Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Частицы шлама могут также прилипать к стенкам скважины или постоянно циркулировать в кольцевом пространстве в зонах размыва ствола. При остановке насосов этот шлам может оседать в скважине.

Реологические характеристики и режимы течения бурового раствора

(факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)

потока, называемая "структурный режим" (рис. 7-7С). На значение скорости, при котором ламинарный режим переходит в турбулентный, влияют характеристики бурового раствора.

50

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Ламинарный режим определяется вязкостными характеристиками жидкости. Жидкость течет плавно, все молекулы движутся в одном и том же направлении, но с различными скоростями.

Примером ламинарного режима может служить .течение воды в оросительном канале (рис. 7- 7В). Вода прилипает к стенкам канала, поэтому скорость потока у стенки равна нулю. Когезионные свойства воды обуславливают возникновение притягивающей силы, которая замедляет движение молекул воды в проходящем потоке. Таким образом, молекулы, находящиеся близко к стенкам, движутся медленно, а молекулы, находящиеся в центре канала, движутся наиболее быстро.

При ламинарном течении профиль скоростей потока имеет параболическую форму. Эта форма зависит от пластической вязкости и динамического напряжения сдвига жидкости. По мере увеличения отношения динамического напряжения сдвига к пластической вязкости (УР/РУ) профиль скоростей потока выполаживается.

Турбулентный поток является более хаотичным. Он определяется инерционными характеристиками жидкости. В отличие от ламинарного потока здесь нет плавного течения и движения всех молекул в одном и том же направлении. Молекулы прилипают к стенке, и скорость потока у стенки равна нулю, как и при ламинарном течении. Однако в ядре потока молекулы движутся во всех направлениях и с различными скоростями (рис. 7-7А). Результирующее движение происходит по направлению потока, и профиль скоростей турбулентного потока значительно уплощен по сравнению с профилем скоростей ламинарного потока. Примером турбулентного потока является быстрая река.

При плоском профиле скоростей потока эффективность очистки скважины выше. Вытянутый параболический профиль скоростей, характерный для ламинарного водного потока, неэффективен с точки зрения очистки скважин. При таком профиле скоростей более крупные частицы оттесняются к стенке, где скорость потока меньше, и оседают вниз по стволу.

Для турбулентного потока характерен самый плоский профиль скоростей. Турбулентный поток очищает скважину наилучшим образом, но обычно его не целесообразно использовать в вертикальных скважинах. Как видно на рис. 7-6, турбулентный режим приводит к намного

51

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

большим гидравлическим потерям в кольцевом пространстве, чем ламинарный. В результате возможны поглощения и, в некоторых случаях, эрозия стенок скважины. При ламинарном режиме течения плоский профиль скоростей характерен для буровых растворов с высоким отношением УР/РУ.

Динамическое напряжение сдвига (УР) характеризует усилие, требуемое для того, чтобы началось течение, или движение молекул относительно друг друга по направлению потока. Для увеличения скорости потока необходимо дополнительное усилие. Это дополнительное усилие характеризуется пластической вязкостью (РУ). Динамическое напряжение сдвига способствует повышению качества очистки скважины, а пластическая вязкость - нет.5

Динамическое напряжение сдвига является мерой способности твердых частиц в жидкости формировать структуру, сопротивляющуюся деформации. Оно возникает в результате действия сил отталкивания электростатических зарядов на поверхности частиц. Отрицательные заряды на поверхности частиц бентонита заставляют их отталкиваться друг от друга, как магниты при контакте их одноименных полюсов. При смешивании жидкости с бентонитом частицы бентонита будут стремиться отойти одна от другой как можно дальше. Таким образом формируется структура, показанная на рис. 7-8.

Динамическое напряжение сдвига характеризует сопротивление течению, обусловленное действием электрохимических сил.

Рис. 7-8 Динамическое напряжение сдвига

Для иллюстрации концепции динамического напряжения сдвига можно вообразить себе тонкий, толщиной в одну молекулу, слой бурового раствора, неким образом подвешенный в горизонтальной плоскости (рис.7-9). Поскольку динамическое напряжение сдвига измеряется в фунт/100 фут2, мы примем площадь поперечного сечения ствола 100 фут2.

