УДК 550.822.7:622.24.085

О влиянии зоны смешения смежных струй на профиль скорости потока при гидравлическом бурении

И.А.Юшков, Донецкий национальный технический университет, Украина

Рассмотрены вопросы определения скорости в зоне смешения, образованной контактом смежных осесимметричных струй, истекающих из гидробура морской буровой установки. Получены соотношения для допускаемых расстояний между струеформирующими отверстиями в осевом и радиальном направлении. Описана технологическая схема бурения скважин глубиной до 20 м погружными пробоотборниками.
Одним из проблемных направлений морского бурения в шельфовой зоне является сооружение неглубоких (до 20 м) скважин предназначенных для разведки россыпных месторождений, портового и берегозащитного строительства, мониторинговых экологических исследований донных отложений, инженерно-геологических исследований свойств грунта перед сооружением опор эксплуатационных нефтяных и газовых скважин, прокладкой подводных нефтегазопроводов и других коммуникаций.
Обширный класс технических средств – погружные буровые установки однорейсового бурения обеспечивают глубину скважин не превышающую 8-10 м. Эксплуатационные затраты на бурение с помощью спецсудов с применением колонны бурильных труб и съемных керноприемников очень велики, что приводит к неоправданно большой стоимости сооружения скважины глубиной до 20 м.
Осуществленный в Донецком национальном техническом университете (ДонНТУ) анализ возможных направлений развития технических средств бурения неглубоких скважин показал перспективность создания погружных снарядов комбинированного типа, производящих последовательное гидравлическое бескерновое и гидроударное колонковое бурение донных отложений. Для определения рациональных технологических параметров гидравлического бурения потребовались детальные исследования процесса, поскольку установленное на судах буровые насосные установки относятся к классу средненапорных и не позволяют создать сплошной поток жидкости, обеспечивающий устойчивое перекрытие всей площади забоя.
Размывающая способность многоструйного потока, формируемого установленным в буровом снаряде гидробуром значительно выше, поскольку обеспечивается равномерное распределение жидкости по всем участкам, в том числе и на периферию забоя.
Многочисленные исследования основных закономерностей движения струйных течений, проведенные Л. Прандтлем, Т. Карманом, А.Н. Колмогоровым, Л.Г. Лойцянским, Г.Н. Абрамовичем, Г. Гертлером, Э. Грушвицем, В. Толмином, Л.А. Вулисом и другими показывают, что чаще всего сугубо теоретический расчет невозможен, и закономерности движения определяют в приближенном виде. Для описания гидроструйного потока буровой установки используем последовательность полуэмпирического метода решения уравнений О. Рейнольдса с учетом граничных условий, отражающих особенности распространения, поскольку этот метод позволяет выполнить преобразование уравнений движения осесимметричных потоков. При этом особое значение имеет изучение закономерностей распределения скорости в зоне смешения, поскольку результаты исследований В. Толмина – Г. Гертлера относятся к неограниченным в пространстве струям, или к спутным потокам, что существенно отличается от рассматриваемых условий скважинного гидроразмыва. Таким образом, целью исследования является установление закономерностей процесса размыва забоя комбинированным струйным потоком в зоне смешения смежных струй.
Участок смешения струй представляет собой конусообразную пространственную фигуру, имеющую в основании два пересекающихся сегмента (для двух струй) или сферический треугольник (для трех струй) (рис. 1).

Зона смешения трех струй
Рис 1. Зона смешения трех струй [1, рис 2.2]

На основе проведенных исследований в ДонНТУ разработан комплекс оборудования УМБ-127, предназначенный для бурения подводных скважин глубиной до 20 м. Комплекс включает погружной буровой снаряд и стабилизирующее придонное основание – складную треногу с направляющим цилиндром. Связь с буровым мало- и среднетоннажым судном осуществляется с помощью напорного шланга и грузового каната, что существенно повышает автономность установки от судна, сокращает затраты времени на спуск и подъем установки.

В буровой установке реализована технологическая схема «многорейсового поинтервального бурения погружными пробоотборниками», по которой, в отличие от традиционного многорейсового бурения, не предусматривается удержания пробуренной на первом этапе скважины. Каждый последующий рейс начинается с интенсивного размыва рыхлых донных отложений и углубления снаряда до глубины, достигнутой на предыдущем этапе работ. После этого в полуавтоматическом режиме производится запуск гидроударного механизма и отбор пробы.

Указанная схема позволяет назначать длину рейса в соответствии с техническими возможностями пробоотборника, что открывает широкие перспективы для модернизации существующих однорейсовых буровых снарядов. К другому существенному преимуществу следует отнести возможность проведения буровых работ с неспециализированных малотоннажных судов (барж, понтонов, спасательных и геофизических судов, сейнеров и т. п.), оснащенных грузоподъемной стрелой и буровым насосом. Основными научными выводами проведенных исследований отметим следующее: 1) рациональное расстояние между смежными отверстиями гидробура обеспечивает перекрытие периферийных участков снижения скорости расширяющихся струй зоной смешения, скорость в которой описывается решением уравнения осесимметричного турбулентного потока; 2) эффективное разрушение забоя скважины обеспечивается вписанным во внутреннюю полость керноприемника расширяющимся потоком с центральной и 6-7 окружными струями, скорость которого в плоскости забоя превышает предельную неразмывающую и достаточна для дезинтегрирования песчано-глинистых отложений; 3) участки неустойчивого размыва расширяющихся струй следует перекрывать зоной смешения, образуемой контактом двух или трех смежных струй; 4) реализованная на основе результатов исследований конструкция погружной установки позволяет осуществлять бурение скважин глубиной до 20 м.

Литература

1. Сборник научных трудов НГУ. - Днепропетровск: РИК НГУ, 2003. - Т.1, №17. - с. 520-524