Основная опасность при бурении многолетнемерзлой породы заключается в растеплении активной ее части и образование несоизмеримых каверн и кратера на устье скважины, которые впоследствии могут стать причиной смятия колонн. Нормализация температурного режима скважин в мерзлых породах заключается в том, чтобы ни на одном участке ее ствола в процессе бурения не происходило протаивание. Растепление мерзлой породы c потерей связности наступает тогда, когда породе передано количество тепла, достаточное не только для ее нагрева от естественной отрицательной температуры до 0 °С, но и для перехода содержащегося в породе льда в жидкое состояние (скрытая теплота плавления). Предельно допустимым можно считать такое растепление, в процессе которого передано количество тепла, достаточное лишь для нагрева стенки скважины до 0 °С (без скрытой теплоты плавления).
Для количества тепла, переданного от воздуха с температурой t к стенкам скважины с температурой t* на единицу длины ствола в час, справедливо: (1)
где: α2 – коэффициент теплоотдачи при движении воздуха в кольцевом пространстве скважины, Вт/(м2·°С);
D – диаметр скважины, мм.
Для того же количества тепла, переданного в час от воздуха к мерзлым породам, не затронутым растеплением, с естественной температурой tn через толщу пород, окружающих ствол скважины, на единицу его длины в любой момент от начала процесса теплообмена, справедливо также:
(2)
Приравняв выражения (1) и (2), принимаем t*=0°C и решив относительно температуры воздуха, предварительно обозначая t=tmax, получим:
(3)
где: kτ – коэффициент нестационарного теплообмена, Вт/м2
Весьма ответственным является определение зависящего от продолжительности циркуляции коэффициента нестационарного теплообмена между воздухом и окружающими породами.
Получена и рекомендуется для практического применения следующая расчетная формула, с погрешностью в определении kτ не более ± 5 %:
(4)
где
где λП- коэффициент теплопроводности породы,
Вт/(м·°С);
CП- удельная массовая теплоемкость породы, Дж/(кг·°С);
γП- объемный вес породы, кг/м3;
τ- продолжительность циркуляции, час.
Формула (3) позволяет определить ту максимально допустимую температуру воздуха, при которой не наступят потери связности слагающих стенки скважины мерзлых пород при данных условиях и продолжительности циркуляции. Как следует из данной формулы, tmax составляет обычно небольшую положительную величину. Справедливость этого вывода подтверждается опытными данными Всесоюзного научно-исследовательского института методики и техники разведки (ВИТР) [1], а применение продувки воздухом с температурой до
+5 °С–10 °С не приводило к обвалам стенок скважин из-за потери связности протаявших мерзлых пород. Однако, при этом вполне возможно поверхностное растепление, слипание шлама, образование сальников и пр.
Полной гарантией от осложнений, связанных с протаиванием мерзлых пород, следует считать соблюдение условия t2 ≤ 0 °C, то есть, чтобы ни в одной точке ствола температура циркулирующего воздуха не превышала 0 оС, поскольку осуществление этого возможно лишь на основе применения охлажденного воздуха. При этом наиболее опасным участком является призабойная зона. Подставив tз=0 в выражение температуры воздуха в кольцевом пространстве у забоя [2–4], и раскрыв содержащие обозначения, после некоторых преобразований и упрощений получим расчетную формулу для определения потребной температуры нагнетаемого в бурильные трубы охлажденного воздуха, при которой температура воздуха у забоя не превышает 0 °С.
, (5)
где: G – весовой расход;
Cp – удельная весовая теплоемкость;
r1 и r2 – корни характеристического уравнения.
Формула (5) может служить основой для проектирования режимов охлаждения сжатого воздуха в конкретных условиях и использоваться при выборе рациональных способов охлаждения.
Кривые на рис. 2 и формула (1) показывают, что при малом расходе воздуха или достаточно большой глубине скважины искусственное охлаждение воздуха может оказаться совершенно бесполезным.
