Сравнение экспериментальных значений гидродинамического давления под грузом с расчетными

Давление жидкости	Скорость опускания, v	Расчетное давление
Н/м2	Н/м2	S1=6.0*10-4, м2	S2=50*10-4, м2	P1=2ru12, Па	R2=2ru22 Па
16,7		0,092	0,033	16,9	2,18
33,4		0,138	0,073		10,6
50,1		0,152	0,110	46,2	24,2
66,8		0,160	0,23	51,2	105,8
83,5		0,180	0,26	64,8
116,9		0,250	0,30
150,3		0,275	0,33
217,1		0,34	0,38
267,2		0,38	0,40
317,3		0,4	0,45

 

При спуске груза в скважину давление груза расходуется на вязкостное трение

(11.6)

местные потери давления на изменение направления движения потока

(11.7)

местные потери на сужение потока (упругий удар)

(11.8)

Суммарные потери давления

(11.9)

где u=u_c+u_в, l - коэффициент Дарси, 1 - длина груза; d - зазор между грузом и стенками скважины d = D-d; j₁ - коэффициент местного сопротивления жидкости при изменении направления потока, при повороте на 180° он равен для груза овальной формы j₁=1,4, для груза без округления j₁=3; j₂ - коэффициент местного сопротивления жидкости при внезапном сужении потока.

Для ламинарного течения в соответствии с формулой Ф.П. Товстолеса

 

(11.10)

где В - опытный коэффициент; Re - число Рейнольдса

 

.

Для турбулентного течения j₂ зависит от отношения сечений нисходящего и восходящего потоков S₂/S₁.

 

S2/S1	0,01	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
j2	0,50	0,46	0,42	0,34	0,34	0,15

 

Экспериментальная проверка (табл.11.2) подтверждает справедливость формулы (11.9).

Коэффициентами j₁ и j₂ при значительной глубине скважин можно пренебречь, и тогда

(11.11)

где u=u_c+u_в.

 

При скорости спуска 0,8 м/с бурового снаряда диаметром d=50 мм в скважину глубиной Н=1000 м, диаметром Д=60 мм, наполненную водой, при наличии переходника с обратным клапаном давление под колонковой трубой в соответствии с формулой (11.11) составит

 

 

Практическая скорость спуска будет определяться весом снаряда. Так, для бурильной колонны диаметром 50 мм, вес 1000 м труб составит 60,5´1,1´1000 = 66550 Н, а максимальное давление под колонковой трубой может быть не более

 

При таком весе скорость спуска бурильной колонны с обратным клапаном будет не более 0,43 м/с.

 

Таблица 11.2

Сравнение экспериментальных значений гидродинамического давления под грузом с расчетными D=54 мм, d=50 мм, d=4 мм

Вес груза Р, Н	Скорость падения груза u1, м/с	Скорость восходящего потока	Скорость восходящего потока относительно груза	Давление жидкости под грузом , Па	Расчетное значение давления жидкости под грузом
0,25	0,011	0,063	0,074
1,010	0,041	0,24	0,281
1,930	0,060	0,35	0,415
2,955	0,070	0,070	0,470
4,785	0,095	0,095	0,645

 

Таким образом, при спуске снаряда под колонковой трубой создаются довольно высокие нагрузки. Кроме того, на стенки скважин действует значительной величины гидростатическая нагрузка столба жидкости. Так, для воды на глубине 1000 м давление жидкости составит pgН = 1000 х 9,8 х 1000 = 9,8 МПа.

Суммарное гидродинамическое плюс гидростатическое давление составит внушительную величину (около 16 МПа), способную создать гидроразрыв пласта и их интенсивное размывание трещин, особенно в породах невысокой прочности.

 

Промывочные жидкости. Механизм их действия.

Анализ эффективности.

Основной причиной осыпания и обрушения скальных глинистых пород, как отмечено, является их трещиноватость. Поэтому главнейшей функцией промывочных жидкостей является закрепление кусочков горной породы между собой путем цементирования.

В природе немало примеров закрепления трещиноватых и пористых горных пород путем их цементирования различными растворами(кремнекислотой, кальциевыми растворами и др.). Макротрещиноватые горные породы в скважинах крепят при помощи тампонажных смесей.

Любой цемент характеризуется наличием в нем вяжущих компонентов, способных с течением времени затвердевать и кристаллизоваться (Са(ОН)₂, гипс). Для тампонирования скважин широко применяется портландцемент.

Понятно, что микротрещиноватые аргиллиты цементировать тампонажными смесями с низким водоцементным отношением (как это предусмотрено для цементирования макротрещиноватых пород) невозможно вследствие их высокой вязкости. Поэтому цементирование производят сильно разбавленными "тампонажными" смесями: известково-глинистыми (хлоркальциевые буровые растворы), гипсово-глинистыми (гипсовые, калиево-гипсовые буровые растворы), глиноземглинистыми (алюминатные буровые растворы), силикатглинистыми (силикатные буровые растворы) и их комбинациями (полимералюмосиликатные, полимерсиликатнокальциевые буровые растворы).

Причем чем сильнее разбавлены "смеси", тем глубже в трещины проникают компоненты.

Микротрещиноватые аргиллиты подобно цеолитам способны постепенно абсорбировать и накапливать в трещинах ионы.

Остановимся на механизме "цементирования" хлоркальциевыми буровыми растворами.

