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

После того как под действием Собственного веса более тяже­ лый цементный раствор начинает двигаться ускоренно и на устье скважины образуется разрыв потока, давление, фиксируемое само­ писцем СКЦ-2М, есть давление по­ терь в наружной обвязке между датчиком давления и устьем сква­ жины.

Втабл. 14 приведены описанные

влитературе формулы и методы расчета потерь давления в трубах. В основном это полуэмпирические и теоретические формулы. Фор­ мулы Р. И. Шищенко и Б. И. Мительмана основаны на боль­ шом экспериментальном материале собственных исследований авторов.

Теоретически установлено [55], что при структурном режиметечения вязко-пластичных жидкостей по гладким трубам круглого сечения зависимость Я от критериев подобия имеет вид:

Re"

191

C f — коэффициент гидравлического со­

прел ИВЛСШІЯ

!£

CO

Б. И. Мительман [58J отмечает, что Я зависит от числа Рей­ нольдса Re, критерия пластичности U и относительной шерохова­ тости Л, т. е.

Тем не менее, в расчетной практике широко распространено представление Я как функции только одного, так называемого обобщенного критерия Рейнольдса Re*:

Обобщенный критерий Re*, в свою очередь, зависит от других параметров:

В работе [93] отмечается, что коэффициент гидравлического сопротивления Я зависит от реологических параметров р и то при течении растворов как в области квадратичного турбулентного ре­ жима, так и в области автомодельного, когда Я уже не зависит от

Re.

Установлено что, чем сильнее жидкость проявляет неньютонов­ ские свойства, тем меньше по абсолютной величине будут значения Я при равных числах Re. Поэтому предпочтение следует отдавать тем расчетным методам и формулам, которые учитывают зависи­ мость функции l = f(Re*) от реологических параметров жидкостей.

Замковые соединения бурильных труб. Анализ литературных материалов приводит к следующим выводам.

1. Зависимость потерь давления от расхода для замковых со­ единений в настоящее время еще не найдена.

2.Теоретическая формула Карно — Шумилова дает расхожде­ ния с экспериментальными данными в 2—3 раза и без поправоч­ ного коэффициента использоваться не может.

3.Величина поправочного коэффициента зависит от типоразме­ ра замка.

4.Расчет потерь давления в замках бурильных труб целесооб­ разно вести с использованием эмпирической формулы Б. И. Мительмана [58] с применением поправочных коэффициентов в за­ висимости от типоразмера бурильных труб:

194

как экспериментально они никем не определены, а теоретически рассчитать этот вид потерь еще более затруднительно, чем потери в замковых соединениях. Можно только предположить, что эти по­ тери будут составлять около 0,2—0,3 от величины потерь в на­ ружной обвязке устья скважины. В общем расчете эти потери сле­ дует учитывать, так как в настоящее время имеется тенденция к усложнению оборудования низа колонны. Вид зависимости потерь давления от расхода следует принять такой же, как и для обвязки устья скважины:

тельные потери — потери от местных сопротивлений: муфтовых со­ единений, центрирующих фонарей, скребков и т. п.

Процессы, происходящие на этом участке, представляют наи­ больший интерес, так как именно этот участок подлежит заполне­ нию тампонажным раствором. По вопросу течения растворов в кон­ центрическом пространстве имеется многочисленная литература. Однако работ, посвященных исследованию течения растворов кон­ кретно в условиях, подобных открытой части ствола скваж/ины, практически нет. Характерной особенностью этой части ствола яв­ ляется непрерывное изменение размеров и формы поверхности сте­ нок скважины. По данным М. А. Абдипова [1], в пяти экспери­ ментальных полупромышленных скважинах глубиной до 35 м на обследованной длине 6,5 м диаметр ствола непрерывно изменялся

скважинах составляла 10,8 см. Анализ кавернограмм различных скважин показывает, что только в сравнительно редких случаях можно выделить участки протяженностью более 5—10 м с незна­ чительным изменением диаметра. При рассмотрении профило­ грамм число таких участков сокращается еще больше. Поперечное сечение ствола скважины в ее открытой части не является правиль­ ным кругом. Диаметр и форма сечения непрерывно изменяются. Поэтому характер течения растворов здесь иной, чем при течении

вканалах с геометрически правильной формой.

Всвою очередь, изменение сечения канала приводит к перефор­ мированию эпюры скоростей по сечению потока при любом режиме

течения.

