Алмазды таужыныстарды бұзушы құралмен бұрғылау кезінде температуралық фактордың маңызы

Жаңа техникалық құралдардың және ұңғымалардың бұрғылау технологияларының (ұсақалмазды бұрғылау құралы, жоғары жылдамдылықты бұрғылау станоктары, забойды тазалау үшін газ тәріздес агенттерді, қатпайтын сұйықтықтарды, полимерлі және аэрацияланған ерітінділерді, тұрақтандырғыш көпіршіктерді қолдану және т.б.) дамуымен, бұрғылау үрдістерін негіздеумен, забойда жүзеге асырылатын қуаттылық пен барлау ұңғымалардың тереңдігініңи жоғарлауымен байланысты замануи жағдайларда температуралық фактор үлкен маңызға ие болып келеді.

Бұрғылау алмаздарының 650 °С дейін қызуы оның кескіштердің жонуына, ал 800 °С және одна да жоғары қызған кезінде таужыныстарды бұзушы құралдың матрицасынан алмазды түйірлердің жарылуы және түсіп қалуына әкелетіні, алмаздардың 600 °С дейін қызған кезінде олардың микроқаттылығы 30%, ал 1000 °С дейін қызған кезінде 60% төмендейтіні дәлелденген. Бұл алмазды коронкалардың алдын-ала әстен шығуына, яғни бұрғылау жұмыстардың қымбаттауына әкеледі. Бұрғылау құралы жұмысының қалыпты температуралық режимінің бұзылуы апаттық жағдайларға әкеледі – алмазды коронканың жанып кетуі, оны жою үшін апатқа кететін жалпы уақыт шығынан Мингео РСФСР он өңдірістік-геологиялық ұйымдардың мәліметтері бойынша уақыт шығыны 8,74 % (1980 ж.) және 4,57 % (1984 ж.) құрайды, ал жеке ПГО ол 10-11% дейін жетеді.

Температуралық фактордың маңызы төмен жылу сыйымдылықты және төмен жылуөткізгішті тазалағыш агенттермен (сығылған уамен, аэрацияланған жуу сұйықтығымен, көпіршіктермен) алмазды бұрғылау кезінде біршама жоғары. Температуралық фактор тазалағыш агенттің жұтылу немесе ұңғыманың шламдану жағдайларында форсирленген режимде сұйықтықты жуумен бұрғылау кезінде де орын алады.

Алмазды таужыныстарды бұзушы құралдың температуралық режимін зерттеудің заманауи күйі.

Бұрғыланып жатқан ұңғымалардың жылулық режимін болжау және реттеу мәселелеріне көптеген отандық және шетелдік зерттеулер арналған. Таужыныстарды бұзушы құралдың температуралық режимін бұрғылау тәжірибесіне жаңа тазалағыш агентті – сығылған ауаны енгізумен байланысты зерттей бастады, себебі оның кез келген жуу сұйықтығымен салыстырғанда төмен массалық шығынына және төмен жылусыйымдылығына байланысты ұңғыма забойында құралдың жұмысы кезінде оны суытылуы нашарлайды.

Бұрғылау кезінде таужыныстарды бұзушы құралдың ұңғыма забойында байланысу жерінде температураның жоғарлауы механикалық энергияның жылулық энергияға айналуымен байланысты. Механикалық бұрғылау кезінде таужыныстарды бұзылудың физикалық к.п.д., Л.А. Шрейер мәліметтері бойынша 0,01% ғана өқұрайды. Забойда шығарылған барлық механикалық энергия жылу түрінде таралады. Забойда пайда болған жылу таужыныстарды бұзушы құралдың денесіне және жартылау таужыныстарға енеді. Тазалағыш агент құралды жуа отырып, конвективті жылу алмасу нәтижесінде келіп жатқан жылуды шығарады. Бұрғылау басталғаннан кейін уақыт бірлігінде келетін және суытылған ортамен суытылатын жылудың мөлшері теңесіп, құралдың денесінде тұрақты температуралық өріс қалыптасады. Ұңғыма забойында барлық зерттеушілермен қолданатын жылуалмасу үрдісінің ең тараған жалпы сұлбасы осы.

Қазіргі уақтта алмазды таужыныстарды бұзушы құралдың температуралық режимі туралы мәселені шешу жағдайлары ұсынылған. Біреулері аналитикалық сипатқа ие болса, екіншілері эмпирикалық болып, эксперименталды мәліметтерді статикалық өңдеу нәтижелеріне негізделген.