Причина в том, что создаваемый на поверхности запас холода в процессе интенсивного теплообмена между нисходящим и восходящим потоком в итоге затрачивается на бесполезное понижение температуры в верхних горизонтах мерзлых пород, не достигая забоя скважин. Это обстоятельство ставит задачу экономичного транспортирования и рационального размещения его производства.
Эффективное использование холода при производстве его на поверхности может быть достигнуто с помощью теплоизолированной бурильной колонны.
На рис. 1 графически представлены расчетные зависимости потребной температуры охлажденного на поверхности воздуха для обеспечения условия
tз=0 °С при обычных и теплоизолированных бурильных трубах при расходе мощности на забое N=1,5 кВт. Теплоизоляция бурильных труб диаметром 63,5 мм достигнута в данном случае за счет воздушной прослойки, создаваемой с помощью приведенных к замкам внешних тонкостенных труб диаметром 89 мм. Из рис. 1 следует, что уже при глубине скважины 100–150 м потребная глубина охлаждения сжатого воздуха на поверхности в несколько раз меньше, чем в обычных трубах. С глубиной эффект ускоренно возрастает.
Специальные пластмассовые бурильные трубы или современные синтетические теплоизоляционные материалы позволят обеспечить надежную изоляцию, при которой созданный на поверхности запас холода будет достигать забоя практически без потерь.
Проблема рационального размещения производства холода может быть решена на основе использования встраиваемого в нижнюю часть бурового снаряда погружного вихревого холодильника, отличающегося весьма малыми размерами, отсутствием движущихся частей и создающего в холодной среде при перепаде давления 5 атм температуру воздуха до -40–50 °С. При этом обычная бурильная колонна будет играть роль холодильника предварительного охлаждения, что потребует включения в ее состав скважинных влагоотделителей [2].
Применение охлажденного воздуха наряду с другими преимуществами позволяет простейшим образом устранить осложнения, связанные с выпадением конденсата. Любой способ принудительного охлаждения сжатого воздуха на поверхности сопровождается компенсацией и отводом влаги, ввиду чего воздух осушается. Содержание влаги в воздухе зависит от его давления, температуры и относительной влажности. Связь между этими параметрами сложна, но в интервале температур и давлений, с которыми мы имеем дело при бурении с продувкой, она с достаточной, для практических расчетов, точностью может быть выражена формулой:
, (6)
где:
Ψ – влагосодержание, кг/кг;
φ – относительная влажность (в долях единицы);
p – абсолютное давление воздуха, атм;
t – температура воздуха, °С.
На рис. 2 представлена, вычисленная с помощью формулы (6), зависимость влагосодержания воздуха от его температуры и давления при φ=1, что практически всегда справедливо для воздуха, нагнетаемого в бурильные трубы, поскольку даже при незначительном охлаждении в ресивере компрессора сжатый воздух достигает точки росы (φ=1). Рис. 2 может быть использован в качестве номограммы для определения количества выпадающей или поглощаемой влаги и, в частности, для ориентировочного определения входящего в формулу прироста влагосодержания ∆Ψ при конкретных условиях растепления и нагрева воздуха в призабойной зоне скважины.
Нагнетаемый в бурильные трубы непосредственно от компрессора теплый сжатый воздух при давлении в скважине охлаждается, что может сопровождаться выпадением конденсата в бурильных трубах и кольцевом пространстве [5, 6]. Предварительно охлажденный сжатый воздух при нагреве в скважине может лишь поглощать влагу в кольцевом пространстве, где имеет место его контакт с породами, содержащими влагу в жидкой или твердой фазе. При этом выпадение конденсата и связанные с ним осложнения исключены [7–10]. Нагревающийся при движении по скважине охлажденный воздух действует на нее осушающим образом.
Рассмотренные закономерности температурного режима скважин, бурящихся с продувкой по мерзлым породам охлажденным воздухом, выявлены на производственных объектах Магаданской области и Республики Саха (Якутия).
Есть все основания считать, что нормализация температурного режима скважины на основе применения охлажденного воздуха является надежным средством резкого повышения производительности и качества разведочного бурения по многолетнемерзлым породам.