Введение
Исследование арктических и антарктических территорий является стратегически важным аспектом Российской Федерации на международной геополитической арене [1, 2].
К настоящему времени в Антарктиде обнаружено более 400 подледниковых озер (рис. 1) [3], а успешно реализованных попыток проникновения в них всего четыре– озера Восток [4], Уиланс [5], Мерсер [6] и Фильхнер [7].
Первое и второе вскрытия подледникового озера Восток в 2012 и 2015 гг. [4] вызвали большой интерес научной общественности, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в СМИ различных стран. При общей положительной оценке результатов работ по вскрытию озера Восток был выявлен ряд недостатков в применяемой технологии бурения глубокой скважины 5Г с применением колонкового электромеханического бурового снаряда. Поэтому для экологически безопасного вскрытия и комплексного исследования подледникового озера Восток, является актуальной разработка технологии бурения с одновременным расширением скважины во льду тепловым способом [8].
Постановка задачи
Бурение с одновременным расширением скважины во льду для вскрытия подледникового озера Восток планируется реализовать за счет использования термогидравлического бурового снаряда-расширителя (ТБСР) на грузонесущем кабеле (рис. 2), на конструкцию которого в 2019 г. был получен патент на изобретение № 2700143 С1 РФ. На сегодняшний день ТБСР находится на стадии разработки проектной конструкторской документации (КД), выполнены этапы технического предложения и эскизного проектирования с изготовлением физической модели и разработкой математического описания процесса бурения с одновременным расширением скважин во льду методом плавления. В сезонные работы 64-ой РАЭ были проведены первые стендовые испытания модели ТБСР, которые позволили подтвердить работоспособность устройства и выявить его недостатки [9]. Для завершения этапа разработки технического проекта КД и перехода к стадии рабочей КД, предназначенной для изготовления и испытания опытного образца устройства, необходимо проведение комплексных теоретико–экспериментальных исследований процесса бурения плавлением с одновременным расширением скважин во льду, которые включают:
1) исследования процесса образования кольцевой призабойной циркуляции теплоносителя;
2) разработку и совершенствование отдельных узлов ТБСР: пенетратор с индукционным нагревом и функцией закручивания потока жидкости вокруг оси устройства, циркуляционную систему с индукционным нагревом, насосный отсек;
3) изготовление и стендовые испытания натурной модели ТБСР для определения эксплуатационных характеристик устройства, а также нахождения зависимости скорости бурения плавлением и интенсивности расширения от основных параметров бурения;
4) изготовление и скважинные испытания опытного образца ТБСР.
На сегодняшний день исследования процесса образования кольцевой призабойной циркуляции теплоносителя являются весьма актуальными, которые не описываются классическими теориями, а близкие по физическому смыслу экспериментально-теоретические исследования процесса кавернообразования, проведенные специалистами Горного института в 1980-х годах [10], не раскрывают в полной мере возможности применения данного метода.
Призабойную кольцевую циркуляцию теплоносителя, создаваемую в процессе бурения скважины во льду с одновременным ее расширением с использованием ТБСР (рис. 3), можно отнести к закрученному инертному течению [11]. Теплоносителем является жидкость (талая вода). В процессе движения температура жидкости изменяется как во времени, так и в поле скоростей течения. Неизотермический характер тепломассопереноса сопровождается интенсивным теплообменом со стенками ледовой скважины и, вследствие этого, фазовым переходом льда в воду. В теории и практике закрученных потоков течение с фазовым переходом относят к промежуточному виду между гомогенным и гетерогенным. Но из-за возможного наличия в структуре льда пузырьков газов, газовых гидратов и твердых включений, например, вулканической пыли, такое течение, отнести к какому-либо виду однозначно нельзя. Тогда следует считать, что в зависимости от природы образования и физико-механических свойств льда рассматриваемый инертный поток может быть гомогенным, гетерогенным или промежуточным.
Из литературных источников известны четыре способа создания закрученных потоков [12, 13]:
1. тангенциальный ввод жидкости в канал;
2. использование неподвижных направляющих элементов (лопаток, шнеков, скрученных лент, внутренней нарезке каналов и т.п.);
3. использование вращающихся механических устройств;
4. непосредственное вращение канала.
В нашем случае комбинированы первый и второй способы. В пенетраторе ТБСР гидравлические каналы выполнены дугообразной формы, выходящие под углом α = 27÷45 к касательной его наружной поверхности, и позволяют подвести жидкость тангенциально к стенке скважины, от которой струя отражается и движется вдоль нее. В совокупности термогидравлический пенетратор и стенки скважины являются завихрителем. Закручивание потока происходит в два этапа: направленное истечение струи из гидравлических каналов пенетратора под углом α к его касательной и последующее тангенциальное движение струи по касательной вдоль стенки скважины. Завихритель преобразует движение потока жидкости, истекающей из гидравлических каналов во вращательное, вокруг оси устройства. Циркуляция рабочей жидкости в ограниченном кольцевом пространстве между буровым снарядом и стенками скважины способствует движению жидкости по винтовой линии вдоль оси скважины на высоту от гидравлических каналов пенетратора до заборных окон бурового снаряда.
