МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЮШКОВ Іван Олександрович

УДК 550.822.7:622.24.085

ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ

БАГАТОРЕЙСОВОГО ПОІНТЕРВАЛЬНОГО БУРІННЯ

ПІДВОДНИХ СВЕРДЛОВИН ЗАГЛИБНИМИ УСТАНОВКАМИ

Спеціальність 05.15.10 — буріння свердловин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ — 2004

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі технології і техніки геологорозвідувальних робіт Донецького національного технічного університету

Науковий керівник - | кандидат технічних наук, доцент Каракозов Артур Аркадійович, Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри технології і техніки геологорозвідувальних робіт

Офіційні опоненти - | доктор технічних наук, професор Давиденко Олександр Миколайович, Національний гірничий університет (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин

кандидат технічних наук, Данильченко Ігор Євдокимович, Дніпропетровське відділення Українського державного геологорозвідувального інституту Міністерства екології та природних ресурсів України, завідувач лабораторії колонкового буріння

Провідна установа - | ВАТ "Український нафтогазовий інститут" Міністерства палива та енергетики України (м. Київ), науково-дослідний відділ видобутку нафти, газу і конденсату

Захист дисертації відбудеться 16 червня 2004 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національному гірничому університеті, (49027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного гірничого університету.

Автореферат розісланий "14" травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук |

О.В.Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Останніми роками значно збільшилися об'єми інженерно-геологічних і геологорозвідувальних робіт на континентальному шельфі, пов'язаних з бурінням свердловин глибиною до 20 метрів. Ці свердловини використовуються при виконанні робіт, пов'язаних з постановкою морських стаціонарних платформ та прокладкою підводних трубопроводів і комунікацій, при розвідці родовищ корисних копалин, портовому і берегозахисному будівництві, екологічних дослідженнях донних відкладень.

Застосування в цих умовах спеціалізованих бурових суден через високі експлуатаційні витрати (20 тис. гривень на добу і більше) економічно недоцільно, а при малих глибинах моря – не завжди можливо. Використання відомих установок однорейсового буріння і пробовідбірників з неспеціалізованих суден обмежується свердловинами глибиною не більше 6-10 м.

Рішення задачі створення ефективного і економічного способу буріння свердловин глибиною до 20 м може бути досягнуте за рахунок реалізації нової технологічної схеми багаторейсового поінтервального буріння з використанням заглибних установок. Особливістю схеми є відмова від збереження зв'язку зі свердловиною і трудомістких операцій по кріпленню її стінок. Кожний наступний рейс проводиться без попадання в раніше пробурену свердловину і складається з двох етапів: буріння без відбору керна з розмивом ствола до глибини попередньої свердловини і буріння з відбором проби на наступному інтервалі.

Впровадження цієї технології стримується з-за відсутності ефективних технічних засобів, створення яких неможливе без теоретичного обґрунтування технологічних параметрів буріння свердловини гідравлічним способом без відбору керна з застосуванням геологорозвідувальних бурових насосів 4-5 класів.

Це свідчить про актуальність теми дисертаційної роботи для бурової галузі, а вирішення поставлених в ній задач дозволить істотно розширити область застосування заглибних бурових установок.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з науковим напрямом, який розвивається кафедрою технології і техніки геологорозвідувальних робіт ДонНТУ. Дисертація є результатом досліджень по держбюджетній темі Г-3-95 “Розвиток теорії і розробка ударних пристроїв і механізмів для буріння свердловин в ускладнених умовах” (реєстраційний номер 0195U009199), при виконанні якої автор був відповідальним виконавцем.

Мета роботи - встановити закономірності формування свердловини потоком рідини і обґрунтувати на їхній основі технологічні параметри буріння підводних свердловин, які забезпечують істотне розширення області застосування заглибних бурових установок.

Задачі досліджень:

1. Встановити закономірності зміни швидкості рідини в зоні змішання суміжних струменів і по всьому перетину багатоструминного потоку, визначити його раціональну конфігурацію, яка забезпечує розмив донних відкладень при гідравлічному бурінні.

2. Встановити механізм формування свердловини висхідним потоком рідини в донних відкладеннях піщано-глинистого комплексу, особливості руху і параметри шламового потоку і оцінити стійкість стінок свердловини при бурінні.

3. Перевірити експериментальним шляхом отримані теоретичні закономірності гідравлічного буріння, оцінити вплив основних фізико-механічних властивостей донних відкладень на формування ствола свердловини.

4. Вибрати і обґрунтувати раціональну технологічну схему і режими буріння, розробити конструкцію заглибної установки для багаторейсового буріння підводних свердловин.

Об'єкт досліджень – процеси при бурінні свердловин в донних відкладеннях на шельфі морів.

Предмет досліджень – закономірності формування свердловини потоком рідини, які визначають технологічні параметри багаторейсового буріння підводних свердловин заглибними установками.

Методи досліджень. Для обґрунтування технологічних параметрів багаторейсового поінтервального буріння заглибними установками використовувалися емпіричні і теоретичні методи досліджень: елементарно-теоретичний і структурно-генетичний аналіз і синтез, що базується на основних положеннях теорії турбулентних струменів і руслових деформацій; моделювання, проведене на матеріальній моделі бурового снаряда.