Алғаш рет жұмыс істеп тұрған бұрғылау құралдың температуралық режимі туралы мәселенің шешімін Б:Б. кудряшов тапқан. Негізінен, аналитикалық тұрғыдан жуу немесе үрлеу арқылы бұрғылау кезінде сақиналы коронкалардың жылу температурасын есептеу үшін формула шығарылған:

 

(13.1)

мұндағы – шеткі бөлігіндегі орташаландырылған температура түрінде берілген коронка шетінің температурасы, °С; N – забойда шығып жатқан қуаттылық, Вт; - коронка материалының жылу өткізгіштігі, Вт/(м-°С); , D₂ – коронканың сыртқы және ішкі диаметрлері, м; , - коронканың ішкі және сыртқы беттерінде жылу беру көрсеткіштері, Вт/(м²-°С); G – тазалағыш агенттің массалық шығыны, кг/с; с_р – тазалағыш агенттің меншікті массалық жылу сыйымдылығы (ауа үшін – тұрақты қысым кезінде), Дж/(кг-°С); - забойда бұрғылау кезінде тазалағыш агенттің температурасы, °С; k_H – жылу ағыстарының таралу сипатына байланысты болатын коронканың шексіз жылу көрсеткіші.

(13.1) формуласын шығару кезінде колонкалы құбыры бар алмазды коронка шамамен жартылай шектелген бос цилиндр түрінде қарастырылған. Матрица және коронка корпусыныңжылу физикалық қасиеттері арасындағы жылу йизикалық қасиеттер айырмашылығы, сонымен қатар бұрғылау алмаздардың геометриялық және жылуфизикалық параметрлердің әсері ескерілмеген. Сонымен қатар, алғаш рет забойлық қуаттылықтың, материалдың жылу-физикалық қасиеттері, тазалағыш агенттің қасиеттері және жуу режимінің, құралдың негізгі геометриялық өлшемдері және бұрғылау коронканың температурасына тазалағыш агенттің алғашқы температурасы шешуші әсері көрсетілді. Таужыныстарды бұзушы құралдың температуралық режимінің қалыптасуының негізгі жолдары берілді. Алған нәтижелер Л.К. Горшков, О.В. Зорэ, А.В. Касаточкин, П.Н. Курочкин және т.б. кейнгі зерттеулеріне негіз болды.

П.Н. Курочкин жаңа бұрғылау құралын конструкциялау кезінде әсерін ескеру және бұрғылау кезінде забойда таужыныстардың бұзылуымен байланысты мәселелерді шешу мақсатында ұңғыма забойында және коронкада пайда болатын температураны зерттеген. Л.А. Алекссева және М.Л. Беркович, А.А. Афанасьева, В.П. Черняк, Е.Г. Гречина, С.Г. Агаева және Т.Г. Фараджиев зерттеулері мұнай және газ ұңғымаларын бұрғылау кезінде таужыныстарды бұзушы құралдың жұмысының температуралық режиміне арналған. Көптеген авторлар инженерлік есептеулерде қолдану күрделі болатын күрделі математикалық үлгілерді ұсынған. Сонымен қатар бұрғылау алмаздардағы жылу үрдістері ескерілмеген.

А.М. Абдуладзе алмазды қашаулар және ұнтақтаушы-кескіш типтегі коронкаларадың жұмысы кезінде температуралық режимін зерттей отырып, таужыныстарды бұзушы құралдың жұмыс бетінің температурасын есептеу үшін формуланы алған:

 

, (13.2)

 

мұндағы – таужыныстарға құралдың үйкелісу көрсеткіші; п – бұрғылау снарядының айналу жиілігі, айн/мин; Р – таужыныстарды бұзушы құралға әсер ететін остік жүктеме, Н; R, r – құрал матрицасының ішкі және сыртқы радиустары, м; , – коронка үсті жүйесінің сыртқы және ішкі радиустары, м; - коронка үсті жүйесінің жылу өткізгіштік көрсеткіші, Вт/(мХ Х°С); /_Ср – тазалағыш агенттің орташа температурасы, °С; а_н, а_в – тазалағыш агентке коронка үсті жүйесінің сыртқы және ішкі бетінен жылу беру көрсеткіштері, Вт/(м-°С); - бұрғыланып жатқан таужыныстардың жылуөткізгіштік көрсеткіші, Вт/(м-°С); t_n – бұрғыланып жатқан таужыныстардың температурасы, °С.

Б.Б. Кудряшов сияқты, А.М. Абдуладзе құралдың сыртқы және ішкі беттерінде жылу беру көрсеткіштерінің айырмашылығын, коронка және таужыныстардың жылуөткізгіштік көрсеткішін ескере отырып, оны остік жүктеме, бұрғылау снарядының айналу жиілігі және құралдың таужыныстарға үйкелісу көрсеткіші арқылы береді. Автор матрица және коронка үсті жүйесінің геометриялық өлшемдерін жеке қарастырады. Тазалағыш агенттің орташа температурасын А.М. Абдуладзе бұрғылау үрдісінде оның ұңғыма бойынша таралуын ескермей, оны тұрақты деп алады, ал бұл басқа зерттеушілердің мәліметтерімен сәйкес келмейді.

