книги из ГПНТБ / Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин

двигаться обратно к забою и придет к упорному кольцу (сечение

В) через промежуток времени t = 2 — после своего возникнове-

Стр

ния. Поэтому над пробкой в обсадных трубах до этого момента времени действует повышен­ ное давление руд, образо­ вавшееся при посадке проб­ ки в нулевой момент вре­ мени.

Если принять за едини­

цу времени т= — , то в мо- ^тр

мент времени 3 давление в нижнем сечении В увели­ чится на руд по сравнению с давлением в верхнем се­ чении А в момент времени 2

давления в трубах будет продолжаться до остановки агрегатов. Высота ступенек с каждым разом уменьшается вследствие зату­ хания ударной волны и падения скорости вращения двигателя насоса с ростом нагрузки.

На практике обычно стремятся не допускать опрессовки колон­ ны после посадки пробки и останавливают агрегаты сразу после получения сигнала о росте давления. Но даже в этом случае об­ садные трубы оказываются нагруженными минимум тройным дав­ лением гидроудара. Действительно, на головке (сечение А) отме­ чается сразу двойное давление, и как бы быстро не был останов­ лен агрегат, эта ударная волна успевает отправиться вниз к забою и там дополнительно увеличивается на руя. Если насосы останов­ лены достаточно быстро, то время действия этого тройного давле­ ния меньше, чем 2 т.

После выключения агрегата возникает импульс пониженного давления, равный по абсолютной величине давлению гидроудара. Этот импульс перемещается по скважине, поочередно отражаясь от пробки и цементировочной головки и постепенно затухая.

Процесс изменения давлений в затрубной пространстве проис­ ходит следующим образом. В сечении под пробкой в обсадных тру­ бах образуется волна пониженного давления, величина которого может быть найдена из зависимости (VI.23), взятой с отрицатель­

ным знаком. Она распространяется по трубам к затрубному про­ странству и в момент перехода изменяет свою величину. Здесь она обычно уменьшается по абсолютной величине, так как стенки скважины имеют меньшую жесткость, чем трубы, а площадь затрубного пространства может быть больше, чем труб. Через мо­

мент времени т= — волна пониженного напора достигает выхода

С.Ш из скважины, где давление равно атмосферному, и затухает. Время

действия пониженного давления с достаточной для практики точ-

2Lx

ностью может быть определено по зависимости т= — .

сзп

Таким образом, можно сделать общий вывод: гидравлический удар при посадке пробки на большой скорости опасен не столько из-за повышенного давления внутри колонны, сколько из-за пони­ жения его в затрубной пространстве и нарушения равновесия си­ стемы пласт — скважина.

Рассмотренные выше процессы изменения давлений, строго го­ воря, полностью справедливы при отсутствии сопротивлений в гид­ равлической системе. Поскольку практически во всех случаях они имеются, следует произвести учет перераспределения давления при установившейся циркуляции в связи с остановкой жидкости. Этого оказывается достаточным, чтобы получить близкую к истине кар­ тину и не учитывать другие возможные пути рассеивания энергии.

Учет потерь напора можно производить введением фиктивных диафрагм в промежуточных сечениях, расположенных вдоль трубо­ провода. При этом будем исходить из гипотезы квазистационарно­ сти, т. е. положения, что потери напора в каждый отдельный мо­ мент нестационарного процесса равны потерям напора при тех же соответствующих расходах, как если бы режим был стационарным.

Увеличивая число диафрагм от нуля до п, покажем, как влияет их количество, т. е. рассредоточение потерь напора по длине ко­ лонны труб, на распространение ударной волны между конечными сечениями. Примем, что в каждой г-той диафрагме (г=1, 2,..., п) происходит частичная потеря напора при установившемся течении

где г — коэффициент пропорциональности.

Эти же диафрагмы и отражают ударную волну при ее распро­ странении. Вообще данный способ обоснован для ньютоновских жидкостей [24], однако он применим и для вязко-пластичных гли­ нистых и тампонажных растворов. Для определения напоров и рас­ ходов в системе во времени были решены сопряженные уравнения гидравлического удара (VI. 14), (VI. 15) при следующих началь­ ных (VI. 25) и граничных (VI. 26) условиях:

162

где <7 УСТ — расход установившегося течения.

Полагаем, что в момент времени т= 0 произошла посадка проб­ ки в сечении В\ в сечении А продолжается закачка жидкости с постоянным расходом; гидростатический напор принят равным ну­ лю, и рассматриваются только динамические давления. За едини­ цу времени т примем время пробега ударной волны между двумя рассматриваемыми сечениями:

мул для определения напора и расхода в любой из г-той диафрагм по длине колонны в любой момент времени /. Это значительно упростило программирование для вычислений на ЭВМ и позволяет определять ударные режимы по единой методике для различных конкретных условий.