Таким образом, нужно исходить из того, что в условиях откры­ того ствола течение растворов происходит с непрерывным перефор-

т195

мировапием потока. Однако утверждать что-либо определенное об эпюре распределения скоростей без специальных экспериментов за­ труднительно. И. Г. Есьмап о потерях давления в условиях, подоб­ ных рассматриваемым, говорит, что источником потерь также мо­ жет служить изменение нормального распределения скоростей в поперечном сечении. Такое изменение сказывается двояким обра­ зом: во-первых, оно изменяет силу внутреннего трения между от­ дельными частицами и ее работу против той, которая имела место при подсчете и при экспериментальном наблюдении для нормаль­ ного распределения скоростей, соответствующих равномерному ре­ жиму; во-вторых, при изменении распределения скоростей меняется коэффициент Кариолиса.

Это подтверждается экспериментально. Так, Ф. А. Шевелев и В. Ф. Тольцман исследовали зависимость Â от Re для трех типов резиновых рукавов: 1) рукава, армированные внутри стальной спиралью, соприкасающейся с протекающей жидкостью; 2) не­ армированные и 3) армированные рукава со спиралью, заключен­ ной внутри резиновых стенок.

Основные выводы авторов следующие. При явно выраженной рубчатой поверхности отмечается квадратичный закон сопротивле­

Если неровности стенок имеют плавный характер, то Я зависит от Re и увеличивается по мере роста высоты выступов. Величина Я при этом увеличивается в 1,9—5,7 раза по сравнению с Я для глад­ ких труб. При незначительных нарушениях поверхности рукавов также наблюдается увеличение Я за счет неровностей, а по абсо­ лютной величине Я возрастает в 1,4—1,5 раза.

С точки зрения конструкции скважины этот вывод имеет боль­ шое практическое значение, так как уменьшение зазора может при­ вести к гораздо большим потерям давления, чем это следует из расчетов при независимости 7. от относительной шероховатости.

Увеличение коэффициента гидравлического сопротивления Я под влиянием неровностей поверхностей, образующих канал тече­ ния, изучалось многими специалистами-гидравликами [4, 90 и др.].

О течении тампонажных и глинистых растворов в каналах, по­ добных рассмотренным, можно сделать лишь предварительные вы­ воды.

1. Относительная макрошероховатость поверхности открытого ствола скважины больше, чем в рассмотренных случаях.

2. При течении тампонажных и глинистых растворов коэффи­ циент гидравлического сопротивления будет несколько меньше, чем при течении воды. Это снижение происходит за счет вязко-пла­ стичных свойств растворов, благодаря чему пограничный слой ока-

196

зывастся большей толщины и сильнее сглаживаются мелкие неров­ ности.

при турбулентном и ламинарном режимах можно лишь после про­ ведения специальных экспериментов.

Анализ формул для расчета потерь давления в кольцевых ка­ налах при течении вязко-пластичных жидкостей показывает, что большинство из них являются полуэмпиричсскнми, полученными в результате экспериментальных исследований. За немногими исклю­ чениями [55, 721, все исследователи стремились получить X как. функцию только одного параметра для последующего использова­ ния в уравнении Дарси — Венсбаха. В последние годы было дока­ зано [551, что коэффициент X для вязко-пластичных жидкостей ни при каких условиях не может быть выражен как функция только одного параметра.

Следующим объектом потерь давления в затрубном простран­ стве являются участки против муфтовых соединений. В литературе этот вопрос освещен мало и только для концентричных пространств (труба в трубе). Общая величина потерь от этого вида сопротив­ лений незначительна, и в первом приближении можно воспользо­ ваться формулой Карно — Борда с поправочным коэффициентом, равным 2.

Кроме муфтовых соединений дополнительные потери могут воз­ никать в центрирующих фонарях. Однако в настоящее время число фонарей на колонне редко превышает 20 шт. В тех случаях, когда число фонарей будет достигать 150—200 шт., вносимые ими потери следует учитывать по гидравлическим характеристикам, снятым в стендовых условиях.

Расчетные формулы для всего третьего участка при составле­ нии расчетных методик могут быть взяты те же, что и для расчета в концентрических гладких трубах.

Четвертый гидравлический участок (межтрубное пространство)

Этот участок представляет собой кольцеобразный канал тече­ ния, в котором наружной поверхностью является внутренняя часть предыдущей колонны, а внутренней частью — наружная поверх­ ность колонны обсадных или бурильных труб.

Общий анализ всех расчетных формул (табл. 15) показывает, что наибольшая точность расчета может быть получена для лами­ нарного режима.

При турбулентном режиме, когда X становится независимой от

Re', из предлагаемых значений А = const = 0,032; 0,024; 0,021; 0,018

наиболее вероятным значением будет, по-видимому, 0,021.

