1.7. Гидродинамическое давление

Гидродинамическое давление – это давление, которое надо приложить к некоторому объему жидкости для его перемещения по циркуляционной системе. В бурении это давление создается буровыми насосами и прилагается к БР для прокачки его по системе наземной обвязки: бурильные трубы, УБТ, долото, затрубное кольцевое пространство. Величина гидродинамического давления максимальна в начальном сечении системы, в нашем случае это выход бурового насоса. В конечном сечении системы (выход в желоб) 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 которого на конкретных участках гидравлической системы состоит в постепенном поглощении исходной гидравлической энергии буровых насосов на каждом из этих участков.

Величина перепадов гидродинамического давления прямо пропорциональна: плотности БР, квадрату расхода БР, глубине скважины; и обратно пропорциональна пятой степени размера сечения канала. Закон гидродинамики гласит: любое изменение давления в данном сечении циркуляционной системы (закупорка насадки долота, изменение размера отверстия дросселя и т. д.) влечет 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.

При простоте физического смысла гидродинамического давления математический аппарат законов гидроаэромеханики весьма сложен. Если на буровой установлена станция ГТИ, укомплектованная компьютерами с соответствующим программным обеспечением, расчеты режимов глушения можно вести с использованием любых формул и с учетом всех параметров. Для практической работы достаточно понять и запомнить несколько положений.

Перепады давления при циркуляции в скважине. Принимаем давление на стояке за 100 %. Тогда ориентировочные процентные составляющие перепадов давления, полученные как расчетным, так и опытным путем, на основных участках скважины составят:

• трубное пространство (наземная обвязка, бурильные трубы, утяжеленные бурильные трубы, долото) – 90 %; причем основные потери давления (50–70 %) приходятся на долото;

• затрубное (кольцевое) пространство – 10 %.

Давление на стояке БР, Р_ст , выражается как

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 бурильная колонна – скважина.

Объединив выражения в скобках, получим

Р_ст = Р_ТР.П. + Р_КП = 0,9Р_ст + 0,1Р_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 повышаться гидравлические перепады в затрубье с увеличением глубины моря.

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

Р_заб.1 = Р_гдст + Р_К.П. = Р_гдст + 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_гдст + Р_Т.П. = Р_гдст + 0,9 ∙ Р_ст.

При давлении на стояке, равном, например, 150 бар, изменение направления циркуляции БР на обратное, при сохранении режима промывки, вызовет повышение забойного давления на 120 бар, и тогда гидроразрыв какого-нибудь пласта неизбежен.

Отсюда следуют простые практические выводы для успешного проведения операции глушения:

• изменять расход БР и степень открытия дросселя следует как можно более плавно, так как эти изменения вызывают степенные изменения давления, и ни в коем случае нельзя это делать одновременно;

• изменение направления циркуляции в скважине с прямой промывки на обратную вызывает увеличение гидродинамической составляющей давления на забое приблизительно в 9 раз и чревато поглощением;

• довольно безопасно обратную промывку осуществлять при снятых долотных насадках или без долота (через открытый конец бурильного инструмента), или при пониженной производительности насосов;

• если необходимо изменить на какую-то величину давление на устье в бурильных трубах, то достаточно изменить на ту же величину давление перед штуцером, приоткрыв или прикрыв отверстие дросселя и контролируя изменение давления по манометру штуцерного манифольда.

Следует помнить, что гидравлический импульс давления распространяется не мгновенно, а с некоторой скоростью. Эта скорость равна:

– 1350 м/с – для обсаженного ствола, заполненного водой;

– 1100 м/с – для обсаженного ствола, заполненного БР;

– 800 м/с – для необсаженного ствола, заполненного БР.

Пример. Закрыта скважина глубиной Н = 3700 м; башмак обсадной колонны на глубине Нб = 2900 м; бурильный инструмент на забое.

Рассчитать время прохождения импульса давления от штуцерного манифольда до манометра стояка БР.

Т = 2900/1100 + (3700 – 2900)/800 + 3700/1100 = 7 с.

Практически достаточно удвоить глубину скважины в километрах, чтобы получить время прохождения импульса давления в секундах.

При прокачивании БР по скважине в результате потерь напора в кольцевом пространстве на забое возникает некоторое избыточное давление:

• в бурильных трубах и УБТ, Па:

,

где L – длина колонны труб, м;

Dv – внутренний диаметр труб, м;

• в кольцевом пространстве, Па –

где D – диаметр скважины, м;

d – наружный диаметр бурильных или обсадных труб, м;

G – разница в собственном весе бурильной колонны без промывки и с промывкой;

– потери давления циркуляции по кольцевому пространству.

Ориентировочно для неглубоких скважин:

где – полные гидравлические потери при роторном способе бурения.

Для определения потерь давления в кольцевом пространстве в практических расчетах используется формула Дарси-Вейсбаха:

где λ – коэффициент гидравлических сопротивлений;

H – глубина скважины;

– скорость течения жидкости;

– плотность бурового раствора;

D, d – соответственно диаметр скважины, диаметр бурильных труб.

Гидравлические потери в кольцевом пространстве можно определить по изменению веса свободно подвешенной колонны при отсутствии промывки и после восстановления циркуляции по формуле

где – разница в весе колонны до и после восстановления циркуляции, кг;

D, d – соответственно диаметр скважины и наружный диаметр труб, м.