Анализ бурения скважин с продувкой воздухом

- © Р.У. Джураев, М.В. Меркулов, 2014

УДК 622.143

Р.У. Джураев, М.В. Меркулов

АНАЛИЗ БУРЕНИЯ СКВАЖИН С ПРОДУВКОЙ ВОЗДУХОМ

Бурение скважин с продувкой воздухом и другими газообразными агентами является в определенных условиях наиболее прогрессивным и высокоэффективным способом бурения. Для очистки забоя от разбуренной породы применяется газообразный агент, в частности сжатый воздух. В условиях продувки охлажденным воздухом его температура превышает температуру мерзлых пород в призабойной зоне, которая непрерывно перемещается в процессе бурения. Чем выше механическая скорость, тем меньше растепляющее действие воздуха. Устранение резкого прироста температуры воздуха в призабойной зоне может быть достигнуто на основе использования охлажденного сжатого воздуха. Для нормализации температурного режима коронки перспективно использование вихревого холодильника, встраиваемого в состав бурового снаряда над колонковой трубой.

Ключевые слова: продувка, бурение, вихревой эффект, температурный режим, скважина, забой, скорость бурения, производительность, сжатый воздух, мерзлые породы.

В настоящее время одним из прогрессивных и высокоэффективных способов бурения в условиях многолетней мерзлоты является бурение скважин с продувкой воздухом и другими газообразными агентами.

Сущность этого способа заключается в том, что для очистки забоя от разбуренной породы применяется газообразный агент, в частности сжатый воздух. Из компрессора воздух поступает через нагнетательный шланг в бурильные трубы. При выходе из-под торца режущего инструмента воздух, расширяясь, поднимается по затрубному пространству, увлекая за собой разбуренную породу в выкидную линию и затем в шламосборник, где шлам улавливается специальными приспособлениями, а воздух, свободный от породы, уходит в атмосферу.

Продувка скважины газообразными агентами является эффективным технологическим средством, позволяющим в определенных условиях существенно повысить производительность и снизить стоимость буровых работ [2].

Отличием воздуха (газа) от промывочных жидкостей являются сжимаемость, малая вязкость и очень малая плотность. Благодаря этому легко обеспечиваются высокие скорости восходящего потока при сильной его турбулентности. В этом случае происходит практически мгновенная и полная очистка забоя, нет вторичного измельчения шлама, он во много раз быстрее выносится на поверхность. Высокотурбулентный поток охлаждает породоразрушающий инструмент. Нет гидростатического давления столба жидкости на забой, что улучшает условия разрушения породы. Механическая скорость бурения и рейсовая проходка возрастают и нередко в несколько раз. Воздух (газ) не загрязняет продуктивных пластов при их вскрытии. Повышается качество опробования [1].

Сжатый воздух, снижая опасность и остроту осложнений, связанных с протаиванием пород, не устраняет этих осложнений полностью. На выходе из компрессора он имеет по-

Рис. 1. Принципиальная схема воздушного вихревого холодильника: 1 - сопло; 2 - диафрагма; 3 - вихревая трубка; 4 - улитка; 5 - дроссели

вышенную температуру (70-80 °С), которая может приводить к протаива-нию мерзлоты и всегда вызывает выпадение и замерзание в циркуляционной системе конденсата с последующими осложнениями. Здесь немалую роль играет и температурный фактор при бурении, недоучет которого может привести к специфическим осложнениям: слипание частиц шлама, образование сальников, замерзание конденсата в соединениях и т.п.

В условиях продувки охлажденным воздухом его температура превышает температуру мерзлых пород в при-забойной зоне, которая непрерывно перемещается в процессе бурения. Чем выше механическая скорость, тем меньше растепляющее действие воздуха. Устранение резкого прироста температуры воздуха в призабойной зоне может быть достигнуто на основе использования охлажденного сжатого воздуха.

Многие способы охлаждения и осушения воздуха при бурении осуществимы лишь на поверхности. С точки зрения рационального размещения производства холода в целях повышения выхода керна в мерзлых породах или нормализации температурного режима коронки перспективно использование вихревого холодильника, встраиваемого в состав бурового снаряда над колонковой трубой [4].

Принцип действия вихревого холодильника основан на эффекте вихревого температурного разделения газа. Сжатый воздух расширяясь ис-

текает через сопло 1 (рис. 1) со сверхзвуковой скоростью тангенциально внутрь полого цилиндра, где образует мощный вихрь со сложным полем температур. В центре вихря устанавливается низкая, а по периферии высокая температура. Через диафрагму 2

Рис. 2. Схема работы забойного вихревого холодильника при колонковом бурении с продувкой сжатым воздухом:

1 - компрессор; 2 - ресивер; 3 - шланг; 4 -бурильиые трубы; 5 - вихревой холодильник; 6 - вихревая камера; 7 - колонковая труба

№ Давление кг/с2 °С t , °С Gхл, м3/с G , м3/с

1 3,0 10,9 -38,5 26,2 0,0017 0,0044

2 3,5 11,1 -39,0 28,3 0,0019 0,0005

3 4,0 11,3 -39,0 30,8 0,0028 0,0053

4 4,5 11,7 -40,0 32,7 0,0036 0,0055

5 5,0 11,9 -40,0 35,0 0,0039 0,0058

с центральным отверстием выходит холодный воздух, а через дроссель 5 с зазором по периферии - горячий. При перепаде давления 0,5 МПа и начальной температуре 0 °С можно получить примерно одинаковые по расходу потоки воздуха с температурами -50 и +50 °С.

