Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Время (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)

Для того чтобы удалить шлам циркуляцией от долота и КНБК перед наращиванием колонны требуется время. Кроме того, требуется время для промывки скважины перед подъемом инструмента.

Как показывает опыт, большая часть прихватов связана с тем, что промывка скважин перед наращиванием колонны или подъемом инструмента проводилась недостаточно долго.

Нужно рассчитать время, необходимое для промывки скважины, и сравнивать с ним фактическое время, затраченное на промывку перед каждым подъемом инструмента.

Качество очистки наклонных скважин

На качество очистки наклонных скважин влияют те же факторы, что и в вертикальных скважинах. Однако есть некоторые существенные отличия в том, как действуют эти факторы. Это обусловлено, главным образом, формированием слоев шлама и ускоренным оседанием шлама в наклонных участках ствола (эффект Бойкотта) (рис. 7-21 и 7-22). Подходы к оценке и прогнозированию качества очистки также отличаются.

конечной скорости оседания все меньше способствует повышению качества очистки. Нужно корректировать показатель эффективности транспортирования шлама ввиду того, что учитывается лишь осевая компонента конечной скорости оседания. Поэтому прогнозировать качество очистки в таких случаях сложнее.2 (рис. 7-18).

При прогнозировании и контроле очистки скважин нужно учитывать формирование слоев шлама. Из-за этого возрастает объемная концентрация шлама.

Основное различие между подходами к очистке вертикальных и наклонных скважин заключается в следующем:

•В вертикальных скважинах усилия по очистке ствола сосредоточены на уменьшении скорости оседания шлама.

•В наклонных скважинах основное внимание уделяется удалению частиц шлама из слоев шлама и переводу их в суспензию.

60

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Для определения качества очистки скважины в лаборатории используют среднюю и максимальную толщины слоя шлама. По средней толщине слоя шлама судят об общем объеме шлама в кольцевом пространстве, а максимальная толщина слоя указывает место, где наиболее вероятен прихват. В качестве примера метода оценки качества очистки, использующего толщину слоя шлама, можно назвать Показатель качества очистки скважины (HCR), предложенный Marco Rasi8.

Еще один метод оценки качества очистки, предложенный Ford, Peden, Oyeneyin, Gao и Zarrough10, использует минимальную скорость транспортирования (MTV). MTV определяется как скорость, при которой начинается транспортирование шлама.

Есть одна MTV, при которой начинается движение шлама в слое, и другая MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. На качество очистки влияют несколько факторов, таких как реологические характеристики бурового раствора и перемещение колонны. MTV отражает степень влияния этих факторов на качество очистки. Данное обстоятельство делает MTV хорошим показателем эффективности этих факторов.

Все указанные факторы и их взаимодействие рассматриваются в следующих разделах.

Факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин

На качество очистки влияет следующее:

расположение в скважине бурильной колонны

•Время

Зенитный угол (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

только осевая составляющая конечной скорости оседания. На вертикальном участке осевая составляющая направлена практически по вертикали. При увеличении зенитного угла вертикальное перемещение шлама под действием силы тяжести и выталкивающей силы дополняется смещением вдоль наклонной оси скважины (рис. 7-18).

Рис. 7-20 Концентрация шлама быстро возрастает после 30 °

Когда скважина начинает отклоняться от вертикали, шлам перемещается к нижней стенке. При приближении зенитного угла к 30° частицы шлама начинает дольше задерживаться у стенки перед возвращением обратно в основной поток. Когда зенитный угол превышает 30°, проблема циркуляции шлама усугубляется еще больше. При увеличении зенитного угла от 30° до 45° продолжительность пребывания шлама у стенки резко возрастает. Как видно из рис. 7-20, объемная концентрация шлама резко увеличивается в интервале 30° - 45° и остается относительно постоянной при больших углах.3

Формирование слоев шлама начинается при углах больше 30 °. При углах менее 45 ° эти слои шлама рыхлые и сильно ожижены. Поэтому они неустойчивы и легко соскальзывают. При углах менее 45 ° эти слои шлама всегда соскальзывают вниз по стволу при прекращении циркуляции.11 При углах до 65 ° слои шлама постоянно соскальзывают и опрокидываются, даже при наличии циркуляции (это соскальзывание происходит интенсивнее при бурении на РУО, чем при бурении на РВО).