Ідея роботи – використання особливостей утворення струминних потоків, що змішуються, та основних положень теорії руслових деформацій і руху гідросумішей для встановлення закономірностей формування ствола свердловини при гідравлічному бурінні заглибними установками.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Поздовжня швидкість рідини в зоні змішання різношвидкісних круглих струменів пропорційна середній швидкості струменів і добутку безрозмірної різниці їх швидкостей на похідну функції току.

2. Руйнування вибою свердловини на ділянках нестійкого розмиву одиночних струменів забезпечується за рахунок накладення суміжних струменів, відстань між якими в площині витікання визначається положенням площини контакту струменів і меж їхніх зон активного руйнування, змішання і вільного розширення.

3. Діаметр сформованої розмивом свердловини визначається з умови рівноваги частинки ґрунту під дією сил тяжіння, зчеплення частинки з масивом і впливу висхідного шламового потоку. Величина діаметра свердловини має степенну залежність від комплексу чинників: діаметра снаряда, фізико-механічних властивостей ґрунту і параметрів потоку рідини в свердловині, з яких найбільш значущими є витрата рідини, зчеплення частинок породи і крупність її середнєзважених частинок.

4. Раціональний діапазон витрати рідини визначається нижньою межею, яка гарантує розмив вибою свердловини і рух шламового потоку, і верхньою межею, перевищення якої через функціональний зв'язок між діаметром свердловини і витратою рідини приводить до припинення зростання швидкості висхідного потоку і погіршення стійкості стінок свердловини.

Наукова новизна:

1. Вперше встановлена залежність для визначення швидкості потоку рідини на ділянках змішання трьох круглих різношвидкісних струменів на основі перетворення рівняння руху турбулентного потоку.

2. Вперше запропонований критерій розділення турбулентного струменя на зони активного руйнування, нестійкого розмиву і лінію переходу зон, який дозволяє оцінити розмиваючу здатність потоку і обґрунтувати процес розповсюдження багатоструминного потоку рідини, з урахуванням взаємного положення суміжних струменів, їх геометричних і швидкісних показників.

3. Отримана залежність для визначення діаметра сформованої розмивом свердловини, яка вперше враховує комплексний вплив на величину діаметра витрат рідини на буріння, конструктивних параметрів бурового снаряда, властивостей робочої рідини, шламового потоку і донних порід.

4. Вперше встановлені закономірності руху шламового потоку з урахуванням збільшення його густини в процесі буріння і функціональної залежності діаметра свердловини від витрати рідини, які дозволяють визначити раціональні межи зміни витрат рідини, що забезпечують формування свердловини.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій обґрунтовується:

- коректністю постановки задач і використанням апробованих методів досліджень і фундаментальних положень теорії турбулентних струменів, гідромеханіки і гідротехніки;

- експериментальними методами перевірки результатів теоретичних досліджень швидкості багатоструминного потоку і розмірів сформованої розмивом свердловини;

- достатнім об'ємом експериментальних досліджень, визначеним відповідно з основними положеннями теорії інженерного експерименту і математичної статистики, задовільною збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень (розбіжність не більш 14%);

- проведеними у виробничих умовах випробуваннями, які показали ефективність використання багатоструминного потоку рідини для формування підводних свердловин.

Наукове значення роботи полягає в доповненні основних закономірностей процесу гідравлічного буріння, за рахунок визначення впливу суміжних струменів, що змішуються, на розмив вибою і встановленні особливостей формування ствола свердловини висхідним шламовим потоком.

Практичне значення роботи полягає в обґрунтуванні технологічних параметрів багаторейсового поінтервального буріння, створенні методики вибору раціонального виконання вузла розмиву, що дозволяє істотно розширити область застосування заглибних бурових установок.

Реалізація результатів роботи. Розроблена технологія буріння підводних свердловин багаторейсовим поінтервальним способом; конструкція заглибної бурової установки УМБ-127; проведені виробничі випробування на базі ЗАТ “Тихоокеанська інжинірингова компанія” і ЗАТ “Юговостокгаз”, в процесі яких з неспеціалізованих суден заглибною установкою були пробурені свердловини глибиною до 20 м.

Особистий внесок автора полягає в постановці мети і задач досліджень, формулюванні ідеї, наукових положень, висновків і рекомендацій, виконанні теоретичних і експериментальних досліджень, визначенні раціональної схеми і режимів буріння і розробці конструкції бурового снаряда. Впровадження результатів дисертаційної роботи проводилося з участю пошукувача.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на науково-технічних конференціях: “Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин” (Томськ, 1994 р.), “Бурение скважин в осложненных условиях” (Донецьк, 1996 р., 2001 р.), “Проблемы геологии и освоения недр” (Томськ, 1998 р.), “XXI столетие – проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых” (Дніпропетровськ, 1998 р.), “Форум гірників-2003” (Дніпропетровськ, 2003 р.), “Наука і освіта -2004” (Дніпропетровськ, 2004 р.), на наукових семінарах кафедри ТТГР ДонНТУ.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи висловлені в 13 роботах, у тому числі в 9 статтях, 1 авторському свідоцтві, 3 тезах докладів.

