ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫВКИ ПОДВОДНЫХ СКВАЖИН ПРИ БУРЕНИИ ПОГРУЖНЫМИ ПРОБООТБОРНИКАМИ

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

При морском бурении неглубоких скважин в рыхлых донных отложениях континентального шельфа особое значение приобретает исследование процесса формирования подводного ствола. Это связано с тем, что технологическими схемами бурения неглубоких скважин как правило не предусматривается обсадка стенок трубами из-за существенного усложнения и удорожания стоимости буровых работ, а применение специальных растворов является экологически неприемлемым мероприятием. Основными направлениями исследований являются определение размеров образуемой скважины, описание процесса очистки ствола, вопросы устойчивости стенок. Специфичными факторами рассматриваемого процесса являются:

1) отсутствие крепления скважины;

2) геологический состав донных отложений;

3) гидрометеорологические условия.

Как следствие, особенности, сопутствующие бурению на шельфе выходят за рамки имеющихся исследований, особенно при проведении работ гидравлическим способом по новой технологической схеме многорейсового поинтервального бурения погружными снарядами.

При бурении в твердых породах диаметр скважины принимается равным диаметру породоразрушающего инструмента, а увеличение размеров учитывается поправочными коэффициентами на разработку и образование каверн. Скорость выноса, таким образом, зависит от количества подаваемой жидкости и при постоянной площади кольцевого зазора увеличивается с ростом подачи. Скорость движения потока на устье вычисляется по объему подаваемой жидкости без учета увеличения объема за счет шлама, поскольку количество шлама, образующегося в твердых породах при помощи режущего инструмента незначительно. Увеличение плотности шламовой среды принимается на уровне 1% при промывке скважин водой и 3% при использовании буровых растворов для того, чтобы кратковременные остановки в подаче жидкости (к примеру, при наращивании инструмента) не приводили к прихвату бурового снаряда шламом. В то же время нигде не оговаривается тот факт, что равенство расхода жидкости на устье и подачи насоса является допущением.

Проведенными исследованиями процесса гидравлического бурения установлена тесная функциональная связь диаметра скважины, формируемой в породах песчано-глинистого комплекса и количества подаваемой жидкости . Это принципиально отличается от условия постоянства диаметра, принятого при бурении в твердых породах. Другим специфичным фактором гидравлического бурения является большее значение плотности шлама в восходящем потоке, возникающее из-за высокой скорости бурения в песчаных породах. В связи с этим, важной проблемой, требующей особого рассмотрения, является проверка условий очистки ствола скважины от насыщенной шламовой среды. Задача исследования процесса гидровыноса в несвязных и слабосвязных грунтах сводится к определению объемной концентрации, плотности шламовой среды, скорости восходящего потока и сравнению этих показателей с допустимыми нормами, принятыми в теории движения двухфазных потоков и буровой гидравлике.

Скорость выноса размытых частиц зависит от объемной концентрации шлама Cw в потоке жидкости, в свою очередь, связанной с плотностью потока pш.

На графике (рис. 1) показана зависимость плотности шлама от удельного расхода жидкости q для песчаных пород, определенного автором в ходе эксперимента в процессе погружения модельного бурового снаряда, снабженного многоструйным буром. Наибольшие значения плотности соответствующие максимальным скоростям бурения составляют 1160 - 1170 кг/м3 и не превышают значений плотности нормального глинистого раствора для механического бурения.Увеличение плотности восходящего потока по сравнению с нагнетаемой жидкостью достигает 12%. С увеличением удельного расхода плотность шламового потока уменьшается. Таким образом, подтверждается возможность беспрепятственного извлечения снаряда из скважины с помощью грузового каната.

Рис. 1. Зависимость плотности шламовой среды от удельного расхода жидкости

Рис. 2. Зависимость объемной концентрации шламовой среды от механической скорости бескернового бурения в песчаных породах при коэффициенте пористости 0,55 (•) и 0,65 ()

