Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка технологии, бурения скважин с субгоризонтальным окончанием 7
1.1 Особенности проводки наклонно направленных скважин 12
1.1.1 Анализ геолого-технических условий строительства горизонтальных скважин на Уренгойском ПСМ и выбор направлений работ по совершенствованию технологии. 12
1.1.2 Совершенствование конструкции горизонтальных скважин на Уренгойском ПСМ : 13
1.1.3 Проектирование КНБК для бурения горизонтальных скважин.. 13
1.1.4 Промысловые исследования технологии бурения горизонтальных скважин и оптимальных КНБК 28
Выводы к разделу 1 34
2. Экспериментальные исследования и разработка составов буровых растворов для проводки субгоризонтального ствола в литологонеоднородных породах 36
2.1 Промысловые исследования и технологические особенности промывки при бурении .неустойчивых и проницаемых пород 36
2.2 Экспериментальные исследования и промысловые испытания новых компонентов буровых растворов 44
2.2.1 Экспериментальные исследования и промысловые испытания кольматирующих добавок 44
2.2.2 Экспериментальные исследования гидрофобизирующей добавки МДК...48
2.2.3 Экспериментальные исследования высоковязкой полианионной целлюлозы 49
2.3 Обоснование компонентного состава бурового раствора для проводки субгоризонтального ствола в малопроницаемых породах 54
Выводы по главе 2 61
3. Разработка технологий сохранения фильтрационно-ёмкостных свойств коллекторов при проводке субгоризонтального участка в продуктивном горизонте 63
3.1 Требования к конструкции забоя скважины 63
3.2 Технология "щадящей" кольматации 64
3.3 Теория струйно-волновой кольматации ,67
3.4 Технология формирования фильтровой части забоя скважины с учетом эффективной эксплуатации... 71
3.4.1. Основные закономерности разрушения горных пород струей жидкости 71
3.4.2. Методика создания1 щелей 81
Выводы по главе 3 86
Основные выводы и рекомендации 86
Список использованных источников 89
- Промысловые исследования технологии бурения горизонтальных скважин и оптимальных КНБК
- Промысловые исследования и технологические особенности промывки при бурении .неустойчивых и проницаемых пород
- Обоснование компонентного состава бурового раствора для проводки субгоризонтального ствола в малопроницаемых породах
- Основные закономерности разрушения горных пород струей жидкости
Введение к работе
Дальнейшее повышение добычи, нефти и газа определяется объемами разведочного и эксплуатационного бурения. Это требует поиска и внедрения новых технико-технологических решений, направленных на увеличение темпа строительства скважин и снижение затрат на их сооружение.
Одним из путей повышения эффективности строительства скважин является использование при проектировании и реализации рациональных конструкций горизонтальных скважин и управление процессом бурения с учетом минимизации за трат на ее углубление, і Резервы роста производительности бурения за счет технологических процессов до настоящего времени не исчерпан и в последние годы большое внимание уделяется разработке решений, обеспечивающих совершенствование условий по степени и характеру вскрытия продуктивного объекта в сложных геолого-технических условиях, С учетом этого совершенствуются конструкции скважин, технологические и технические средства для их реализации, однако остаются в недостаточной степени изученными вопросы, связанные с бурением в сложных условиях чередования сла босцементированных проницаемых пород с неустойчивыми глинистыми пропласт ками, зачастую сопровождающихся значительными затратами времени на ликви дацию аварий и осложнений. Особую актуальность при этом приобретают проблемы разбуривания так называемых «шоколадных» глин скважинами с большими зенитными углами и субгоризонтальным окончанием.
В этой связи цель работы сформулирована следующим образом: Разработка технологии строительства наклонных скважин с субгоризонтальным окончанием в неустойчивых породах, чередующихся с проницаемыми про-пластками.
Основные задачи исследований
1. Анализ геолого-технических условий строительства горизонтальных скважин и выбор направлений для совершенствования конструкции забоя.
2. Проектирование конструкции низа бурильной колонны (КНБК) для бурения горизонтальных скважин.
3. Исследование и разработка составов буровых промывочных жидкостей для проводки субгоризонтального ствола в литологонеоднородных породах.
4. Разработка технологии, сохранения фильтрационно-ёмкостных свойств (ФЕС) коллекторов продуктивного горизонта,
5. Разработка нормативной документации.
