Эжекторные колонковые снаряды (ЭКС)

Эжекторные колонковые снаряды создают обратную циркуляцию на забое и внутри колонковой трубы, используя принцип струйных аппаратов (Рис. ..). Идея работы струйных аппаратов использует закон сохранения энергии в гидравлике. Сумма потенциальной (давление) и кинетической (скорость) энергии (с учетом потерь на трение) по длине потока жидкости остается постоянной, что наглядно показывает уравнение Бернулли.

Н₁ + Р₁/ρg + ά₁·V₁² /2g = H₂ + Р₂/ρg + ά₂ · V₂²/2g + h_1-2

Если пренебречь Н и ά, останется:

Р₁ /ρg + V₁² /2g = Р₂/ρg + V₂² /2g

В струйных аппаратах по длине неразрывного потока, за счет конической насадки, происходит значительное сужение сечения потока и соответственное увеличение скорости, Но если существенно увеличивается второй знак равенства (скорость в квадрате), то на столько же должна уменьшится его первая часть т.е. давление. Например если до насадки при расходе 90 л./мин. и внутреннем сечении труб при d = 45 мм., скорость потока примерно 0,9 м/с., а при выходе из насадки с диаметром отверстия 8 мм. скорость потока станет 25 м/с. Поскольку скорость в квадрате и делится примерно на 20, то разница вторых членов равенства составит более 30. Размерность выражения в метрах водяного столба и, следовательно, давление в струе Р₁ уменьшится на 0,3 МП (3 атмосферы).

В зоне внутри колонкового набора примыкающей к струе, давление жидкости несколько больше, чем в струе, жидкость из зоны большего давления будет стремиться в зоны с меньшим давлением. Окружающая струю жидкость, как бы прилипает к струе, и начинает двигаться вместе со струей, попадая в камеру смешивания – 6. Отношение расхода подсосанного (эжектированного) потока к расходу рабочего потока называется коэффициентом эжекции – U. В камере смешивания за счет передачи части энергии на разгон подсосанного (эжектированного) потока и за счет расширения струи, скорость смешанного потока несколько снижается, а давление возрастает. Поскольку далее (после камеры смешивания), смешанный поток проходит в расширяющийся диффузор, то скорость потока значительно снижается, а давление. соответственно, возрастает до значения Р₃. За счет этого давление в камере всасывания – среде окружающей струю, давление Р₂ будет существенно выше, чем в струе. Отношение давления перед насадкой – Р₀ и давлением Р₃ называется коэффициентом восстановления давления – β. Рабочий перепад давления (между давлением на выходе из струйного аппарата и давлением в струе) Δ Р_р = Р₃ - Р₁ является главным источником обратной циркуляции на забое. Этот перепад необходим для преодоления гидросопротивлений на пути от выхода потока из диффузора через сопротивления в пространстве между колонковой трубой и стенками скважины, далее в промывочных каналах коронки и далее внутри колонковой трубы и в каналах второго переходника- .5, Сопротивления эти, особенно на забое в коронке, тоже весьма значительны и соизмеримы с рабочим перепадом давления, поэтому для конечного перепада давления – ΔР_к = Р₂ – Р_1, который и обеспечивает обратную циркуляцию, особо важно, чтобы сопротивления были как можно меньше, а рабочий перепад давления ΔР_р как можно больше. Для достижения этого, кроме повышенного расхода промывочной жидкости – 80 – 120 л/мин, необходимо тщательно рассчитывать геометрию струйного аппарата эжектора, добиваясь максимально возможного рабочего перепада ΔР_р , в частности, за счет минимального значения коэффициента эжекции (к сожалению не может быть менее 0,5 – 0,4) и возможного уменьшения гидросопротивлений на пути обратного потока особенно на забое и внутри колонкового набора. Для снижения вероятности зашламования забоя, ведущего к прекращению обратной циркуляции, при алмазном бурении рекомендуется при бурении эжекторными снарядами применять управление процессом бурения по заданной постоянной углубке за оборот. Характер изменения давления в потоке жидкости при бурении эжекторным снарядом показан на рис. ...

Рис.

