РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ И СКОРОСТНОЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОСТРУЙНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ
2.1. Особенности формирования и структура гидроструйного потока жидкости
Поток жидкости, выходящий из гидробура подводной буровой установки, должен обеспечивать надежное и непрерывное разрушение донных отложений. Как отмечалось в подразделе 1.2, динамическое воздействие жидкости на забой скважины принято оценивать давлением или силой удара в месте контакта ее с забоем. При этом механизм разрушения твердых пород заключается в первичном прорезании щели и дальнейшем трещинообразовании, способствующем возникновению сминающих, сжимающих или же растягивающих напряжений и отрыву частиц от массива, а на интенсивность разрушения влияет тип и количество трещин.
При размыве мягких пород принципы разрушения иные. Экспериментальные исследования и имеющийся опыт гидравлического бурения доказывают, что разрушение породы в мягких и средних по твердости породах практически всегда происходит при значительно меньших значениях давления струи на забой, чем прочностные пределы породы [23, 46]. Специфичность этого явления заключается в том, что разрушение вызвано не столько сжатием породы, сколько интенсивным нарушением целостности массива путем разъединения породы на частицы и "вырывания" отдельных агрегатов грунтовой массы. Необходимо отметить, что аналогичным образом в теории русловых деформаций описывается механизм размыва стенок каналов, сложенных несвязными грунтами [61, 93]. Следовательно, и при гидравлическом бурении несвязных и связных донных отложений такой подход к механизму разрушения является наиболее приемлемым. Поэтому в качестве основного параметра определяющего качественную оценку воздействия жидкости на забой принимаем значение скорости потока, при которой обеспечивается надежный размыв породы. В гидротехническом строительстве используются значения предельной неразмывающей скорости потока [uнер], нормируемой в зависимости от типа грунта (приложение А, Б). По нормативным данным, значение неразмывающей скорости для наиболее тяжелых по степени трудности гидравлического размыва грунты, к которым относятся плотные глины и крупная галька с примесью гравия, составляет [uнер]?2,7 м/с. Для крупно- и среднезернистых песков с прослоями глины значение скорости существенно меньше: [uнер]= 1,2 м/с, а для мелкозернистых -0,8-0,95 м/с [27, 80, 91].
Средняя скорость струи в плоскости забоя с учетом вышесказанного должна превышать значение предельной неразмывающей скорости для конкретного типа пород:
. (2.1)
В табл. 2.1 для сравнения даны значения скоростей потока, создаваемые буровыми геологоразведочными насосами при максимальном значении подачи жидкости.
Таблица 2.1
Средняя по сечению скорость истечения из колонковой трубы пробоотборника, м/с
Наружный диаметр керноприемника (мм) или тип пробоотборникаДиаметр потока, ммТип буровой насосной установки
(максимальная рабочая подача, м3/с)НБ-3
(2?10-3)НБ-4, НБ-5
(5,3?10-3)АНБ-22
(5,5?10-3)НБ-32
(9,9?10-3)89790,411,081,122,02ПБС-127900,320,830,871,56ПБС-132М940,290,760,791,42УГВП-130/8960,280,730,761,37108980,270,700,731,31УГВП-150М1120,200,540,561,011271170,180,480,500,90ПГУ-721200,170,470,490,88ПУВБ-1501250,160,430,450,811461360,130,350,370,66 Анализируя данные, приведенные в табл. 2.1, можно сделать вывод о весьма низкой эффективности размыва грунта сплошным потоком, т.к. лишь при максимальной подаче серийного бурового насоса НБ-32 в колонковой трубе диаметром 89 мм формируется течение с параметрами, превышающими значения предельных неразмывающих скоростей только для несвязных и некоторых типов связных пород. Следовательно, скорость потока, при которой будет осуществляться размыв породы, необходимо формировать установленным в колонковой трубе узлом со струеформирующими отверстиями - гидробуром, определение рационального конструктивного исполнения которого является одной из целей исследования.
Исследования, проводившиеся с насадками различной формы, показывают, что применение отверстий некруглой формы приводит к закручиванию струи, возникновению в ней периферийных вихрей, способствующих рассеиванию частиц жидкости, а, следовательно, лишней потере энергии. Несмотря на некоторое превышение осевой скорости, экспериментальные исследования, проведенные в ГрозНИИ, не подтвердили преимущества насадок некруглого или кольцевого сечения перед круглыми при гидродинамическом воздействии струй на забой. Отметим также, что при всех прочих условиях изготовление отверстий круглого сечения намного проще, чем многоугольной или кольцевой формы. В продольном сечении отверстие должно иметь конически сходящуюся или коноидальную форму [46, 47, 91].
При использовании одной насадки необходимо удалять плоскость истечения от забоя, чтобы расширяющаяся струя перекрыла всю его поверхность. Г.Н. Абрамовичем установлена взаимосвязь диаметра расширяющейся осесимметричной турбулентной струи D и расстояния Z от плоскости истечения при диаметре do отверстия , где a -постоянная, изменяющаяся в пределах 0,07-0,08 [1]. Но с удалением потока жидкости от выходной плоскости насадок снижается его скорость, а, следовательно, и разрушающая способность. Так, для одиночной струи диаметром 10 мм скорость истечения составляет 63,7 м/с при подаче жидкости 5?10-3 м3/с. На расстоянии 172 мм от плоскости истечения расширяющийся поток перекрывает полость керноприемной трубы диаметром 100 мм, но при этом соотношение выполняется лишь для центрального ядра струи радиусом 33 мм (рис. 2.1). Аналогичная картина наблюдается и для струй другого диаметра. Таким образом, для одиночных струй на любом расстоянии z от плоскости насадок в растекающемся скоростном поле можно определить место, в котором скорость снижается до значения [uнер] (например, точка В на кривой ? (рис. 2.1)). Геометрически место точек, в которых соотношение скоростей принимает вид определяется как . Это позволяет в лю