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

особенно при малых зазорах фактически невозможно добиться ка­ чественной очистки ствола от шлама и глинистой корки только лишь путем интенсификации промывки. Поэтому центрирование ко­ лонны является одним из главнейших факторов в деле обеспече­ ния качественного цементирования затрубного пространства. По­ скольку центрирование не исключает возможности касания колон­ ны со стенками в местах отсутствия фонарей, то несомненно, что одно оно однозначно не решает вопросов полного вытеснения глинистого раствора цементным и очистки ствола.

ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫВКИ СТВОЛА ПЕРЕД ЦЕМЕНТИРОВАНИЕМ

В ИСКРИВЛЕННЫХ СКВАЖИНАХ

Как показано в работах [59, 111], в искривленных скважинах частицы выбу­ ренной породы под действием сил тяже­ сти стремятся опуститься на нижнюю стенку. Если угол наклона участка ство­ ла к вертикали а, то сила, толкающая частицу весом G к стенке, определится как

на нижнюю стенку ствола. Как следует из работы [59], средняя скорость потока для перемещения частиц в

наклонном стволе при структурном режиме течения должна быть в 5—10 раз больше скорости падения частиц ѵч в жидкости, а сле­ довательно, средняя подача жидкости в наклонной скважине должна в несколько раз превосходить подачу в вертикальной, что в ряде случаев оказывается технически недостижимым. Чем боль­ ше диаметр скважины, тем больше должна быть подача для обеспечения перемещения частиц вдоль нижней стенки.

В главе II показано, что в процессе движения округлых частиц породы в градиентном слое потока они оказываются под воздей­ ствием силы Fn, стремящейся переместить частицу из зоны с вы­ сокими градиентами в зону с малыми градиентами, т. е. в цент­

181

ральную часть потока. Следовательно, при определенных условиях может установиться равновесие между величинами FІТ и Gv и ча­ стица будет двигаться на определенном удалении от стенки сква­ жины, не приближаясь к ней. Если представить, что частица сфе­ рическая, то величину Gv можно выразить как

6

Допустим, что частица движется в потоке глинистого раствора между концентричными трубами вдоль нижней стенки скважины. Величина поперечной силы Fn в градиентом слое у стенок может быть найдена с помощью выражения (II. 6). Приравняв выражения (VII. 1, а) и (II. 6), можно определить величину средней предель­ ной скорости Нпр, превышение которой исключит оседание частиц данного размера и формы на стенки наклонной скважины:

Если учесть, что размеры частиц шлама малы по сравнению с ра­ диусом скважины, то можно в знаменателе величиной d 4j2 прене­ бречь.

Тогда выражение (VII. 2) представится в виде

мывке глинистым раствором будет меньше, чем в случае промывки вязкой жидкостью, причем тем меньше, чем больше динамическое напряжение сдвига и меньше вязкость. На рис. 51 приведена зави­

182

из рис. 51, небольшие, в то же время величина скоростей для ис­ ключения выпадения частиц малых размеров довольно большая: гораздо трудней в рассматриваемых условиях исключить выпаде­

стицы шлама округлой формы из неустойчивого положения а над трубой в устойчивое а' под трубу, расположенную концентрично. Точки, а, Ь, с и т. д. отражают положение частицы через равные промежутки времени. Перемещение происходит под действием не­ уравновешенной составляющей силы тяжести С„.

На рис. 52, б представлена траектория движения частицы в за­ трубной пространстве при эксцентричном положении труб. В этом случае частицы стремятся занять устойчивое положение в самой низкой части щели. Таким образом, у нижней стенки ствола в на­ клонном участке скважины постоянно растет концентрация частиц породы, что вызывает рост вязкости жидкости в этих частях пото­ ка и замедляет здесь течение. Таким образом, для обеспечения очистки ствола необходимо всегда соблюдать условие (11.22). Од­ нако наличие в кольцевом зазоре центраторов, турбулизаторов, скребков будет вести к разрушению ядра потока и образованию вихрей, а в ряде случаев способствовать возникновению ранней турбулизации. Это может обусловить выпадение частиц из потока на стенки. Следовательно, поток должен обладать достаточной си­ лой, чтобы перемещать частицы различной формы по нижней стен­ ке ствола в условиях турбулентного течения.

