3.3. Гидродинамика при спускоподъемных операциях

Одна из специфических гидромеханических задач, возникающая в процессе бурения и существенно влияющая на качество буровых работ с позиций предупреждения гидроразрывов, газоводонефтепроявлений и поглощений, - определение гидродинамических давлений в стволе скважины в процессе спускоподъемных операций с бурильным инструментом, спуска обсадных колонн и их расхаживания. Физическая картина процесса при этом состоит в том, что движущаяся в скважине колонна бурильных или обсадных труб, во-первых, увлекая буровой раствор за счет вязких сил, а во-вторых, освобождая при подъеме или замещая при спуске трубами объем в стволе скважины, вызывает возникновение гидродинамических давлений, расходуемых на преодоление сил сопротивления.

При спуске бурильных труб гидродинамическое давление может быть рассчитано по формуле:

∆p = a + b v_τ ², (3.1.)

где: v_τ - скорость движения труб в скважине, а, b – коэффициенты.

a =4*10^-6 τ_o [l₁ \ (D – d₁)] + [l₂ \ (D – d₂)], (3.2)

b = 10 λ[L\(D – d₁)] ρ\g, (3.3)

где: τ_o – динамическое напряжение сдвига, 1₁ , 1₂ - длина соответственно бурильных труб и турбобура; d₁ , d₂ — наружный диаметр соответственно бурильных труб и турбобура; L - общая длина бурильных труб и турбобура; D - диаметр скважины; ρ — удельный вес бурового раствора; g - ускорение силы тяжести.

Рассмотренные формулы основаны на учете гидродинамических давлений по всей длине кольцевого зазора между трубами и стенками скважины и относятся к зоне торца движущихся труб. Очевидно, что в любом промежуточном сечении движущейся колонны, а тем более в стволе скважины, еще не занятом спускаемой колонной, знание гидродинамических давлений тоже актуально. Если принять, что движение труб - процесс нестационарный, а импульс давления, возникающий на торце трубы, распространяется по законам гидроудара, то рекомендуется следующая методика расчета ∆р. Импульс давления ∆р, рассчитанный по приведенной выше формуле 3.1. распространяется по гидравлическому каналу вверх к устью скважины и вниз к забою. При этом импульс затухает, и его значение на расстоянии х от торца труб определяется по формуле:

∆p_x = ∆ре ^{- kх}, (3.4.)

где к — коэффициент затухания импульса давления, м^-1. Для приближенных расчетов для труб к_т = 0,00047 м^-1 , для заколонного пространства к_зп = 0,0012 м^-1.

На устье скважины импульс давления затухает, а на забое удваивается, отражается и распространяется вверх к торцу труб и далее - к устью скважины. В этом случае после отражения:

∆p_у = 2∆p_L e ^-ky, (3.5.)

где ∆p_L — давление ∆р_х при х = L; у — расстояние от забоя скважины до расчетного сечения ствола.

Таким образом, в стволе скважины под спускаемой колонной труб для расчетов принимают большее давление из ∆р_х и ∆р_у.

Приведенная методика для расчета гидродинамических давлений на удалении от торца движущейся колонны оказывается весьма полезной с позиций предупреждения поглощений и последующих возможных газоводонефтепроявлений.