3]. По нормативным данным, значение неразмывающей скорости для наиболее тяжелых по степени трудности гидравлического размыва грунтов, к которым относятся плотные глины и крупная галька с примесью гравия, составляет [uнер]=2,7 м/с.
Средняя скорость струи в плоскости забоя с учетом вышесказанного должна превышать значение предельной неразмывающей скорости.
Исходя из результатов многочисленных экспериментов [4, 6], установлено, что при размыве забоя скважины наиболее эффективным является поток с несколькими струями, осуществляющими комплексное воздействие на размываемый забой.
Теория турбулентных струй показывает, что для эффективного размыва горных пород плоскость истечения гидромониторного потока должна находиться на определенном рациональном удалении от забоя. При размещении гидромониторного узла на торце погружаемой обсадной колонны возникает необходимость подвешивания колонны над забоем для обеспечения требуемого удаления плоскости истечения струй. Очевидно, что обеспечить стабильность этого параметра из-за динамически изменяющегося положения забоя достаточно трудно. Поэтому гидромониторный узел рациональнее размещать внутри обсадной колонны на фиксированном расстоянии, достаточном для развития многоструйного потока жидкости.
Многоструйный поток, истекающий из гидромониторного узла, сочетает в себе несколько характерных зон течения, рассматриваемых в теориях пограничного слоя и свободной турбулентности. Гидромониторный узел 1 (рис. 1) формирует потенциальные ядра струй 3, зону расширения свободной (неограниченной) струи 4. Вблизи стенки обсадной трубы 2 можно считать поток внешним пограничным слоем полуограниченной струи 7, распространяющимся вдоль сплошной продольной преграды. Зоны 5 и 6 представляют собой участки смешения соответственно двух и трех смежных струй. Потенциальное ядро переходит в линию наибольших скоростей 8, простирающуюся по оси гидромониторного отверстия. Вне границ полуограниченных и расширяющихся струй формируются зоны приторцового возвратного течения 9.
Как свидетельствует проведенный анализ исследований в области теории турбулентного пограничного слоя, большинство выделенных участков течения имеют математическое описание продольной скорости течения. Ниже рассмотрены основные зависимости, описывающие движение многоструйного потока в выделенных зонах течения.
В пределах зоны потенциального ядра скорость практически равна начальной скорости течения u0. После начального участка потенциальное ядро переходит в линию максимальных скоростей 8 (рис. 1)б значение скорости um на которой снижается в направлении течения [5]:
Рис 1. Гидромониторная насадка [7, рис. 2]
Зоны смешения двух и трех струй (зоны 5 и 6, рис.1), являющиеся наиболее специфичными участками потока, формируются в любом многоструйном осесимметричном потоке, поскольку границы расширяющихся струй на определенном расстоянии от источника обязательно пересекаются.
Основными факторами, определяющими эффективность многоструйного рабочего потока жидкости, являются число, размеры и расположение струеформирующих отверстий по сечению обсадной трубы и расстояние от плоскости истечения до забоя.
Исследования показали [6], что смешивание потоков позволяет сгладить профиль скорости на смежных участках расширяющихся струй. Если скорость на границах контакта струй больше неразмывающей, то средняя скорость в смешанной струе также будет u>[uнер].
Проведенные авторами исследования позволили выделить несколько вариантов исполнения гидромониторного узла с одним центральным и несколькими окружными отверстиями, обеспечивающих перекрытие внутренней полости обсадной трубы с наружным диаметром 127 мм и толщиной стенки 10 мм. В табл. 1 представлены основные параметры многоструйного потока, формируемого при подаче жидкости в количестве 0,015 м3/с. Конструкции исследованных гидромониторных узлов записаны в таблице 1 в виде шифра, включающего диаметры окружных и центрального отверстий (в миллиметрах) и общее число отверстий, разделенных между собой знаком дроби. В табл. 1 также приводятся средние по забою скорости потока для расстояния z, обеспечивающего наибольшее значение скорости.
На рис. 2 показаны профили скорости многоструйного потока u, образованного гидромониторными узлами выбранных конструкций на расстоянии z, обеспечивающем наибольшую скорость по оси струй. Отметим, что профили построены в сечении, проходящем через оси центрального и окружного отверстия с использованием выражений для определения скорости в зонах расширения струи, пристеночного течения, смешения двух- и трехструйного потока. Анализ профилей показывает, что каждый из рассмотренных вариантов исполнения гидромониторного узла обеспечивает скорость потока, достаточную для размыва горной породы.
