УДК 622.243.14

 

О РЕЖИМНОМ ПАРАМЕТРЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПРОМЫВКИ СКВАЖИН

 

Н.Т. Филимоненко

Донецкий государственный технический университет,

г. Донецк, Украина

 

Вопросы теории, технологии и средств призабойной промывки скважин с применением сжатого воздуха всегда были в центре внимания буровой науки.

Одна из перспективных работ, выполненная в этом плане, направлена на расширение возможностей разработанного в Донецком государственном техническом университете нетрадиционного способа призабойной промывки, позволяющего бурить скважину в условиях водопоглощений при наличии в ней малого столба жидкости (достаточная высота столба жидкости 15 - 20 м). Такие условия наблюдаются при перебуривании трещиноватых зон влияния горных выработок а других. осложненных водопоглощениями, интервалах бурения.

Призабойная промывка создается путем вытеснения на забой жидкости из вытеснительной камеры погружного пневматического вытеснителя сжатым воздухом, периодически подающимся в нее но колонне бурильных труб. Вытеснительная камера заполняется за счет гидростатического давления столба жидкости.

Рабочий цикл погружного пневматического вытеснителя состоит из периодически повторяющихся этапов вытеснения промывочной жидкости и заполнения ею вытеснительной камеры. Поскольку на этане заполнения промывка отсутствует, внутри скважин мая циркуляция носит явно выраженный пульсирующий характер и поэтому требует нестандартного подхода к изучению ее главного режимного параметра - скорости восходящего потока.

Однако ранее проведенные исследования применительно к обоснованию минимально необходимой скорости восходящего потока для призабойной пульсирующей промывки базировались на традиционном в бурении аналитическом методе, обеспечивающем заданное обогащение промывочной жидкости выбуренным шламом и условие его выноса в отстойники на дневную поверхность.

Формула (1), по которой выполняют расчет допустимой скорости восходящего пульсирующего потока промывочной жидкости V_в была получена еще в 1985 г. [3] на основе требовании аналитического метода:

 

,                                                                   (1)

 

Здесь t_в и t_з - соответственно время вытеснения и заполнения цилиндра промывочной жидкостью, рассчитываемое по разработанной автором методике [4], м/с; U - скорость погружения частиц шлама под действием силы тяжести, вычисляемой по формуле Реггингера [2|, м/с; С - скорость выноса частиц шлама в кольцевом пространстве между стенками скважины и бурильными трубами, м/с. Последняя при традиционном подходе определяется по базовой для колонкового бурения формуле (2), исходя из требуемой при бурении с прямой промывкой разницы плотностей восходящей и нисходящей жидкости:

 

,                                                                       (2)

 

где S₁ и S₀ - соответственно площади сечений забоя и кольцевого пространства между стенками скважины и бурильными трубами, м; V_м - механическая скорость бурения, определяемая по СУСНу, м\с; Z - коэффициент, учитывающий винтообразное движение частиц вследствие вращения Сурепок > снаряда; r_п, r_ж^н, r_ж^в - плотности соответственно породы нисходящего и восходящего потоков жидкости, кг/м³.

Расчеты, проведенные по формуле (1), показываю), чтп двухступенчатые компрессоры из-за низкого давления и ресиввере (до 0,9 МПа) не могут обеспечить вытеснение промывочной жидкости с принятым, на основе традиционных рекомендаций для прямой промывки, расходом очистного агента в скважинах глубиной свыше 300 м. Это вызывает настороженность и неуверенность у буровиков, когда возникает необходимость применения пульсирующей промывки на больших глубинах.

Однако автор считает, что в том случае, когда речь идет о пульсирующей промывке, требуемая разность между плотностями восходящей (выносящей шлам) и нисходящей жидкости представляется спорной.

Следует отметить, что авторитетные в вопросах технологии бурения исследователи профессоры Л.М. Ивачев и А.С. Юшков уже давно высказали сомнения по поводу целесообразности традиционного для колонкового бурения подхода к расчету очистною агента, который, по их мнению, дает необоснованно завышенное значение этого параметра |1|. Однако теоретических и практических работ, подтверждающих это, до настоящего времени не было. Поэтому была поставлена задача теоретически обосновать и экспериментально в промышленных условиях подтвердить или опровергнуть возможность применения призабойной пульсирующей промывки при меньших, чем регламентируют традиционные рекомендации расходах очистного агента. При наличии такой возможности расширилась бы область применения пульсирующей промывки по глубине скважины с использованием обычных двухступенчатых компрессоров. Рассмотрим теоретический аспект этой проблемы.