6* 163

Фактически этот режим начинается в момент времени / и продол­

/ + 2 в данном сечении начинается новый режим.

Для напоров над г-той диафрагмой и под ней имеем следую­

Чтобы произвести расчеты по данным формулам, необходимо иметь значения р \ Н \ U* в начальные моменты времени.

Исходя из условия задачи, для начальных моментов времени

ударная волна находится в верхнем концевом сечении А . Тогда начиная с момента перекрытия нижнего сечения В пробкой,

Учитывая выражение (VI. 32), получаем

146-мм обсадных труб с толщиной стенки 10 мм, длиной 750 м, исходя из условия получения различных отношений потерь напора при установившемся течении к ударным напорам

где Я — коэффициент гидравлических сопротивлений.

164

Для сравнения на рис. 43 приведена типичная кривая изменения во времени давления на устье опытной скважины при а=0,5 (пунктиром показаны результаты расчетов без учета потерь напо­ ра, т. е. п —0). Использовать ее для точного сопоставления с рас­ четами затруднительно, так как сильно сказывается влияние не­ равномерности подачи поршневого насоса и несоблюдение условия <?уст = const, однако общий ход процесса изменения давления под­ тверждает справедливость полученного решения.

Следует отметить, что предлагаемый расчет учитывает затуха­ ние ударной волны за счет перераспределения потерь напора уста­ новившейся циркуляции, игнорируя остальные причины рассеяния энергии. Однако это незначительно снижает точность окончатель­ ного результата при анализе данного конкретного процесса. Опре­ деление коэффициента восстановления потерь напора ß в первой фазе гидроудара в нижнем сечении В сравнительно с напором установившейся циркуляции в верхнем сечении А

для приведенных примеров показало, что он колеблется в преде­ лах:

результаты совпадают с данными Н. Е. Жуковского, который про­ водил опыты в аналогичных условиях, а при а=1,25 — находятся между рекомендациями Н. Е. Жуковского и А. Гибсона, которые исходили из теоретического анализа явления.

Следует отметить, что для определения давления гидроудара в граничных сечениях А и В можно проводить расчет без учета потерь напора установившейся циркуляции, так как начальные давления ступеней достаточно хорошо совпадают на границах''фазы удара. В интервале фазы несоответствие растет по мере увеличения а, однако для прочностных расчетов это несущественно.

Выше мы исследовали закономерности распространения удар­ ной волны повышенного давления в трубах при посадке цементиро­ вочной пробки на упорное кольцо. Для успешного разобщения пла­ стов необходимо предвидеть и уметь рассчитывать и депрессию, возникающую при этом в затрубной пространстве, так как она мо­ жет вызвать водо-нефте-газопроявления или послужить причиной каналообразования в процессе ОЗЦ. !І

165

Исследования по этому вопросу ограничены [27, 59, 96] и могут быть использованы только для качественного анализа процесса. Для определения истинных давлений по стволу скважины с тече­ нием времени следует иметь метод расчета, позволяющий учиты­ вать перераспределение потерь напора установившейся циркуля­ ции, предшествовавшей моменту посадки пробки, а также влияние структурно-механических свойств промывочной жидкости на рас­ пространение возмущения.

Экспериментальное подтверждение изучаемого процесса было получено нами на опытной скважине, а также при исследовании обратного гидравлического удара [28]. Аналитическое исследова­ ние проводилось по методике, изложенной выше для труб, только в данном случае рассматривается участок затрубного простран­ ства.

Принято, что потери напора по длине определяются зависимо­ стью

при этом положено, что затрубное пространство представляет кон­ центрическое сечение постоянной площади по глубине скважины; выход из системы открыт и напор в этом сечении hc = const = 0 — не происходит притока или оттока жидкости из пластов.

Начальные условия

Решение уравнений гидравлического удара проводилось числен­ ным методом Л. Бержерона. Анализ процесса показал, что для определения напоров и расходов в сечениях по длине затрубного пространства удобно воспользоваться следующими зависимостями.

Расходы в промежуточных сечениях

Здесь

1Х TICJуст

где hbCT, <7уст — напор и расход в сечении (под пробкой) при уста­ новившемся режиме продавки; h‘nor=r„qycr — потери напора в

одной диафрагме; hlyCT = (п—i)rnqyст= - —- /Рст— напор в сечении

166

і-той диафрагмы при установившемся режиме. Для напоров над, t-той диафрагмой Я) /U_, и под ней Uj /+1 имеем зависимости:

были сделаны для затрубного пространства при 146-мм буриль­

случаев: amln= — =0,3 и остах=— =1,6.

