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

ные фазуи амплитуду, зависящие от упругости гидравлического канала, его геометрии и граничных условий; он проявляется в тру­ бах и затрубной пространстве различным по форме и величине. Особое внимание следует обращать на изменение скорости движе­ ния колонны, так как давление зависит от закона изменения ско­ рости. Рост давления в трубах (см. рис. 45) прекращается до оста­ новки колонны, несмотря на увеличение скорости спуска. При рав­ номерном движении давление может даже снизиться, что зависит

Рис. 45. Типичная осциллограмма процесса из­ менения во времени давления на устье герме­ тизированной скважины при движении колонны труб (расчетная кривая— пунктиром).

от фазы ударного процесса и продолжительности движения колон­ ны. Если изменение скорости движения происходит неравномерно и имеются моменты спуска с резко повышенным ускорением, то значительное повышение давления может возникнуть и при низкой средней скорости.

Приведенный эксперимент убедительно подтверждает положе­ ние, согласно которому анализ процесса возникновения и распро­ странения гидродинамических давлений может быть проведен на основе ударных явлений. Вид волны давления полностью опреде­ ляется видом кривой изменения скорости. С течением времени фронт волны давления распространяется по скважине и достигает

171

любого сечения на расстоянии X от места возникновения (чаще всего нижний конец колонны труб, сечение В) через время т. Вы­ шеприведенные рассуждения относятся к случаю прямого гидро­ удара (когда в рассматриваемое сечение не возвратилась отражен­ ная волна) без учета сил трения.

Для определения напоров и расходов рабочей жидкости во вре­

ствующих начальных и граничных условиях позволяет получить достоверные величины давлений и расходов при нестационарном вытеснении жидкости. Результаты вычислений приведены на рис. 45 пунктирной линией. Для случая, когда трубы закрыты в нижнем

сечения движущейся трубы за счет увлекаемой стенками рабочей жидкости,

Спуск труб производится за время т от 0 до 6 — =4,2 с, при-

с

чем закон изменения скорости принят в виде треугольника:

где т 1— количество диафрагм; /, м — коэффициенты, характе­ ризующие максимальную скорость спуска.

Потери напора установившегося течения жидкости определя­ ются по зависимости

172

Принято, что в момент времени т= 0 началось движение колон­ ны труб, гидростатический напор равен нулю и рассматриваются только динамические давления. Расходы в промежуточных сече­ ниях (фиктивных диафрагмах) определяются по формуле

Для того чтобы вести расчеты, необходимо знать р \ Н \ Uг' в начальные моменты времени. Исходя из условия задачи, для на­ чальных моментов времени

ния р° и рп+и, і = 0 соответствует сечению Ь, а і = п + 1 — сечению С. Тогда

К

Изменение начальных (VI. 52) и граничных (VI. 53), (VI. 54) условий позволяет решить задачу об изменении давления в си­ стеме для любого случая движения труб. При движении труб с циркуляцией дополнительное воздействие установившегося по­ тока и верхнего конца колонны вносят добавочное возмущение, которое свойственно только данному случаю и не может быть учтено в расчете простым увеличением скорости вытесняемой жидкости.

На рис. 46, 47 представлены типичные осциллограммы про­ цесса изменения давления на устье скважины при спуске ко-

173

лонны труб с наличием прямой и обратной циркуляции. Несмотря на одинаковые скорости движения труб и производительность установившейся циркуляции, величины возникающих гидродина­ мических давлений существенно различны. Сходство же изменения давления по форме для случаев движения труб при прямой и об­ ратной циркуляции является свидетельством наличия аналогичных динамических процессов и их зависимости от граничных условий.

На рис. 46 и 47 пунктиром представлены результаты расчетов при спуске колонны труб с максимальной скоростью 1,5 м/с с на­ личием циркуляции глинистого раствора уж=1,2 гс/см3, г) = 15 сПз, то=20 мгс/см2 с расходом ^уст= 2,4 л/с.

