СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ ВО ЛЬДАХ

Изобретение относится к области горного дела, конкретно, к бурению скважин в сложных геолого-технических условиях, например ледовых отложениях Антарктиды.

При проходке глубоких скважин в толще мощных ледовых отложений значительные затруднения вызывает поддержание открытого ствола скважины в силу проявления специфических вязкопластичных свойств льда. При этом проявляются реологические свойства льда, определяющие зависимость между необратимыми деформациями (течением) и вызвавшими их напряжениями. Скважины бурятся снарядами на кабеле без традиционной промывки. При этом скважина может долгое время оставаться с открытыми стенками, что способствует проявлению реологических свойств льда.

Известен способ изоляции зон поглощения и трещин гидроразрыва при цементировании колонн (патент РФ №2172810, кл. Е 21 В 33/13). Способ включает подачу в скважину расчетного объема тампонажного раствора с наполнителем, определяемого по формуле где V₂ - объем затрубного пространства с учетом кавернозности, м³; Р - удельное давление, учитывающее зависимость раскрытия трещин гидроразрыва или поглощения от давления в скважине, МПа; D - диаметр скважины с учетом кавернозности, м; L - длина скважины в зоне наименьшего градиента гидроразрыва, м; α - градиент гидроразрыва пород слабого пласта, МПа/м.

Предлагаемый способ обеспечивает подъем тампонажного раствора на необходимую (запланированную) высоту.

К недостаткам способа следует отнести тот факт, что он не может быть использован при бурении скважин во льдах.

Известен способ крепления ствола скважины, принятый за прототип, включающий заливку низкотемпературной жидкости определенной плотности в скважину. (Бурение глубокой скважины на станции Восток (Антарктида) /Н.И.Васильев, Б.Б.Кудряшов, П.Г.Талалай и др. //Тезисы докладов IV Международного симпозиума ″Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология″. -СПб.: 1996. -С. 40-41).

Этот способ является более эффективным и надежным. Для заполнения скважины используется низкотемпературная (незамерзающая) жидкость, так как температура стенок скважины в ледовых отложениях достаточно низкая, например температура льда на станции Восток (Антарктида) имеет значение до минус 55-57°С на глубине 20-50 м, а на глубине 3500 м и более - минус 5-10°С. Такие жидкости, как правило, формируются на основе экологически чистых гликолевых смесей и имеют плотность 0,95-0,96 г/см³.

Недостатком способа является его невысокая эффективность.

Задачей изобретения является повышение эффективности крепления ствола скважины при бурении во льдах.

Поставленная задача решается тем, что в способе крепления ствола скважины при бурении во льдах, включающем заливку низкотемпературной жидкости заданной плотности в скважину, согласно предлагаемого изобретения, перед заливкой жидкости в скважину для данной глубины Н измеряют начальный диаметр D скважины, скважину выдерживают заданное время t_з, повторно измеряют диаметр d скважины на глубине Н, после чего производят расчет необходимой высоты Н₀ заливки низкотемпературной жидкости по формуле

где α - коэффициент, характеризующий ускорение сужения ствола скважины при росте температуры, уменьшении диаметра скважины и ее отклонения от вертикали; Е - модуль Юнга для льда, МПа; μ - коэффициент Пуассона для льда; γ_з - удельный вес заливочной жидкости, МН/м³; γ_л - удельный вес льда, МН/м³; Н - глубина скважины, м; D - начальный диаметр скважины на глубине Н, м; d - диаметр скважины на глубине Н через время t_з, м; t_з - заданное время, за которое происходит изменение диаметра скважины от значения D до значения d, ч; [ε] - допустимая величина деформации контура ствола скважины, при которой возможен свободный спуск бурового снаряда в скважину.

Успешная проводка скважин в таких условиях зависит от определения необходимой высоты Н₀ и заполнения скважины жидкостью на эту высоту во избежание появления упругих деформаций и ползучести льда, способствующих сужению (заплыванию) ствола скважины и прекращению спуска бурового снаряда по ранее пробуренной ее части.