Б.В. Захарьев алмаздың кескіш шеттерінің жылу қабылдау температурасын есептеу үшін формуланы ұсынып отыр. Бірінші рет коронканың денесінде, сонымен қатар бұрғылау алмаздарда орын алатын жылу үрдістерінің сипатын көрсететін тәуелділік алынған. Автор алмаздың, корпус материалының, сонымен қатар колонкалы құбырдың (бірақ ол ұңғыма забойында жылу алмасу үрдісіне қатыпсайды, себебі оймалы қосындылардағы саңылаулар біршама термокедергі болып келеді) жылуфизикалық қасиеттерін ескеріп, бірақ коронкаға келетін жылудың үштен екі бөлігін қайтаратынбетінен коронка матрицасының параметрлерін қарастырмайды. Таужыныстарды бұзушы құралға келетін жылудың мөлшерін анықтау үшін И.В. Крагельский бойынша жылу қабылдау көрсеткіші қолданады, ал оның бұрғылау құрал үшін қателігін Б.Б. Кудряшов және Н.Д. Михайлов анықтаған.

Коронканың температуралық режимін анықтайтын жеке факторлардың әсерін бағалай отырып, ұңғыма забойында алмазды коронканың жұмысы кезінде онда өтетін жылу үрдістерін толық зерттелуі Л.К. Горшков жүзеге асырған. Әртүрлі пішінді бұрғылау алмаздардың жылу қабылдау және суытылу жағдайларын зерттеп алмаздың кесуші шеттерінің қызу температурасын анықтайтын формуласын анықтаған:

(13.3)

мұндағы N – забойда қолданатын қуаттылық, Вт; , , – забой таужыныстарымен сәйкесінше коронкалы сақинаның, матрицаның және бұрғылау алмаздардың байланысу орындарында олардың көлденең қимасының ауданы, м²; , , - сәйкесінше алмаздардың, матрица материалының және коронка корпусының жылу өткізу көрсеткіштері, Вт/(м-°С); - матрицаның жоғары шекарасы мен шетінің температураларының қатынасын көрсететін және матрица биіктігі бойынша температураның өзгеруін ескеретін шексіз көрсеткіш; , h – сәйкесінше көлемді алмаздардың шығуы және коронка матрицасының биіктігі, м; G – тазалағыш агенттің массалық шығыны, кг/с; с_р – тазалағыш агенттің меншікті жылу сйымдылығы (сығылған ауа үшін – тұрақты қысым кезінде), Дж/(кг-°С); г₀ – кинетикалық энергияның жылу энергиясына айналу дәрежесін көрсететін температураның қалпына келудің шексіз көрсеткіші; w – коронка белдемінде тазалағыш агенттің қозғалу жылдамдығы, м/с; g – еркін құлаудың үдеуі, м²/с; t₀ – арна қабырғаларынан алшақ жерде тазалағыш агенттің температурасы (ағыс ядросында), °С; т, п, р – қысқартушы мәндер.

Л.К. Горшков алғаш рет алмазды коронканы жылу физикалық қасиеттері бойынша үш әртүрлі сатылардан: сәйкесінше арасында жақсы жылулық байланыстары бар бұрғылау алмаздан, матрицадан және коронкалы сақинадан құралған бос цилиндр ретінде қарастырған. Ол алған аналитикалық тәуелділіктер алмазды коронканың температуралық режимін анықтайтын конструкциялық, жылуфизикалық және технологиялық факторлардың біршама бөлігін ескереді. Бірақ коронкалы сақинаның биіктігі секілді маңызды конструкциялық фактордың әсері ескерілмеген. Алмазды коронканың барлық беті үшін мәні бойынша жылу беру көрсеткіші тұрақты деген пікірмен келісуге болмайды, себебі ол таужыныстарды бұзушы құралдың конструкциялық параметрлерінің және сақиналы арнада тазалағыш агенттің қозғалу режимінің функциясы болып келеді.

Эксперименталды зерттеулер санынан П.Н. Курочкиннің жұмыстары біршама қызығушылыққа ие, олар бір алмаздың және коронка матрицасының температуралық режимін зерттеуге арналған, негізгі ұсыныстар расталған, олардың негізінде ертеде бұрғылау құралының температуралық режимінің аналитикалық сипаттамасы жасалған, суытатын сұйықтықпен (су, эмульсия) бұрғылау кезінде жылулық баланс жұмыс басталғаннан 2-5 с кейін анықталады, жуу сұйықтығына забойда шығатын және таужыныстарды бұзушы құралға келетін жылудың 85-99% беріледі және т.б.