Научная новизна
1. Научно обоснована методика расчета забойного двигателя отклонителя для одновременного использования в интервалах ориентированного управления кривизной ствола и на участках стабилизации с дополнительным вращением инструмента ротором, где отклонитель рассматривается как напряженно деформированная система в условиях пониженной точности определения усилий и неоднородности материала.
2. Получила дальнейшее развитие теория устойчивости горных пород при, взаимодействии с фильтратом буровых растворов. Установлено, что каверно-образование в неустойчивых породах по квадратичному закону возрастает с увеличением угла наклона ствола скважины и напрямую зависит от показателя фильтра-то отдачи и плотности раствора. 3. Научно обосновано применение струйно-волновой кольматации при обработке слабосцементированных песчаников и чередующихся с песчаниками гли нистых пропластков.
Практическая ценность
1. Выполненный комплекс исследований позволяет обоснованно увеличить объемы внедрения метода и технических средств в практику бурения горизонтальных скважин для решения задач безаварийного построения ствола по заданному профилю.
2. Внедрение технико-технологических рекомендаций по бурению горизонтальных скважин на Уренгойском ГКМ позволило увеличить коммерческую скорость бурения скважин в два раза и получить экономический эффект в зависимости от базы сравнения 36,5 и 112,1 млн. руб. в ценах 2003 года.
3. Исследована технологическая эффективность новых компонентов буровых растворов (высоковязкий полимер, гидрофобизирующая добавка и органический кольматант). На практике показано, что применение кольматанта при проводке наклонно направленного ствола в проницаемых породах сокращает естественные потери бурового раствора в 2 раза.
4. На основе экспериментальных исследований разработаны два состава бурового раствора, отличительной особенностью которых является наличие технологических свойств, обеспечивающих проводку горизонтального ствола малого диаметра в малопроницаемом (10-1510"3 мкм2) продуктивном пласте. В состав рас-; твора вводят новые компоненты (формиат натрия, МДК, ПАЦ-ВВ), обеспечивающие эффективное управление ингибиругощими, кольматирующими, смазывающи-ми и псевдопластичными свойствами промывочной жидкости. Специфической особенностью кольматантов буровых растворов является их кислотораствори МОСТЬ.
Промысловые исследования технологии бурения горизонтальных скважин и оптимальных КНБК
Проводка наклонно направленного и субгоризонтального ствола при бурении под эксплуатационную колонну осложняется спецификой геологического разреза; наличием большого количества (более 10) проницаемых пропластков (с мощностью несколько метров) и неустойчивых пород ("шоколадные" глины). Анализом промыслово-геофизических исследований установлено, что проницаемость их колеблется в пределах от (5-50) І О Змкм2 до (100-150) 10"3мкм , а пористость от 12-18 % до 20-40 %. Проницаемые породы в большинстве водонасыщенные. Вода хлор - кальциевого типа с минерализацией от 4—5 г/л до 10-17 г/л. Глинистость пород по разрезу меняется от 15-18 % до 90 %, а их плотность колеблется в пределах 2100-2300 кг/м3. Геологический разрез характеризуется частым и неравномерным переслаиванием песчаников, алевритов, глин, аргиллитов с углом падения (залегания) пластов в пределах от 1 до 1,5е.
Наличие сложного переслаивания проницаемых пород обуславливает в процессе бурения естественные потери бурового раствора. Эта ситуация усугубляется тем, что при бурении верхнего интервала (ориентировочно 1300-2600 м) применяются малоглинистые буровые растворы. Такие растворы, как правило, имеют высокий показатель фильтрации ( 6-7 см /30 мин), что с достаточно большой суммарной толщиной (450-620 м) проницаемых пропластков провоцирует заметные фильтрационные потери бурового раствора
Промысловыми исследованиями установлено, что естественные потери циркулирующего бурового раствора в результате его фильтрации в многочисленные проницаемые пропластки линейно возрастает с глубиной и временем. Динамика восполнения объёма циркулирующего раствора свидетельствует о том, что процесс фильтрации (потерь) бурового раствора не затухает, а монотонно растет с различной интенсивностью (таблица 2.1)
Установлено, что потери бурового раствора в результате фильтрации в проницаемые породы в процессе бурения под эксплуатационную колонну могут достигать 600—700 м , Это особенно характерно ,для скважин с крутонаправленным стволом, при бурении ко- торых" продолжительность-процесса- филь іріщии_уБеличиваеі ся дополнительно за счёт времени спуско-подъемных, операций (СПО) для смены КНБК и проведения геофизических исследовании скважины (ГНС).