При углах более 65° слои шлама становятся более устойчивыми. Кроме того, они становятся лучше упакованными, поэтому их труднее разрушить.

Шлам имеет тенденцию оседать в интервале 40 ° - 55 ° быстрее, чем во всех других, благодаря так называемому эффекту Бойкотта.

Эффект Бойкотта

Эффект Бойкотта назван так по имени д-ра А. Е. Бойкотта (А. Е. Boycott), который изучал пробы крови в первую мировую войну. Он случайно установил, что кровь оседает быстрее, когда пробирки установлены с наклоном 45 °. Позднее он написал статью, в которой объяснил этот феномен.

Перефразируя д-ра Бойкотта, "взвесь мелких частиц ведет себя как отдельное жидкое тело. Для того чтобы шламовый массив осел, он должен вытеснить расположенную под ним

62

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

жидкость. Вытесняемая жидкость должна пройти через шламовый массив по извилистому пути, испытывая сопротивление трения при взаимодействии с частицами шлама" (рис. 7-21).

При угле 45 ° частицы должны осесть лишь на небольшое расстояние, чтобы открылся канал вдоль верхней стенки скважины. После этого чистая жидкость может быстро прорваться вверх вдоль верхней стенки скважины, в то время как более плотная жидкость, содержащая твердую фазу, может быстрее опускаться вдоль нижней стенки в форме рыхлого слоя шлама

(рис. 7-22).

Механизмы транспортирования шлама

Механизмы транспортирования шлама на разных участках отличаются друг от друга. Это объясняется различиями в природе слоев шлама. Используются две широкие классификации механизмов транспортирования шлама - движение в суспензии и перемещение в движущемся слое. Они подробно рассмотрены в разделе "Слои шлама".

В вертикальном интервале шлам имеет тенденцию равномерно распределяться в буровом растворе и двигаться в суспензии с постоянной концентрацией. При увеличении зенитного угла более крупные частицы перемещаются к нижней стенке и движутся вверх по стволу в суспензии с изменяющейся концентрацией (рис. 7-23). При больших зенитных углах шлам имеет тенденцию формировать слой и скатываться по нижней стенке. При углах больше 65 ° слой становится устойчивым, если не испытывает возмущений от перемещений бурильной колонны. Однако если расход бурового раствора достаточно высок, может образоваться суспензия с постоянной концентрацией даже при большом наклоне скважины.

63

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Вскважине действуют различные механизмы транспортирования шлама, от движения в суспензии с постоянной концентрацией на вертикальном участке до сочетания движения в суспензии с изменяющейся концентрацией и движения в слое шлама на наклонных участках.

Всильнонаклонных участках почти всегда присутствует устойчивый слой шлама.

Шлам движется над этим слоем в суспензии с изменяющейся концентрацией.

Рис. 7-23 Транспортирование шлама при различных зенитных углах

Движение в суспензии с постоянной концентрацией является наиболее эффективным механизмом транспортирования шлама. Поэтому вертикальные участки очищать проще всего.

Перекатывание или движение шлама в слое является наименее эффективным механизмом транспортирования шлама. Исходя из этого можно подумать, что очищать горизонтальные участки труднее всего. Однако шлам будет транспортироваться в суспензии с изменяющейся концентрацией над слоем шлама, и при углах больше 65 0 никогда не будет соскальзывать вниз по стволу как это происходит на участке 30 0 - 65 °.

Из-за сочетания таких факторов как соскальзывание слоев, эффект Бойкотта и асимметричный профиль скоростей потока, труднее всего очищать участки средних зенитных углов.