Структура роботи. Дисертація містить 194 сторінки тексту, 43 рисунка, 26 таблиць і складається з введення, п'яти глав, висновків і рекомендацій, списку використаних джерел, який включає 140 найменувань, і 8 додатків. Основна частина викладена на 169 сторінках, з яких 16 містять окремі таблиці.

Автор глибоко вдячний д.т.н., професору Кожевникову А.О. і к.т.н., доценту Ганкевичу В.Ф. за цінні методичні поради і резензування дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Перший розділ присвячений огляду досліджень і розробок в області гідравлічного руйнування гірських порід.

Розглядаються основні технічні засоби буріння неглибоких до 20 м свердловин на шельфі. Спеціалізовані бурові судна дозволяють проводити буріння в широкому діапазоні глибин свердловин, але у разі буріння свердловин глибиною до 20 м експлуатаційні витрати істотно великі. Крім того, для великотонажних бурових суден мілководні зони шельфу недоступні, а буріння з понтонів і барж вимагає жорсткої фіксації судна над свердловиною і установку водовідділяючої колони, що також збільшує вартість бурових робіт.

Глибина буріння заглибними буровими установками з неспеціалізованих малотонажних суден, не перевищує 10 м навіть для продуктивних гiдроударнiх снарядів. Наявні резерви по підвищенню глибини свердловини неефективні по ряду причин: настання “пальового ефекту”, збільшення довжини пробовiдбiрника до 22-25 м, ускладнення спуско-підйомних операцій, підвищені вимоги до стійкості снаряда на дні та ін.

Проаналізовано досвід застосування струминних потоків рідини для руйнування порід при експлуатації гiдромонiторних установок в гірничому виробництві, зокрема, в пристроях для свердловинного гiдродобування і при використанні гiдромонiторних доліт. Розглянуті питання заглиблення обсадних колон в пухкі породи за допомогою розмиву для гiдрогеологiчних, будівельних і сейс-морозвідувальних цілей, а також робота підводних пробовiдбiрникiв. Аналіз показав, що наявний досвід використання струминних потоків не завжди застосовний при бурінні свердловин заглибними установками, тому потрібні більш детальні дослідження умов створення ефективного потоку для розмиву порід на вибої свердловини.

Огляд існуючих теорій струминної течії, які базуються на роботах Л. Прандтля, Т. Кармана, А.М. Колмогорова, Л.Г. Лойцянського, Г.Н. Абрамовича, показує, яке базовим співвідношенням, що відображає специфіку розвитку реальних турбулентних течій, є рівняння О. Рейнольдса. Аналіз різних підходів до рішення задач про струминний рух, виконаних Н.Є. Кочиним, Л.Г. Лойцянськім, А.М. Колмогоровим, Г. Гертлером, Е.Грушвіцем, В. Толміном, Л.А. Вулісом та ін. показав, що теоретичний розрахунок часто неможливий и закономірності руху виводять в емпіричному вигляді. Для опису руху робочого потоку, який витікає з бурового снаряду, зручніше використовувати послідовність напівемпіричних методів рішення рівнянь О. Рейнольдса з урахуванням граничних умов, які відображають особливості розповсюдження осесиметричних потоків у внутрішній порожнині колонкової труби.

Дослідження розмиваючої дії висхідного потоку рідини проводилися для гiдрогеологiчного буріння, що показали збільшення діаметра свердловини в неміцних породах. Вивчення дії потоку зі шламом на ґрунтові стінки здійснювалося в гідротехніці і будівництві, але процеси формування ствола свердловини при гідравлічному бурінні практично не вивчені.

В кінці розділу сформульовані мета, задачі і методика досліджень.

Другий розділ присвячений результатам досліджень умов утворення і швидкісної характеристики багатострумінного потоку рідини.

Дослідженнями Д.М. Башкатова, О.В. Козодоя, В.І. Назарова, О.К. Зубарєва доведено, що при бурінні пухких порід з застосуванням струменів рідини руйнування масиву відбувається при набагато менших значеннях швидкості і тиску потоку, ніж величини, визначені на підставі фізико-механічних властивостей порід. Причиною є інший механізм руйнування, що полягає в порушенні зв'язності ґрунту, а не в дії стискаючих зусиль на порідний масив. Нами запропоновано основним якісним критерієм процесу гідравлічного буріння дисперсних порід вважати швидкість впливаючого потоку, яка повинна перевищувати граничне нерозмиваюче значення uнер. Для найбільш важких з позицій розмиву порід донних відкладень шельфу (густі глини з гравійними домішками) величина uнер, за нормами гідротехнічного будівництва складає 2,7 м/с.