Анализом промысловых данных установлено, что при проводке наклонно направленного ствола для спуска эксплуатационной колонны затраты времени, связанные с проведением СПО и сменой КНБК составляют 43,1 % (таблица 2.2). Спуско - подъёмные операции усиливают гидродинамическое воздействие на фильтрацию бурового раствора и создают опасность образования желобов в стенке скважины. В этих условиях для обеспечения качества формирования ствола и управления его траекторией необходимо применение кольматирующих и смазывающих добавок буровых. растворов. Неустойчивые породы, способные к обвалообразованию, представлены аргиллитами («шоколадные» глины), которые распространены по структуре и являются репером при проведении ГИС. Глубина залегания этих пород изменяется по структуре в пределах 2640-2740 м, а толщина залегания не превышает, как правило, более 20 м. При этом диаметр ствола в интервале залегания «шоколадных» глин в 1,5-2 раза превышает номинальный диаметр скважины. В наклонно направленном стволе наличие таких каверн препятствует спуску инструмента и обсадных колонн, является причиной «зарезки» второго ствола. Анализ показал, что неустойчивые породы отличаются тёмно-бурой окраской с красноватым оттенком. Сложены тонко-чешуйчатым глинистым каолинитовым материалом (до 40 %), густо пропитанным окислами железа (до 13 %). В качестве примеси (10-12 %) присутствуют зёрна кварца, полевого шпата, растительные остатки. Промысловыми исследованиями установлено, что кавернообразование в «шоколадных» глинах провоцируется фильтрацией бурового раствора (рисунок 2.3). С увеличением показателя фильтра-ции бурового раствора с 2 до 5,5 см интенсивность кавернообразования возрастает почти тЗ)гЄ еличением"тілотносги бурового раствора кавернообразование в «шоколадных» глинах заметно уменьшается (рисунок 2.4). Увеличение плотности раствора с 1100 до 1200 кг/м3 снижает интенсивность кавернообразования почти в 2 раза. На практике установлено, что коэффициент кавернозности ствола со временем возрастает в квадратичной зависимости (рисунок 2.5). Установлено, что с относительной ошибкой аппроксимации 1 % эта зависимость может быть представлена следующим выражением: В этих условиях одним из основных мероприятий по сохранению устойчивости стенок скважины является сокращение продолжительности их контакта с потоком бурово го раствора за счет оптимизации режимов бурения и применения рациональных КНБК. Промысловыми исследованиями установлено, что коэффициент кавернозности ствола в «шоколадных» глинах с увеличением зенитного угла возрастает. С относительной ошибкой аппроксимации 6 % эта зависимость может быть представлена в виде: Анализ промысловых результатов показывает, что с увеличением диаметра долота коэффициент кавернозности ствола в зависимости от зенитного угла растёт с различной интенсивностью (рисунок 2.6, 2.7). Угол наклона кривой характеризует степень проявления арочного эффекта. Из рис. 2.6 и 2.7 видно, что в субгоризонтальном стволе (60-70 град) с увеличением диаметра долота со 139,7 до 295,3 мм действие арочного эффекта снижается в 1,5-1,7 раза. Это пропорционально усиливает процесс кавернообразования. Для управления траекторией ствола скважины особое значение имеет качество его очистки от выбуренной породы. При проведении промысловых исследований за критерий транспортирующей способности бурового раствора принято соотношение динамического напряжения сдвига (т0) и пластической .вязкости (г). Основные результаты исследований і представлены на рисунке 2.8» За критерий качества очистки ствола принято время, затраченное на промывку и проработку ствола, связанное с удалением шлама со стенок и забоя скважины. При анализе скважины были условно сгруппированы следующим образом: I группа (зона) - скважины, при очистке ствола которых было затрачено боль шое количество времени (от 4-6 ч до 14-24 ч) и II группа (зона) - скважины, при очистке ствола которых было затрачено значи тельно меньше времени в сравнении с первой группой (менее 3 ч). 1 Анализом установлено, что между I и II зоной существует чёткая граница (линия), которая увязывает оптимальное соотношение зенитного угла (а) и транспортирующую способность (to /л) бурового раствора. Графическая зависимость (рисунок 2.8) определяет требования к реологическим показателям, бурового раствора с учётом качественной очистки наклонно направленного ствола и может табулирована следующим образом (таблица 2.3).
