2. Список условных обозначений

i-индекс интервала бурения (промывки);

D, d - диаметр (долота, труб, замков и т. п.);

L - длина ствола скважины, труб;

H- глубина по вертикали от устья до рассматриваемой отметки;

δ_т - толщина стенки труб;

l – длина одной трубы;

z - число буровых насосов;

Q – расход (подача);

α – коэффициент подачи насоса;

q – удельный расход жидкости;

v_м- механическая скорость бурения;

φ – относительная концентрация жидкой фазы в шламожидкостном потоке кольцевого пространства;

ρ - плотность жидкости;

ρ_п- плотность горной породы;

P_пл- пластовое (поровое) давление на глубине Н;

Р_гр - давление гидроразрыва горных пород;

P_н - давление нагнетания насоса;

ΔP – перепад давления;

b – коэффициент загрузки насоса;

m – число насадок долота;

d_н – диаметр насадки долота;

F – площадь сечения (труб, забоя);

µ_н – коэффициент расхода насадка долота;

F_кп – площадь сечения кольцевого пространства между бурильной колонной и стенками скважины;

f – площадь сечения проходного канала (в бурильных трубах, УБТ, насадка);

v – средняя скорость движения внутри канала циркуляции;

v_кп – средняя скорость движения в кольцевом пространстве;

v_ч - скорость витания частиц шлама в жидкости;

µ - динамическая вязкость жидкости;

η – пластическая вязкость жидкости;

τ_о – динамическое напряжение сдвига;

к – коэффициент консистенции (для степенной жидкости);

n – показатель степени;

λ – коэффициент гидравлических потерь внутри канала циркуляции;

λ_кп – коэффициент гидравлических потерь в кольцевом пространстве;

∆_э – эквивалентная шероховатость;

α – коэффициент сопротивления стояка;

ξ_в – коэффициент местных потерь внутри замка бурильных труб;

ξ_н – коэффициент местных потерь замков в кольцевом пространстве;

β – безразмерное напряжение сдвига;

Re – число Рейнольдса;

He – число Хедстрема;

S – число Сен-Венана;

Ar – число Архимеда;

3. Гидравлический расчёт промывки скважины.

3.1. Обоснование основных исходных параметров.

3.1.1. Обоснование плотности промывочной жидкости.

Функции, выполняемые промывочной жидкостью, весьма обширны и подробно описаны в специальной литературе [1-13], список которой, приведённый в конце данной работы, можно рассматривать как минимально необходимый.

При проектировании программы гидравлического расчёта промывки скважины необходимо из широкого разнообразия промывочных жидкостей выбрать ту, которая обеспечит не только высокие технико-экономические показатели бурения, но и исключит осложнения и аварии в скважине. Последнее условие предопределяется, главным образом, плотностью промывочной жидкости.

Оптимальная работа долота на забое достигается при минимальной плотности промывочной жидкости. Однако, плотность промывочной жидкости выбирают из условия недопущения нефтегазопроявлений, осыпей и обвалов, проходимых горных пород. Для обоснования потребной величины плотности промывочной жидкости определяющим внешним фактором является пластовое (поровое) давление.

Согласно Правил безопасности в нефтяной и газовой промышленности [11] плотность бурового раствора в интервалах совместимых условий бурения должна определяться из расчёта создания столбом бурового раствора гидростатического давления в скважине, превышающего пластовое (поровое) давление на величину 10% для скважин глубиной до 1200 м (интервалов от 0 до 1200 м), но не более чем 1,5 МПа и 5% - для скважин глубиной от 1200 м до проектной глубины, но не более чем 2,5 МПа.

Данное требование можно представить в виде следующей расчётной зависимости для определения плотности бурового раствора в соответствующем расчётном интервале:

≥ ρ_i= , (1)

где ∆P_р – предельное значение репрессии на пласт в i-ом интервале глубин;

к_б- коэффициент превышения давления, создаваемого буровым раствором, над пластовым в том же расчётном интервале глубин; H_к- глубина залегания кровли пласта, давление в котором имеет величину Р_пл.