Если частица шлама должна пройти через этот слой бурового раствора, частицы бентонита должны уйти с пути ее движения. Это означает, что некоторые частицы должны подойти ближе друг к другу. Из-за наличия отрицательных зарядов возникает сила отталкивания, стремящаяся этому помешать. Сила отталкивания является функцией квадрата расстояния. Если сократить наполовину расстояние между двумя частицами, то сила отталкивания между ними возрастет в четыре раза. Чем больше глины в растворе, тем ближе будут друг к другу частицы глины, и тем больше будет сила отталкивания.

Если динамическое напряжение сдвига равно 20 фунт/100 фут2, наш неким образом подвешенный слой бурового раствора удержит 20 фунтов шлама, при условии что шлам очень тонко измельчен и равномерно распределен по поверхности слоя (рис. 7-9А). Если же поместить 20 фунтов породы в центр этого слоя, он легко прорвется. При прорыве, однако, на шлам будет действовать давление 20 фунт/100 фут2 (рис. 7-9В).

52

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Рис. 7-9 Транспортирующая способность

Вернемся к ламинарному течению. Как мы помним, скорость потока у стенки равна нулю и постоянно возрастает с удалением от стенки. Силы притяжения стремятся удержать молекулы вместе. Для того чтобы побудить молекулы двигаться относительно друг друга по направлению потока, требуется касательное напряжение. Скорость движения молекул относительно друг друга называется скоростью сдвига.

Скорость сдвига не постоянна по сечению ствола (рис. 7-10). Она имеет наибольшее значение у стенки и наименьшее значение в центре сечения скважины. Зависимость между касательным напряжением и скоростью сдвига для любого бурового раствора выражается кривыми течения. Кривая течения для чистой воды показана на рис. 7-10А.

Рис. 7-10 Кривые течения для типичных жидкостей

Наклон этого кривой характеризует вязкость жидкости. Вязкость характеризует сопротивление жидкости течению. Вязкость определяется как отношение касательного напряжения к скорости сдвига.

53

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Если жидкость содержит твердые частицы, размер которых превышает размер молекул, они ведет себя иначе. На рис. 7-10В показана кривая течения для вязкопластичной бингамовской жидкости. Для начала течения такой жидкости требуется большое касательное напряжение, называемое динамическим напряжением сдвига. Оно обусловлено тенденцией твердых частиц формировать структуру в жидкости. Эта структура и оказывает сопротивление касательному напряжению.

Пластическая вязкость

Тангенс угла наклона прямолинейной части кривой на рис. 7-10 характеризует пластическую вязкость. Пластическая вязкость представляет собой отношение последовательно возрастающих изменений касательного напряжения к скорости сдвига (ЛХ/ДУ). Она обусловлена механическим взаимодействием между твердыми частицами и жидкостью, и зависит, в основном, от площади суммарной поверхности твердых частиц.

Пластическая вязкость характеризует сопротивление течению, обусловленное действием механических сил.

Когда частицы разрушаются с образованием все более мелких частиц, общая поверхность увеличивается. Удельная площадь поверхности равна частному от деления площади поверхности частицы на ее массу. Удельная площадь поверхности удваивается при каждом делении диаметра частиц шлама пополам.

Рис. 7-11 Площадь поверхности частиц шлама

Каждую твердую частицу в буровом растворе покрывает тонкая пленка жидкости толщиной не менее 2 микрон.. Если частицы крупные, то для того чтобы их покрыть не требуется большое количество жидкости. Когда частицы разрушаются с образованием все более мелких частиц, общая поверхность увеличивается (рис. 7-11). Чтобы покрыть образовавшиеся мелкие частицы требуется больше жидкости. По мере измельчения частиц этот неподвижный слой жидкости начинает составлять значительную часть всего объема бурового раствора (рис. 7- 12).

54

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Капли жидкости начинают вз аимодействовать друг с другом в потоке бурового раствора. Течение бурового раствора в каналах между всеми неподвижными слоя ми жидкости, покрывающими твердые частиц, затрудняется. Таким образом, твердые частицы, покрытые слоем неподвижного бурового раствора, способствуют увеличению сопротивления потоку бурового раствора. Кроме того, они создают тенденцию вытягивания профиля скоростей потока.

Пластическая вязкость воз растает по мере увеличения площади суммарной поверхности частиц шлама.

Когда возрастает концентр ация твердых частиц в растворе, или твердые частицы дробятся на более мелкие куски, пластическая вязкость возрастает.

