7.6 Декольматация

Как указывалось выше, желательно, чтобы кольматация в продуктивных пластах была устранимой. Особенно это важно в скважинах с открытым забоем и пластах трещинного типа.

Кольматация твердой фазой бурового раствора может быть устранима, если раствор содержал кислоторастворимую твердую фазу - мел, мраморную крошку FeCО₃. При кислотной обработке кольматант, осевший в порах пласта, превращается в растворимую соль, которая легко удаляется при вызове притсрса СаСОз + НС1 -->  СаСl + Н₂O + СO₂

Кольматация полимерами устраняется при использований биоразложимых полимеров. Подобные полимеры, попав в пласт, под действием микроорганизмов и энзимов разлагаются в подвижные водорастворимые соединения, удаляемые из пласта при освоении.

8 Закономерности смешения и вытеснения жидкостей при их последовательном движении

В процессе проводки скважин возникает необходимость замены одного бурового раствора на другой (смены одной промывочной жидкости на другую, замены промывочной жидкости тампонажным раствором).

Аналогичные операции имеют место и в трубопроводном транспорте, когда по одному трубопроводу последовательно прокачивают различные жидкости.

Во всех случаях стремятся, чтобы смешение жидкостей было как можно меньше, а вытеснение – как можно более полным.

8.1 Показатели и критерии процессов смешения жидкостей при их последовательном движении

Коэффициент вытеснения есть отношение объема закаченной вытесняющей жидкости к объему трубопровода к моменту появления в первой порции вытесняющей жидкости с другого конца трубопровода

(8.1)

Коэффициент смещения есть отношение объема образовавшейся смеси к объему трубопровода к моменту появления вытесняющей жидкости с другого конца трубопровода

(8.2)

Говоря о смеси двух жидкостей всегда следует оговариваться, при какой доле добавки другой жидкости данная жидкость может считаться кондиционной, а превышение этой доли означает, что жидкость считается некондиционной, т.е. смесью.

Применительно к процессам цементирования можно допустить, что более или менее качественный цементный камень получается, если тампонажной раствор попадет не более 20% буферной жидкости, примеси , а

Исходя из общих соображений, можно считать, смешение и вытеснение жидкостей при их последовательном движении будут зависеть от скорость их движения, размеров канала (для кольцевого простанства это гидравлический диаметр ), реологических свойств жидкостей и их плотностей, коэффициента взаимной диффузии ; для кольцевого пространства важным является эксцентриситет е; должен влиять и зенитный угол скважины .

(8.3)

Приводя соотношение (8.3) к безразмерому виду, с помощью -теоремы получим:

(8.4)

где - обобщенный параметр Рейнольдса ВПЖ, величина которого определяет режим течения,

- параметр Пекле.

Для жидкостей, описываемых степенным уравнение Оствальда де Вааля

(8.5)

где - постоянная вязкости; - показатель нелинейности; соотношение (8.4) будет иметь вид:

(8.6)

Таким образом получаем, что процесс вытеснения одной жидкости другой определяется (зависит) режимом течения, соотношением вязкостей и плотностей, параметром Пекле, эксцентриситетом кольцевого пространства, углом наклона скважины к вертикали.

Известны два механизма образования смесей при вытеснении одной жидкости другой. Это – конвективное и диффизионнное перемешивание.

Конвективное перемешивание обусловлено вклиниванием вытесняющей жидкости в вытесняемую из-за неравномерного рапределения скорости по сечению канала.

Диффузионное перемешивание при ламинарном режиме течения жидкостей обусловлено броуновским движением. Интенсивность его очень мала.

Диффузионное перемешивание при турбулентном режиме течения осуществляется турбулентными вихрями. Интенсивность его зависит от степени турбулентности потока, но в любом случае .

8.2 Влияние режима течения и вида жидкостей на процессы вытеснения и смешения

Исследования в этой области применительно к труопроводному транспорту проводились в школе профессора Яблонского.

Применительно к цементированию скважин – акад. А.Х. Мирзаджанзацде и институте ВНИИ КР нефть.

Допустим, что в цилиндрическом трубопроводе одна за другой движутся две жидкости с одинаковыми реологическими свойствами и плотностями (отличаются, к примеру, только цветом). Пусть в начальный момент (t=0) их граница – плоскость, а режим по движению уже установился.