Способ поясняется чертежом, на котором представлен разрез скважины. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - эпюра напряжений σ₂, возникающих по высоте ствола скважины без заливки в него незамерзающей жидкости, 2 - эпюра допустимых значений деформации льда в боковом направлении по высоте ствола скважины; Н - глубина скважины, м; Н₀ - необходимая высота заливки незамерзающей жидкости в скважину; σ₁ - осевое главное напряжение (давление ледника).

Величину горного давления в скважине определяет толщина ледника в соответствии с известной зависимостью

σ₁=γ_лН,

где σ₁ - осевое напряжение, МПа; γ_л - удельный вес льда, МН/м³; Н - глубина скважины, м.

На проявление реологических свойств (ползучести, в первую очередь) основное влияние оказывает боковое напряжение

где μ - коэффициент Пуассона для льда; λ - коэффициент бокового обжатия.

Тогда относительная упругая деформация (упругая составляющая общей деформации льда в боковом направлении при сужении ствола скважины) будет равна

где Е - модуль упругости льда, МПа.

Относительная деформация ползучести при этом составит

ε_п=2t_зV_П/D, (2)

где ε_П - деформация ползучести; V_П - скорость ползучести льда, м/ч; t_з - заданное время, за которое происходит изменение диаметра D скважины, ч.

Таким образом, при принятой схеме нагружения общее расчетное уравнение для максимальной деформации примет вид

ε_max=ε_у+ε_П≤[ε], (3)

где - допустимая величина деформации контура ствола скважины, при которой возможен свободный спуск бурового снаряда в скважину.

В формуле (3) за величину ε_П целесообразно принять деформацию равномерной (установившейся) ползучести за время t_з, определяемую согласно правой части выражения (2).

Тогда с учетом выражений (1)-(3), будем иметь

где Р_з - давление столба заливочной жидкости в скважине, равное

Р_з=γ_зН₀,

где γ_з - удельный вес заливочной жидкости, МН/м³.

Введя в выражение (4) значения и P_з=γ_зН₀, окончательно получим

Из выражения (5) можно определить высоту столба жидкости, которую необходимо залить в скважину с целью крепления ее открытого ствола, и тем самым предупреждать сужение ствола скважины

где α - коэффициент, характеризующий ускорение сужения скважины при росте температуры, уменьшении диаметра скважины и ее отклонения от вертикали; по данным практического бурения α=1,4-1,6.

Скорость ползучести льда определяется по результатам измерения диаметра скважины на глубине Н. Измерения выполняют, например, каверномером в следующем порядке. Фиксируют начальный диаметр D на глубине скважины Н. Затем скважину выдерживают заданное время t_з, необходимое для изменения диаметра скважины. Это время зависит от глубины скважины и может составлять от суток до нескольких суток. Учитывая, что простои в процессе бурения нежелательны, это время можно принять, как минимум, равным 24 ч (по данным экспериментов, см. таблицу) и корректировать его с увеличением глубины скважины. Далее на глубине скважины Н измеряют новое значение диаметра d скважины и по результатам измерений определяют отношение (D-d)/2t_з, которое представляет скорость ползучести льда. Тогда формула 6 примет вид

Так как высота Н₀ заливки жидкости будет меняться в зависимости от углубки скважины, то операцию расчета высоты Н₀ заливки и заливку жидкости предлагается выполнять периодически по мере углубки скважины.

Примерный расчет по формуле (7) приведен в таблице.

Успешная проводка скважин в таких условиях зависит от определения необходимой высоты Н₀ и заполнения скважины жидкостью на эту высоту во избежание появления упругих деформаций и ползучести льда, способствующих сужению (заплыванию) ствола скважины и прекращению спуска бурового снаряда по ранее пробуренной ее части.

При расчетах (см. табл.) использовались следующие константы для льда: Е=0,9·10⁴ МПа (при t=-5°С и ниже); μ=0,36; удельный вес 9,2·10^-3 МН/м³.

Указанные отличительные признаки: измерение диаметра скважины на глубине Н, определение значения скорости ползучести льда, расчет необходимой высоты Н₀ заливки жидкости в скважину по формуле (7), периодический пересчет высоты Н₀ и периодическая заливка жидкости по мере углубки скважины придают способу новое качество, заключающееся в повышении эффективности крепления ствола скважины при бурении во льдах.