ОБ ИССЛЕДОВАНИИ УСЛОВИЙ ДВИЖЕНИЯ ВОСХОДЯЩЕГО ШЛАМОВОГО ПОТОКА ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ БУРЕНИИ ВДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ
Автор: И.А. Юшков, А.А. Каракозов
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, поскольку применяемыми технологическими схемами бурения как правило не предусматривается крепление стенок скважины.
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 выноса шлама в донных грунтах должна сводиться 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 в потоке жидкости, в свою очередь, связанной с плотностью потока. Проведенные исследования показывают, что наибольшие значения плотности шламовой среды соответствующие максимальным скоростям бурения (Vм=1,6 м/мин для песка) 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%. Таким образом, подтверждается возможность беспрепятственного извлечения снаряда из скважины с помощью грузового каната.
Объемная концентрация шлама из-за особенностей процесса гидравлического бурения приобретает функционально зависящий от механической скорости бурения характер. 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 гидравлическом бурении 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.
Скорость движения восходящего потока по скважине составит:
(1)
где dэ - эквивалентный диаметр, учитывающий размеры напорного шланга и грузового каната, Dскв – диаметр формируемой размывом скважины, Dснар – диаметр бурового снаряда.
По мере увеличения подачи рабочей жидкости увеличивается и диаметр формируемой скважины, что приводит к снижению интенсивности приращения скорости восходящего потока. Исследования показывают, что 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.
Общим условием очистки ствола скважины от шламовой среды с высокой объемной концентрацией и плотностью, образуемой при гидравлическом бурении, является соотношение:
(2)
где u* - гидравлическая крупность.
Анализируя характер изменения гидравлической крупности в зависимости от средневзвешенного диаметра частиц 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.
Результаты проведенных исследований позволяют выделить следующее:
- Зависимость (1) получена 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.
- Образуемая при гидравлическом бурении плотность и объемная концентрация шламового потока не превышает принятых в гидротехнике и буровой гидравлике норм.
- Вынос разбуренной породы из скважины обеспечивается подачей жидкости в количестве не менее 3,3?10-3 м3/с