Вместе с тем, плотность бурового раствора, вычисленная по выражению (1), должна создавать такую репрессию на пласт (с учётом гидродинамической составляющей давления в кольцевом пространстве) при которой исключается гидроразрыв любого из пластов расчётного интервала совместимых условий бурения. Это требование описывается следующим выражением:

ρ_i< , (2)

где - суммарные потери давления в кольцевом пространстве от подошвы пласта (с наиболее низким давлением гидроразрыва) до устья скважины;

H_п– глубина залегания подошвы рассматриваемого пласта;

- относительное содержание жидкости в шламожидкостном потоке.

Проверка условия (2) возможна только после установления подачи насоса.

В случае если условие (2) не выполняется, необходимо или уменьшить подачу насоса или изменить типоразмер бурильных труб.

В интервалах, представленных горными породами, склонными к потере устойчивости и текучести, плотность и другие параметры бурового раствора устанавливаются исходя из условий обеспеченья устойчивости стенок скважины, однако репрессия, на любой из пластов интервала совместимых условий бурения, не должна превышать ранее указанных значений.

Допускается депрессия на стенки скважины в пределах 10-15% от эффективных скелетных напряжений (разность между горным и поровым давлением), если это не вызывает угрозу течения, осыпей, обвалов и не приводит к газонефтеводопроявлениям [11]. Плотность бурового раствора в этом случае следует определять по формуле:

ρ_i=[( )Р_пл/gH]─ ∙ρ_п , (3)

где k₁ – коэффициент, учитывающий депрессию на стенки скважины, выраженный в % от эффективных скелетных напряжений (принимается равным 10-15 %); Р_пл – пластовое давление; ρ_п – плотность горной породы.

Необходимо иметь в виду, что по совместному решению проектировщика, заказчика и подрядчика допускаются отклонения от требований Правил [11] в случае поглощения бурового раствора в процессе бурения, вскрытии коллекторов при забойном давлении, приближающемся к пластовому.

Отклонение плотности бурового раствора, находящегося в циркуляции, от проектной величины не должно превышать 0,02 (кроме случаев ликвидации газонефтеводопроявлений).

3.1.2. Обоснование расхода промывочной жидкости.

Теоретическими, лабораторными и промысловыми исследованиями установлено, что расход промывочной жидкости оказывает существенное влияние на механическую скорость бурения, проходку на долото, чистоту и состояние ствола скважины.

Главнейшая функция промывочной жидкости при роторном способе бурения и бурении электробуром – очистка забоя скважины от шлама и его вынос на поверхность. При бурении гидравлическим забойным двигателем (ГЗД) промывочная жидкость, кроме того, обеспечивает его работу в технологически необходимом режиме.

Расчёт оптимальной величины расхода промывочной жидкости, обеспечивающей качественную очистку забоя скважины от шлама.

Расход промывочной жидкости, обладающей определенными физико-химическими свойствами, должен быть таким, чтобы частицы разрушенной породы, образованные каким-либо элементом породоразрушающего инструмента (долота) удалялись до начала воздействия следующего элемента. При этом каждый элемент породоразрушающего инструмента постоянно будет контактировать только с породой и постоянно подвергать её разрушению. В этом случае подводимая к долоту механическая энергия будет затрачиваться только на разрушение породы; в противном случае часть этой энергии будет расходоваться бесполезно на разрушение уже образовавшихся, но не удаленных с забоя обломков породы. Однако в реальных условиях обеспечить совершенную очистку забоя от шлама не возможно из-за влияния множества факторов:

- давления на забое (бурового раствора, порового давления и бокового давления массива окружающих горных пород);

- размера и вооружения породоразрушающего инструмента;

- физико-механических свойств, разбуриваемых пород;

- типа и свойств промывочной жидкости, поступающей на забой;

- конструкции породоразрушающего инструмента и его промывочных отверстий;

режима и способа бурения;

- скорости и направления струй жидкости, истекающей из промывочных отверстий породоразрушающего инструмента.

Всесторонний анализ влияния перечисленных факторов на очистку забоя скважины от шлама выполнен Н. Маковеем [8].