Таблица 1. Основные скоростные параметры многоструйного потока
Выполненные работы позволили предложить конструкцию снаряда и общую технологическую схему для бурения с одновременной обсадкой ствола скважины [7].
Рис 3. Распределение скорости многоструйного потока u (м/с) по сечению обсадной трубы на расстоянии z от плоскости истечения до забоя скважины (а - расстояние от внутренней стенки обсадной трубы, мм) [7, рис 3.1]
Устройство для бурения скважин с обсадкой работает следующим образом. Обсадная труба подвешена на устье скважины, а поршень закреплен в соединительной муфте фиксаторами. Буровым насосом через трехходовой кран направляют промывочную жидкость в присоединенный к трубе шланг. Промывочная жидкость проходит через обратный клапан внутрь трубы. Эластичная манжета и поршень перекрывают верхнее сечение трубы, и жидкость проходит через гидромониторный узел, размывает породу под башмаком и вокруг него и выходит по затрубному пространству к устью скважины. Труба погружается в размытую скважину под действием собственного веса.
Для наращивания очередной секции трубы обсадную трубу удерживают на устье с помощью хомута и навинчивают на соединительную муфту трубы следующую обсадную трубу. Освобождают фиксаторы, вывинчивая их на величину, обеспечивающую свободный проход поршня. Поршень перемещается вверх, причем эластичная манжета обеспечивает уплотнение при проходе через муфту и навинченную трубу. В конце движения поршень своим уступом упирается в выступающие внутрь фиксаторы и останавливается. Окончательно закрепляют поршень завинчивая фиксаторы, которые входят в кольцевую проточку поршня. Далее присоединяют шланг к обратному клапану трубы и с помощью трехходового крана переводят подачу жидкости на шланг. Шланг отсоединяют. Обратный клапан нижней трубы не позволяет жидкости выходить через него. Освобождают хомут, удерживающий на устье трубу и обсадная колонна погружается по мере размыва породы. Процесс повторяется. Выступающие детали клапанов не препятствуют погружению труб, т.к. скважина при размыве имеет большой диаметр.
По окончании бурения и обсадки скважины на заданную глубину прекращают подачу жидкости, освобождают верхние фиксаторы и извлекают поршень из верхней трубы, а гидромониторный узел разбуривают или извлекают. В отличие от известных конструкций внутреннее сечение обсадной колонны остается полностью свободным.
Предложенная конструкция может использоваться и в комбинации с обычным вращательным бурением для обеспечения беспрепятственной посадки колонн большой длины.
Выводы:
1. Для эффективного размыва забоя скважины в мягких породах целесообразно использование многоструйного потока жидкости, формируемого гидромониторным узлом размыва.
2. Плоскость истечения многоструйного потока должна быть удалена от забоя скважины на расстояние, достаточное для расширения многоструйного потока и формирования им скорости, превышающей предельное неразмывающее значение для размываемой породы.
3. Гидравлический способ бурения гидрогеологических скважин позволяет осуществлять обсаживание ствола скважины обсадными трубами без прекращения процесса углубления, обеспечивая при этом непрерывную подачу жидкости.
Список литературы
1. Гаврилко В.М., Дугинец Н.Д. Гидравлическое бурение скважин больших диаметров. – М. – Л.: Госэнергоиздат, 1957. – 63 с.
2. Мирцхулава Ц.Е. Основы физики и механики эрозии русел. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. – 303 с.
3. Руководство по определению допускаемых неразмывающих скоростей водного потока для различных грунтов при расчете каналов: ВТР–II–25–80/ Сост. А.В.Магомедова. – М.: Минводхоз СССР, 1981. –58 с.
4. Оноприенко М.Г. Бурение и оборудование гидрогеологических скважин. – М.: Недра, 1978. – 168 с.
5. Абрамович Г. Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С. Ю. Теория турбулентных струй. – М.: Наука, 1984. – 716 с.
6. Юшков И.А. Определение скорости потока в зоне смешения нескольких гидромониторных струй при бурении подводных скважин //Збірник наукових праць ДонДТУ. Сер. гірн.-геол. – Донецьк: ДонДТУ, 2001.- Вип. 23.- С. 80 – 84.
7. Патент 26210 Україна UA МПК(2006) Е21В 7/20. Пристрій для буріння свердловин з обсадкою / Юшков О.С., Юшков І.О., Якименко Д.С. - Опубл. 10.09.2007. - Бюл. № 14.