Промысловые исследования и технологические особенности промывки при бурении .неустойчивых и проницаемых пород
Образец ЗАО «Полицелл» - ПАЦ-В п.694, имеет более низкие вязкостные характеристики, .хотя и удовлетворительное значение фильтрации. Сравнение реологических показателей водных растворов в концентрации 0,5-2 % (приложение А табл. А.4) показывает, что образец ПАЦ—ВВ204 является более высоковязким, чем образец ПАЦ-ВВ48э оба образца превосходят по вязкости образцы ЗАО «Полицелл», но уступают импортным аналогам. Оценено влияние испытуемых образцов на технологические параметры глинистых суспензий из двух типов глин в сравнении с различными образцами полианионной цел люлозы ЗАО «Полицелл» и импортными марками РАС-Ц Туїозе ЕСН, PAC-R (приложе ние А табл. А.5). Оптимальные добавки для снижения фильтрации малоглинистой суспен -зиниз-ршнопороштдоб-7 см? для обоих образцов составляют 0,24),3 %, а для сниже ния фильтрации суспензии из грубодисперсной глины необходима добавка этих полиме ров до 0,5 %. Для, импортных аналогов эффективность стабилизации глинистых раство ров несколько выше : оптимальные концентрации соответственно составляют 0,1 -ОД % и до 0,4%. ( Для образцов полианионной целлюлозы ЗАО «Полицелл» (ПАЦмв, ПАЦб94, ПАЦб4б) оптимальные концентрации практически соответствуют значениям для ПАЦ— ВВго4 и ПАЦ-ВВ48ї. Термостабильность обоих образов практически одинакова. Об этом говорит значение динамической фильтрации по УИВ-2 при температуре 70 С и давлении 5 МПа 21 см и мало изменяющиеся значения технологических показателей после выдерживания при 130 С в течение двух часов. Отечественный аналог ПАЦбм в условиях повышенных температур ведет себя аналогично. Из импортных наиболее близок образец PAC-L, высоковязкие марки: Tylose ЕСН, PAC-R отличаются меньшей термостабильностью. Испытанные образцы ПАЦ-ВВгм и ПАЦ-ВВ483 в глинистой суспензии с ОД % содержанием, устойчивы к загрязнению 0,1 % ионами кальция, при увеличении их концентрации до 0,3 % уже наблюдается разжижение и увеличение фильтрации. Исследовано влияние 5-10 % хлористого натрия на показатели 1,5-2 % водных растворов полианионной целлюлозы. Образец ПАЦ-ВВгм более стоек к действию соли, чем образец ПАЦ-ВВ48Э (приложение А табл. А.6). Высокоминерализованные полимерглинистые суспензии (содержание солей: NaCl 31 %; СаСЬ 0,5 %), обработанные 1 % ПАЦ-ВВгм и ПАЦ-ВВ483 образуют стабильные растворы с невысокой фильтрацией (4 см3 по ВМ-2), которая практически остаётся стабильной после термо-тагирования при 130С в течение двух часов (приложение А табл. А.7). Как защитный коллоид полианионная целлюлоза способствует снижению набухания и диспергирования глины. В приложении А представлены кривые набухания глины с выходом 2,4 м3/т в растворах разных марок ПАЦ. Наблюдения за процессом набухания произведены на приборе Ярова—Жигача в течение 7 суток. Наглядно показано, что все марки ПАЦ практически в 1,5-2 раза снижают набухаемость глины в сравнении с дистиллированной водой. Импортные аналоги (PAC-L, PAC-R, IDF FLR) даже при вдвое меньшей концентрации полимеров более эффективно снижают набухаемость глины. Все отечественные марки ПАЦ очень мало, отличаются друг от друга по влиянию на набухае мость глины. Механодеструкция полимерных, реагентов связана с нарушением внугримолеку-лярных связей под воздействием высоких сдвиговых напряжений, что может сопровождаться снижением вязкости бурового раствора, снижением его взвешивающей способно-сти. Это обусловливает актуальность экспериментального изучения динамики процесса. Экспериментальные исследования проведены на установке