Застосування одного отвору, розташованого всередині колонкової труби, не забезпечує достатню швидкість по периферії вибою, оскільки в одиночному струмені, який розширяється, є межа, названа нами лінією переходу зон, в якій співвідношення швидкостей u/uнер = 1. Ділянки з u/uнер 1 є зонами активного руйнування, інші – зоною нестійкого розмиву. Тому перекрити вибій зонами активного руйнування може тільки потік з декількома струменями. Багатоструминний потік поєднує в собі декілька характерних зон течії. Дослідження Г.Н.Абрамовича визначають межі і характер зміни швидкості на ділянці потенційного ядра струменів. Опис напiвобмеженого струменя для плоскої пластини виконаний Г. Блазіусом, Г. Верхоффом , а необмеженого струменя, що розширяється, – Л. Прандтлем, В. Толміном, Г. Гертлером. Проведені автором вимірювання швидкості струменя, сформованого вузлом насадок на цих ділянках, показують високу збіжність експериментальних і теоретичних даних і для умов розповсюдження потоку в обмеженій порожнині колонкової труби. Оскільки практичне застосування отримали в основному плоскі суміжні потоки, зони змішання двох круглих струменів не мають однозначного опису, а для трьох потоків відсутня навіть постановка задачі.

Відомі вирази Г. Рейхардта, Л. Хьюза, А. Пабста, Х. Сквайра та ін. для визначення профілю швидкості в зоні змішання плоских потоків мають дещо іншу форму залежності, ніж дослідні значення для змішання двох круглих струменів. Це пов'язано з механізмом формування зони змішання, утворюваної за рахунок перенесення частинок приграничних шарів дотичних струменів. Тому значення швидкостей на межах переходу потоку в область змішання є профилеутворюючими. Ділянка змішання струменів представляє собою конусоподібну просторову фігуру, яка має в основі два пересічні сегменти (для двох струменів) або сферичний трикутник (для трьох струменів) (рис. 1).

Рис. 1. Зона змішання трьох суміжних струменів

r, z - координати потоку, ui – швидкість і-ого струменя

Ґрунтуючись на подібності профілів безрозмірної швидкості в приграничному шарі, отриманих Б.А. Жестковим, шуканий розподіл швидкості f(і) в зоні змішання виразимо як відношення надмірної подовжньої швидкості uи в зоні змішання до різниці швидкостей Uр потоків, що змішуються:

.

Тут - безрозмірна координата, яка відображає характер зміни розмірів зони змішання, r0,5 - координата точки змішаного потоку, в якій uи = Uр, а f(і) - функція розподілу швидкості, яку потрібно визначити.

Система рівнянь руху і нерозривності потоку для області змішання суміжних потоків з використанням виразу турбулентного тертя Л.Прандтля має вигляд:

(1)

де v - поперечна складова швидкості, c - емпіричний коефіцієнт Л. Прандтля. Область змішання має особливу форму, тому для призначення граничних умов використовуємо деяку кінцеву відстань уздовж ліній току EF (рис. 1), швидкість в яких гранично близька до швидкостей потоків, що їх створюють. Оскільки змішані потоки мають властивості, характерні для приграничного шару, то граничні умови мають вигляд:

r = rгр1, =0, r = rгр2, =180, .

Вводимо функцію току (z, r), яка в нашому випадку описує траєкторію руху ліній току на ділянці змішання i з рівняння нерозривності потоку отримаємо подовжню складову швидкості . Інтегруванням з урахуванням заміни змінних і прийнятого співвідношення між надмірною подовжньою швидкістю і різницею швидкостей струменів, що змішуються, маємо , де а – дослідна постійна.

Позначивши вираз під знаком інтеграла як безрозмірну функцію току на ділянці змішання F() уявимо за допомогою рівняння нерозривності поперечну і подовжню складові швидкості в зоні змішання . Рівняння руху потоку (1) з урахуванням підстановок і перетворень набуває вигляд:

, (2)

відмінний від відомих в теорії турбулентних струменів рівнянь руху. Перетворення Ейлера дозволяє спростити вираз (2) до лінійного диференціального рівняння вигляду:

. (3)

Граничні умови, приведені за допомогою заміни змінних до безрозмірного вигляду:

=гр1 =гр2 , , F'=0 =0.

де - безрозмірна різниця швидкостей потоків, що змішуються.

Рівняння (3) має приблизне рішення, отримане за допомогою розкладання функції F() в ряд, а вираз для подовжньої складової швидкості для трьох змішаних потоків складає:

,

або в загальному вигляді (рис. 2), де U - середня швидкість потоків, що змішуються. Значення F’() представляє собою загальний характер розподілу на ділянці змішання.

Рис. 2. Зміна безрозмірної швидкості в зоні змішання при безрозмірній різниці швидкостей потоків, що змішуються =1(), 0,5(?), 0,336 ( - теоретичні точки, - за дослідними даними автора)

Проведені вимірювання швидкості потоку в зоні змішання двох струменів показали зсув поля щодо середньої швидкості у бік високошвидкісного струменя. Збіжність експериментальних і теоретичних даних досягається при значенні експериментального коефіцієнта а=0,386 для двохструминної зони і а=0,891 для трьохструминної, а повний кут розширення складає смІI 11,42 для двохструминного змішаного потоку і смІII 8,08 для трьохструминного.