Сонымен қатар, бірқатар жаңа қорытындылар берілген: контанк маңы белдемде температураның төмендеуі біршама бәсеңдеу, осының нәтижесінде жоғары температуралар алмаздың 0,2-0,3 радиус тереңдігінде сақталуы мүмкін; кескіштің температурасына алмазға түсетін жүктеме (кескіш тереңдігі) және таужыныстардың қаттылығы әсер етеді; құралға айналу жиілігінің жоғарлауына қарағанда остік жүктеменің жоғарлауы коронка температурасының өсу қарқындылығына әкеледі; айналу жиілігі жоғарлаған кезінде жүктемеден температураның өсу қарқындылығы төмендейді; забой бетінің температурасы бір секундта коронканың айналу жиілігнің оның сектор санының туындысына тең жиілікпен өзгереді және коронка секторын өткен кезінде ол жоғары мәніне, ал жуу арнасын өткен кезінде төменгі мәніне тең болады.

Таужыныстарды бұзушы құралдың жанып кетуін зерттеу кезінде бұрғылануы бойынша төмен дәрежелі таужыныстарда забойды сұйықтықты тазалаумен өткен кезінде шламның біршама мөлшері пайда болады, ал ол коронканың «құрғақ» жонуына әкеледі. Бұрғылануы бойынша жоғары дәрежелі таужыныстарды бұрғылау кезінде матрицаның температурасы матрица құрамындағы жеке материалдардың балқу нүктесіне дейін көтерілуі мүмкін. Құралдың шетіне тазалағыш агенттің келуі толық тоқтағаннан кейін алмазды коронкалардың қарқынды жылулық тозуы байқалады.

Сонымен қатар, аналитикалық есептерде қолданатын қателіктердің растығын дәлелдейтін алмазды коронка денесінде температураны анықтау бойынша Б.В. Захарьев пен Л.К. Горшков эксперименталды жұмыстарын атап өткеніміз дұрыс.

Қатты қоспалы коронкалармен бұрғылау кезінде кескіш-таужыныс байоаныс жеріндегі жылулық құбылыстарын зерттеуге В.Д. Ларионо пен Ю.В. Кошелев жұмыстары арналған. Суыту ортасы ретінде суды қолданған кезінде забойдағы байланысу температурасы 20-50 л/мин шығындары кезінде тұрақты және шығын 3 л/мин дейін төмендеген кезінде кенет жоғарлайды. Забойда байланысу температурасының, осының нәтижесінде айналу жиілігі мен остік жүктеменің өзгеруі немесе тазалағыш агенттің қаситеттерін және циркуляция режимінің тиімді мәндері кезінде коронка матрицасының тозу қарқындылығының төмендеу мүмкіндігі туралы Б.Б. Кудряшов пен Л.К. Горшков қорытындылары расталған.

Забойды сұйықтықпен және сығылған ауамен тазалау арқылы мұнай, газ ұңғымаларын және шпурларды бұрғылау кезінде қолданатын таужыныстарды бұзушы құралдың температуралық режимін эксперименталды зерттеу бойынша М.Р. Мавлбтов пен М.Г. Крапивин жұмыстары белгілі.

Алмазды бұрғылау кезінде жоғары байланысу температуралардың әсерін зерттеуге С.А. Волков, Н.В. Соловьев, В.К. Володченко жұмыстары біршама үлес қосқан, олар остік жүктеме, снарядтың айналу жиілігі, тазалағыш агенттің шығыны, көлемдік алмаздардың түйірлігі және олардың коронка матрицасында орналасуы, түйірлігі 15 мың дана/карат дейінгі шлифоұнтақты табиғи алмаздармен жабдықталуы және т.б. сияқты параметрлердің өзара байланысуын көрсеткен.

Теориялық пен эксперименталды зерттеулермен бірге жоғары байланысу температураларын төмендету жолдары да ізделген: суытылған тазалағыш агенттерді қолдану, құралдардың, оны суыту үшін арнайы құралдардың жаңа конструкцияларын шығару, сонымен қатар таужыныстарды бұзушы құралдың температуралық режимін қалпына келтіру критерийларын іздеу. Л.К. Горшков бұрғылау кезінде таужыныстарды бұзушы құралдың жылуэнергетикалық сипаттамасы ретінде меншікті забойлық қуаттылықты қолдануды ұсынған. Алмазды бұрғылаудың технологиясын жобалау кезінде берілген мәнді ескеру алмазды құрал жұмысының қалыпты жылу режимі қамтамасыз етілетін забойлық қуаттылық шегіндегі бұрғылау режимінің параметрлерін дұрыс таңдау әсер етеді. «Кристенсен» фирмасының зерттеулерімен забойлық қуаттылықтың шектік мәндерінің бары анықталған [11].