Способ укрепления несцементированных грунтов при строительстве методом наклонно-направленного бурения
METHOD FOR STRENGTHENING LOOSE SOILS IN CONSTRUCTION BY DIRECTED DRILLING

Изобретение относится к области строительства переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом наклонно-направленного бурения в несцементированных грунтах.
Процесс строительства переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом наклонно-направленного бурения при прохождении несцементированных грунтов, таких как песок, гравий и галечник, осложняется неустойчивым состоянием ствола скважины, которое может сопровождаться постоянными обрушениями.
При этом крупные фракции несцементированных грунтов не выносятся из скважины, а накапливаются на нижней образующей скважины. Природа обрушений лежит в области процессов взаимодействия между частицами грунта, которые характеризуются силами внутреннего трения и удельного сцепления.
В патентном документе RU 2344263 С1 «Способ проходки неустойчивых пород при бурении скважины» (МПК Е21В 7/00, дата публикации 20.01.2009) раскрыт способ, включающий углубление скважины в интервале пласта с неустойчивыми породами и укрепление стенок скважины в указанном интервале профильными перекрывателями, причем углубление интервала с неустойчивыми породами и укрепление стенок скважины производят последовательными участками, причем длину участка выбирают такой, чтобы не произошел обвал неустойчивых пород за время подъема долота и установки профильного перекрывателя, при этом установку профильных перекрывателей производят с перекрытием внахлест с последовательным уменьшением внутреннего диаметра устанавливаемых профильных перекрывателей в рабочем положении при углублении с расширением ствола скважины на первом участке интервала пласта или встык при последовательном углублении с расширением всех участков ствола скважины.
Недостатком данного способа является необходимость использования профильных перекрывателей, что повышает металлоемкость и массу конструкции.
Кроме того, строительство переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом наклонно-направленного бурения может быть осуществлен только при использовании одноступенчатой технологии расширения скважины.
Из уровня техники известен патентный документ RU 2153572 С1 «Способ упрочнения стенки скважины при бурении (МПК Е21В 33/138, дата публикации 27.07.2000), в котором раскрыт способ, включающий обработку стенки скважины струей промывочной жидкости, истекающей из боковой насадки кольматационного переводника и содержащей мелкодисперсную фракцию, причем в качестве мелкодисперсной фракции применяют мелкодисперсный гидрофобный материал с размерами частиц 0,1-100 мкм, который подают к поверхностному слою стенки скважины при вскрытии продуктивного пласта со скоростью 70-80 м/с, при этом концентрацию мелкодисперсного гидрофобного материала выбирают из диапазона 0,02-0,03 мас. %. В качестве мелкодисперсного гидрофобного материала применяют вспученный графит, или белую сажу, или аэросил, или тальк, или перлит. Перед подачей мелкодисперсного гидрофобного материала в промывочную жидкость его перемешивают с нефтью и поверхностно-активным веществом - ПАВ.
Недостатком данного способа является дороговизна промывочной жидкости, поскольку она содержит нефть, и следствие чего, повышается риск экологического загрязнения.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении устойчивости несцементированных грунтов в наклонной скважине большого диаметра, а также в устранении недостатков вышеуказанных технических решений при строительстве переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом наклонно-направленного бурения.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является увеличение прочности стенки скважины в зоне залегания несцементированных грунтов.
-1
Техническая проблема решается, а технический результат достигается осуществлением способа укрепления несцементированных грунтов при строительстве переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом наклонно-направленного бурения, включающего обработку призабойной зоны скважины буровым раствором при динамическом напряжении сдвига не менее 300 дПа и коэффициенте пластичности не менее 800 с, содержащий размер частиц соответствующий условию:
,
где
к
D - размер диаметра проницаемого канала (мм);
ч
D - размер диаметра частиц бурового раствора (мм).
В соответствии с заявленным изобретением упрочнение стенки скважины в зоне залегания несцементированных грунтов достигается в процессе фильтрации бурового раствора в несцементированных грунтах, при условии обеспечения отношения размера проницаемого канала к размеру частиц бурового раствора  и реологическими параметрами бурового раствора в зависимости от инженерно-геологических условий бурения.
В таблице 1 приведены числовые значения динамического напряжения сдвига (ДНС) и коэффициент пластичности бурового раствора (КП) в зависимости от состава грунта.
Данные значения коэффициента пластичности позволяют сократить интервал неконтролируемой фильтрации бурового раствора в проницаемый грунт в процессе его разбуривания.
Фильтрация бурового раствора через проницаемые каналы несцементированного грунта, размер которых намного больше частиц твердой фазы бурового раствора, происходит до момента выравнивания величин перепада давления и потерь давления на движение бурового раствора, при этом структура раствора не разрушается. При достижении глубины проникновения бурового раствора в проницаемые каналы грунта в соответствии с условием затрат энергии на разрушение его структуры из состава разрушенной структуры бурового раствора идет процесс удаления части воды с накоплением и сближением между собой частиц твердой фазы бурового раствора. Сближаясь, частицы твердой фазы в зависимости от состояния связанной ими воды, т.е. качества связей в ней, образуют единую структуру, либо простое накопление твердой фазы. Когда же размеры проницаемых каналов становятся меньше частиц твердой фазы, то под действием дифференциального давления происходит разрушение структуры бурового раствора, и он разделяется на составляющие, которые кольматируют проницаемые каналы, образуя в приствольной зоне скважины экран на основе уплотненных компонентов бурового раствора.
к
Показателем, позволяющим оценить возможность прохождения процесса фильтрации бурового раствора в несцементированные грунты при строительстве переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом наклонно-направленного бурения, является отношение размера проницаемого канала D к размеру частиц бурового раствора.