Если жидкости ньютоновские и движутся в ламинарном режиме, то скорость по сечению трубы распределяется по параболическому закону

а – эпюра скоростей,

- граница раздела в разные моменты времен;

Коэффициент диффузии .

Рисунок 8.1 - Изменение границы раздела ньютоновсих жидкостей при ламинарном их течении в трубе и концентричном кольцевом пространстве

Граница раздела двух жидкостей будет изменяться в соответствии с профилем скоростей . Через время вытесняющая жидкость достигнет конца трубы. Поскольку средняя скорость течения в трубе при параболической эпюре скоростей равна 0,5 от , то за время t будет закачено вытесняющей жидкости, что составляет 50% объема трубы. Таким образом коэффициент вытеснения при ламинарном течении в трубе ньютоновских жидкостей с одинаковыми свойствами составит .

В концентичном кольцевом пространстве при параболической эпюре скоростей коэффициент вытеснения составит

Концентрация вытесняющей жидкости в трубе будет распределяться по линейному закону (рисунок 8.2 а), а в концентичном кольцевом пространстве – по параболическому закону.

Рисунок 8.2 - Изменение концентрации вытесняющей ньютоновской жидкости по длине трубы (а) и концентричного кольцевого пространства (б) к моменту времени

ККП (плоская щель) ; ;

Из рисунка 8.2 видно, что кондиционная вытесняющая жидкость займет 20% трубы, а остальная часть трубы будет заполнена смесью и вытесняемой жидкостью. Коэффициент смешения составит .

Таким образом, при вытеснении одной жидкостью другой в ламинарном режиме в трубе к моменту появления вытесняющей жидкости с другого конца трубопровода имеем , (для концентричного кольцевого пространства для тех же условий получаем , )

Если в трубе в ламинарном режиме движутся две вязкопластичные жидкости, то в центре трубы будет наблюдаться ядро течения размерами , в котором скорость течения постоянна. Граница раздела двух жидкостей будет изменяться в соответствии с профилем скорости (рисунок 8.3).

Рисунок 8.3 - Изменение границы раздела ВПЖ движущихся в ламинарном (структурном) режиме.

Рисунок 8.4 – Схема вытеснения жидкостей при турбулентном режиме

Очевидно, что коэффициент вытеснения для ВПЖ будет больше, чем для ньютоновской, а коэффициент смешения - меньше.

Таким образом получаем, что при ламинарном течении жидкостей в трубе и в концентричном кольцевом пространстве , а

Если жидкости движутся в развитом турбулентном режиме, диффузией (турбулентной) пренебречь нельзя.

Если бы диффузии не было, граница раздела жидкостей изменялась в соответствии с профилем скорости (закон Кармана) и в момент времени имела бы форму линии 1 (рис.4), но из-за сильной диффузии граница раздела будет размыта. Между двумя жидкостями будет зона смеси. Жидкости престанут контактировать друг с другом.

По мере нагнетания зона смеси будет постепенно расширяться, но внедрение (вклинивание) одной жидкости в другую будут отсутствовать. Таким образом, турбулентная диффузия подавляет конвективное перемешивание. Чем выше турбулентность, тем меньше объем образующейся смеси, тем выше коэффициент вытеснения.

Объем образующейся смеси при турбулентном режиме течения жидкостей можно найти из выражения

(8.7)

где - квантиль нормального распределения, соответствующий критическим концентрациям (таблица 8.1);

- объем закаченной вытесняющей жидкости.

Таблица 1

	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1
	0	0,26	0,52	0,84	1,28

Значение параметра по данным В.А. Шишова зависит от среднего значения параметра

обоих контактирующих жидкостей (рисунок 8.5)

Рисунок 8.5 - Зависимость числа Пекле от среднего значения числа Рейнольдса

При и имеем , ,

, что значительно меньше, чем при ламинарном режиме.

Тем самым для трубы и концентричного кольцевого пространства имеем

Влияние режимов течения на вытеснение жидкостей при их движении в трубах и концентричном кольцевом пространстве показано на рисунок 8.6

1 - Ньютоновская жидкость

2 - ВПЖ Бингама

3 - ВПЖ Оствальда де Вааля

Рисунок 8.6 - Влияние режима течения на вытеснение жидкостей с одинаковыми реологическими параметрами и плотностями в трубе (а) и концентричном кольцевом пространстве (б)

Турбулентный режим течения не гарантирует качественного выполнения всех процессов.