Таким образом, поскольку гидравлическая система скважины имеет достаточную протяженность, то упругость ее стенок и рабо­ чей жидкости играют существенную роль в создании инерцион­ ных давлений. Иными словами, нестационарное течение жидкости сопровождается и поэтому в значительной степени определяется ударными волновыми процессами. Схема определения динамиче­ ских давлений, когда гидравлическая система представляется аб­ солютно жесткой, не отражает действительности и поэтому дает искаженные результаты.

ОБРАТНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В СКВАЖИНЕ

Под обратным гидравлическим ударом понимается перевод по­ тенциальной энергии неподвижной рабочей жидкости в кинетиче­ скую за время, меньшее фазы гидроудара. По сути дела это раз­ новидность прямого удара. В качестве конкретных примеров воз­ никновения подобных ситуаций можно привести резкое стравлива­ ние давления из опрессованной скважины в процессе открытия крана или внезапного порыва предохранительной диафрагмы порш­ невого насоса; колебания ударной волны давления, вызванной тем или иным способом, в стволе скважины, если колонна труб спу­ щена не до забоя; в случае срыва излишне прочных шпилек под­ весной цементировочной пробки при двухступенчатом цементиро­ вании и внезапной передаче повышенного давления из верхней части колонны в нижнюю и т. д. Необходимость определения та­ ких давлений становится очевидной, если принять во внимание, что в этих случаях не производится учет возникающих дополнитель­ ных нагрузок, способных достигать, как показывает практика, зна­ чительных величин и вызывать разрушения. Кроме того, в ряде случаев, например, при обработке забоя скважин с целью вызова притока нефти методом переменных давлений или при воздейст­ вии на цементный раствор, доставленный в затрубное пространст­ во, с целью его скорейшего схватывания и твердения, необходимо создавать максимально возможные кратковременные перепады давления, и поэтому для достижения наибольшего эффекта следует четко представлять закономерности образования и распространения ударной волны в неподвижной вязко-пластичной жидкости.

175

В работе [28] приведены результаты экспериментов на опытной скважине с различными компоновками, рабочими жидкостями и способами создания гидроудара. На рис. 48 представлены типич­ ные осциллограммы изменения давления на устье скважины в тру­ бах и затрубной пространстве. Сплошной линиеи показаны давле­ ния экспериментальные, пунктирной - расчетные. Основные ре­

зультаты работы заключаются в следующем.

характер колебаний давления при разгерметизации системы с различными рабочими жидкостями (вода, глинистые растворы с

стро, так как избыточная жидкость вытекала из скважины; падение давления в сечении, где производится разгерметизация,

определяется кривой потерь напора и продолжается в течение фа­ зы гидроудара;

давление на забое скважины, надежность результатов расчетов которого подтверждается совпадением расчетных и эксперимен­ тальных устьевых давлений, определяется величиной предваритель­ ного давления в системе, геометрией гидравлических каналов, па­ раметрами рабочей жидкости и направлением разгерметизации (через трубы или затрубное пространство);

влияние колебаний реологических параметров рабочей жидко­ сти на характер и величину возникающих в системе давлений для условий эксперимента было несущественно и не подлежало учету; ударный импульс, созданный в какой-либо точке гидравличе­ ской системы, распространяется в виде волн повышенного и по­ ниженного давления, которые изменяют режим во всех проходи­ мых сечениях. Таким образом, в зависимости от обстоятельств сле­

дует остерегаться или использовать гидравлический удар.

176

Предложенный в работе [28] графический способ нахождения параметров (h, q) нестационарного процесса не всегда удобно применять, поэтому ниже приведены аналитические зависимости для определения напора и расхода на забое скважины, т. е. в са­ мом ответственном месте.

