Определение расхода воздуха

Очистку забоя скважины газообразными агентами целесообразно применять в районах распространения многолетней мерзлоты, в безводных, пустынных и высокогорных районах, а также при бурении разрезов (при отсутствии водопритоков в них), сложенных нелипкими и несыпучими породами, устойчивыми и пучащимися под влиянием промывочной жидкости.

В практике бурения для продувки скважин могут быть использованы сжатый воздух, естественный газ, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания и пены. Обладая малой вязкостью и плотностью, газообразные агенты позволяют сравнительно легко создавать высокие скорости движения воздуха по сравнению с промывочными агентами, что является важнейшей функцией продувки.

Процесс движения газообразной среды в циркуляционной системе скважины со значительными перепадами давления принципиально отличается от процесса движения несжимаемой жидкости (бурового раствора). Поэтому расчетные соотношения, приведенные в предыдущем разделе, не пригодны для расчетов продувки.

При нормальных атмосферных условиях (р_к=р₀=9,8·10⁴Па; Т_ср=Т₀=273К), объемный расход воздуха вычисляется по формуле (в м3/мин)

      (15.1)

где D_c и d- соответственно диаметры скважины и бурильных труб, м; v_э - эквивалентная скорость восходящего потока воздуха,

vэ=vв.ч+u            (15.2)

v_в.ч - скорость витания частиц, u -скорость выноса выбуренной породы, принимаемая равной u=0,2 v_в.ч откуда

v_э=v_в.ч+0,2 v_в.ч           (15.3)

При бурении геологоразведочных скважин расход воздуха (в м3/мин) определяют по формуле

            (15.1а)

где К - коэффициент, учитывающий неравномерность скорости потока по стволу из-за местной повышенной разработки, наличия каверн и водопритоков в скважину (К= 1,3÷1,5); D_c - диаметр скважины с учетом ее разработки, м; d - диаметр бурильных труб, м.

Ориентировочно скорость восходящего потока воздуха (газа) принимают в следующих пределах: при бурении твердосплавными коронками 10-12 м/с; при алмазном бурении 15-18 м/с. Для бурения сплошным забоем в условиях «сухого» разреза скважины большинство отечественных и зарубежных исследователей при расчетах принимают v_э=15-25 м/с.

Скорость витания определяется по формуле Риттингера

v_в.ч=√4g/3k_c√ρ_nd_ч/ρ₀            (15.4)

где d_ч - диаметр наибольших частиц шлама, подлежащих выносу.

Шлам, вынесенный на поверхность при бурении с продувкой в основном является пылевидным, а частицы размером более 3-5 мм имеют призматическую форму, что обеспечивает их транспортирование. По данным американских специалистов для частиц призматической формы кс составляет 0,805 (песчаник) и 1,40 (известняк).

Диаметр наиболее крупных частиц породы для турбулентного их обтекания

             (15.5)

На больших глубинах давление и, следовательно, плотность воздуха возрастают, поэтому объемный расход воздуха, достаточный для транспортирования шлама из наиболее трудных условий (на забое, или непосредственно над УБТ), определяется из выражения

Q=Q₀k₁          (15.6)

где k₁ - коэффициент, учитывающий уменьшение подъемной силы восходящего потока воздуха в зависимости от глубины скважины, вследствие потерь давления в кольцевом пространстве.

Значения коэффициента k₁ (при геологоразведочном бурении) ориентировочно могут быть принять поданным табл. 15.1 или рассчитаны по формуле

k₁=√p_з/p_у                  (15.7)

p_з, p_у - давление воздуха на забое и устье скважины.

В условиях малых и средних водопритоков Q необходимо увеличить (по сравнению с расчетным для «сухого» разреза) на 20-50%.
Бурение разведочных скважин с отбором керна и продувкой возможно и при подаче воздуха значительно меньше расчетной. При этом шлам из скважины удаляют при помощи шламовых труб. Необходимую минимальную подачу воздуха в этом случае рассчитывают по зазору между стенками скважины и колонковой и шламовой труб.

Для расчета расхода воздуха за рубежом используется методика Энджела, согласно которой

Q=Q₀+k_vмL,                (15.8)

где Q₀ - расход воздуха без учета влияния глубины скважины L и механической скорости бурения (в м3/мин); k_vм - поправочный коэффициент, учитывающий увеличение расхода воздуха в зависимости от v_м, диаметра скважины и бурильных труб.

Таблица 15.1 Значения коэффициента k₁

Диаметр скважины/наружный диаметр бурильных труб, мм	Скорость восходящего потока м/с	Коэффициент при глубине скважин, м
		200	300	400	500	600	700	800	900	1000
94/50	10-15	1,06	1,08	1,08	1,09	1,11	1,13	1,15	1,17	1,18
114/50	10-15	1,05	1,07	1,10	1,11	1,14	1,16	1,18	1,2	1,22
134/63,5	10-15	1,04	1,06	1,08	1,1	1,12	1,14	1,15	1,17	1,19
154/63,5	10-15	1,03	1,05	1,07	1,08	1,1	1,11	1,13	1,15	1,16

Пример 15.1. Найти диаметр наиболее крупных частиц шлама сферической формы для следующих условий: v_э=16 м/с; ρ_п=2600 кг/м3.

Решение. Приняв k_с=0,5 по формуле (15.5)

Пример 15.2. Определить расход воздуха для бурения скважины глубиной L=300 м, диаметром D_c=0,134 м твердосплавными коронками и бурильными трубами 63,5·10^-3 м при скорости восходящего потока воздуха v_в= 15 м/с. Интенсивность водопритоков средняя.

Решение. Требуемое количество воздуха определим по формуле (15.1,а).

Поскольку интенсивность водопритоков средняя, примем k=1,5. Тогда

Из табл. 15.1 находим k₁=1,06. Тогда по формуле (15.6)

Q=14,8∙1,06≈15,7 м3/мин.