Раствор в своем составе имеет (табл.11.3) 8 - 10 % глины до 2 % хлористого кальция и 0,3 - 0,5 % гашеной извести. Для стабилизации и снижения водоотдачи в растворы добавляют 1 - 2 % КМЦ-600, а для разжижения 5 - 7 % КССБ.

В результате взаимодействия хлористого кальция с водой образуется гидроксид кальция:

CaCl₂+H₂0®Са(ОН)₂+НС1,

рН раствора понижается до 6 и ниже.

Для более активного преобразования хлористого кальция в гидроксид кальция необходимо повысить рН раствора за счет введения щелочи.

Вводить каустическую соду для этого нежелательно, т.к. в результате реакции - СаС1₂ + NаOH ® Ca(OH)₂ + NaCI в растворе образуется хлористый натрий, способствующий растворению, поэтому вместо каустической соды в раствор вводят довольно сильную щелочь Са(ОН)₂.

При внедрении такого бурового раствора в микротрещины аргиллита за счет взаимодействия свободных ионов Са²⁺ с поверхностью трещин происходит нейтрализация отрицательного поверхностного заряда и, следовательно, обезвоживание трещин. Глинистые частицы (твердая фаза) в трещине коагулируют под воздействием Са²⁺ и Са(ОН)₂. С течением времени концентрация'Са(ОН)₂ в результате абсорбции возрастает, происходит твердение, а затем под влиянием кремнезема (глины) кристаллизация Са(ОН)₂ в виде портландита.

По этой же схеме происходит цементирование микротрещин аргиллитов хлоркальциевогипсовыми буровыми растворами. Гипс, как известно, быстрее твердеет и кристаллизуется, поэтому такие растворы более эффективны.

В микротрещинах шириной, измеряемой долями микрона, твердение и кристаллизация Са(ОН)₂ происходит без участия глинистых частиц.

Практика применения хлоркальциевых растворов показала, что их эффективность в различных аргиллитах неравнозначна. В одних случаях растворы облегчают перебуривание неустойчивых аргиллитов, в других - их действие менее выражено, а в некоторых случаях не дает ожидаемого эффекта [18].

Эффективность кальциевых растворов определяется в основном составом ионообменного комплекса глинистых пород. При преобладании в обменном комплексе ионов натрия должна наблюдаться наивысшая эффективность высококальциевых растворов (ВКР), т.к. а этом случае имеется реальная возможность упрочнения вследствие перехода глинистых пород из более набухающих и легкодиспергирующихся природных натриевых глин в менее набухающие и труднодиспергирующиеся кальциевые глины.

С повышением содержания ионов кальция в обменном комплексе глинистых пород эффективность применения ВКР должна уменьшаться.

Действительно, насыщенные кальцием глинистые породы не могут так интенсивно абсорбировать ионы Са²⁺, как это наблюдается в натриевых глинистых породах.

К недостаткам хлоркальциевого раствора также следует отнести его высокую вязкость и низкую термостойкость.

Более эффективными (по отношению к кальциевым аргиллитам) являются силикатные растворы. Сами аргиллиты сцементированы затвердевшими пленками кремнекислоты.

Силикатные растворы - это растворы, в которые в качестве вяжущей (цементирующей) добавки вводят жидкое стекло. Жидкое стекло - неорганический полимер, который получает упорядоченную структуру под воздействием твердого тела. Как известно, жидкое стекло имеет химическое сродство с глинистой породой и поэтому поглощается трещинами аргиллита. С течением времени пленки кремнекислоты твердеют и связывают кусочки аргиллита. Крепящее действие силиката натрия усиливается при наличии в породах ионов кальция. Жидкое стекло - сильная щелочь. При взаимодействии с кальцием образует дополнительный вяжущий компонент – гидроксид кальция.

К недостаткам силикатных растворов относится высокая гидрофильность электролита и его способность повышать (за счет щелочности) гидрофильность глинистой породы, в результате чего повышается их влажность.

Ионы SiO₃^2-, как отмечено выше, в связи с активностью их взаимодействия с глиной, проникают и закрепляют породу на небольшую глубину, образуя полупроницаемый слой. Этот слой, как отмечено выше, весьма гидрофильный и свободно пропускает воду в трещины. Вода постепенно накапливается в трещинах и ослабляет связи между кусочками трещиноватой породы. Насыщение трещин водой обычно заканчивается осыпями и обвалами аргиллитов.

В.Ф. Роджерс считает, что при продолжительном воздействии силикатных растворов на породы опасность обвалов увеличивается.

Другой сложностью является трудность регулирования вязкости и водоотдачи раствора.

В связи с этим в США отказались от применения силикатных растворов.

Причиной осыпей и обвалов аргиллитов при использовании силикатных растворов В.Д. Городнов считает преобладающий рост скорости набухания породы с повышением концентрации жидкого стекла.

Поэтому он рекомендует использовать малосиликатные растворы с концентрацией жидкого стекла 2-5%. Опыт применения малосиликатного раствора при бурении глубоких скважин показал, что данная система может с успехом применяться при разбуривании мощных толщ потенциально неустойчивых глинистых пород, особенно при наличии в разрезе солей кальция и магния.

По нашему мнению, успех применения малосиликатных растворов заключается в возможности их проникать и закреплять породу на значительно большую глубину, чем силикатные растворы повышенной концентрации.

Алюминатные растворы. Глинистые кристаллы – листочки - представлены силикатными (Si₂О₃^2-) слоями, связанными гидроаргиллитовыми слоями (А1(ОН)²⁺), т.е. гидраты алюминия являются химически сродственными глинистым породам и их активными сшивающими агентами.

 

Таблица 11.3