Результати проведених автором досліджень по формуванню змішаних ділянок показали, що швидкість на межі зони рівна швидкості одиночного струменя, а профіль розподіляється від більшого значення до меншого. Тому джерела одиночних струменів можна розташувати так, щоб утворена зона змішання (BC, рис. 3) перекривала ділянки нестійкого розмиву одиночних струменів (BE, CF).

Рис. 3. Розподіл швидкостей на ділянці розширення ( струмінь 12 мм, ? струмінь 14 мм) і змішання двох суміжних струменів (-)

Тоді мінімально допустима відстань між суміжними отворами з урахуванням умови u uнер визначається як:

,

де 2, см, нер – межі струменів відповідні ділянці розширення неконтактного струменя, зони змішання і в точці переходу зон (рис. 4), що визначаються як .

Рис. 4. Межі струменя, який розширяється

Для створення достатньої для розмиву швидкості по всій площині вибою потрібна комбінація отворів з відстанню між суміжними струменями по колу mо і по радіусу mр, які відповідають умовам:

,(4)

, (5)

де dц - діаметр центрального отвору, dо - діаметр периферійних отворів, nокр - кількість периферійних отворів, dсн - діаметр внутрішньої порожнини колонкової труби, rнерo - радіус зони активного руйнування периферійного струменя.

Оцінюючи можливі компоновки отворів вузла насадок з урахуванням умов (4) і (5) відзначимо, що раціональними є схеми з числом отворів 5 n 8 при віддаленні площини витікання від вибою 80 мм z 120 мм з обов'язковим розміщенням отвору по центру компоновки. Менша кількість отворів не забезпечує перекриття порожнини колонкової труби, а більша приводить до загального зниження швидкості витікання. Для бурового снаряда з колонковою трубою діаметром 108 мм при подачі рідини 510-3 м3/с проведено узагальнююче порівняння швидкісних показників, що дозволило виділити багатоструминні потоки, сформовані схемами 8/10/8 (dо/dц/n) при z= 90 мм і 10/10/6 при z= 100 мм. Комплексна картина розподілу швидкості в площині вибою показана на рис. 5. Вимірювання значення швидкості в контрольних точках потоку підтвердили адекватність теоретичної залежності експериментальним даним.

Рис. 5. Профіль швидкості по перетину вибою, сформований вузлом насадок по схемі 8/10/8 (? теоретична крива, дослідні дані) і по схемі 10/10/6 () при подачі рідини 510-3 м3/с і по схемі 8/10/8 () при подачі 2,510-3 м3/с

Третій розділ присвячений дослідженням процесу формування ствола свердловини в донних відкладеннях висхідним потоком рідини.

Для опису механізму формування свердловини нами прийнято, що збільшення розмірів свердловини припиняється, коли швидкість рідини поблизу стінки свердловини знижується до значення, при якому не стається відриву частинок від масиву. Досліди Ц.Є. Мірцхулави і Б.І. Студенічникова показа-ли, що виступ частинки з горизонтального масиву, при якому можливий від-рив, складає 70% від розмірів частинки.

Отримана нами залежність для визначення розмиваючої швидкості потоку w на частині профілю, що примикає до стінки свердловини, з урахуванням степенного закону розподілу швидкостей Т. Кармана, Л. Прандтля має вигляд:

(6)

де Rснар, Rскв – координати, відповідно внутрішньої і зовнішньої стінок кільцевого зазора; KRe, n - коефіцієнти, залежні від числа Рейнольдса; - коефіцієнт гідравлічних опорів для кільцевого зазору; - коефіцієнт кінематичний в'язкості; – діаметр частинки; Q - подача рідини. Координата Rскв і значення швидкості є невідомими величинами.

По аналогії з основними принципами, прийнятими в теорії руслових деформацій, вважаємо, що стан рівноваги частинки на стінці наступає, коли відриваюча сила врівноважується силами зчеплення з масивом і силою тяжіння самої частинки. Розглядаючи сили зчеплення як зосереджену силу, а вагу частинки в потоці рідини – як рівнодіючу виштовхуючої сили і сили тяжіння, виразимо умову рівноваги як:

(7)

де Сн - коефіцієнт зчеплення; п і - густина породи і рідини відповідно; KСн – дослідний коефіцієнт, який враховує властивості ґрунту. Перетворюючи вирази (6) і (7), отримаємо залежність для визначення діаметра сформованої гiдророзмивом свердловини:

. (8)

В цій формулі враховані всі основні чинники, які впливають на утворення ствола свердловини: конструктивні розміри снаряда Dснар, режим течії (, Q, Cf, KV, KRe, n), властивості рідини (, ); властивості ґрунту (п , Сн, KСн), найбільш значущими з яких є подача рідини, розмір середнєзважених частинок породи і їх зчеплення в масиві (рис. 6).