УПМ-60. В приложении А показано изменение условной вязкости разных марок ПАЦ в зависимости от количества циклов сдвиговых воздействий. Значительных различий по стойкости полимеров ПАЦ к механодеструкции не наблюдается. Отмечено, что образец ПАЦ -ВВ Обр.204 в большей степени подвергаются деструкции через 10 циклов циркуляции, чем образец ПАЦ —ВВ вз-Образец ПАЦб4б (ЗАО «Полицелл») проявляет аномальность поведения (верхняя кривая). Показатели качества, представленных для образцов в сравнении с ПАЦ - В п. 204 (ЗАО «Карбокам - Пермь») представлены в прил.А. Следует отметить, что образец ПАЦ -ВВ п. 204 обладает большим содержанием основного вещества (68,5 %), хотя и меньшей степенью замещения. Тест ПАЦов по специфике АНИ 13А для (КМЦ - ВВТ) показывает, что образцы п. 645, оба п. 694 не удовлетворяют ее требованиям в части вязкостных ха- і . рактеристик, но образцы п. 694 имеют удовлетворительное значение фильтрации (приложение А табл.А.8, А.9). В отличии образец ПАЦ п. 204 проходит тестирование по всем параметрам. Ближе всего по показателям к требованиям теста находится ПАЦ п. 694. Однако больших различий в стабилизирующей способности всех сравниваемых полимеров на глинистые суспензии не наблюдается. По реологическим показателям водных растворов (приложение А табл. АЛО), исследованные ПАЦы (п. 645, п. 694) отличаются меньшими значениями от раннего образца п. 694 не столь значительно, и более значительно от образца «Карбокам - Пермь». Снижение фильтрации до 5-6 см по ВМ-6 происходит при оптимальных концентрациях в малоглинистых суспензиях 0,1-0,2 %, в грубодисперсных -0,5 % (приложение А табл. А. 11). Несколько выбивается ПАЦ-В п. 645, его эффективность ниже. В тоже время ПАЦ-В п. 645 и ПАЦ-В п. 694 проявляют некоторое аномальное влияние на вязкостные характеристики глинистых систем, причина которого не выяснена. По термостабильности все сравниваемые образцы практически не отличаются друг от друга. По стойкости к полисолевой агрессии ПАЦ - В п. 694 лучше, чем ранее присланный образец этой серии, хотя и незначительно. Этот же образец явно лучше в этом отношении, чем образец ПАЦ - В п. 645 (приложение А табл. АЛ 1). Однако ПАЦ — ВВ п. 204 (ЗАО «Карбокам - Пермь») превосходит по устойчивости к солям ПАЦ - В п. 694 (приложение А А.12). Все ПАЦы, как защитные коллоиды, обладают способностью снижать нарухаемость глин. Испытания на приборе Ярова — Жигача набухание глины с выхо-г дом 2,4 м /т в водных растворах исследуемых полимеров 0,7 % концентрации показывают, что ПАЦ-В п. 645 и ПАЦ-В п. 694 более интенсивно тормозят процесс набухания. Экспериментальные исследования стойкости полимеров к механодеструкции проведены на установке УПМ-60 и показано изменение условной вязкости сравниваемых ПАЦов в зависимости от количества циклов сдвиговых воздействий. Наименее стоек к сдвиговым воздействиям образец ПАЦ-В п.694, который очень близок в этом отношении к ПАЦ-ВВ п. 204, а ПАЦ-В п. 645 проявляет аномалию свойств с увеличением сдвиговой нагрузки его вязкость возрастает, как и для образца ПАЦ-В п. 646 (см. приложение А).
Обоснование компонентного состава бурового раствора для проводки субгоризонтального ствола в малопроницаемых породах
Изготовление щелевых каналов производится с помощью гидропескоструйных перфораторов и называется методом щелевой разгрузки открытого забоя или сокращенно "метод щелевой разгрузки". Для выбора режимно-технологических параметров разрушения горных пород струей жидкости были рассмотрены основные закономерности действия струи на преграду и механизм разрушения горных пород струей жидкости (далее РГПЖ) [59]..