Одна из проблем при проводке наклонно-направленных скважин заключается в том, что эксцентричное расположение колонны в скважине и повышенная концентрация шлама у нижней стенки скважины приводят к искажению профиля скоростей потока. Жидкость протекает вдоль верхней стенки с намного большей скоростью, чем в затрудненном потоке вдоль нижней стенки (рис. 7-24). Поэтому передача буровым раствором энергии, требуемой для перемещения шлама, затруднена. Ламинарный поток с более вытянутым профилем скоростей намного менее эффективен с точки зрения предотвращения формирования или разрушения слоев шлама в сильнонаклонных скважинах, чем турбулентный поток с его более плоским профилем.

64

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Рис. 7-24 Асимметричный профиль скоростей потока

Природа слоев шлама и эксцентричное расположение колонны в скважине диктуют необходимость использования различных режимов течения для очистки участков ствола, имеющих разный наклон.

Режим течения

В вертикальных скважинах предпочтительно поддерживать ламинарный режим. При ламинарном режиме скорость оседания шлама меньше, и можно легко регулировать характеристики бурового раствора и скорость потока в кольцевом пространстве для обеспечения качественной очистки ствола. Однако при больших зенитных углах преимущества ламинарного течения сводятся к нулю из-за формирования слоев шлама.

Ламинарный поток менее эффективен для разрыхления и разрушения слоев шлама, чем турбулентный. Кроме того, вязкие жидкости не могут глубоко проникать в плотно упакованные слои шлама, формирующиеся в сильнонаклонных скважинах.

Исследования Sifferman11 и Kenny6 привели к следующим выводам в отношении режимов течения при различных зенитных углах:

•При зенитных углах меньше 45 "желателен ламинарный режим, поскольку в вертикальных скважинах доминирующим фактором является уменьшение конечной скорости оседания частиц шлама.

•При зенитных углах больше 55 "желателен турбулентный режим, поскольку в сильнонаклонных скважинах доминирующим фактором является глубокое проникновение бурового раствора в слои шлама и максимально возможное увеличение скорости потока около слоев шлама. В сильнонаклонных скважинах ламинарный поток не обеспечивает касательных напряжений, достаточных для разрыхления слоев шлама. Исключение составляют случаи, когда жидкость

достаточно вязкая для образования структурного течения. При зенитных углах больше 55 0 турбулентный поток намного более эффективен для разрушения слоев шлама (рис. 7-26).

•При зенитных углах от 450 до 55" эффективность ламинарного и турбулентного потока примерно одинакова. Здесь нужно найти компромисс между ограничением

скорости оседания шлама у стенки и максимально возможным увеличением скорости потока у стенки.

65

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Труднее всего обеспечить качественную очистку при зенитных углах от 45 0 до 55 °. Шлам и бурильная колонна лежат на нижней стенке скважины. Эксцентричное расположение бурильной колонны приводит к тому, что скорость потока, обтекающего оседающий шлам и слои шлама очень низка. Поэтому нужно использовать буровой раствор, способный эффективно очищать скважину под эксцентрично расположенной бурильной колонной. Для этого необходим такой профиль скоростей этого бурового раствора, при котором скорость потока под эксцентрично расположенной бурильной колонной была бы максимально высокой, а конечная скорость оседания шлама была бы как можно более низкой6.

При таких умеренных зенитных углах возникает также опасность соскальзывания слоев шлама. Поэтому важно обеспечить минимальную скорость потока в кольцевом пространстве, при которой такая опасность устраняется. Это минимальная скорость транспортирования (MTV), при которой начинается движение шлама в слое. Ford et al. сделали следующие выводы в отношении MTV, при которой начинается движение шлама в слое,10 при различных зенитных углах:

•MTV, при которой начинается движение шлама в слое, возрастает с увеличением зенитного угла.

•По мере увеличения зенитного угла MTV достигает максимального значения, затем уменьшается. Значение зенитного угла, при котором это происходит, будет разным для различных буровых растворов, но приблизительно оно равно 65°.

•MTV в меньшей степени зависит от зенитного угла при углах больше 40° , чем при углах меньше 40°.