В виду сложного и неоднозначного влияния указанных факторов на степень очистки забоя скважины от шлама в практике, в качестве критерия совершенства очистки, принимают величину механической скорости и проходку на долото.

Исследованиями В.С. Фёдорова [6] установлено, что с увеличением расхода Q промывочной жидкости механическая скорость бурения v_м растёт и эта зависимость описывается выражением:

v_м = , (4)

где a и b – коэффициенты, значения которых зависят от характеристик пород, типа и размеров долота, нагрузки на долото и частоты его вращения, характеристик промывочной жидкости и т. п.

При бурении скважин ГЗД зависимость механической скорости бурения от расхода промывочной жидкости становится более сложной, поскольку с изменением расхода изменяются параметры ГЗД и, в частности, частота вращения долота. Поэтому с ростом расхода промывочной жидкости механическая скорость бурения увеличивается. Однако при дальнейшем увеличении расхода темп роста механической скорости уменьшается, наблюдается её стабилизация и, даже, уменьшение. Объясняется это тем, что при увеличении расхода возрастают гидравлические потери давления в кольцевом пространстве и, как следствие, возрастает давление промывочной жидкости на забое скважины. В итоге увеличивается дифференциальное давление на поверхности забоя, препятствующее отрыву частиц от его поверхности и ухудшающее условия разрушения горной породы.

Что касается влияния величины расхода на величину проходки на долото, то следует отметить, что при роторном способе бурения и при бурении электробуром, увеличение расхода (в диапазоне роста механической скрости) всегда приводит к повышению проходки на долото.

При бурении ГЗД влияние расхода на величину проходки на долото более сложное, так как в этом случае расход влияет не только на очистку забоя, но и на параметры забойного двигателя. При увеличении расхода пропорционально увеличивается частота вращения долота из-за чего износ элементов вооружения и опор шарошек протекает более интенсивно. В результате долговечность долота, а следовательно, и проходка на долото уменьшаются и эффект увеличения механической скорости, обусловленный улучшением очистки забоя, сводится на нет.

Запишем выражение гидравлической мощности, срабатываемой в долоте

Ν_д=Q_зΔP_д, (5)

где Q_з – расход промывочной жидкости, подаваемой на забой.

Подставляя перепад давления в долоте ΔΡ_д в выражение (5) в виде ΔΡ_д=ρu /(2μ ) и деля обе части равенства на площадь забоя F_з, получим

= , (6)

где μ_н – коэффициент расхода промывочных каналов долота; u_н – скорость истечения жидкости из промывочных отверстий долота.

Экспериментальные исследования ряда авторов показали, что качественная очистка забоя наступает при определённых значениях удельного расхода жидкости q=Q_зF_з и скорости истечения жидкости u_н из промывочных каналов долота. Оптимальное значение удельного расхода q, для различных условий и способов бурения, изменяется в пределах (0,35…0,80) м³/м²с. Скорость истечения u_н из промывочных каналов долота, оснащённых гидромониторными насадками, должна быть не менее 80 м/с. Максимальная величина скорости u_н ограничивается прочностью долота, уплотнением насадка и вала в шпинделе (при бурении ГЗД).

Таким образом, расчётную величину расхода промывочной жидкости, обеспечивающей качественную очистку забоя скважины от шлама, представляется возможным вычислять по формуле

Q_з=qF_з (7)

Численное значение расчётной величины удельного расхода q принимают в указанных выше пределах, учитывая свойства промывочной жидкости, способ бурения, тип и физико-механические характеристики, разбуриваемых пород.

Величину скорости истечения жидкости u_н из насадков долота вычисляют исходя из располагаемого резерва давления на выкиде насоса с учётом допустимого перепада давления на элементах уплотнения насадков - при роторном бурении, и уплотнения вала шпинделя – при бурении ГЗД. Обычно этот перепад при использовании долот отечественного производства не превышает 12…13 МПа.

Подробный алгоритм расчёта скорости истечения жидкости из насадков долота и размера насадков приведен в [10].