Например, необходимо на глубине 3000 м установить цементный мост высотой 100м, = 220мм, = 127*9. Объем моста = 3,8 .

Объем продавочной жидкости

= 28 .

В процессе закачки и продавки цементный раствор будет смешиваться с буферной и продавочной жидкостями (рисунок 8.7).

1 – продавочная жидкость;

2,4 – смеси тампонажного раствора с продавочной (2) и буферной (4) жидкостями;

3 – кондиционный тампонажный раствор;

5 – буферная жидкость.

Рисунок 8.7 - Схема расположения жидкостей в бурильной колонне при установке цементных мостов

Можно допустить, что достаточно прочный цементный мост получается, если в процессе закачки и продавки в цементный раствор попадает не более 20% продавочной и буферной жидкостей, т.е. = 0,2; =0,595.

Пусть закачка тампонажного раствора и продавочной жидкости ведется при расходе Q = 10 л/с. Средняя скорость течения U = 1,07 м/с при = 20 Па, = 30 мПа*с имеем = 5200, = 500, …..

Т.е. объем каждой порции смеси составит по . В каждой из них 50% тампонажного раствора.

Таким образом закаченного тампонажного раствора будут смешаны с продавочной и буферной жидкостями и дадут камень пониженной прочности. Для получения качественного цементного моста высотой 100м необходимо закачать 3,8+3=6,8 тампонажного раствора.

Если закачку и продавку вести при расходе 20 л/с (два ЦА-320), то получим U=2,14 м/с, = 12000, = 3000, , . В данном случае нерационально будет израсходовано 1,2 тампонажного раствора.

Добиться уменьшения затрат на тампонажное растворы, т.е. недопустить образования смесей при установке цементных мостов можно применением двух разделительных пробок.

8.3 Влияние эксцентриситета

Колонны труб в скважине располагаются, как правило эксцентрично. Эксцентриситет – это расстояние между центрами скважины и трубы. Однако, удобнее пользоваться относительным эксцентиситетом , который может изменяться от нуля, когда трубы располагаются в скважине концентрично, и до 1, когда труба лежит на стенке скважины.

В зарубежных фирмах в качестве эксцентриситета используют параметр , где

- минимальный зазор между стенками скважины и трубы.

Ширина зазора изменяется в соответствии с зависимостью

, где

Рисунок 8.8 – Схема эксцентричного кольцевого пространства (а) и распределения скоростей течения жидкостей в ней по окружности (б)

Очевидно, что в эксцентричном кольцевом пространстве жидкости будут двигаться быстрее в широкой части кольцевого пространства, и медленнее – в узкой части.

При прочих равных условиях при ламинарном течении ньютоновских жидкостей ; при ламинарном течении ВПЖ , где x = ((m+1)/m)>2; а при развитом турбулентном режиме .

Отсюда видно, что наибольшая разность скоростей в широкой и узкой части эксцентричного кольцевого пространства наблюдается при ламинарном течении ВПЖ, а наименьшая при турбулентном течении.

Поскольку величина эксцентриситета по длине скважины непостоянна, это приведет к тому, что в зоне расположения вытесняющей жидкости тампонажного раствора останутся, порции вытесняемой буферной и/или промывочной жидкости (рисунок 8.9).

Рисунок 8.9 – Схема заполнения эксцентричного кольцевого пространства тампонажным раствором

Таким образом, для эксцентричного кольцевого пространства (при е>0,5) получаем, что наихудшее вытеснение и, соответственно, наибольшее смешение будет иметь место при ламинарном течении ВПЖ, а наилучшее вытеснение – при турбулентном течении.

8.4 Влияние соотношения плотностей последовательно движущихся жидкостей на процессы вытеснения и смешения

При цементировании обсадных колонн и при установке цементных мостов впереди идущая продавочная жидкость имеет плотность (1000 1050 ), значительно меньшую, чем у тампонажного раствора (1500 1800 )

а) Движение жидкостей в кольцевом пространстве при прямом цементировании (движение снизу вверх). Различием вязкостей для простоты изложения пренебрежем. Пусть в какой-то момент времени в сечении вытесняющая жидкость поднялась на высоту , в сечении – на высоту (рисунок 8.10).