Расчеты позволяют выявить истинные нагрузки на систему и оценить возможные последствия возникающей депрессии при раз­ личных конкретных условиях. На рис. 44 показано распределение напоров Н~Н(1) для затрубного пространства по глубине скважи­ ны для «шш = 0,3 и остах=1,6 в момент времени t = 3,6 с (потери напора при установившемся течении до посадки пробки hn0T = h(l) распределены в пяти диафрагмах и одинаковы для обоих случаев). Из рис. 44 очевидно, что высокие давления при установившейся циркуляции сравнительно с ударными (атах) уменьшают депрес-

167

г

сию по абсолютной величине и способствуют быстрому затуханию

А

Рис. 44. Расчетное распределение напо­ ров в затрубной пространстве по глу­ бине скважины после посадки цементи­ ровочной пробки на упорное кольцо для различных потерь напора.

т. е. он одинаков для труб и затрубного пространства.

НЕПРЯМОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В СКВАЖИНЕ

Под непрямым гидравлическим ударом понимается изменение скорости жидкости и соответственно связанного с ней давления от максимального значения до нуля (или наоборот) за время, боль­ шее фазы гидроудара.

Наиболее типичным случаем непрямого удара является вытес­ нение глинистого или тампонажного растворов в скважине при не­

168

стационарном спуске колонны труб или ее расхаживании. В на­ стоящее время отсутствует единая точка зрения на гидродинамиче­ ские явления, происходящие в вытесняемой трубами жидкости. Хотя вопрос о существенном влиянии инерционных процессов не встречает возражений, однако максимальные гидродинамические давления оцениваются с различных позиций [59, 63].

Наибольшее распространение получила схема, по которой мак­ симальные давления определяются, исходя из условия равномер­ ного движения колонны с наибольшей скоростью, достигнутой в процессе перемещения колонны на длину одной трубы. Поскольку на практике всегда имеется равномерный участок спуска и осо­ бенно подъема, то необходимо с достаточной точностью оценивать величину возникающего при этом давления. Из различных зависи­ мостей, одни из которых выведены на основании теоретического анализа процесса, другие являются эмпирическими, следует отме­ тить две: Тарга — Шищенко (VI.49) и Дарси — Вейсбаха (VI.51). Для структурного движения вытесняемой трубами вязко-пластич­ ной жидкости

dl

где «т — скорость движения труб с закрытым концом; ц' — эффек­ тивная вязкость рабочей жидкости:

Ниже приведены значения коэффициента ср при различных со­ отношениях D/dn.

При этом предполагается [96], что вся вытесняемая жидкость движется в затрубном пространстве со своеобразной эпюрой ско­ ростей, определяемой перемещением одной из границ.

При движении колонны труб гидродинамическое давление мож­ но определять по общепринятой зависимости с учетом потерь в за­ трубном пространстве (Дарси — Вейсбаха) [59]:

169

ными до забоя трубами диаметром 73 мм, с глинистым раствором удельного веса 1,2 гс/см3 показали, что для одних и тех же скоро­ стей движения жидкостей в затрубном пространстве, слагающихся из скорости вытеснения и установившейся циркуляции, величина гидродинамического давления существенно различна. Однако от­ дать предпочтение одному способу расчета перед другим затрудни­ тельно, тем более, что систематического натурного определения Ар для равномерного движения колонны не производилось (обычно стремятся найти максимальное давление). В зависимости от кон­

и экспериментальных данных для этого случая не удается. Этот вопрос подлежит решению, поскольку при расчете нестационарно­ го режима вытеснения потребуется знание стационарных режимов для возможности использования при решении гипотезы квазиста­ ционарности.

В дальнейших расчетах мы будем пользоваться обеими схема­ ми, тем более, чем немногочисленные опытные замеры показывают и те,, и другие результаты.

Нами проведены опытные работы на экспериментальной сква­ жине, при этом методика работ предусматривала необходимость регистрации динамических процессов [26]. В 146-мм обсадной ко­ лонне длиной 748 м спускалась и поднималась на длину 3—5 м открытая в нижнем сечении колонна насосно-компрессорных труб диаметром 73 мм с центрирующими фонарями.

Для устранения влияния течения жидкости на нестационарный процесс ее вытеснения при движении труб производилось расха­ живание колонны без циркуляции. При этом устье скважины гер­ метизировалось, и 73-мм колонна являлась своеобразным плунже­ ром в замкнутом цилиндре — в 146-мм обсадных трубах. Каждое очередное передвижение колонны производилось после затухания колебательных ударных процессов в системе. Давление измерялось на входе в трубы (сечение А) и на выходе из затрубного про­ странства (сечение С) тензометрической станцией. Одновременно с давлением производилась запись скорости движения колонны.

Характерная осциллограмма изменения давления при спуске и подъеме труб в герметизированной скважине с глинистым раство­ ром удельного веса 1,2 гс/см3, т ) = 1 5 сПз, то = 20 мгс/см2 представ­

всей скважины; по оси ординат — давление р в кгс/см2. Очевидно, что возникающий с началом движения импульс давления и ско­ рости распространяется по волновым законам и имеет определен­

но