Вихревой холодильник отличается очень малыми размерами и не имеет движущихся частей, что позволяет использовать его в качестве призабой-ного генератора холода при бурении скважин.

Вихревой холодильник 5 (рис. 2) встраивается в состав бурового снаряда над колонковой трубой. Сжатый воздух из ресивера 2 компрессора 1 по шлангу 3 и бурильным трубам 4 подается в вихревую камеру 6, где разделяется на холодный и горячий потоки. Холодный поток направляется внутрь колонковой трубы 7, попадает на забой и по узкому кольцевому зазору между стенками скважины и колонковой трубой направляется вверх, транспортируя шлам с забоя. Горячий воздух выпускается непосредственно в широкий зазор между стенками скважины и бурильными трубами, где сливается с холодным потоком.

Смешанный поток приобретает температуру, близкую к начальной. Благодаря тому, что холодный воздух (составляющий часть общего расхода) транспортирует шлам только на участке узкого зазора, сохраняются нормальные условия для очистки забоя от шлама.

Наиболее эффективно вихревой холодильник может быть использован в сочетании с предварительным

охлаждением сжатого воздуха на поверхности.

Помимо использования вихревого холодильника как призабойного генератора холода имеются возможности применения его в качестве простейшего средства охлаждения воздуха на поверхности при бурении мелких скважин, например, на россыпях. В этом случае вихревой холодильник устанавливается между сальником и ведущей трубой. Поток горячего воздуха выпускается в атмосферу. Непременное условие успеха — обеспечение минимальных аэродинамических сопротивлений в бурильных трубах и кольцевом канале скважины.

Опытное бурение по искусственным блокам мерзлых пород различного гранулометрического состава с температурой от 0 до -12 °С и влажностью (льдистостью) от 5 до 30% твердосплавными коронками различных марок диаметром от 76 до 178 мм.

Во всех случаях бурения с продувкой воздухом, охлажденным до отрицательных температур, сохранялись устойчивость и прочность стенок скважины. Признаки поверхностного протаивания отмечались при форсированных режимах, но стенки скважины сохраняли монолитность.

Проведенные опыты 100 м бурения подтверждает справедливость теоретических предпосылок, что охлаждение сжатого воздуха максимум до -10 °С является эффективным средством устранения осложнений, обеспечения высокого выхода керна мерзлых пород в их естественном, ненарушенном состоянии [4].

В МГРИ-РГГРУ нами был проведен опыт с целью анализа температурного режима вихревой трубки марки 50008Н. Были сделаны замеры температур на входе к вихревой трубке 1вх, на холодном и горячем концах (¿хл, соответственно) при различных давлениях. Также определен расход

воздуха на холодном и горячем концах (Схл, Grр). Результаты опыта приведены в таблице.

Проведенный опыт показывает возможность применения вихревой трубки в качестве охлаждающего инструмента воздуха при бурении скважин с продувкой.

1. Шамшев Ф.А. и др. Технология и техника разведочного бурения. - М.: Недра, 1973.

2. Магурдумов А.М. Разведочное бурение с продувкой забоя воздухом. - М.: Недра, 1970.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Кудряшов Б.Б. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. - Л.: Недра, 1991.

4. Кудряшов Б.Б., Яковлев А.М. Бурение скважин в мерзлых породах. - М.: Недра, 1983. ЕП2

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Джураев Рустам Умарханович - аспирант, e-mail: strong0185@mail.ru, Меркулов Михаил Васильевич - доктор технических наук, профессор,

Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе.

UDC 622.143

ANALYSIS OF DRILLING WITH AIR PURGE

Dzhuraev R.U., Graduate Student, e-mail: strong0185@mail.ru, Merkulov M.V., Doctor of Technical Sciences, Professor,

Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidze.

Drilling of wells with air blowing and other gaseous agents is the most advanced and highly effective way of drilling. To clean the bottom of the drilled rocks used gaseous agent, in particular compressed air.

Occurs more complete and quick cleaning of the borehole cuttings, improved working conditions of the rock cutting tool, leading to faster penetration Purging air wells can significantly improve performance and reduce the cost of drilling. Under the conditions of blowing cool air temperature exceeds its permafrost near the wellbore, which moves continuously during drilling. The higher mechanical speed the less air thermal action. Eliminating the sharp increase in air temperature near the wellbore can be achieved through the use of cooled compressed air. To normalize the temperature crowns prospectively using a vortex cooler embedded in the drill over the core barrel.

Key words: purging slaughter, drilling, drilling speed, vortex effect performance, temperature regime of compressed air, well frozen rocks.

REFERENCES

1. Shamshev F.A. Tekhnologiya i tekhnika razvedochnogo bureniya (Exploration drilling technology and equipment), Moscow, Nedra, 1973.

2. Magurdumov A.M. Razvedochnoe burenie s produvkoi zaboya vozdukhom (Exploration drilling with air flush), Moscow, Nedra, 1970.

3. Kudryashov B.B. Burenie skvazhin v usloviyakh izmeneniya agregatnogo sostoyaniya gornykh porod (Borehole drilling under conditions of change of state in rocks), Leningrad, Nedra, 1991.

4. Kudryashov B.B., Yakovlev A.M. Burenie skvazhin v merzlykh porodakh (Borehole drilling in frozen rocks), Moscow, Nedra, 1983.