1.8.Гидродинамическое давление. Перепады давления

Гидродинамика рассматривает буровые растворы при их движении (циркуляции в скважине). В этом, наиболее общем случае, к ранее рассмотренным статическим давлением (гидростатическому и избыточному) добавляется гидродинамическое давление.

Окончательное выражение для величины забойного давления, которое должно превалировать над пластовым, будет иметь вид:

Р_заб. = Р_г + Р_г.дин. + Р_изб.

Идентично определяются и суммарные давления в любом сечении скважины.

Доскональное изложение законов гидродинамики не является целью данного учебного пособия. Нас интересуют только сугубо практические отражения этих законов в бурении вообще, а также при предупреждении и ликвидации газонефтеводопроявлений в частности.

Гидродинамическое давление это давление, которое надо приложить к некоторому объёму жидкости для его перемещения по системе трубопроводов от одного сечения системы до другого. В бурении это давление создаётся буровыми насосами и прилагается к буровому раствору для прокачки его по системе: трубопроводы наземной обвязки – бурильные трубы – УБТ – долото – затрубное кольцевое пространство. Величина гидродинамического давления максимальна в начальном сечении системы, в нашем случае это выкид бурового насоса. В конечном сечении системы (выкид в жёлоб) гидродинамическое давление имеет нулевое значение. Энергия гидродинамического давления расходуется на преодоление сил трения в трубопроводной системе. В каждом последующем сечении системы гидродинамическое давление меньше, чем в предыдущем, разница между ними и называется перепадом давления на участке между сечениями. Физический смысл перепадов давления на конкретных участках гидравлической системы состоит в постепенном поглощении исходной гидравлической энергии буровых насосов на каждом из этих участков.

Проиллюстрируем понятие перепадов давления (рис. 1.4.; 1.5.)

Рис. 1.4. Перепад давления в горизонтальном трубопроводе.

Рис. 1.5. Перепад давления в трубопроводе переменного сечения.

Закон гидродинамики – любое изменение давления в данном сечении циркуляционной системы (закупорка насадки долота, изменение размера отверстия дросселя и т. д.) влечёт за собой идентичное изменение давлений до этого сечения и оставляет неизменным давление после него.

Таким образом, при циркуляции изменение отверстия дросселя на штуцерном манифольде определит давление в любой точке системы, в частности на забое и в устье бурильных труб, потому что дроссель находится в самом конце гидравлической системы. А закупорка насадок долота при сохранении производительности бурового насоса вызовет увеличение давлений в трубном пространстве, но никак не отразится на давлении перед дросселем штуцерного манифольда.

Рассмотрим перепады давления при циркуляции в скважине. Примем давление на стояке за 100%. Тогда ориентировочные процентные составляющие перепадов давления, полученные как расчётным, так и опытным путём, на основных участках скважины составят:

 трубное пространство (наземная обвязка, бурильные трубы, утяжелённые бурильные трубы, долото) - 90%; причём основные потери давления (50 – 70%) приходятся на долото;

 затрубное (кольцевое) пространство - 10%.

Символами это выражается таким образом:

Р_ст – давление на стояке бурового раствора.

Р_ст = ( Р_БТ + Р_Д + Р_УБТ ) + (Р_КП-УБТ + Р_КП-БТ), где Р – перепад давления

Р_БТ - внутри бурильных труб;

Р_УБТ – внутри УБТ;

Р_Д – в промывочных отверстиях долота;

Р_КП-УБТ - в кольцевом пространстве УБТ – скважина;

Р_КП-БТ - в кольцевом пространстве БТ – скважина.

Объединив выражения в скобках, получим:

Р_ст = Р_ТР.П. + Р_К.П. = 0,9 Р_ст + 0,1 Р_ст

Для морской скважины с подводным расположением устья (блока превенторов) следует учитывать большую длину линий глушения и дросселирования между дном моря и штуцерным манифольдом на поверхности. В открытой морской скважине процентное соотношение перепадов давления в трубном и затрубном пространствах близко к отмеченному выше (90% и 10%). В закрытой морской скважине при циркуляции через линию дросселирования возникнут довольно большие потери давления в линии и в соотношении будут увеличиваться гидравлические перепады в затрубье. Они будут увеличиваться с увеличением глубины моря.

Оценим величину забойного давления в случаях прямой и обратной циркуляции бурового раствора. При прямой циркуляции к гидростатическому давлению столба бурового раствора на забой добавляется гидродинамическая составляющая равная перепаду давления в кольцевом пространстве скважины. Значение этой составляющей  10% от давления на стояке:

Р_заб.1 = Р_г + Р_К.П. = Р_г + 0,1  Р_ст

При перемене направления циркуляции на обратное, забойное давление увеличится, поскольку его гидростатическая составляющая теперь будет равна потерям давления в трубном пространстве:

Р_заб.2 = Р_г + Р_Т.П. = Р_г + 0,9  Р_ст.