Рис. 7-12 Пластическая

вязкость

Кажущаяся вязкость

Кажущаяся вязкость характеризует полное давление, требуем ое для обеспечения определенного расхода. Она представляет собой сочетание динамичес кого напряжения сдвига и пластической вязкости и выражается тангенсом наклона прямой, выходящей из начала координат и пересекающей кривую течения в любой точке.

Как видно из рис. 7-13, кажущаяся вязкость уменьшается при увеличении скорости сдвига. Динамическое напряжение сдвига и пластическая вязкость жидкости остаются постоянными при умеренных скоростях по тока, и дают полезную информацию. Ка жущаяся вязкость - нет. Чтобы дать количественную оценку кажущейся вязкости, мы долж ны учитывать скорость сдвига, при которой она была измерена.

Кажущаяся вязкость выражается тангенсом наклона штриховых лини й. Кажущаяся вязкость уменьшается при увеличении скорости сдвига.

Рис. 7-13 Зависимо сть между кажущейся вязкостью и скоро стью сдвига

При умеренных скоростях сдвига большая часть буровых растворов ведет себя как вязкопластичная бингамовская жидкость. Однако фактически буровой раствор начинает течь при очень низких значениях давления. Поэтому была разработана мо дель с использованием степенной зависимости, показанной на рис. 7-ЮС. Эта модель описывает поведение бурового

55

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

раствора при очень низких значениях скорости сдвига, например у стенки скважины, где оседает шлам.

Типичный буровой раствор начинает течь после приложения некоторого начального давления. Поэтому для описания поведения бурового раствора при низких значениях скорости сдвига наиболее широкое используется модель, использующая кривую течения, показанную на рис. 7-100. Эта модель называется реологической моделью Гершеля-Бакли6 (модифицированная степенная модель).

где:

τ - касательное напряжение при определенной скорости сдвига γ - скорость сдвига τ0 - динамическое напряжение сдвига

К - пластическая вязкость n - показатель поведения

(этот показатель характеризует степень отклонения реологического поведения бурового раствора от поведения ньютоновских жидкостей.

n уменьшается при увеличении начального напряжения сдвига).

Эта модель используется для прогнозирования скорости оседания шлама и скорости потока бурового раствора в кольцевом пространстве около стенки скважины или за бурильной колонной, смещенной от оси скважины. Показатель поведения "п" имеет более важное значение в наклонных скважинах.

Разжижение бурового раствора при сдвиге

Чтобы началось течение, нужно создать касательное напряжение, превышающее динамическое напряжение сдвига. Чтобы течение происходило при более высокой скорости сдвига, нужно создать большее касательное напряжение. Это обусловлено пластической вязкостью. Большое влияние на динамическое напряжение сдвига оказывает форма твердых частиц в буровом растворе При начале течения частицы неправильной формы стремятся выровняться по направлению потока. В результате уменьшается как динамическое напряжение сдвига, так и пластическая вязкость. Таким образом, чем выше скорость сдвига, тем меньше вязкость. Такое уменьшение вязкости при увеличении скорости сдвига называется разжижением при сдвиге. Способность к разжижению при сдвиге является полезным качеством буровых растворов. Некоторые буровые растворы разжижаются лучше других. Разжижение бурового раствора определяется типом и формой его твердой фазы.

При низких значениях скорости сдвига вязкость будет относительно высокой, и поток будет ламинарным. При высоких значениях скорости сдвига вязкость будет меньше, и поток может стать турбулентным. Чем выше динамическое напряжение сдвига, и чем ниже пластическая вязкость, тем сильнее будет разжижаться при сдвиге буровой раствор.

Скорость сдвига не является постоянной по сечению ствола. Она имеет самое высокое значение у стенки и самое низкое значение в центре сечения. Таким образом, вязкость жидкостей, способных к разжижению при сдвиге, меньше у стенки и больше в центре сечения.

Буровые растворы, которые лучше разжижаются при сдвиге, имеют более плоский профиль скоростей потока и более склонны к переходу к структурному режиму течения.