Объемная концентрация шлама из-за особенностей процесса гидравлического бурения приобретает функционально зависящий от механической скорости бурения Vм характер. Как видно из графика (рис. 2), с увеличением скорости объемная концентрация растет независимо от типа и свойств породы, но ее значения при максимальных скоростях ниже рекомендуемых в гидротранспорте критических значений 0,35 - 0,40. Рост значений плотности и концентрации шлама в пределах установленных норм является для гидравлического бурения позитивным фактором, поскольку насыщенный шламом восходящий поток способствует обеспечению устойчивости стенок. Существенным является лишь поддержание стабильных показателей концентрации и плотности, означающих обеспечение баланса количества выносимого и образованного в единицу времени шлама. Продолжительность выноса частиц, связанная со скоростью их подъема имеет при гидробурении второстепенное значение. Подача насоса Q должна обеспечивать вынос всего объема шлама, но часть его заполняет приращенный в единицу времени объем скважины в кольцевом зазоре между скважиной и снарядом. Поэтому по стволу транспортируется объем:

(1)

где Dскв – диаметр формируемой гидроразмывом скважины, Dснар – диаметр бурового снаряда.

Первые два слагаемых в выражении (1) обозначают объем шламовой среды, формирующийся из разрушенной породы и подаваемой жидкости. Таким образом, скорость движения восходящего потока по скважине составит:

(2)

где dсн - диаметр проходного отверстия керноприемной трубы.

На этапе отбора керна пробоотборником объем шламовой среды уменьшится на величину объема поступаемой в керноприемник породы, а скорость составит:

(3)

где dсн - диаметр проходного отверстия керноприемной трубы.

По мере увеличения подачи рабочей жидкости увеличивается и диаметр формируемой скважины, что приводит к снижению интенсивности приращения скорости восходящего потока (рис. 3). Как видно из графиков, при подаче жидкости в количестве более 5*10-3 м3/с независимо от типа грунта, приращение скорости потока составляет не более 1 - 3.10-3 м/с. Следовательно, дальнейшее увеличение подачи рабочей жидкости можно считать нецелесообразным.

На этапе отбора керна скорость потока ниже, чем при бескерновом бурении, но параболический характер зависимости остается неизменным (рис. 3).

Одной из задач исследования является проверка условия очистки ствола скважины от шламовой среды с высокой объемной концентрацией и плотностью, образуемой при гидробурении, то есть в выполнении условия:

(4)

где u* - гидравлическая крупность.

Для определения которой удобнее использовать зависимость Г.П. Дмитриева, отражающую характер падения частиц в зашламованном потоке, поскольку в ней учитывается не только средневзвешенный диаметр частиц и относительная плотность несущей среды (pп – p)/p, но и коэффициент динамической вязкости , определяющий свойства рабочего потока жидкости, а также непропорциональное изменение гидравлической крупности с увеличением диаметра частиц :

(5)

Рис. 3. Зависимость скорости восходящего шламового потока от подачи жидкости для пылеватого (□), мелкозернистого (▲), среднезернистого (○), крупнозернистого () песка на этапе гидроразмыва и для среднезернистого (■) и крупнозернистого песка (•) на этапе отбора керна.

Характер изменения гидравлической крупности в зависимости от средневзвешенного диаметра частиц показан на рис. 4. На график также нанесены кривые, характеризующие изменение скорости восходящего потока с увеличением подачи жидкости. Анализируя графики отметим, что скорость шламового потока на этапе бескернового бурения, превышающая гидравлическую крупность частиц, обеспечивается при подаче жидкости от 3,310-3 м3/с и выше. Меньшие значения подачи применимы для частиц с крупностью до 0,75 мм. С увеличением доли тонких и тончайших частиц гидравлической крупности снижается. Это позволяет считать, что при большом количестве тонких частиц песка (в стесненных условиях падения частиц), а также при наличии глинистых частиц, образующих суспензию, скорость падения будет уменьшаться, что улучшит очистку скважины.

Рис. 4. Зависимость гидравлической крупности и скорости выноса от средневзвешенного диаметра частиц при подаче жидкости 5*10-3 м3/с (), 3,3*10-3 м3/с (▲), 1,67*10-3 м3/с (□) и на этапе отбора керна  (подача 5*10-3 м3/с)

Результаты проведенных исследований позволяют выделить следующее:

1. Зависимости (2) и (3) получены с использованием принципиально нового подхода, предусматривающего учет увеличения объема скважины, в котором размещается часть образующегося шлама. Это делает выражения для определения скорости потока на устье скважины более корректными.

2. Образуемая при гидробурении плотность и объемная концентрация шламовой потока не превышает принятых в гидротехнике и буровой гидравлике норм.

3. Вынос разбуренной породы из скважины обеспечивается подачей жидкости в количестве не менее 3,3*10-3 м3/с.

 

Начало