Разрушение горных пород струей жидкости (РГПЖ) стало применятся в нашей стране в промышленных масштабах в 1950-х годах в горнорудной и угольной промыш-,, ленностях [60-62J. В бурении скважин РГПЖ в той или иной мере применяется постоянно после внедрения промывки скважин, но в сочетании с механическим разрушением породы долотом. РГПЖ в чистом виде в промышленных масштабах применяется при бурении под шурф и иногда под направление в очень неустойчивых породах в поймах рек, на болотах, в песках и т.д. В этих условиях оно является единственно возможным, ибо позволяет вести бурение с одновременным креплением, поскольку бурение с последующим креплением невозможно из-за немедленного "заллывания" скважины. С другой стороны, при РГПЖ вращение бурильного инструмента необязательно, что существенно ускоряет и упрощает бурение под шурф. РГПЖ применительно к бурению глубоких скважин имеет ряд положительных качеств. Во-первых, снимается вопрос износа долота, поскольку непосредственным породоразрушающим элементом является струя жидкости. Во-вторых, для разрушения породы на забое скважины не требуется вращения инструмента. В-третьих, не требуется создавать нагрузку на долото. В-четвертых, снаряд для РГПЖ имеет очень простую конструкцию и малые габариты по длине и диаметру, позволяющие бурить скважины диаметром, гораздо меньшим, чем при механическом бурении. В-пятых, оно органично вписывается в ныне применяемый процесс механического бурения скважин и без больших капитальных вложений может быть практически реализовано на существующих буровых установках, поскольку они все уже имеют мощные насосы и канал подвода жидкости на забой. Именно этими обстоятельствами объясняется тот широкий интерес, который про7 явили специалисты в области бурения скважин к РГПЖ в бО-х годах как в нашей стране, так и за рубежом. На сегодня выполнен большой объем экспериментальных исследований РІШіСка лабораторных, так и промысловых, включаябурение глубоких скважин. Основные закономерности струйного движения и действия струи на преграду Струей называется масса движущейся сплошной среды, ограниченная замкнутой поверхностью, на которой значение скорости движения и других физических параметров її изменяются скачкообразно. Если струя распространяется в неограниченном пространстве, она называется свободной,! Если пространство! ограниченно стенками, струя называется ограниченной. Струя называется затопленной, если она распространяется в среде, имею щей плотность равную или больше плотности вещества самой струи. Если плотность сре ды меньше, струя называется незатопленной. Струйное движение жидкостей и газов дос таточно хорошо изучено в гидродинамике. В работах [62.63] приведены закономерности распространения свободных и ограниченных, затопленных и незатопленных струй,.а так же воздействия их на преграду. Движение ограниченных затопленных струй жидкости, их действие на преграду применительно к бурению скважин рассмотрено в работах [64.65]. В общем случае, схема движения струи, истекающей из круглой цилиндрической насадки и ее взаимодействие с преградой представлена на рис. 3.2. После истечения из насадки струя монотонно расширяется вследствие увлечения за счет вязкого трения массы вещест ва из окружающей среды. Диаметр струи по ее длине увеличивается по следующему зако ну: где а - темп расширения струи, равный 2tgfi. Величина а зависит от условий распространения струи и ее начальных свойств. Одновременно происходит торможение струи, ее осевая скорость сохраняется на определенном протяжении 1д постоянной. Этот отрезок называется начальным участком струи. За начальным участком следует основной участок, на котором происходит снижение и осевой скорости струи. Таким образом, по мере движения струя постепенно размывается, но момент количества движения ее сохраняется постоянным, т.е. где т - масса вещества струи за определенный отрезок времени. Опыт показывает, что условие (3.9) справедливо не только для свободных струй, но и для ограниченных на достаточно больших I