Рис. 6. Залежність діаметра сформованої розмивом свердловини для середньозернистого (), грубозернистого (^), дрібнозернистого () і пилуватого піску (?), текучепластичного супіску (0) і швидкості висхідного шламового потоку в грубозернистому () і середньозернистому () піску від подачі рідини

Через функціональну залежність діаметра свердловини від подачі рідини, регулювання швидкості висхідного потоку і винесення шламу шляхом зміни подачі, прийняте в умовах звичайного буріння, неможливо. Тому дослідження процесу винесення шламу при гідравлічному бурінні в незв'язних породах полягає у визначенні об'ємної концентрації, густини і швидкості висхідного потоку та порівнянні цих показників з нормами, прийнятими для руху гідросумішей. Об'ємна концентрація шламового потоку, яка з-за особливостей процесу має функціонально залежний від механічної швидкості характер, складає 0,050,1. Це істотно нижче критичних значень 0,350,4, якi рекомендуються в гідротранспорті. При найбільших швидкостях буріння в піщаних породах густина потоку складає 11601170 кг/м3, що не перешкоджає витяганню снаряда з свердловини. Зростання значень густини і концентрації шламу в межах норм є позитивним чинником, оскільки насичений шламом висхідний потік сприяє стійкості стінок свердловини. Швидкість висхідного потоку запропоновано визначати з урахуванням збільшення об'єму свердловини, який заповнюється частиною шламу, що утворюється при бурінні:

,

де dэ - еквівалентний діаметр, який враховує розміри вантажного каната і напірного шланга, а Vм – механічна швидкість буріння. Вираз представляє собою підкорінний вираз формули (8), який враховує за допомогою показника комплекс фізико-механічних властивостей породи, параметрів рідини і режимів її течії. Зі збільшенням подачі рідини понад 510-3 м3/с через збільшення діаметра свердловини незалежно від типу ґрунту практично припиняється зростання швидкості висхідного потоку (рис. 6), тому подальше збільшення подачі для поліпшення умов руху шламу є нераціональним.

Швидкість висхідного потоку, яка перевищує гідравлічну крупність, забезпечується при подачі рідини понад 3,310-3 м3/с. Це підтверджує, що винесення розбуреної породи зі свердловини забезпечується буровими геологорозвідувальними насосами 4-5 класу.

Напруження в пухких і сипких породах, які визначаються з рівняння тиску на підпірну стінку по формулах М.М. Протод'яконова, В.Г. Березанцева, Н.О.Цитовіча, Ю.О. Песляка, Б.В. Байдюка, дають різні результати, хоча і не перевищують величини тиску шламового потоку на стінки свердловини. Тимчасового рівноважного стану стінок, обумовленого противотиском стовпа рідини достатньо для здійснення циклу “розмив-буріння” по багаторейсовій технології. Витрати часу на буріння свердловини глибиною 20 м складають (за даними виробничих випробувань) 30-40 хвилин в піщаних породах (розмив-20-25 хвилин) і до 1,5 години (40-60 хвилин) в глинах.

Показники стійкості стінок в слабих породах тісно пов'язані з діаметром сформованої свердловини. Якщо умовно прийняти, що свердловина, яка формується розмивом, ідентична каверні, то область нестійкості стінок (коефіцієнт каверноутворення К.Ф. Пауса К>5) для грубозернистих пісків наступає при подачі понад 5,510-3 м3/с. Це означає, що тимчасова стійкість свердловини забезпечується за рахунок тиску на її стінки шламового потоку при безперервній подачі рідини до 330 дм3/хв.

В четвертому розділі описуються проведені експериментальні дослідження процесу гідравлічного буріння.

Проводилися дві групи дослідів - для визначення швидкості потоку рідини в площині вибою свердловини та для визначення особливостей формування і розмірів свердловини в піщано-глинистих породах.

Вимірювання параметрів, що характеризують досліджувані процеси, здійснювалися методами безпосередньої оцінки і збігу (формування багатоструминного потоку, ствола свердловини) і непрямого вимірювання (швидкість буріння і витрата рідини). Певні погрішності складають від 2 до 14%, що вписується в прийняті при дослідженнях процесів гідродинаміки межі. Число повторень дослідів визначалося з урахуванням значення граничної точності інтервальної оцінки.

Швидкість багатоструминного потоку на виході з бурового снаряда вимірювалася приладом РИ-2,5, тензометричні датчики якого монтувалися у втулці, яка з’єднується з буровим снарядом. Це забезпечувало необхідну відстань до площини вимірювання струменів (80-100 мм). Для вимірювання швидкості на ділянках розширення і змішання потоку використовувалася комбінація отворів у вузлі розмиву 12/14/4, а для отримання комплексної картини потоку - по схемі 8/10/8, яка аналітичними дослідженнями визначена як найбільш раціональна. При проведенні дослідів експериментальний снаряд з блоком вимірювальних датчиків заглиблювався в дослідну свердловину для імітації умов затоплення вибою. Порівняння отриманих дослідних даних з теоретичними проводилося по умові статистичної значущості з використанням критерію Фішера і показало, що результати вимірювань в зоні змішання, розширення і пристінкової області адекватні розрахунковим.

Для визначення діаметра свердловини, вимірювання швидкості буріння в зразках піщаного і глинистого ґрунту різного складу і консистенції і визначення стійкості стінок свердловини, пройденої гідравлічним бурінням, виконувався модельний експеримент з виконанням принципів подібності лінійних l і діаметральних d розмірів моделі і реального об'єкту по критерію подібності Рейнольдса: (індекс “м” позначає “модельний”). Дослідження проводилися з реальними піщано-глинистими ґрунтами.