197

соCO

200

Исследования зависимостей 7. от Re', проведенные непосредст­ венно на буровой, очень малочисленны. В той области турбулент­

для степенной реологической зависимости в литературе освещены слабо. В основном используются те же формулы, что и для расче­ та потерь в трубах, но вместо гидравлического диаметра исполь­ зуется эквивалентный диаметр

d3 = DH— dBH. (VIII.8)

В отдельных случаях вводится поправка для учета эксцентриче­ ского расположения колонн.

Потери от муфтовых соединений в гладких концентричных тру­ бах в настоящее время рассчитываются по видоизмененной форму­ ле Карно — Борда с применением поправочного коэффициента, примерно равного 2. Этот вопрос разработан меньше, чем осталь­ ные.

В качестве расчетной в дальнейшем нами используется формула Карно — Борда — Шумилова.

АЛГОРИТМЫ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

НА ЭЦВМ «МИНСК-22»

Приведенный выше анализ формул для расчета параметров те­ чения тампонажных и глинистых растворов на различных участках гидравлической системы скважины показывает, что наибольшее число работ относится к расчету течения растворов в трубах и гладких концентричных каналах. Все рассмотренные нами расчет­ ные формулы дают значительную погрешность. Кроме того, многие важные вопросы гидравлики цементирования скважин разработаны пока весьма слабо.

Имеющиеся методы расчета процесса цементирования отража­ ют только отдельные вопросы (расчет объемов в затрубном про­ странстве, гидростатических давлений и потребного количества агрегатов) или являются слишком упрощенными, не обеспечиваю­ щими необходимой точности расчета.

В связи с этим нами предпринята попытка из имеющихся рас­ четных формул и исследований по гидравлике цементирования со­ ставить несколько расчетных методик и выбрать наиболее удовлет­ ворительную из них. Следует отметить, что любая методика, со­ ставленная из приближенных расчетных формул, даже после ее корректировки путем сопоставления расчетных и фактических дан­ ных будет приближенной, с ограниченной областью применения.

Вполне очевидно, что из имеющихся формул можно скомбини­ ровать большое число расчетных методик, проверить которые прак­

201

тически невозможно. Поэтому при составлении расчетных методик нами преследовались следующие цели.

1.Определить, насколько простой может быть расчетная мето­ дика, отвечающая требованиям расчета параметров цементирова­ ния.

2.Что вообще должно учитываться расчетной методикой, чтобы она давала максимально возможную точность.

3.Количественно сопоставить одинаковые по структуре мето­ дики, в которых для расчета линейных потерь давления использу­ ются расчетные формулы, выведенные, исходя из различных рео­ логических моделей растворов.

4.Подобрать методику, дающую удовлетворительную точность при сравнительно небольшом объеме вычислительных работ.

Всоответствии с поставленными целями составлены расчетные методики трех степеней сложности. Составлять большое число ме­

тодик нецелесообразно, так как учет одного-двух второстепенных

факторов не окажет существенного влияния па точность расчета в целом.

Изложенные ниже расчетные методики отличаются между со­ бой, главным образом, количеством учитываемых ими второстепен­ ных факторов и лишь частично наборами расчетных формул и по­ следовательностью самого расчета.

Расчетные методики, в которых используются формулы, выве­ денные для степенной реологической зависимости, имеют четные номера и строго соответствуют структуре предшествующей нечет­ ной методики.

Ввиду значительного объема вычислительных работ при расче­ тах по любой из методик и статистической обработки результатов просчетов использование ЭВМ оказалось совершенно необходи­ мым. Предшествующий опыт показал, что мощность ЭВМ типа «Напри» или «Раздан-2» оказывается для этих целей недостаточ­ ной. Нами использовалась ЭЦВМ «Минск-22».

Рабочие программы по каждой из расчетных методик состав­ лялись в соответствии с функциональными блок-схемами.

Объем вводимой информации для расчетов по самым про­

стым методикам и по самым сложным остается практически одинаковым.

Для расчета по сложным методикам (№ 5 и 6) объем вводимой информации примерно на 15—20% больше. Эта разница возникает только за счет более полного описания реологических свойств ра­ створов, используемых при цементировании.

Потери давления в таких элементах, как замковые и муфтовые соединения, наружная обвязка устья и оборудование низа колонны, мало зависят от степени неньютоновских свойств жидкостей и оп­ ределяются в основном расходом и удельным весом жидкостей, протекающих через эти соединения. Более точно учесть потери это го рода не представляется возможным ввиду их недостаточной изу­ ченности. Потери давления, возникающие при любых изменениях

202