В случае, когда колонна спущена до забоя скважины и состоит из труб с одинаковой по длине площадью сечения, величину на­ пора /ізаб м столба рабочей жидкости на забой в момент времени 2 т

где /г0пр — величина напора в м столба рабочей жидкости (сверх гидростатического); 5 тр, 5 ЗП [м2] — площади сечения труб и затрубного пространства; стр, сш [м/с] — скорости распространения ударной волны соответственно в трубах и затрубной пространстве; g [м/с2] — ускорение свободного падения; q3a§— расход жидкости на забое скважины в направлении прямой циркуляции в момент прихода ударной волны.

Расход <7заб определяется по формуле

где т [с2/м5] — коэффициент местных гидравлических сопротивле­ ний крана на устье. Он определяется путем тарировки крана по зависимости

где q [м3/с] — расход при тарировке.

Таким образом, предполагается квадратичная зависимость по­

через затрубное пространство позволяет достигнуть максимально­ го снижения напора на забое по сравнению с разгерметизацией через трубы. Однако может возникнуть необходимость и в такого вида работах. Тогда при разгерметизации системы через трубы забойные давления определяются по зависимости

177

Г Л А В А VII

ПОДГОТОВКА СТВОЛА СКВАЖИНЫ

К ЦЕМЕНТИРОВАНИЮ КОЛОННЫ

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

ККАЧЕСТВУ ОЧИСТКИ СТВОЛА

ИПРОМЫВОЧНОЙ жидкости

Известно, что от степени очистки ствола скважины зависит ка­ чество разобщения пластов. Наличие в стволе зон, где скапли­

ретоки.

Обломки породы могут оседать в различных желобах, кавер­ нах, образуя в этих местах высоковязкие малоподвижные пасты из глинистого раствора, особенно в случае разбуривания глинистых пород. Если в процессе бурения наличие таких скоплений шлама и не вызывает особых осложнений, то их следует считать основными виновниками различных газо-нефтепроявлений и прежде всего в интервалах, где рядом располагаются пласты с различными дав­ лениями. Поэтому следует уделять большое внимание подготовке ствола скважины к цементированию.

Перед спуском обсадной колонны ствол скважины необходимо промывать высококачественным глинистым раствором, удовлетво­ ряющим основным требованиям теории промывки. Расход раство­ ра должен определяться с учетом изложенных выше основных по­ ложений. Для обеспечения возможности увеличения расхода жид­ кости проработку ствола скважины перед спуском колонны сле­ дует вести роторным способом.

Промывка скважины должна производиться только промывоч­ ной жидкостью, тщательно очищенной от выбуренной породы. Медленное вращение инструмента в процессе промывки во всех случаях облегчает очистку ствола.

179

ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫВКИ СТВОЛА ПРИ СПУСКЕ И ПОСЛЕ СПУСКА ОБСАДНЫХ КОЛОНН

Как бы хорошо не был промыт ствол скважины, в процессе подъема инструмента, а также при последующем спуске обсадной колонны происходит некоторое разрушение стенок скважины, осо­ бенно при наличии в открытом интервале слабоустойчивых пород. Большое количество шлама может также вытесняться пружинными

Рис. 49. Характер распо­ зано обычно с низкой прочностью пород,

смешивается с глинистым раствором и образует пасту повышенной вязкости. Чем длительнее воздействие усилия, чем больше его ве­ личина и чем больше муфт пройдет через данное сечение сква­ жины, тем больше будет поверхность касания обсадной колонны по участку Ьс.

На рис. 50 сплошными линиями показано положение колонны в начальный период спуска и пунктирными — в конечный. Перек­ рывается вход в полость желоба и выход из него, что является весьма нежелательным из-за невозможности заполнения желоба цементным раствором. Наличие муфт на колонне способствует скоплению снизу, около них, наиболее крупных частиц породы и создает реальную возможность образования небольших сальников со стороны прижатого к стенке участка муфты.

В процессе спуска обсадной колонны не исключена возмож­ ность значительного засорения каверн и желобов осыпающейся породой. При эксцентричном расположении колонны в скважине и

180