к
Размер проницаемого канала D (мм) определяется из выражения:
ЭФ
где d - эффективный размер частиц несцементированного грунта, мм; θ - угол упаковки частиц в фиктивном грунте. Для расчета глубины проникновения бурового раствора в несцементированный грунт необходимо вести расчет по заполнителю, а угол упаковки принимают равным 60°-90°. Величину угла упаковки следует сопоставлять с размером частиц и глубиной их залегания.
Эффективный размер частиц несцементированного грунта определяется по формуле:
i
i
где n - массовая или счетная доля, д.е.; d - диаметр частиц грунта, мм.
При разработке проектной документации на строительство переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия, инженерно-геологических изысканий для расчета определения гранулометрического состава несцементированного грунта используют данные, указанные в ГОСТ 12536 - 14 Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава и ГОСТ 25100 - 2011 Грунты. Классификация.
Размер частиц бурового раствора Dч (мм) определяется при проведении лабораторных исследований микроскопическими методами в том числе по ГОСТ Р 8.774 - 2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Дисперсный состав жидких сред. Определение размеров частиц по динамическому рассеянию света и ГОСТ Р 8.777 - 11 Государственная система обеспечения единства измерений. Дисперсный состав аэрозолей и взвесей. Определение размеров частиц по дифракции лазерного излучения.
-1
Равномерное распределение частиц по всему объему бурового раствора достигается за счет обеспечения реологических параметров бурового раствора: динамического напряжения сдвига не менее 300 дПа и коэффициента пластичности не менее 800 с.
Возможность достижения технического результата подтверждается проведенными исследованиями по фильтрации технологических жидкостей в образцы из песка различного фракционного состава, результаты представлены в таблице 2.
Результаты исследований п. 1-2 показывают, что при Dк/Dч<1 фильтрация технологических жидкостей в образцы из песка не происходила.
Результаты исследований п. 3-5 показывают, что при 1<Dк/Dч<6 фильтрация технологических жидкостей в образцы из песка происходила на не полную длину образца (до 65% длины образца).
-1
Результаты исследований п. 6-9 показывают, что при Dк/Dч≥6 фильтрация технологических жидкостей в образцы из песка происходила на полную длину образца (80-100% длины образца) с сохранением его геометрических размеров при значениях коэффициента пластичности более 1362 с.
Увеличение прочности стенки скважины в зоне залегания несцементированных грунтов обеспечивается за счет фильтрации бурового раствора через проницаемые каналы грунта, размер которых намного больше частиц твердой фазы бурового раствора, в результате чего происходит накопление и сближение между собой частиц твердой фазы бурового раствора, а площадь контакта между частицами грунта увеличивается.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. изображена принципиальная схема реализации способа укрепления несцементированных грунтов при строительстве методом наклонно-направленного бурения.
На чертеже позиции имеют следующие числовые обозначения:
1 - рабочая емкость;
2 - трубопровод;
3 - насос;
4 - буровая установка;
5 - бурильная труба;
6 - породоразрушающий инструмент;
7 - забой скважины
Настоящее изобретение поясняется примером, который не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью признаков указанного технического результата.
Перед началом строительства переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом наклонно-направленного бурения в рамках инженерно-геологических изысканий проводятся лабораторные испытания грунтов, слагающих участок перехода. Задачей лабораторных испытаний грунтов является определение физических, физико-механических параметров грунтов в т.ч. гранулометрического состава, плотности, пористости, прочностных параметров и др. На основании полученных данных осуществляется выбор технологии строительства перехода трубопровода через естественные и искусственные препятствия.
Рецептуру бурового раствора и концентрацию материалов подбирают в каждом конкретном случае индивидуально, в зависимости от инженерно-геологических условий.
В качестве примера рассмотрен процесс фильтрации бурового раствора в образце из песка мелкого по ГОСТ 25100 - 2011. Грунты. Классификация, гранулометрический состав которого приведен в таблице 3.
к
Эффективный диаметр песка мелкого вычисляется по формуле (2) и составляет 0,142 мм. Диаметр проницаемого канала D (мм) определяется из выражения (1) и при угле упаковки частиц θ=70° составляет 0,06 мм.
-1
Для бурения в несцементированном грунте применяется буровой раствор, включающий бентонитовый глинопорошок, водорастворимые полимеры и воду, в следующем соотношении компонентов, мас. %: монтмориллонитовый глинопорошок - 6; полимер полианнионная целлюлоза - 0,4; вода - остальное, и обладает величиной КП 2677 с и ДНС 830 дПа.
Диаметр диспергированных частиц данного бурового раствора (монтмориллонитовый глинопорошок и полимер полианнионная целлюлоза) Dч (мм) составил 0,0001 мм. по результатам проведения лабораторных исследований микроскопическими методами по ГОСТ Р 8.774 - 2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Дисперсный состав жидких сред. Определение размеров частиц по динамическому рассеянию света.
Отношение размера проницаемого канала к размеру частиц бурового раствора составляет .
Таким образом, выполняется условие соотношения размера проницаемого канала к размеру частиц бурового раствора , при котором осуществляется процесс фильтрации бурового раствора.
Реализации способа укрепления несцементированных грунтов в процессе строительства переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом наклонно-направленного бурения осуществляется следующим образом.
Буровой раствор в зависимости от инженерно-геологических условий готовится в рабочей емкости 1, из которой после приготовления по трубопроводу 2 посредством работы насоса 3 подается на буровую установку 4.
С буровой установки 4 по бурильным трубам 5 буровой раствор с заданными реологическими параметрами поступает на забой скважины 7 через породоразрушающий инструмент 6.
В результате реализации заявленного изобретения достигается повышение надежности при протаскивании трубопровода в стволе скважины в процессе строительства переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом наклонно-направленного бурения.