Рисунок 8.10 - Схема движения жидкостей в кольцевом пространстве при прямом (а) и обратном (б) цементировании

Давление на забое

– в сечении

(8.9)

- в сечении

Где - длина ствола скважины; - вертикальная глубина скважины.

Из (8.9) получаем:

(8.10)

Отсюда видно, что при , если , то , т.е. граница раздела стремится к выравниванию.

б) Движение жидкостей в кольцевом пространстве сверху вниз (обратное цементирование)

Аналогично, имеем

(8.11)

Из (8.11) получим (8.12)

Из (8.12) следует, что елси , то , т.е. чем больше разность ( ), тем больше будет скорость жидкости в сечении , граница раздела жидкостей будет вытягиваться.

Из сделанных примеров следует, что устойчивое вытеснение (граница раздела стремится к выравниванию), достигается, когда более тяжелая жидкость находится снизу, а более легкая – сверху. При обратном цементировании невозможно при ламинарном режиме, да и при турбулентном тоже, добиться равномерного вытеснения промывочной и буферных жидкостей из кольцевого пространства.

в) Движение жидкостей в обсадной колонне.

В обсадной колонне более тяжелый тампонажный раствор, двигаясь сверху – вниз, вытесняет более легкие буферную и промывочную жидкости.

При турбулентном течении всех жидкостей между жидкостями образуются зоны смесей, не допускающие вклинивания одной жидкости в другую. Объем смесей при развитом турбулентном режиме будет относительно небольшим.

При ламинарном течении жидкостей более тяжелый тампонажный раствор будет вклиниваться в идущие впереди него более легкие жидкости (рисунок 8.13).

Рисунок 8.11 – Схема движения жидкостей в обсадной колонне при ламинарном режиме течения тяжелой вытесняющей жидкости

Когда «язык» тампонажного раствора достигнет башмака колонны в кольцевое пространство одновременно будут поступать и промывочная и буферная жидкости и тампонажный раствор, т.е. смесь этих жидкостей.

Объемы образующихся при этом смесей могут достигать 75%, а коэффициент вытеснения – не более 20-40 %.

Исключить или уменьшить смесе образование при закачке тампонажных растворов в обсадную колонну можно следующими способами:

Закачка растворов в турбулентном режиме. Необходимо для этого, расходы указаны в таблица 8.3.

Из приведенных данных видно, что развитый турбулентный режим нагнетания тампонажного раствора можно обеспечить лишь в колоннах диаметров 146 и 168 мм.

Расход, обеспечивающий начало турбулизации ( ) и развитый турбулентный режим (1,5 ) течения тампонажного раствора в обсадных (бурильных).

Таблица 8.3

Диаметр обсадной (бурильной) колонны, мм	114х9	127х9	146х8	168х9	219х10	245х10
, л/с	14,5	18,6	26	35	63	79
1,5 , л/с	22	28	39	53	94	120

В колоннах большего диаметра турбулентный режим нагнетания достичь практически невозможно.

Использование нижней разделительной пробки, устанавливаемой между тампонажным раствором и буферной жидкостью (рисунок 8.12).

1 – резиновые манжеты;

2 – корпус пробки;

3 – диафрагма.

Рисунок 8.12 - Схема нижней разделительной пробки

Она не допускает смешения тампонажного раствора с буферной жидкостью при движении в обсадной колонне. При достижении «Кольца - стоп» за счет некоторого роста давления диафрагма рвется и тампонажный раствор поступает в кольцевое пространство.

Закачка тампонажного раствора по бурильной колонне, спущенной внутри обсадной колонны (рисунок 8.13).

1 – обсадная колонна; 2 – предавочная пробка; 3 – бурильная колонна; 4 – смесь тампонажного раствора с буферной жидкостью; 5 – «стыковочный узел»; 6 – «кольцо – стоп»;7 – башмак колонны.

Рисунок 8.13 - Схема закачки тампонажного раствора по бурильной колонны при цементировании обсадных колонн большого диаметра

В колонне бурильных труб диаметром 114 или 127 мм не составляет труда создать турбулентный режим нагнетания, что обеспечит относительно небольшой объем смесеобразования и высокую полноту вытеснения.