5.2.1 Показатели аэрированной жидкости

Объемное газосодержание – отношение объема газовой фазы к объему смеси жидкости и газа

φ = V_г / (V_г + V_ж) (5.1)

Этот показатель определяет плотность аэрированной жидкости

ρ_аж = ρ_гφ + ρ_ж(1- φ) ≈ ρ_ж(1 – φ) (5.2)

Расходное газосодержание – отношение объемного расхода газовой фазы к расходу смеси

β = Q_г/(Q_г + Q_ж) (5.3)

Объемное газосодержание равно расходному при равных скоростях движению обоих фаз β = φ при U_г = U_ж. Это наблюдается при пробковой структуре движения газожидкостной смеси.

Если скорость движения газовой фазы больше скорости жидкостной фазы, что наблюдается в восходящем потоке кольцевом пространстве, то объемное содержание меньше расходного, при U_г > U_ж, φ < β.

Если же U_г < U_ж (что имеет место в нисходящем потоке в трубах), то φ > β

Оба эти показателя зависят от давления и по стволу скважины перемещенные.

Независящими от глубины скважины являются: степень аэраций – отношение расхода газа, приведенного к нормальным условиям, к расходу жидкости;

а = Q_г⁰ / Q_ж (5.4)

и массовое газосодержание – отношение массы газа G_г к массе смеси G_г+G_ж

φ_G = G_г / (G_г + G_ж) ≈ G_г / G_ж (5.5)

И массовое и объемное газосодержание можно выразить через степень аэрации:

(5.6)

(5.7)

(5.8)

В формулах (5.7) и (5.8) Р₀, Т₀ – соответственно, нормальные давление и температура Р₀ = 0,1 МПа; Т₀ = 293 К; ρ_г⁰ – плотность газа при нормальных условиях. Степень аэраций легко определяется путем измерения плотности аэрированной жидкости, выходящей из устья скважин, т.е. при нормальных условиях ρ_аж

(5.9)

5.2.2 Структуры газожидкостных потоков

Различают эмульсионную, пробковую и капельную (туман) структуры

Эмульсионная структура представляет собой более или менее равномерное распределение пузырьков газа в жидкой фазе. Такая структура имеет место в трубах и нижней части кольцевого пространства.

Пробковая структура представляет собою движение порций газа и жидкости, занимающих в поперечном сечений всё пространство канала. Такая структура может наблюдается в верхней части кольцевого пространства. При данной структуре скорости движения обоих фаз одинаковы.

Капельная структура – это мелкие капельки жидкости, распределенные в газовом потоке. Данная структура может наблюдаться при газожидкостных фонтанах.

а б в

а – эмульсионная

б – пробковая

в – капельная

Рисунок 5.1 - Структуры газожидкостных потоков

5.2.3 Расчет расходов жидкой и газообразных фаз

При наличии газа расход жидкости, необходимый для выноса шлама, естественно, уменьшается. Е.Г. Леонов приводит следующее соотношение между расходом газовой фазы, приведенной к нормальным условиям Q⁰ и расходом жидкой фазы, при котором обеспечивается вынос частиц шлама известного размера d_r

(5.10)

где ρ₀ – плотность газа при нормальном давлений Р₀;

d_r – диаметр выносимых частиц;

ρ_r – плотность разбуриваемых пород;

Р – давление на забое скважины.

Однако, бурение с промывочной аэрированной жидкостью чаще всего осуществляется турбинным способом, а большая часть энергий несет жидкая фаза. Поэтому расход жидкости при бурений с аэрацией рассчитывают из условия нормальной работы турбобура, а расход воздуха (газа) – из условия обеспечения против поглощающего пласта давления в скважине Р_с, при котором интенсивность поглощений будет минимальной.

