УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ МОРСКИМИ ПОГРУЖНЫМИ ПРОБООТБОРНИКАМИ

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

В Донецком государственном техническом университете проводятся научно-исследовательские работы, направленные на разработку погружной морской буровой установки с глубиной пробоотбора 10-15 метров при глубинах акватории до 50 метров. Буровой снаряд установки имеет гибкую шлангово - канатную связь с буровым судном и предназначен для проведения бескернового гидромониторного и колонкового гидровибрационного бурения. Это дает возможность реализовать новую для морского бурения технологическую схему “поинтервального многорейсового бурения”. Основной особенностью указанной схемы является то, что требуемая глубина скважины достигается за несколько спусков (рейсов) буровой установки без попадания в пробуренную ранее скважину.

В ходе исследований было предположено, что для описания процессов, происходящих при гидравлическом бурении подводных скважин, целесообразнее всего использовать принципы, заимствованные из теории расчета русловых деформаций и течений.

При гидравлическом разрушении забоя формирование скважины происходит только за счет потока жидкости, взаимодействующего с породой. Рассматривая процесс формирования подводной скважины с позиций теории русловых деформаций, предположим, что расширение ствола скважины прекращается, когда значение скорости вблизи стенки снижается до предельной неразмывающей скорости движения жидкости. Возникает состояние равновесия, при котором воздействующая на каждую частицу породы отрывающая сила Рот уравновешивается силами сцепления частицы с массивом Рсц и силой тяжести G самой частицы. Примем для упрощения расчетной схемы, что форма частиц грунта – сферическая. Из экспериментальных данных  известно, что максимальный выступ отдельной частицы из массива, при котором существует неотрывающее равновесие, составляет 70% от диаметра частицы ?. Очевидно, можно записать условие равновесия:

Для донных отложений с преобладанием песчаных фракций для сил сцепления обычно используют соотношение:

здесь S – площадь контакта частицы с массивом, Сн –коэффициент сцепляемости грунта, зависящий от его пористости.

Условие равновесия  с учетом вышесказанного приобретает вид:

В равенстве величина U выражает значение скорости на расстоянии 0,7?, то есть предельное значение размывающей скорости, при которой будет происходить расширение скважины. Значение скорости U может быть определено из распределения скоростей в кольцевом зазоре:

Подставив U и произведя преобразования, получаем равенство, из которого можно определить координату внешней стенки R2 – радиус скважины:

где К1 –коэффициент, зависящий от формы обтекаемого тела и режима течения жидкости, К2 –коэффициент, учитывающий пульсации скорости, l- коэффициент гидравлического сопротивления для кольцевого зазора, Q - количество подаваемой жидкости, Kn, n - коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса.

Исследование формирования скважины гидроразмывом в лабораторных условиях возможно только при проведении модельного эксперимента, с выполнением условий подобия линейных размеров. Достоверность получаемой информации обеспечивается проведением серии параллельных опытов, в которых выдерживаются постоянными значения влажности, плотности сложения породы, скорости истечения жидкости из бурового снаряда. Изучалось формирование скважины в образцах грунта, типичных для шельфовой зоны морей: песках крупно-, средне-, и мелкозернистых, суглинках и глинах различной консистенции. Опыты проводились с тремя моделями бурового снаряда: модель А–диаметром 89 мм, модель В – 30 мм, модель С – 15 мм (табл. 1).

Таблица 1. Результаты исследований формирования скважины гидроразмывом

В процессе заглубления снаряда, с помощью специального приспособления – щупа -индентора определялся зазор между формируемой стенкой скважины и снарядом. Полученные данные замеров пересчитывались с целью получения диаметра скважины, размеры которой приведены в табл.1.

Исследования показали, что стенки формируемой скважины находятся в устойчивом состоянии при наличии непрерывного потока жидкости, способного обеспечить вынос разбуренной породы. Устойчивость стенок нарушается для песчаных грунтов непосредственно после прекращения подачи жидкости, а для глинистых – в зависимости от их консистенции. Объем зоны обвалов стенок зависит от плотности сложения грунта.

Проведенные опыты позволили установить, что при углублении модельного снаряда в приустьевой зоне образуется конусообразная воронка, профиль которой формируется частицами породы, выносимой восходящим потоком жидкости.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• Доказана возможность эффективного бурения рыхлых пород гидроразмывом при подачах рабочей жидкости до 320 л/мин, что позволяет применить для гидробурения скважин геологоразведочные насосные установки.
• Сформированная гидроразмывом скважина представляет собой цилиндрический ствол и конусообразную приустьевую воронку, образуемую независимо от связности и плотности сложения породы.
• Экспериментально доказана устойчивость стенок скважины в процессе бурения.
• Получена зависимость, позволяющая определять ориентировочные значения диаметра подводной скважины. Проведенные исследования показывает высокую сходимость опытных и расчетных величин.

 

Начало