При встрече с преградой осесимметричная струя трансформируется в веерную струю, распространяющуюся строго вдоль преграды. В литературе [64] распространено представление об отражении струи от преграды, т.е. считается, что после удара о преграду струя отражается от нее под некоторым углом от 20 до 30 подобно мячику. Это неверно, ибо в1 гидродинамике [63] давно установлено явление прилипания струи к преграде, назы-ваемое эффектом4Соанда.-Эффекта Коанда объясняется тем, что струя не может оторваться от поверхности преграды, ибо при отрыве сразу под ней падает давление и струя при-жимается к преграде статистическим давлением окружающей среды. При ударе струи о преграду на последнюю действует сила, определяемая выражением: сила действует на определенную площадь преграды, называемую пятном струи. г [лощадь пятна струи зависит от значения а и отличается от/1 Гидродинамическое давление струи в пятне переменное. Оно максимально в центре пятна, т.е. на оси струи, где досгагает тголнотсгскоростного-напора струи," равного-/нДс/7 (tw- осевая скорость струи), а на краю равно нулю (см. рис. 3,2) Отсюда следует, что жидкость в центре пятна струи неподвижна! а по мере приближения к краю скорость движения возрастает и достигает максимума на краю. Надо отметить, что в работе [64] гидродинамическое давление на оси струи определено іделением силы удара струи на преграду на площадь поперечного сечения струи до удара. В дальнейшем это выражение широко распространилось в буро-вой литературе и иногда применяется даже в настоящее время, хотя в работе [66] показана ошибочность данных выкладок, поскольку они нарушают закон сохранения энергии. Давление на оси струи получается выше скоростного напора в два и более раз. Ошибка воз 1 никла из-за того, что сила удара, как отмечено выше, действует в пятне струи, имеющем площадь, отличную от площади поперечного сечения струи до удара. Это показал еще Д. Бернулли. Максимальное удельное давление струи на преграду не может быть выше ско-, ростного напора на оси струи.
Основные закономерности разрушения горных пород струей жидкости
Подобные работы были выполнены ранее Биишевым А.Г., Струговцом Е.Т. [68], Арзумановым Р.Г. [69], Войцеховским Б.В. [70] и др. Они получили результаты в целом сходные с приведенными, но имеются и некоторые интересные отличия. Так, в работе [71] отмечается, что одинаковая глубина разрушения породы прочностью (на одноосное сжатие) 16,5 МПа получена водой при скорости струи 145 м/с, глинистым раствором - 100 м/с, а глинистым раствором с песком в количестве 3-4% - только 65 м/с. Приведенным значениям скорости соответствует давление в центре пятна струи 64, 32 и 14 процентов от прочности породы. При динамическом давлении струи на эту же породу не более 10 МПа глубина разрушения последней водой примерно на порядок меньше, чем глинистым раствором с песком. Однако при увеличении динамического давления до 20 МПа эта разница резко сокращается до 35-40%. Для более прочных пород различие в глубине разрушения еще меньше.
В работе [72] рассмотрено разрушение мрамора поступательной и вихревой струей воды. Установлено, что при постоянной мощности струи эффективность разрушения породы вихревой струей выше, чем поступательной. Однако энергоемкость разрушения горной породы очень высока - на два порядка выше, чем при механическом разрушении, т.е. значительно выше чем в опытах других авторов. Последнее объясняется невысоким давлением струи на породу, недостаточным для ее эффективного разрушения.