56

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Определение динамического напряжения сдвига и пластической вязкости

Инженеры по буровым растворам определяют динамическое напряжение сдвига и пластическую вязкость с помощью вискозиметра Фанна V-G. Этот прибор измеряет касательные напряжения при различных значениях скорости сдвига. На график наносятся значения касательного напряжения при скорости сдвига, создаваемой при вращении цилиндра с частотой 300 и 600 об/мин (рис. 7-14).

Пластическая вязкость характеризуется наклоном прямой. Тангенс угла наклона определяется по уравнению:

PV = (касательное напряжение при 600 об/мин - касательное напряжение при 300 об/мин) / (скорость сдвига при 600 об/мин - скорость сдвига при 300 об/мин).

Принимая разность между значениями скорости сдвига при 600 об/мин и 300 об/мин за единицу можно упростить уравнение:

PV = (касательное напряжение при 600 об/мин - касательное напряжение при 300 об/мин)

Можно продолжить эту наклонную прямую до точки нулевой скорости сдвига, определив тем самым напряжение, при котором начнется ламинарное течение. Используя подобие треугольников, можно получить уравнение для расчета динамического напряжения сдвига .

YP = касательное напряжение при 300 об/мин - (касательное напряжение при 600 об/мин -

Динамическое напряжение сдвига выражается в фунтах на 100 квадратных футов (фунт/100 фут2).

Определение

динамического напряжения сдвига и пластической вязкости графическим путем по данным, полученным на вискозиметре Фанна

V-G.

θ - градусы (касательное напряжение)

Рис. 7-14 Графическое определение динамического напряжения сдвига и пластической вязкости

Вязкость можно определить по времени вытекания определенного количества (кварты) бурового раствора через отверстие постоянного сечения в воронке Марша. Это простой и быстрый способ проследить динамику параметров бурового раствора. Изменение вязкости, определенной с помощью воронки Марша, указывает на изменение либо динамического

57

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

напряжения сдвига, либо пластической вязкости. Однако таким образом нельзя установить причины этого изменения.

Реологические характеристики бурового раствора влияют на профиль скоростей потока и, таким образом, на скорость потока у стенки, где оседают частицы шлама. Целью инженера по бурению является создание буровых растворов с такими реологическими характеристиками,

которые обеспечивают максимальное увеличение скорости потока у стенки и максимальное снижение конечной скорости оседания при низких значениях скорости сдвига.

Размер, форма и количество шлама (факторы, влияющие на качество очистки

Увеличение содержания в буровом растворе твердых частиц ведет также к возрастанию пластической вязкости. В результате уменьшается отношение УР/РУ, и профиль скоростей потока вытягивается. В некоторых случаях для обеспечения высокого качества очистки скважины нужно регулировать скорость проходки.

Обломки обрушившейся породы можно рассматривать как очень крупные частицы шлама. Для таких обломков характерна высокая скорость оседания, и они могут разрушиться с образованием более мелких кусков до того, как будут вынесены из скважины циркулирующим буровым раствором.

58

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Скорость проходки (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)

Скорость проходки определяет как размер, так и количество продуцируемого шлама. При высокой скорости проходки долото внедряется в поверхность забоя глубже, и образуется более крупный шлам. Увеличивается также количество шлама. При увеличении скорости проходки может понадобиться повысить эффективность очистки ствола.

Возрастание крутящего момента при увеличении скорости проходки говорит о том, что долото внедряется глубже, и образуется более крупный шлам. Если возрастание крутящего момента продолжается при неизменной скорости проходки, это может быть признаком недостаточной очистки ствола. Скопления шлама затрудняют вращение бурильной колонны.

Вращение и эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны

(факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)

Вращение колонны улучшает показатель эффективности транспортирования шлама благодаря тому, что шлам выносится от стенок ствола и возвращается обратно в быстрый поток (рис. 7- 16). Эксцентричное расположение бурильной колонны в стволе приводит к уменьшению показателя эффективности транспортирования шлама. Профиль скоростей потока более вытянут на стороне большего зазора, и скорость в пространстве вокруг колонны низкая (рис. 7-17). Влияние вращения колонны и ее эксцентричного расположения в скважине на качество очистки очень невелико в вертикальных скважинах, но значительно усиливается в сильнонаклонных скважинах.7

Вращение бурильной колонны приводит также к возрастанию гидравлических потерь в кольцевом пространстве. Этот эффект тем более выражен, чем больше диаметр колонны приближается к диаметру ствола.

расположение бурильной колонны

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts