9 Особенности транспорта шлама по горизонтальному стволу скважины

Впервые идею о целесообразности проведении горизонтальных скважин (ГС) в 1941 году высказал советский ученый Н. С. Тимофеев. В 1944 году Гостоптехиздат выпустил монографию, посвященную данному вопросу.

Первая ГС были пробурены в 1952-1953 на Карташевском месторождении в Башкирии под руководством инженера А.Я. Григоряна. В течение 50-70 гг в СССР было пробурено свыше 30 развлетвенно горизонтальных скважин.

За рубежом внимание к горизонтальному бурению было привлечено когда в 1951 году были успешно пробурены и оказались рентабельными две

ГС на месторождении Роста-Мира.

К настоящему времени во всем мире пробурено несколько тысяч скважин с горизонтальным окончанием.

Наряду с другими проблемами при строительстве ГС пришлось решать вопрос транспорта шлама по горизонтальному участку ствола скважины.

Вообще говоря, транспорт кусковых материалов потоком жидкости или газа (гидро-аэротранспорт) достаточно широко применяется в промышленности и хорошо изучен Выявлены два механизма транспортирования во взвешанном состоянии, когда твердые частицы подхватываются турбулентными вихрями, отрываются от дна канала и переносятся потоками жидкости; и транспортирование во влекомом состоянии, когда твердая частица передвигается скользя или перекатываясь по дну канала или образовавшемуся на нем осадку. Определены так называемые незаземляющие скорости, при которых не происходит осождение транспортируемой твердой фазы.

Однако, несмотря на одинаковую физическую природу гидротранспорта твердых частиц в пульпопроводах и по горизонтальному стволу скважины между ними имеются существенные различия.

В пульпопроводах поток жидкости с твердой фазой двигается в цилиндрической трубе, а в ГС в кольцевом пространстве, как правило, эксцентричном, в котором скорость течения по окружности различны. В пульпопроводах несущей средой является вода. А промывка ГС осуществляется глинистыми и глинополимерными растворами.

Режим течения пульпы в трубопроводе как правило турбулентный. А режим течения промывочной жидкости в кольцевом пространстве чаще всего ламинарный.

Это не позволяет использовать полученные в трубопроводном гидротранспорте зависимости для расчета промывки ГС.

Для изучения вопроса транспорта выбуренной породы по стволу ГС рядом фирм был созданы лабораторные стенды, моделирующие данный процесс. Было установлено, что на твердые частицы осождаясь на нижней стенке образуют дюны. Наиболее опасными являются участки с зенитными углами 40 ÷ 60 ⁰. При прекращении циркуляции или вследствие осаждения по Байкотту, частицы шлама очень быстро оказываются на нижней стенке скважины, а образовавшийся осадок, сползая вниз может закупорить кольцевое пространство. По результатам исследований было рекомендовано для промывки ГС использовать растворы с высокой вязкостью при низких скоростях сдвига. Однако, из опубликованных материалов не ясно, выполнялись ли при этих исследованиях критерии моделирования (Re, Ar и др.), каков был эксцентриситет кольцевого пространства.

В России исследлванием промывки ГС занимались В.И. Крылов, В.В. Крецул, В.И. Кашкаров и др. В. И. Крыловым и В.В. Крецулом предложена формула для расчета промывки ГС

(9.1)

где: D_с D_т – собственно диаметр скважины и бурильных труб;

ρ – плотность промывочной жидкости;

τ₀ и η – реологические параметры жидкости по модели Бенгама;

α – угол наклона оси скважины к горизонтали.

Из формулы следует, что увеличение динамического напряжения сдвига раствора способствует транспорту шлама (необходимый расход уменьшается). Что для промывки ГС расход промывочной жидкости должен быть в 2 раза больше, чем для вертикальных. В формуле не учитывается ни размер транспортируемых частиц шлама, ни эксцентриситет кольцевого пространства.

В.В. Кашкаров исследовал процесс разлива потоком жидкости песка фракции 0,1-1 мм в плоской щели, наклоненной под углом 20⁰ к горизонту. Им было установлено, что разлив осадка происходит более интенсивно при

> 150 c^-1. Следует, однако, отметить, что плоская щель не моделирует эксцентриситет кольцевого пространства. А с увеличением ДНС раствора возрастает вероятность образования в нижней узкой части эксцентричного кольцевого пространства застойной зоны, в которой будет скапливаться шлам.

На кафедре бурения УГНТУ была разработана методика расчета промывки ГС, исходящая из следующих допущений:

1) транспортирование частиц шлама происходит во влекомом состоянии;

2) для их перемещения увлекающая сила со стороны жидкости должна быть больше сил сопротивления движению;

3) в нижней узкой части эксцентричного пространства должно быть застойных зон.

Получены расчетным зависимости для определения необходимого расхода жидкости, учитывающие эксцентриситет кольцевого пространства, размеры транспортируемых частиц, наличие смазывающих добавок и реологические свойства жидкости, описываемые моделями Бингама и Освальда де-Вайля.

Из полученных зависимостей следовало, что чем больше эксцентриситет кольцевого пространства, тем больше при прочих равных условиях должен быть расход промывочной жидкости, транспортирование шлама в эксцентричном кольцевом пространстве улучшается с увеличением отношения для жидкости Бингама и отношение при промывке степенной жидкостью.

Для выяснения справедливости разработанной методики и разрешения противоречий о влиянии реологических параметров промывочной жидкости на транспортировании частиц шлама по стволу ГС на кафедре бурения УГНТУ были созданы экспериментальные установки с масштабом геометрического моделирования k_d=0,25 и k_d=0,5.

Анализ показал, что при k_d≠1 невозможно достичь равенства в модели и натуре параметров подобия Re и He для жидкости, описываемой моделью Бенгама. Моделирование облегчается, если жидкость описывается степенной моделью, которая, как известно, более адекватно описывает поведение полимерных растворов. В частности, при ламинарном режиме течения и одинаковым показателем нелинейности m натуры и модели профиль скорости u зависит от величины Re, т.е. режим автомодельный и требование Re=idem необязательно. В качестве модели частиц шлама использовался кварцевый песок фракции 0,17÷0,22 мм (для малой установки) и песок фракции ≈1мм и плотностью ρ=3500 кг/м³ (для большой установки). В качестве промывочной жидкости использовались вода, 1% раствор КМЦ (Т=25 с; τ₀=1,8 Па; η=11,2 мПа·с; m=0,72; k=2,38 Па·с^m), 1,5% раствор КМЦ (Т=35 с; τ₀=5,2 Па; η=16 мПа·с; m=0,57; k=2,75 Па·с^m).

Легкая установка позволяла проведению исследований при различных углах наклона модели, а большая - проводить исследования при вращении бурильных труб.

На обеих установках середина модели скважины состояла из стеклянных труб, что позволило визуально наблюдать процесс транспортирования модельных частиц. Длина установки выбиралась из условия создания начального и конечного участков длиной не менее 50 гидравлических диаметров, на которой профиль скорости устанавливается (исключается).

Методика проведения экспериментов заключалась в следующем, задавали заведомо большой расход жидкости при котором не образовывался осадок в нижней части кольцевого пространства. Постепенным снижением расхода фиксировался момент образования осадка и значение расхода при этом. Затем повышением расхода образовавшийся осадок размывался.

На рисунке 10.1 показана зависимость высоты осадка в кольцевом пространстве от расхода водного раствора или условной вязкостью 30-35 с на большой установке при эксцентриситете e=0,53.

Рисунок 9.1

Подтвердилось, что оседающий на нижней стенке шлам образует дюны (рисунок 9.1).

Из графика видно, что вращение труб позволяет снизить минимально необходимый для транспорта шлама расход на 30-40 % по сравнению с неподвижной колонной. Подтверждено ранее известное мнение, что легче не допускать образование осадка, чем его размыть.

Изменяя диаметр моделей замков изменяли величину эксцентричного от 0,4 до 0,7, что соответствует реальным значениям эксцентриситета кольцевого пространства при использовании замков различных типов (ЗУ, ЗШ, ЗМ).

На рисунке 9.2 показано влияние эксцентриситета кольцевого пространства и условной вязкости раствора на минимально необходимый расход, при котором еще не наблюдается осаждение.

Рисунок 9.2 - Влияние реологических параметров промывочной жидкости на расход промывочной жидкости на малой установке с песком

Было получено, что для транспортирования шлама высоковязким раствором требуется большой расход последнего, т.е. высоковязкий раствор обладает как бы меньшим транспортирующей способностью. Аналогичные зависимости получены при опытах с кварцевым песком на большой и малой установках.

Для выяснения причин, казалось бы аналогичного эффекта были рассчитаны скорости осевого течения жидкости по окружности эксцентричного кольцевого пространства.

Зависимость скорости течения жидкости от размера канала при прочих равных условиях можно выразить как

(9.2)

где с – коэффициент пропорциональности;

h – ширина канала;

x – коэффициент, зависящий от реологических свойств жидкости и режима её течения.

При турбулентном режиме течения в области шероховатых труб x=0,5; в области гладких труб x=0,67. При ламинарном течении ВПЖ, описываемой степенной моделью x=(1+m)/m.

Ширина кольцевого зазора в эксцентричном кольцевом пространстве (рисунок 9.3) находится из выражения

h(φ)=h₀(1 – e·cosφ) (9.3)

где h₀=0,5(D_c-D_т), e=(D_c-D_з)/(D_c-D_т).

Рисунок 9.3 - Изменение величины кольцевого пространства по окружности кольцевого пространства

Элементарный расход dQ=eU(φ)·h(φ)R·dφ,

где средний радиус R=0,25·(D_с+D_т).

Общий расход

(9.4)

Интеграл не берется, даже при допущении, что значение x не зависит от φ, т.е. на всех участках кольцевого пространства режим течения один и тот же.

Путем разложения в ряд Маклорена и ограничиваясь тремя членами (ошибка при этом не превышает 5%), получили распределение относительной скорости течения по окружности эксцентричного кольцевого пространства

(9.5)

Рассчитанное по полученной зависимости распределение скоростей по окружности кольцевого пространства показано на рисунке 9.4.

Рисунок 9.4 - Распределение скоростей по окружности КП при

Из рисунка видно, что наибольшая разность скоростей течения в широкой и узкой частях кольцевого пространства наблюдается при течении ВПЖ в ламинарном режиме. При этом, чем меньше m, тем эта разница больше. Меньшему значению показателя нелинейности m соответствует высокое значение ДНС τ₀.

Отсюда следует, что с увеличением τ₀ (уменьшением показателя нелинейности m) резко уменьшается скорость течения жидкости в узкой части эксцентричного кольцевого пространства. Для обеспечения процесса транспорта шлама при этом необходимо увеличивать расход промывочной жидкости.

При зенитных углах 40-60⁰ наблюдается круговая циркуляция транспортируемых частиц – они поднимаются в широкой части кольцевого пространства и спускаются в узкой.

10 Гидравлические расчеты при газонефтеводопроявлениях (ГНВП)

Проявлением называется непредусмотренное проектом поступление пластового флюида в ствол скважины.

При несвоевременном обнаружении проявление может перейти в выброс или открытый фонтан.