Для моделі бурового снаряда з а=1,43 (89 мм) при подачі Qм= 3,510-3 м3/с, і вогкості W = 21,58 – 21,71% в різних по середньому діаметру частинок ґрунтах (із зміною Сн в межах 1000-5000 Па) була заміряна швидкість заглиблення снаряда Vмэкс і розміри формованої свердловини Dсквэкс. В табл. 1 разом з дослідними даними приводяться розрахункові значення діаметра Dскв по (8), і швидкості Vмр при подачі 510-3м3/с.

Таблиця 1

Залежність діаметра свердловини і швидкості буріння від фізико-механічних властивостей ґрунту (кут внутрішнього тертя п, показник пластичності IL, коефіцієнт пористості e)

, мм | Сн, Па | п, град | e (IL) | Dсквэкс, м | Dскв, м | Vмэкс, м/хв | Vмр, м/хв

0,75 | 1000 | 40 | 0,55 | 0,208 | 0,239 | 1,49 | 1,62

2000 | 43 | 0,45 | 0,231 | 0,225 | 1,37 | 1,51

0,375 | 1000 | 35 | 0,65 | 0,218 | 0,243 | 1,49 | 1,62

2000 | 38 | 0,55 | 0,228 | 0,225 | 1,37 | 1,51

0,175 | 2000 | 32 | 0,65 | 0,208 | 0,222 | 1,37 | 1,51

4000 | 36 | 0,55 | 0,180 | 0,203 | 0,78 | 0,88

0,03 | 2000 | 26 | 0,75 | 0,195 | 0,216 | 1,36 | 1,51

4000 | 30 | 0,65 | 0,188 | 0,197 | 0,78 | 0,88

0,005 | 2000 | 18 | 0,75< IL 1 | 0,181 | 0,196 | 1,33 | 1,51

5000 | 20 | 0,5< IL0,75 | 0,185 | 0,176 | 0,49 | 0,58

0,003 | 5000 | 10 | IL>1 | 0,165 | 0,168 | 0,48 | 0,58

Діаметр свердловини при постійних значеннях Q і Сн має тенденцію до зниження із зростанням середнього діаметра частинок породи. Більше зчеплення порід незалежно від знижує швидкість буріння, а із збільшенням вогкості породи від 10 до 40% швидкість зростає в 1,4 рази.

Вплив кількості рідини, яка проходить по стволу, на його розміри досліджувався на дрібнозернистому піску (а=4,23 (30 мм), W= 25-30%, Сн= 2100-2500 Па). В результаті підтверджена адекватність експериментальних даних теоретичним значенням при коефіцієнті КСн=0,051 у виразі (8).

Дослідженнями встановлено, що стінки свердловини знаходяться в стійкому стані за наявності безперервного потоку рідини. Піщані ґрунти з вогкістю, меншою ніж Wопт = 10-15%, яка відповідає щонайбільшій об'ємній густині ґрунту, а також глинисті ґрунти зберігають форму і розміри ствола після припинення циркуляції рідини і витягання снаряда. Ґрунти з вогкістю, більшою, ніж Wопт, втрачають стійкість відразу після припинення подачі рідини.

В п'ятому розділі описується розробка технологічних параметрів буріння і конструкції заглибної установки УМБ-127 для багаторейсового поінтервального буріння. Конструкція заглибної установки включає снаряд з гідроударним механізмом, вузол перемикання режиму буріння, вузол розмиву із струменеутворюючими насадками і механізмом фіксації. Передбачається можливість використання придонної основи як у вигляді складної трьохногої опори з направляючим циліндром, так і зварної опорної рами, забезпечених регулятором довжини рейса.

Основним технологічним параметром гідравлічного буріння є подача робочої рідини, нижня межа якої обмежується умовою забезпечення розмиву і винесення частинок, а верхній – неприпустимістю надмірного збільшення розмірів свердловини, нормованого коефіцієнтом каверноутворення (табл. 2).

Таблиця 2

Технологічні параметри гідравлічного буріння установкою УМБ-127

Тип породи | Питома витрата рідини, м3/м3 | Подача рідини, дм3/хв | Очікувана швидкість буріння, м/хв

для розмиву | для винесення шламу

Qmin | Qmax

Пісок грубозернистий | 7 | 150 | 100 | 330 | 1,5-1,6

Пісок середньозернистий | 8,5-8,7 | 150 | 75 | 350 | 1,5-1,6

Пісок дрібнозернистий | 11-18 | 150 | 50 | 400 | 0,9-1,5

Пісок пилуватий | 12-20 | 150 | 50 | 440 | 0,9-1,5

Супісок | 17-18 | 300 | 50 | 500 | 0,5-1,5

Суглинок, глина | 18-25 | 300 | 50 | 500 | 0,5-0,6

При бурінні незв'язних порід та порід, що перемежаються, раціональною подачею рідини є 300-330 дм3/хв, в глинистих породах подача може бути збільшена до 300-500 дм3/хв.