5.2.4 Расчеты давлений

При установленном режиме и отсутствий фазовых переходов система уравнения для двухфазного течения в скважине, где первая фаза газ,а вторая – несжимаемая жидкость, уравнение имеет вид:

- уравнение движения

(5.11)

- уравнения сохранения массы

(5.12)

- уравнения состояния

(5.13)

- уравнение концентраций

(5.14)

- уравнения для коэффициентов гидравлических сопротивлений

(5.15)

В уравнениях (5.11 – 5.15) F – площадь канала; ρ₀ – плотность газа при нормальном давлений P₀ и температуре T₀; φ – обьемное газосодержание.

Решениями системы (5.11) – (5.15) для вертикальных скважин при различных допущениях занимались многие исследователи М.Р. Мавлютов, Н.М. Филимонов, З.М. Шахмаев и др.

Считается, что наиболее точные решения получены Е.Г. Леоновым совместно с Е.В. Щебестовым и В.И. Исаевым.

Для вертикального кольцевого пространства

(5.16)

(5.17)

(5.18)

где D_r – гидравлический диаметр, F – площадь кольцевого пространства, Р^/ - давление в конце рассматриваемого участка, Р – давление на глубине Н; z₁, z₂ -

Формула (5.16) справедлива при

(5.19)

а формула (5.17) при Р > Р^*.

Аналогичные уравнения были получены для нисходящего потока в трубах.

Давление на входе в долото Р_д находится из зависимости

(5.20)

где Р_з – давление на забое скважины;

f_н – площадь промывочных отверстий;

μ – коэффициент расхода промывочных отверстий, его можно принять равным μ для однофазных жидкостей.

Давление на входе в турбобур:

(5.21)

где ΔР_т – перепад давления в турбобуре на чистой жидкости с расходом Q_ж.

Уравнения (5.16), (5.17), (5.20) и (5.21) решаются методом итераций. Предлагается графоаналитический способ решения этих уравнений.

5.2.5 Изменение давления на устье в процессе долбления.

При бурений с аэрацией после спуска долота на забой первоначально включают насос и на устье устанавливается давление Р₁. В момент t включается компрессор и в бурильные трубы начинает поступать аэрированная жидкость. Поскольку при этом плотность жидкости в кольцевом пространстве ρ_кп оказывается больше плотности аэрированной жидкости в трубах, давление на устье начинает увеличиваться, достигая максимума Р₂ в момент t₂, когда аэрированная жидкость достигает забоя.

При t > t₂ аэрированная жидкость поступает в кольцевое пространство и давление на устье начинает уменьшаться, достигая минимума Р₃, когда аэрированная жидкость достигается устья. Р₃ < Р ₁, т.к. плотность жидкости в кольцевом пространстве становится меньше плотности жидкости в трубах (Р_кп < Р_тр).

Перед окончанием долбления (перед наращиванием) в момент t₄ выключают компрессор. В бурильные трубы начинает поступать жидкость без аэрации более высокой плотности, чем жидкость в кольцевом пространстве. Давление на устье начинает уменьшаться и достигает минимума Р₄ в момент, когда жидкость без аэрации достигает забоя. В дальнейшем давление начинает рости и достигает величины Р₁.

Особенность бурения с аэрацией заключается в том, что выбор насоса производится не по рабочему давлению, равному Р₃, а по максимальному давлению Р₂.

Таким образом можно отметить следующие особенности расчетов при бурений с промывкой аэрированной жидкостью:

- при турбинном бурений расход жидкой фазы определяется из условия обеспечения нормальной работы турбобура, а расход воздуха (газа) из условия создания в скважине против поглощающего пласта давления Р_с, близкого к пластовому.

- при бурений электробурами и роторном способе расход жидкой и газообразных фаз находиться из совместного решения уравнений (5.16) или (5.17) и (5.20), что обеспечивает вынос шлама и создание в скважине давления, близкого к пластовому в поглощающем пласте;

- давление на насосе в процессе долбления не остается постоянным, достигая максимума в момент времени, когда после включения компрессора аэрированная жидкость достигает забоя;

- выбор насоса производится по этому максимальному давлению.

5.3 Расчеты при бурений с продувкой воздухом (газом)