РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ СПОСОБА КОНТРОЛЯ ДИНАМИКИ СТОЛБА ЖИДКОСТИ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИНЫ

Филимоненко Н.Т., Поцепаев В.В., Курдюков Д.В.
Донецкий национальный технический университет

Источник: Сборник научных работ ДонНТУ. Серия горно-геологическая. Выпуск 11. - Донецк ДонНТУ 2000. с. 28-29.

    Существенным недостатком технологической схемы промывки скважины является отсутствие надежной регистрации момента падения уровня жидкости в скважине в процессе бурения при подходе к проницаемой зоне ( например, зоне влияния горной выработки). Такая ситуация, если ее во время не зафиксировать и оперативно не принять соответствующие меры (извлечь буровой снаряд), как правило, заканчивается аварией.
    Практика бурения в условиях Донбасса показывает, что далеко не всегда ожидаемая глубина начала зоны влияния горной выработки соответствует действительности. Этому есть много причин: глубина, мощность, угол падения пласта, физикомеханические свойства вмещающих пород, и т. д. Поэтому, прогнозируя одни условия встречи и пересечения зоны влияния горной выработки, мы на практике сталкиваемся с другими. Отсутствие в таких случаях возможности контролировать уровень жидкости в скважине непосредственно в процессе бурения является источником возникновения аварии. Поэтому, весьма актуальным является теоретическое обоснование способа контроля динамики столба жидкости при бурении скважин в породах с большим водопоглощением.
    Способ базируется на использовании фундаментального положения гидростатики - основного его уравнения, выражающего зависимость давления в данной точке покоящейся жидкости от рода жидкости, расстояния этой точки от свободной поверхности и давления на последней. При падении уровня жидкости в скважине будет меняться гидростатического давление ее столба в конкретной точке скважины. Поместив в эту точку элемент, позволяющий изменять свое положение в зависимости от изменения прилагаемой к нему силы гидростатического давления столба жидкости в скважине, мы можем использовать перемещение этого элемента для переключения каналов в нагнетательной линии. Контроль за положением уровня жидкости по вышеописанному принципу осуществляется без прерывания технологического процесса бурения, что выгодно отличает его от всех известных способов, предусматривающих обязательное извлечение бурового снаряда из скважины.
    Устройство (дальше по тексту сигнализатор), реализующее вышеназванный способ (рис.1) входит в состав бурового снаряда с таким расчетом, чтобы быть погруженным под уровень жидкости на величину h1. Основная деталь сигнализатора - поплавковый клапан 1, воспринимающий сверху через канал a сменной втулки 2 суммарное воздействие F следующих сил: силы давления F1 от веса столба жидкости в колонне бурильных труб, установленных над сигнализатором; перепад давления F2 вызванный потерями при течении жидкости в сигнализаторе; непосредственное силовое взаимодействие F3 потока жидкости, передаваемое сверху через канал a сменной втулки 2 на верхний торец поплавкового клапана 1.
    Снизу на поплавковый клапан 1 действует выталкивающая сила Fа(ею из-за незначительного объема поплавкового клапана 1 можно пренебречь) и гидростатическое дав-ление столба жидкости Fж. Последнее зависит от заглубления сигнализатора под уровень жидкости в скважине h1 и ее плотности. В том случае, если выполняется условие нисходящий поток промывочной жидкости поступает по каналу б через нагнетательный клапан 3 и бурильные трубы на забой скважины. При падении столба жидкости в скважине до величины h2, когда Fж станет меньше F1+F2+F3 , клапан 1 откроется. При этом жидкость начнет выходить в скважину по каналу в, который для нее является линией наименьшего сопротивления. Давление в нагнетательной линии упадёт, что зафиксируется по показанию установленного в ней манометра.

Рис.1 Сигнализатор внезапного падения уровня жидкости в скважине

Следовательно, изменяя диаметр d канала втулки 2 путем ее замены и величину заглубления сигнализатора под уровень жидкости в скважине, можно настраивать его на заданную глубину срабатывания, упреждая возникновение возможной аварии.
    В процессе исследований выведена формула (1), которая позволяет рассчитать площадь канала сменной втулки 2, при котором сигнализатор будет срабатывать, если уровень жидкости в скважине будет падать ниже допустимой величины. (1)

    где p - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; Sп - площадь нижнего торца поплавкового клапана 1 м2; бp - перепад давления жидкости в сигнализаторе, Па; Q - расход промывочной жидкости, м3/с.
    Зная Sк, можно определить диаметр канала сменной втулки 2 dк для конкретных условий бурения.
    Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность конструкции сигнализатора. Его габаритные размеры соизмеримы с муфтовозамковым соединением бурильных труб, что благоприятствует прочностным характеристикам буровой колонны. Применение его позволит значительно сократить аварийность буровых работ, связанную с внезапным поглощением промывочной жидкости.