•При увеличении зенитного угла скорость потока в кольцевом пространстве должна возрастать, чтобы ограничить формирование слоев шлама.

Характеристики бурового раствора (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

Как и в вертикальных скважинах, концентрация шлама всегда уменьшается при увеличении

плотности бурового раствора.. Однако при увеличении зенитного угла плавучесть замедляет перемещение шлама по оси скважины. При больших зенитных углах увеличение плотности бурового раствора способствует повышению качества очистки скважины благодаря ослаблению эффекта Бойкотта и благодаря тому, что слои шлама более ожижены и менее плотно упакованы. Роль плотности бурового раствора в передаче момента количества движения от бурового раствора к шламу остается неизменной при любом значении зенитного угла.

Работы Becker и Azar в университете г. Талса продемонстрировали влияние плотности бурового раствора на формирование слоев шлама3. Ниже вкратце перечислены итоги этих исследований.

•Концентрация шлама резко возрастала в интервале зенитных углов 35° - 45 0 при низкой плотности бурового раствора, но не так резко при большей плотности бурового раствора (рис. 7-25).

•Толщина слоя шлама значительно уменьшалась при небольших увеличениях плотности бурового раствора при любых значениях зенитного угла.

66

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

•При большей плотности бурового раствора соскальзывание и лавинообразное движение шлама в слое происходило реже.

•При большей пло тности бурового раствора слои бурового раствора ожижены в большей степени, и поэтому их легче разрушить.

•При большей пло тности бурового раствора меньше мини мальная скорость, при которой начинает ся движение шлама в слое.

Вобщем, увеличение плотности бурового раствора облегчает разру шение слоев шлама. Это значит, что при большей плоотности бурового раствора пороговая скорость, ограничивающая рост слоев шлама, будет ме ньше. Таким образом, при одном и то м же расходе бурового раствора площадь сечения к ольцевого пространства будет больше, а толщина слоя шлама будет меньше.

При большей плотности буро вого раствора толщина слоя шлама будет меньше.

Рис. 7-25 Влияние плотности бурового раствора на толщину слоя шлама

Динамическое напряжение сдвига и вязкость

В вертикальной скважине увеличение динамического напряжен ия сдвига приведет к повышению качества очистки. Однако в наклонной скважине увел ичение динамического напряжения сдвига обычно приводит к противоположному результату. Это объясняется, в

частности, тем что вязкий бу ровой раствор не может так легко прони кать в слои шлама, как маловязкий раствор. Однако основной причиной является искажение профиля скоростей при ламинарном течении. Эксцентричное расположение бурильной колонны приводит к смещению профиля скоростей от слоев шлама. В результате скорос ть у поверхности слоя шлама значительно уменьша ется (рис. 7-26).

67

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Профиль скоростей потока смещается от бурильной колонны и слоя шлама на нижней стенке скважины. Вследствие этого скорость у нижней стенки скважины уменьшается настолько, что разрушение слоя шлама не происходит. Эта проблема не имеет столь большого значения при бурении на маловязком растворе.

Рис. 7-26 Профили скоростей в горизонтальной скважине

Kenny, Sunde и Hemphill6 считают, что при использовании менее вязких жидкостей скорость потока под эксцентрично расположенной бурильной колонной будет выше. Используя модель Гершеля-Бакли (уравнение 7.8), они показали, что качество очистки скважины на участках больших зенитных углов повышается при увеличении показателя поведения (n) и при уменьшении динамического напряжения сдвига и пластической вязкости.

Из-за высокой вязкости бурового раствора поток будет отклоняться в часть кольцевого пространства над бурильной колонной. В результате снизится скорость в пространстве над слоем шлама.

68

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

расположенной бурильной колонной и низкой конечной скорости оседания при низких значениях скорости сдвига.

Расчетные значения показателя эффективности транспортирования шлама при различных степенях эксцентричности расположения бурильной колонны в скважине и различных расходах

Рис. 7-27 Влияние вязкости бурового раствора на толщину слоя шлама

69

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