Для математического и физического описания процесса призабойной кольцевой циркуляции необходимо определить ее физические характеристики [12, 14, 15]:
• скорость истечения затопленной струи в подвижную однородную среду в кольцевом пространстве между снарядом и стенкой скважины;
• осевое перемещение струи за один оборот;
• радиальное распределение тангенциальной скорости;
• степень завихренности (ротор вектора скорости);
• циркуляция вдоль концентрических траекторий вращательного движения;
• угловая скорость жидкости относительно оси симметрии потока.
Методология
Описание процесса образования призабойной кольцевой циркуляции теплоносителя на первоначальном этапе требует изучение механизма истечения затопленных круглых струй жидкости из гидравлических каналов в подвижную однородную жидкую среду, а также ее гидродинамическое воздействие на массив и способность переноса тепловой энергии в струе. С этой целью был собран экспериментальный стенд (рис. 4) для определения производительности используемого в модели ТБСР насоса ЭЦН-91Б и гидравлических сопротивлений теплоносителя в устройстве, чтобы уточнить скорости потока жидкости в гидравлических каналах. Стенд состоял из физической модели ТБСР, металлических труб, имитирующих скважину, разделительной пластины, гидравлического сообщающего канала (шланга), в линии которого врезался расходомер (классический счетчик воды). Физическая модель ТБСР подробно описана в публикации авторов статьи [9].
Конструкция собранного стенда позволяла гидравлически изолировать в отдельные емкости всасывающую и нагнетающую линии циркуляционного отсека ТБСР. Между двух труб с фланцевым соединением устанавливалась металлическая пластина, которая являлась герметичным разделителем пенетратора (термогидрорасширителя) от верхней части модели. Обе емкости (трубы) гидравлически имели связь через шланг, причем, модель перекачивала теплоноситель из верхней емкости в нижнюю, а по шлангу теплоноситель возвращался в верхнюю емкость, таким образом, в стенде была реализована замкнутая циркуляция теплоносителя, что значительно упростило проведение отдельных опытов. В разрыве шланга был установлен расходомер, показания которого фиксировались во время проведения опытов. А для сравнения с полученными результатами отдельно проводились измерения производительности насоса без гидравлических сопротивлений.
Результаты
Результаты экспериментальных исследований по определению производительности насоса ЭЦН-91Б в модели ТБСР представлены на рис. 5.
На основе апостериорных данных выведена формула для определения производительности насоса ЭЦН-91Б, включенного в конструкцию физической модели ТБСР, для воды температурой 10 ÷ 15 °С:
y = −0,0128U2 + 0,9565U + 1,7837
где U – напряжение, В.
Простейшим математическим преобразованием были определены скорости истечения затопленных струй [12], которые представлены в табл. Установлено, что при использовании физической модели ТБСР с установленным насосом ЭЦН-91Б зависимость подаваемой электрической мощности и скорости истечения струи прямая линейная, а максимальная начальная зафиксированная скорость истечения струи составляет 16 м/с. Впоследствии также будут определены начальный и основной участки струи, причем, очевидно, что на основном участке происходит турбулентное перемешивание струи с однородной движущейся средой.
Заключение
Проведенные первоначальные теоретико-экспериментальные исследования процесса образования призабойной кольцевой циркуляции позволили установить зависимость производительности насоса ЭЦН-91Б в физической модели ТБСР от электрических характеристик, а также найти скорости истечения затопленной струи в подвижную однородную среду. Дальнейшие исследования процесса образования призабойной кольцевой циркуляции требуют разработки принципиально нового подхода к созданию научно-испытательного стенда и проведению экспериментов для определения основных характеристик исследуемого процесса. В первую очередь, необходимо определить поле скоростей закрученного потока теплоносителя вокруг оси устройства в скважине. Комплексный подход к решаемой задаче позволит эффективно использовать конвективный способ расширения скважин в ледовом массиве, за счет чего возможно достигнуть увеличения диаметра скважины в 3–5 раз от номинального диаметра бурения.
В заключении можно дать определение термину «призабойная кольцевая циркуляция» – это разновидность призабойной (местной) схемы циркуляции теплоносителя или очистного агента, при которой реализуется вращательное (закрученное) движение жидкости вокруг оси на забое в кольцевом зазоре между буровым снарядом и стенкой скважины с минимальным осевым перемещением.
Исследование выполнено с помощью субсидии на выполнение Государственного задания в сфере научной деятельности на 2023 г. № FSRW-2021-0011.