Расчёт расхода промывочной жидкости, обспечивающей вынос шлама на поверхность.

На процесс выноса шлама с забоя на поверхность влияют ряд факторов:

• режим течения промывочной жидкости в кольцевом пространстве;

• концентрация шлама в жидкости;

• размер и форма частиц выбуренной породы;

• положение бурильной колонны относительно оси скважины;

• геометрическая форма ствола скважины;

• устойчивость горных пород к воздействию жидкости;

• склонность горных пород к потере устойчивости и т.п.

Минимальная величина скорости u_{ki min} восходящего потока в i-м интервале кольцевого пространства ствола скважины, при которой начинается транспортировка частиц шлама на поверхность, должна быть не ниже скорости u_v свободного падения этих частиц в неподвижной жидкости.

Теоретическая скорость подъёма шлама в вертикальном стволе скважины приближённо соответствует разности между средней скоростью v_кп движения восходящего потока жидкости и скоростью v_ч свободного падения частиц шлама в неподвижной (той же жидкости) в неограниченном пространстве. Однако экспериментально доказано, что фактическая средняя скорость подъёма частиц шлама меньше теоретической на 10-15 % -при ламинарном режиме, и на 20-25 %- при турбулентном режиме течения промывочной жидкости. Отмеченное несоответствие обусловлено особенностями профиля скоростей в кольцевом пространстве, эксцентрисситетом и вращением колонны бурильных труб, разноразмерностью и конфигурацией частиц бурового шлама, взаймодействием частиц друг с другом и с ограждающими поверхностями, изменчивостью поперечных размеров и профиля ствола скважины и т.д. Необходимо отметить, что в наклонной части ствола скважины фактическая средняя скорость подъёма частиц шлама будет еще меньше, поскольку средний вектор скорости движения жидкости и вектор скорости свободногшо падения частиц шлама направлены под углом, равным зенитному.

Исходя из этого, минимальная скорость v_{кп min} восходящего потока промывочной жидкости, в любом интервале кольцевого пространства должна превышать скорость v_ч свободного падения подавляющего большинства частиц шлама в 1,2-1,3 раза, т.е. v_{кп min} = (1,2-1,3)· v_ч.

Величину минимальной скорости v_{кп min} восходящего потока промывочной жидкости принимают на основании опытных данных, либо вычисляют через скорость v_ч свободного падения (витания) частиц шлама, метод расчёта которой подробно рассмотрен в учебнике по гидроаэромеханике в бурении [7]. Кроме того, расчёт скорости восходящего потока промывочной жидкости в i-м интервале кольцевого пространства может быть произведён по формуле Фуллертона:

v_кп = , (8)

где D_д – диаметр долота, мм; ρ – плотность промывочной жидкости, кг/м³; v_кп – средняя скорость восходящего потока в кольцевом пространстве, м/с.

Тогда расход промывочной жидкости, обеспечивающей вынос шлама из i-го интервала кольцевого пространства, находят по формуле

Q_кп = v_кп ·F_кп (9)

Вычисляя расход промывочной жидкости необходимо учитывать и её реологические свойства. При использовании маловязких ньютоновских жидкостей предпочтительным является расход, при котором имеет место турбулентный режим течения, а при использовании вязко-пластичных жидкостей (ВПЖ) – ламинарный. Обусловлено это тем, что в центральной части сечения кольцевого пространства (как в первом так и во втором случае) эпюра распределения скрости является более благоприятной для выноса шлама.

Если принятое значение расхода приводит к размыву стенок скважины, или значительному росту давления на её забой (вследствие увеличения гидравлических потерь в кольцевом пространстве), то расход необходимо ограничить до минимально допустимого или повысить вязкость промывочной жидкости.

Выполнив расчёты по обоснованию расхода промывочной жидкости по формулам (7) и (9) производят сравнение полученных результатов и в последующих расчётах принимают большую (из двух) величин расхода.

При бурении скважин ГЗД расход промывочной жидкости должен обеспечить работу двигателя в пределах его рабочей области с технологически необходимым моментом на долоте.