Эжекторные снаряды имеют три главных достоинства – преимущества перед другими средствами обратной циркуляции на забое (по всему стволу, пакерные снаряды, ДТН-О):

- более надежная и достаточная по расходу обратная циркуляция на забое и в колонковой трубе;

- отсутствие подвижных деталей (нечему заклиниваться, заедать);

- простота конструкции – легко может быть изготовлен в местных мехмастерских, использование с серийными алмазными коронками,

Главным недостатком эжекторных снарядов (как и других средств) возможность прекращения обратной циркуляции при резком увеличении гидросопротивлений на забое (зашламовании забоя), что усугубляется отсутствием информации об этом на поверхности. Косвенно об отсутствии обратной циркуляции можно судить по росту забойной мощности при зашламовании забоя. Попытки установить сигнализаторы отсутствия обратной циркуляции приводят к увеличению сопротивлений на пути обратного потока и снижению рабочего перепада давления

Эрлифтные снаряды.

Существуют условия бурения геологоразведочных скважин, когда по ряду причин ( в частности в районах с суровой зимой и с многолетне мерзлыми породами и в безводных районах) выгоднее применять вместо прямой промывки – продувку. Однако бурение с продувкой усложнено для алмазного бурения в твердых породах, а также при большом столбе пластовых вод в скважине. Кроме того, при бурении с продувкой керн разрушается, даже более интенсивно, чем при промывке. Комплексное решение проблем бурения с продувкой в твердых, но неустойчивых, раздробленных породах, алмазными коронками и при наличии столба жидкости в призабойной части скважины порядка 60 – 100 метров и более, дает применение эрлифтных снарядов, Такие снаряды разработаны ВИТР,ом и выпускались серийно под маркой КОЭН для бурения скважин диаметром 76 – 93 мм. с использованием высоконапорного компрессора ВК-25-3А. Принцип работы эрлифта – свойство сообщающихся сосудов, в которых высоты столбов жидкости, устанавливаются обратно-пропорционально плотности жидкости. В эрлифтах в одной трубе находится вода с плотностью – 1, а другой, соединенной с первой в нижней части, воддовоздушная смесь (аэрированная жидкость) с плотностью существенно ниже единицы.

В снарядах КОЭН (Рис. ..) в нижней части бурового снаряда в бурильных трубах (от СБТ- 63,5 до СБТ-70 ) в специальном переходнике концентрично размещается (подвешивается) полиэтиленовая трубка длиной от 50 до 150 метров диаметром 16/12 мм. или 20/15 мм. со смесителем на нижнем конце. Чуть ниже верхнего конца трубки имеется сливной переходник с отверстиями из бурильных труб в затрубное пространство скважины.

РИС

Для работы эрлифта в скважине должен быть столб жидкости на 5 – 10 метров не доходящий до верхнего конца воздушной трубки. При бурении в буровой снаряд подается под давлением сжатый воздух, который выдавливает жидкость из воздушной трубки и далее выходя из смесителя смешивается с водой, образуя легкую водовоздушную смесь которая поднимается по бурильным трубам до сливного переходника, где воздух отделяется и идет вверх, а вода сливается вниз. Поскольку из бурильных труб над колонковым набором вода в виде смеси поднимается вверх, снизу от забоя вода поднимается, чтобы заполнить освободившееся место – создается обратная циркуляция воды в призабойной зоне с достаточным рабочим перепадом давления. Величина перепада тем больше, чем больше длина воздушной трубки и больше разность плотности воды и водовоздушной смеси.

Если в пакерных и эжекторных снарядах осуществляется комбинированная (по направлению) циркуляция, то в эрлифтных снарядах имеет место дважды комбинированная: по направлению – обратная в призабойной части и прямая в верхней части скважины и по видам очистного агента – вода в нижней части скважины и воздух в верхней.

Главные достоинства эрлифтных снарядов:

- возможность получения полноценного керна в самом трудном случае - бурении в твердых разрушенных породах;

- возможность бурения при полном поглощении промывочной жидкости;

- возможность бурения с продувкой при наличии в скважине столба жидкости, превышающего возможности компрессоров, применяющихся при обычном бурении с продувкой

Недостаток – невозможность использования при бурении скважин малого диаметра (59 – 46 мм.)