Проведені стендові, попередні і виробничі випробування підтвердили працездатність установки УМБ-127 і технології буріння, дозволили уточнити операційну послідовність і режими буріння. При виробничих випробуваннях на о. Сахалін за участю ЗАТ “Тихоокеанська інжинірингова компанія” пробурено 35,9 м (з розмивом 18,5 м). На Азовському морі ЗАТ “Юговостокгаз” багаторейсовим способом пробурено 65 свердловин загальним об'ємом 1132 метри глибиною від 12 до 25 м.

Наведено опис послідовності технологічних операцій і варіанти використовування технологічної схеми і установки для буріння скороченими рейсами, відбору проб ґрунту в заданому інтервалі, буріння в мілководих зонах. Реальними напрямами вдосконалення технології багаторейсового поінтервального буріння є збільшення глибини свердловини до 30-35 м, підвищення якості відбираних проб.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій на основі вивчення особливостей утворення змішаних потоків і впливу на формування ствола свердловини висхідного шламового потоку вирішена актуальна задача обґрунтовування технологічних параметрів багаторейсового буріння підводних свердловин, розширюючих область застосування заглибних бурових установок. Основними науковими результатами, висновками і рекомендаціями є наступне:

1. При використанні геологорозвідувальних бурових насосів ефективний розмив забою свердловини незалежно від внутрішнього діаметра колонкового набору досягається тільки багатоструминним потоком.

2. Профіль швидкості струменя, що розширяється, розділяється на зони активного руйнування і нестійкого розмиву породи. Критерієм розділення є значення швидкості рідини, що забезпечує безперервний розмив породи.

3. Результати проведених експериментальних вимірювань показали, що залежність Г.Верхоффа для розподілу швидкості потоку в зоні напiвобмеженного струменя уздовж подовжньої перешкоди, і В. Толміна для необмеженного одиночного струменя, що розширяється, з достатньою точністю можуть бути застосовні і для опису аналогічних зон багатоструминного потоку при течії в порожнині і уздовж колонкової труби.

4. Повздовжня швидкість рідини в зоні змішання різношвидкісних круглих струменів, пропорційна середній швидкості струменів і добутку безрозмірної різниці їх швидкостей на похідну функції току. Профіль швидкості в зоні змішання асиметричний, із зсувом лінії току, відповідній середній швидкості, у бік зони розширення менш швидкісного струменя.

5. Руйнування вибою свердловини на ділянках нестійкого розмиву одиночних струменів забезпечується за рахунок накладення суміжних струменів, відстань між якими в площині витікання визначається положенням площини контакту струменів і меж їх зон активного руйнування, змішання і вільного розширення.

6. Визначення розмірів ствола свердловини доцільно проводити з використанням принципів теорії руслових деформацій, при цьому діаметр свердловини, сформованої розмивом, визначається з умови рівноваги сил, діючих на частинку: викликаних висхідним шламовим потоком, тяжіння і зчеплення з масивом.

7. При заданих параметрах бурового снаряда найбільш істотними чинниками, що впливають на величину діаметра свердловини, є подача рідини, середнєзважений розмір частинок ґрунту і зчеплення в масиві.

8. Умовами очищення ствола свердловини є обмеження об'ємної концентрації висхідного шламового потоку в межах 35-40% і перевищення швидкості його руху над гідравлічною крупнiстю частинок. При щонайбільшій механічній швидкості буріння в піщано-глинистих ґрунтах густина шламового потоку не перевищує 1200 кг/м3, а об'ємна концентрація складає до 10%.

9. Швидкість висхідного шламового потоку в донних відкладеннях запропоновано визначати з урахуванням заповнення шламом прирощеного в одиницю часу об'єму свердловини. Збільшення подачі рідини понад 510-3 м3/с через функціональний зв'язок між діаметром свердловини і подачею рідини до істотного зростання швидкості висхідного потоку не приводить.

10. Постійна подача рідини забезпечує підтримку густини утворюваного при розмиві шламового середовища на рівні 1050–1150 кг/м3, що сприяє тимчасовій стійкості стінок незакріпленої свердловини. Тому в процесі буріння і при підйомі снаряда повинна забезпечуватися постійна циркуляція рідини в свердловині.

11. На швидкість буріння мають вплив середній розмір частинок, величина зчеплення частинок в породі і вогкість. При подачі 510-3 м3/с механічна швидкість буріння складає: в піщаних ґрунтах 0,88-1,62 м/хв, зростаючи із зменшенням зчеплення, в глинистих – 0,58 м/хв і супіщаних – 1,51 м/хв. Із зміною вогкості породи від 10 до 40% швидкість буріння зростає в 1,4 рази по лінійній залежності.

12. Результати проведених експериментальних досліджень адекватні отриманій теоретичній залежності, розбіжність складає 2-9% для швидкості багатоструминного потоку і 3-14% для розмірів ствола свердловини, що підтверджує справедливість прийнятих підходів до опису закономірностей гідравлічного буріння донних порід.

13. Результати виробничих випробувань підтверджують можливість буріння свердловин глибиною до 20 м по схемі багаторейсового поінтервального буріння заглибною буровою установкою УМБ-127.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.