Чтобы установить расчетную формулу для определения средней скорости потока, при которой достигается качественная очистка на­ клонного ствола, были проведены эксперименты на описанной в

183

главе II установке. В наклонном стволе было проделано несколько серий опытов. Исследовались закономерности падения частиц при отцентрированных трубках без потока и в потоке. Кроме того, ис­ следовался вынос частиц потоком при свободном расположении трубок с их вращением и без него. В качестве шлама использова­ лись те же частицы, что и в вертикальном стволе. Всего было про­ делано около 2500 опытов. Ствол при проведении опытов был от­ клонен от вертикали на 12°. Опыты, проведенные в наклонном ство­

U

а

Рис. 52. Динамика перемещения частиц породы к нижней стенке наклонного участка скважины.

ле при отсутствии потока, когда трубки были отцентрированы, по­ казали, что падение частиц происходит по тому же закону, что и при аналогичных условиях в вертикальном стволе (рис. 53), т. е. закономерности падения описываются тем же уравнением. Иначе говоря, наклон ствола скважины на 12° не оказывал влияния на величину скорости падения частицы в покоящейся жидкости гЯ .

Однако форма кривой K = f ( б) для наклонного ствола при иссле­ дованиях в потоке несколько изменилась по сравнению с аналогич­ ной кривой для вертикального ствола. Значение К, как видно из рис. 53, для частиц в величиной б>0,8 остается почти одинаковым с изменением 8. По-видимому, это связано с возможностью пере­ катывания частиц указанной формы по нижней стенке скважины, что облегчает их вынос, так как часть веса частиц передается при этом на стенку. Плоские же частицы с величиной б<0,8 в наклон­ ном стволе падали в потоке с теми же скоростями, что и в верти­ кальном, что следует из рис. 19 (кривая 1). Однако рассмотренный случай перемещения частиц по стволу на практике может быть лишь на участках, где трубы прижаты к верхней стенке скважины. Поскольку в большинстве случаев трубы располагаются на нижней

184

стенке, куда опускаются и частицы шлама, то большой практиче­ ский интерес представляло установить вид зависимости /( = /(6) для этого случая. На рис. 53 этому случаю соответствует линия 3'. Она описывается следующим уравнением:

Некоторый рост величины К в наклонном стволе по сравнению с вертикальным объясняется большим подклинивающим эффектом

Рис. 53. Экспериментальные зависимости /С=/(б) при падении частиц в модели скважины в покоящейся жидкости.

ру; 3' —свинцовые частицы в трубе диаметром 7,59 см с трубками по

частиц в серповидной щели. Степень подклинивания будет опреде­

ляться параметром — —— .

риков и плоских частиц с 6= 0,253. Для сферических и плоских ча­ стиц с 6= 0,253 эти зависимости описываются следующими выра­ жениями:

185

СІц

Кб 41,5 — 75 (VII.7)

Dr — dII

Учитывая, что сферические частицы шлама при бурении встре­ чаются редко, можно для практических расчетов принять некото­

пригодную для частиц различной формы.

В наклонном стволе изучалось также влияние вращения труб на скорость выноса частиц. Исследования в потоке при отцентрированных трубках, так же как и исследования в вертикальном стволе, не позволили установить влияние вращения труб на ско­

угловых скоростей со. Это отно­ сится как к сферическим, так и к плоским частицам. Однако при свободном вращении труб в мо­ дели влияние этого параметра ярко выражено для сферических частиц и незаметно для плоских. Влияние вращения трубок на вы­ нос частиц, как видно из рис. 21, аналогично случаю вертикально­ го положения модели, и зависи­

186

Если на основании расчетов при полученной скорости о" ока­

жется, что обобщенный критерий Re*<1600, то необходимо соблю­ дать условие (11.22). Если ствол скважины имеет наклонные уча­ стки, то потребную подачу жидкости следует определять согласно методике, изложенной в главе II, но с учетом формулы (VII.9).