Согласно рекомендациям [2] разность r_ж^н - r_ж^в  должна составлять для ньютоновской жидкости (воды) 10 кг/м³ и менее, для неньютоновской жидкости - 20 - 40 кг/м. Однако в случае призабойной пульсирующей промывки отсутствует возможность выноса шлама на дневную поверхность. Достаточно, чтобы шлам был поднят до верхнего торца наружной шламовой трубы2 (см. рис.), находящейся в нижней части столба жидкости, и максимально собрался в ней, а не выносился потоком жидкости в пространство между стенками скважины 4 и бурильными трубами 3. Поэтому при таком подходе плотность жидкости, циркулирующей в призабойной части (восходящий поток), может превышать плотность жидкости верхней части ее столба, откуда она поступает в вытеснительную камеру и вытесняется сжатым воздухом на забой скважины (нисходящий поток). Разность этих плотностей r_ж^н - r_ж^в  может значительно превысить рекомендуемый аналитическим методом допустимый спектр. Так как вышеназванная разность входит в знаменатель базовой формулы (2), то расчетная величина скорости С (малое ее значение и смущает оппонентов) соответственно уменьшится. Кроме этого, обеспечивая условие выноса шлама только в кольцевом пространстве между стенкой скважины 4 и колонковой 1 и наружной шламовой трубой 2, параметр S₀  в формуле (2) должен    обозначать площадь кольцевого пространства между стенками скважины 4 и колонковой 1 и шламовой 2 трубами.

 

 

Призабойная часть снаряда для создания пульсирующей промывки скважины.

 

Тогда по условию неразрывности потока скорость V_в между стенками скважины 4 и бурильными трубами 3 снизится, и, как следствие, потребный расход очистного агента уменьшится. Кроме этого многолетний опыт безнасосного бурения дает основания считать, что всею двух, трех расхаживаний бурильной колонны в минуту достаточно для эффективной призабойной промывки скважины.

В    таблице      приведены    сравнительные   значения   V_в при ее расчете.

 

Название пород	Прямая промывка с выносом шлама на поверхность		Призабойная пульсирующая промывка
			традиционный подход	новый подход
	скорость восходящего потока Vв, м/с	расход очистного агента,  л/м	скорость восходящего потока Vв,м/с	расход очистного агента, л/м	скорость восходящего потока  Vв , м/с	расход очистного агента,л/м
Известняк	0,13	42,86	0,15	46,63	0,11	32,57
Известняк доломитизированныи	0,07	23,46	0,08	25,78	0,05	15,98
Известняк с прослаиванием пестроцветных глин	0,065	22,59	0,07	24,62	0,045	15,16
Сланцы Глинистые	0,08	25,49	0,09	27,8	0,067	17,59
Известняк  с прослоями песчаников	0,12	37,94	0,13	41,42	0,09	27,5
Окремненный известняк	0,10	33,60	0,11	36,49	0,08	24,07

 

Значение V_в  традиционном и новом подходах к ее расчету применительно к случаю прямой промывки скважины с выносом шлама на дневную поверхность и пульсирующей   промывки   при   стандартом и применительно к случаю прямой промывки скважины с выносом шлама на дневную поверхность и пульсирующей промывки при стандартном и новом подходе для ее расчета в конкретной производственной ситуации, при которой ранее проходили испытания призабойной пульсирующей промывки [5]. Диаметр бурения 93 мм. Заглубление вытеснительного цилиндра под уровень жидкости в скважине 10 - 12м.

Из данных таблицы следует, что минимально допустимая скорость восходящего потока завышена: в известняках на 43%, в известняках доломитизированных на 61%, в известняках с прослоями пестроцветных глин на 62 %, в сланцах глинистых на 58 % , в известняка:, с прослоями песчаников на 50 %, в окремненных известняках на 47 %. Данные расчеты, а также расчеты, приведенные применительно к другим производственным условиям, показывают возможность применения призабойной пульсирующей промывки скважины с малым столбом жидкости в ней при скоросги восходящего потока примерно в полтора раза меньше по сравнению с требуемой при стандартном подходе для ее обоснования. Полигонные испытания подтвердили вышесказанное. Таким образом в подобных условиях можно было бы значительно увеличить область применения пульсирующей промывки по глубине скважины.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Ивачев Л.М., Юшков А.С..    Об определении расхода промывочной жидкости при разведочном бурении // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1986. -№ 9. -С. 83 -93.

2. Ивачев Л.М. Промывочные жидкости в разведочном бурении.  М.: Недра, 1975.-216с.

3. Филимоненко Н.Т., Ивачев Л.М., Чистяков В.К.   Расчет необходимой скорости   восходящего потока жидкости при промывке скважин пульсационным пневмонасосом.   Донецк:   ДНИ,   1985    9с.   --  Дек   в УкрНИИНТИ№ 1737,

4. Филимоненко Н.Т., Комарь П.Л. К вопросу прогнозирования интенсивности призабойной пульсирующей промывки применительно к не ньютоновской жидкости // Совершенствование техники и технологи бурения скважин на твердые полезные ископаемые. -1993. - Вып. 16.- С.40-49.

5. Филимоненко Н.Т., Пилипец В.И. Некоторые результаты производственных испытаний технологии бурения скважин с применением погружного пневмонасоса. Донецк: ДПИ, 1984. - 10 с. - Деп в УкрНИИНТИ № 1734.