Промысловые испытания РГПЖ были проведены на Солкинском месторождении Западной Сибири в интервале 310-460 м на скважинах № 668 и № 688 [73]. Причем на скв. №668 бурили струями технической воды при расходе 40 л/с, перепаде давления на долоте 21-22 МПа, частоте вращения инструмента 80 об/мин, В начале интервала механическая скорость бурения была такая же, как при турбинном бурении шарошечными долотами, но проходка за один оборот струйного долота была в 4-5 раз выше, чем шарошечного. Одна ко на глубине 460 м струйное долото остановилось, поскольку встретился твердый про пласток. На скв. № 688 бурили струями глинистого раствора плотностью 1140-1170 кг/м с 4% по объему песка при перепаде давления на долоте 12-19 МПа. Остальные параметры режима бурения были такими же, как на скв. №668. Механическая скорость бурения из менялась в пределах 144-42 м/час. В отличие от бурения водой механическая скорость в . конце интервала бурения была довольно значительной — 40-50 м/час, но существенно ни же, чем при турбинном бурении шарошечным: долотом. На основании технико экономического анализа полученных результатов сделан вывод об экономической эффек тивности струйного бурения, но необходимы буровые насосы, оборудование и инсгру I мент с рабочим давлением 50-60 МПа. Полученные результаты согласуются с зарубеж ными данными [74]. Общим для всех данных по .РГПЖ является то, что оно происходит при различном давлении в центре пятна струи по отношению к прочности породы на од ноосное сжатие, что, по нашему мнению, связано с различием в механизме разрушения струей различных горных пород. , Механизм РГПЖ. Ранее уже отмечалось, что механизм РГПЖ детально не рас крыт, поскольку в процессе исследований основное внимание обращалось на интеграль ный эффект - на конечные результаты воздействия струи на породу. Все исследователи, занимающиеся РГПЖ, как чистой, так и с абразивными примесями подчеркивают "слож ность и специфичность явления размыва" (породы) [65], но их взгляды на причины раз- . рушения породы расходятся., Одни считают, что разрушение происходит под действием нормального давления струи на породу [65,75-78], т.е. в результате сжатия породы. Но тогда разрушение должно происходить при динамическом давлении в пятне струи, соизмеримом с твердостью породы, а в опыте породы разрушаются уже при давлениях, кратно меньших не только твердо-сти породы, но и ее прочности на одноосное сжатие. Другие [69] видят причину в касательных напряжениях трения, возникающих при растекании струи по породе после удара. Это, на первый взгляд, согласуется с опытом, ибо разрушение породы действительно начинается по периферии струи, где максимальна скорость веерной струи [72]. Однако оценим значение касательных напряжений, действующих на породу при растекании струи. Напряжение трения г в ламинарном пограничном подслое можно определить по формуле: Из таблицы 3.4 следует, что касательные напряжения малы даже при очень малых S. Например, при S= 1 мкм Тщ х всего 0,15 МПа, тогда как струя воды разрушает породу прочностью на одноосное сжатие 16 МПа [71], у которой прочность на сдвиг имеет тот же порядок. Следовательно, порода разрушается не под действием касательных напряжений, действующих на нее при растекании струи после удара. Некоторые авторы [74] полагают, что порода разрушается под комбинированным действием переменных нормальных и ка-сательных напряжений, действующих на породу при ударе турбулентной осесимметрич-ной струи, т.е. за счет сжатия, сдвига, усталостных явлений. Однако этим тоже трудно полностью объяснить экспериментальный факт разрушения породы с высокой скоростью при давлении струи, кратно меньшим даже предела прочности на одноосное сжатие. Мы считаем, что не существует единого механизма разрушения горной породы. Он зависит от особенностей горной породы (плотная или пористая), свойств струи (скорости, свойств жидкости, наличие в ней твердых частиц) и др. Именно по этой причине разрушение породы происходит при разных отношениях динамического давления в центре пятна струи к пределу прочности породы на одноосное сжатие, изменяющихся в очень широких пределах-от 150% до 14%.
Рассмотрим действие водяной струи на пористую горную породу и возникающие при этом силы. Допустим, что давление в окружающей среде Рі, а в горной породе, в приповерхностном слое - Р2, причем примем Р/ / 2, как в большинстве глубоких скважин. Если поверхность забоя абсолютно гладкая, а струя направлена вдоль нее, дифференциальное давление РІ=Р]-Р2 0 (рисунок 3.4 - поз. а). На породу дополнительно действуют сила трения жидкости и давление за счет поперечных турбулентных пульсаций скорости. Эти силы, как показали наши расчеты, сравнительно малы и не могут, как правило, вызвать разрушения породы. Если поверхность породы шероховатая, как в реальности, движение струи в пограничном слое будет вихревым. При обтекании неровностей в области гребня давление значительно уменьшается по сравнению с І /, а на набегающей стороне увеличивается. Во впадинах формируются стоячие вихри; а давление на поверхность породы может быть-болыне или меньше Pi. Следовательно давление на поверхность породы значительно отличается от давления в окружающей среде и изменяется по длине. Конечно, дав-ление в каждой точке направлено по нормали к поверхности породы, но силы, обусловленные им, наряду с касательными силами трения могут прижимать частицы породы, сдвигать их или отрывать в зависимости от формы шероховатости и распределения давления вокруг нее. Следует отметить, что абсолютные размеры шероховатостей могут быть і очень небольшими (доли мм), поскольку в веерной струе толщина пограничного слоя очень мала [67-69].