Обеспечить качественную промывку ствола скважины перед це­ ментированием лишь за счет увеличения подачи не представляется возможным, если в процессе промывок не производить осевых пе­ ремещений и вращение колонны. Особенно эффективным должно быть осевое движение колонны с ее разгрузкой (в пределах рас­ чета) на забой, поскольку это обусловит возникновение на колонне продольных волн, исключит в ряде интервалов защемление шлама и разрушит застойные зоны. Таким образом, движение колонны и ее вращение следует рассматривать как обязательные технологи­ ческие операции перед цементированием и в процессе цементиро­ вания, а обсадные колонны и буровые установки должны рассчи­ тываться на возникающие при этом нагрузки.

Сопоставление выражений (VII. 9) и (11.32) при малых разме­ рах частиц показывает, что при прочих равных условиях средняя

в 1,7—1,2 раза больше, чем в вертикальной в зависимости от фор­ мы частиц. Чем меньше б, тем больше должно быть превышение скорости восходящего потока в наклонном стволе.

Формула (VII. 9) может быть применена и для расчетов вели­ чин ѵч, когда угол наклона меньше 12°. Но в этом случае необхо­ димо производить линейную интерполяцию результатов расчета по формулам (VII. 9) и (II. 32).

ОСЕВОЕ ДВИЖЕНИЕ ОБСАДНЫХ КОЛОНН

При осевых перемещениях колонны со скоростью ѵт величина абсолютной скорости потока в затрубной пространстве может быть выражена как

Q ± nvr R^

диусу колонны.

Величина гидравлических потерь в кольцевом пространстве приближенно может быть найдена по формуле Дарси — Вейсбаха:

* Знак «плюс» соответствует спуску колонны, «минус» — ее подъему.

187

Выталкивающая сила F, действующая на колонну с обратным клапаном в процессе ее перемещений, может быть найдена с уче­

за колонной, т. е. уж>Уж^ то это обусловливает возникновение сил плавучести F&, которые можно определить как

способствует также увеличению гидравлических сопротивлений до величин Арк, а следовательно, возрастает в процессе промывки и выталкивающая сила Fa.

Дополнительная величина давления Дрк, обусловленная нали­ чием муфт, может быть найдена в первом приближении с помощью формулы Бордо с поправкой [51]

где /ст — средняя длина труб в колонне; RM— наружный радиус муфты; Qa — расход жидкости в кольцевом зазоре с учетом дви­ жения труб

После подстановки выражения (VII. 16) в формулу (VII. 15) с уче­ том уравнения (VII.12) можно определить уточненную величину F:

(VII. 17)

188

Г Л AB Л VIII

МЕТОДЫ РАСЧЕТА

ЕИД РА ВJIИ ЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕЧЕНИЯ РАСТВОРОВ В СКВАЖИНЕ ПРИ ЦЕМЕНТИРОВАНИИ

РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

ЕИДРАВЛ И ЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СКВАЖИНЫ

Скважина как гидравлическая система имеет несколько основ­ ных гидравлических участков, каждый из которых, в свою очередь, состоит из отдельных элементов. Расположение участков и их эле­ ментов показано на расчетной схеме (рис. 56).

Первый гидравлический участок (манифольд)

К этому участку относится все, что входит в наземную обвязку агрегатов и устья скважины.

Зависимость потерь давления от расхода между устьем сква­ жины и тампонажными агрегатами приближенно может быть пред­ ставлена в виде

= (VIII. 1)

где А р — потери давления в кгс/см2; уж — удельный вес прокачи­ ваемой жидкости в гс/см3; q — расход в л/с; а — степенный пока­ затель (1,75—2); ах— переводной и поправочный коэффициент, определяемый опытным путем.

Если при цементировании скважины удельный вес тампонаж­ ного раствора больше, чем глинистого, то коэффициент ах можно ■определить по диаграммам расходов и давлений, получаемых с по­ мощью станции контроля цементирования типа СКЦ-2М.

.190