Патент на изобретение №2254432

(54) СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ ВО ЛЬДАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к горному делу, конкретно к бурению скважин в ледовых толщах. Способ крепления ствола скважины при бурении ледовых толщ включает заливку в скважину низкотемпературной жидкости заданной плотности. 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. Благодаря такому решению достигается повышение эффективности крепления ствола скважины при бурении ледовых толщ. 1 ил., 1 табл.

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; – 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.

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 – коэффициент, характеризующий ускорение сужения ствола скважины при росте температуры, уменьшении диаметра скважины и ее отклонения от вертикали; Е – модуль Юнга для льда, МПа; – коэффициент Пуассона для льда; _з – удельный вес заливочной жидкости, МН/м³; _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; [] – 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 ₂, 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; ₁ – осевое главное напряжение (давление ледника).

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

₁=_лН,

где ₁ – осевое напряжение, МПа; _л – удельный вес льда, МН/м³; Н – глубина скважины, м.

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

где – коэффициент Пуассона для льда; – 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

_п=2t_зV_П/D, (2)

где _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

_max=_у+_П[], (3)

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

В формуле (3) за величину _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=_зН₀,

где _з – удельный вес заливочной жидкости, МН/м³.

Введя в выражение (4) значения и P_з=_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 – коэффициент, характеризующий ускорение сужения скважины при росте температуры, уменьшении диаметра скважины и ее отклонения от вертикали; по данным практического бурения =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.

Таблица Экспериментальные данные при бурении глубоких скважин на станции Восток (Антарктида)
№№скважин	Глубина скважины (Н), м	Диаметр скважины, мм*		[]·10-5	Скорость ползучести (D-d)/2tз, ч-1·10-6	Заданное время, tз, ч	Округленно высота столба жидкости (Н0), м
		начальный (D)	конечный (d)
1 г-2бис	952	183	175	16,4	0,162	63	800
3 г	2200	152	102	15,9	0,291	35	1700
5 г	2500	139	86	15,0	0,432	24	2000
5 г	3500	137	60	14,6	0,528	19	3000
* – при отсутствии заливки.

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); =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.

Формула изобретения

Способ крепления ствола скважины при бурении во льдах, включающий заливку в скважину низкотемпературной жидкости заданной плотности, отличающийся тем, что 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 – коэффициент, характеризующий ускорение сужения ствола скважины при росте температуры, уменьшении диаметра скважины и ее отклонения от вертикали;

Е – модуль Юнга для льда, МПа;

– коэффициент Пуассона для льда;

_з – удельный вес заливочной жидкости, МН/м³;

_л – удельный вес льда, МН/м³;

Н – глубина скважины, м;

t_з – заданное время, за которое происходит изменение диаметра скважины ч;

[] – допустимая величина деформации поперечного сечения ствола скважины, при которой возможен свободный спуск бурового снаряда в скважину,

причем расчет высоты Н₀ и заливку низкотемпературной жидкости в скважину на эту высоту выполняют периодически по мере углубки скважины.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 27.04.2006

Извещение опубликовано: 20.12.2007 БИ: 35/2007