УДК 622.24.085.5
Обоснование условий гидромониторного бурения морских скважин погружным пробоотюорником
Юшков И.А.
Донецкий государственный технический университет, г. Донецк, Украина
За последние годы заметно увеличилась потребность в проведении инженерно-геологических и разведочных изысканий в шельфовых зонах Черного и Азовского морей. В Донецком государственном техническом университете ведется разработка погружного гидроударного пробоотборника с увеличенной до 15 м глубиной опробования для эксплуатации с малотоннажных судов [1]. Технология применения предполагает: 1) спуск пробоотборника и отбор пробы гидроударно-вибрационным способом; 2)повторный спуск без попадания в пробуренную скважину, гидромониторное бескерновое бурение от уровня дна до глубины предыдущего опробования и отбор пробы на следующем интервале. Это позволяет за 2-3 спуска достичь глубин, недоступных для сугубо гидроударного бурения при диаметрах 112-132 мм. Кроме того, отказ от труднодостижимой для морского бурения задачи удержания стенок скважины, пройденной на первом спуске, значительно упрощает конструкцию всей установки и ее эксплуатацию.
Для устойчивого разрушения пород в состав бурового снаряда пробоотборника введен узел гидромониторных насадок. Определенный опыт использования струйных установок, имеющийся в частности, в горном деле, при бурении гидромониторными долотами и в шароструйном бурении, показывает, что формируемая струей выемка в породе имеет параболический вид с наибольшим углублением по оси распространения [2,3]. Очевидно, что для эффективного углубления в процессе размыва бурового снаряда форма забоя скважины должна быть более равномерной по всему периметру.
Исследования, проводимые с гидромониторными долотами [3], показали перспективность применения комбинированной схемы размыва породы, при которой достигается частичное перекрытие распространяющихся струй.
При выборе рациональной формы, количества мониторных насадок и расположения всего узла размыва в колонковой трубе пробоотборника учитывалось три основных условия:
1. Распространяющиеся из насадок струи не должны отражаться от стенок трубы и внутренней отверстия режущего башмака для снижения эффекта самогашения скорости.
2. Форма потока истекающей жидкости должна перекрывать все внутреннее пространство колонковой трубы, а количество жидкости должно быть достаточным для полного выноса разрушенной породы.
3. Плоскость забоя и плоскость режущей кромки башмака в процессе размыва практически совпадают, поэтому силовые характеристики струй должны быть максимальными именно в этой плоскости.
Предложенное сочетание отверстий в узле размыва формирует комбинированную структуру распространяющихся струй. В комбинированной струе имеется несколько характерных зон. Это, прежде всего, потенциальные ядра струй (зона I,II,III) - участки, в пределах которых скорость остается постоянной, зоны V и VII, определяющие участки турбулентного смешения струй. Зоны IV и VIII можно считать внешним пограничным слоем струи, распространяющейся вблизи продольной сплошной преграды (пристеночное течение). Зона VI - переходная зона "взаимодействия" потенциального ядра осесимметричной струи и зоны турбулентного смешения.
Нетрудно проследить изменение профиля скорости, а, соответственно, и силы давления струи по мере удаления от края насадки (сечение О-О), полученное путем моделирования процесса движения. Очевидно, что оптимальным для конкретных условий распространения струй в ограниченном кольцевом пространстве является сечение, расположенное в зоне снижения действия потенциального ядра центральной струи (участок между сечением Б-Б и сечением В-В). Именно на этом участке профили скорости по переферии забоя соизмеримы по величине со скоростью вблизи оси распространения. Дальнейшее удаление насадки от "рабочего" сечения приводит к соударению струй со стенками трубы и потерям энергии. Кроме того, расширенная струя более подвержена воздействию пристеночного торможения, что также существенно снижает силу удара о забой.
Задача исследования турбулентной струи заключается в определении профилей скорости и геометрических размеров характерных зон струи. Анализ существующего теоретического опыта исследования турбулентной струи показывает, что если растекание струи с равномерным полем скорости (Uo=const) происходит в окружающей струе, движущейся с постоянной скоростью (Uн=const), то в потенциальном ядре поступательная скорость потока постоянна, а поперечная составляющая скорости отсутствует [4]. Поэтому можно считать скорость в зонах I,II и III в любом сечении в пределах этих зон равным скоростям на выходе из насадки. Распространение потока жидкости, прилегающего к стенкам колонковой трубы может определяться по зависимостям, существующим для пристеночных течений [6].
Библиографический список
1. Юшков И.А. Вопросы увеличения глубины опробования автономными морскими буровыми установками // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Вып. 20: Межвуз. науч. темат. сб.- Екатеринбург : УГГГА, 1997. - С. 61-64.
2.Шавловский С.С. Основы динамики струй при разрушении горного массива. - М.: Наука, 1979. - 173 с.
3.Использование воздействия высоконапорных струй при строительстве скважин : Обзорн. информ./ Назаров В.И., Сидорова Т.К. и др. - М., 1978. - 56 с.-(Бурение/ ВНИИОЭНГ).
4. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю. и др. Теория турбулентных струй. - М.: Наука, 1984. - 716 с.
5. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. -Изд. 6-е, перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литер., 1987. -840 с.
6. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литер., 1969.-742 с.