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

тяжками и посадками бурильного инструмента, длительными проработками ствола скважины и недоходами долот и обсадных колонн до забоя [61]. В то же время можно привести много при­ меров, когда структурный поток обеспечивал нормальную очистку ствола скважины, и даже привести примеры, когда именно струк­ турный режим обеспечивал возможность вести бурение успешно [78]; более того, очень часто сравнительно нормальное состояние ствола скважин отмечается при довольно низких скоростях вос­ ходящего потока промывочной жидкости. Все это говорит о том, что вопросы поддержания ствола скважины в хорошем состоянии при осложненных условиях бурения являются довольно сложными и далеко еще нерешенными и что выбор того или иного режима течения восходящего потока промывочной жидкости в кольцевом пространстве ѵп и Q должен осуществляться применительно к кон­ кретным условиям бурения с учетом ряда факторов.

Преимущества структурного режима течения заключаются в следующем:

1) низкие скорости падения частиц шлама из-за сильного влия­ ния вязкости и динамического напряжения сдвига;

2)для выноса шлама требуются малые Q, что создает условия для применения гидромониторных долот;

3)предотвращается смыв фильтрационных корок со стенок сква­ жины, в результате чего уменьшается поступление фильтрата про­ мывочной жидкости в проходимые породы;

4)исключается размыв слабоустойчивых горных пород на стен­ ках скважины;

5)создаются лучшие условия для выноса частиц шлама округ­ лой формы.

Основными преимуществами турбулентного потока являются: 1) промывочная жидкость поднимается сплошным потоком по всему кольцевому пространству, вследствие чего в этом простран­ стве не образуются застойные зоны — очаги накопления шлама;

2)лучшие условия для выноса частиц различной формы, осо­ бенно больших размеров;

3)промывка наклонных участков лучше, вследствие больших величин поперечных сил, способствующих взмыву осевших на нижнюю стенку частиц шлама;

4)средняя скорость выноса частиц значительно выше, что уменьшает время пребывания шлама в стволе скважины, он в. меньшей степени диспергирует и меньше влияет на качество про­ мывочной жидкости.

Главным недостатком турбулентного режима является труд­

ность его обеспечения при современной технической оснащенности буровых установок. Кроме того, повышенные подачи промывочной жидкости вызывают предельную загрузку буровых насосов, ис­ ключающую возможность использования гидромониторных долот, могут приводить к смыву глинистой корки, размыву и осыпанию породы на стенках скважины, к кавернообразованию.

61

К основным недостаткам структурного режима следует отне­ сти затруднения с транспортированием частиц плоскоіі формы (необходимость соблюдения условия т0>тоир), большую длитель­ ность подъема частиц, обусловливающую их пептизацию и дис­ пергирование, что затрудняет очистку промывочной жидкости и ухудшает ее структурно-механические свойства, а также слабую устойчивость этого режима.

Наличие неровностей на бурильной колонне в виде замков, рас­ ширителей, резиновых колец, отклонения оси бурильной колонны от оси скважины, вращение бурильной колонны разрушают струк­ туру потока, вызывая раннюю турбулизацию его в результате местных увеличений градиентов скоростей и снижения эффектив­ ной вязкости промывочной жидкости. Неустойчивость структурного режима служит одной из причин указанного выше парадокса, возникающего при сопоставлении теории с многолетней практи­ кой бурения скважин — чрезвычайно малые скорости падения ча­ стиц при структурном режиме и стремление производственников осуществлять промывку скважин при турбулентном течении вос­ ходящего потока.

Возникновение участков местной турбулизации ведет к созда­ нию условий для падения частиц с турбулентным обтеканием, при котором происходит резкое увеличение скорости падения (см. табл. 9); частицы могут скапливаться над участками турбулиза­ ции и создавать опасность сальникообразований.

Таким образом, сказанное выше приводит к заключению о не­ обходимости при проектировании промывки скважин брать во внимание турбулентное обтекание падающих в промывочной жидкости частиц бурового шлама. Однако вместе с этим выводом возникает вопрос, какой формуле следует отдать предпочтение при определении ш,?

Как отмечалось выше, согласно данным К. Уильямса, скорость падения частиц в жидкости сильно зависит от положения плоской частицы в потоке и параметра ее сплюснутости б; величина коэф­ фициента К может меняться в 13 раз в зависимости от положения частицы. В то же время результаты расчетов по формулам Холла и Пиготта близко совпадают с результатами, полученными по фор­ муле Уильямса при 6= 0,6 (табл. 9). Следовательно, или частицы в экспериментах X. Холла и в опытах Р. Пиготта имели б указанной величины, или степень сплюснутости частицы не оказывает того влияния на ѵч, которое вытекает из формул Уильямса. Поэтому было решено провести специальные эксперименты с целью выяс­ нения этого вопроса. Эксперименты были выполнены [81] с мак­ симальным соблюдением основных положений теории подобия. В качестве основного критерия использовался параметр Рейнольд­ са Re для потока и Re.i для частиц. Принципиальная схема уста­ новки приведена на рис. 17.

Скважина моделировалась трубой длиной 18 м и внутренним диаметром DCKв = 75,9 мм, бурильная колонна — трубой длиной

€2

17.5 м и наружным диаметром dJI = 26,8 мм. В качестве промывоч­ ной жидкости использовалась вода, которая подавалась в коль­ цевое пространство снизу и выходила из него через воронку с сет-

Рис. 17. Принципиальная схема экспериментальной уста­ новки.

кой в сточную трубу, соединенную с приемной емкостью насоса. Частицы подавались в восходящий поток практически мгновенно с помощью специально сконструированного механизма. Последний располагался выше ввода воды на расстоянии 70 (DCKB—d„), что устраняло влияние концевых эффектов. Шлам моделировался ча­ стицами из алюминия (шарики диаметром 2,0; 3,0; 4,0; 6,0 мм и

63

диски из них) и свинца (шарики диаметром 2,5; 2,8; 3,2; 3,8; 4,0; 4,5; 6,0; 8,0 мм и диски из них). Диски имели параметр сплюсну­ тости 6= 0,11; 0,253;,0,433.

Эксперименты по изучению закономерностей движения частиц в кольцевом зазоре модели велись только при турбулентном режи­ ме течения (8000<Re<80 000), а следовательно, режим обтекания частиц в этих условиях был только турбулентным. Скорость вое-

модели скважины.

ходящего потока жидкости изменялась в пределах 0,2—2,1 м/с. В вертикальном стволе с частицами различной формы было прове­ дено около 2500 опытов как в потоке, так и в покоящейся жидко­ сти. На рис. 18 представлены результаты экспериментов в виде

зависимостей коэффициента К от где d4— эквивалентный диа­

метр частицы и D — гидравлический диаметр канала (для коль­ цевого зазора D = Dскв — dH, а для труб D = DCKB). Величина К вычислялась по формуле

Скорость падения частиц в потоке устанавливалась по времени движения частиц от места ввода их до сетки у выхода из модели.

Эксперименты в покоящейся жидкости проводились также с частицами различной формы. Момент их касания забоя модели определялся по звуку с помощью мембраны, установленной внизу трубы. Звук улавливался микрофоном и поступал на усилитель низкой частоты. Падение частиц в покоящейся жидкости изуча-

64

лось в трубах с внутренним диаметром 40,3 мм и длиной 18,3 м и с внутренним диаметром 75,9 мм и длиной 17,5 м. Были проведены также опыты в покоящейся жидкости, расположенной в кольцевом

Л. П. Шумиловым [99], проводившим опыты при отцентриро­ ванных трубках, имеет несколько отличный от наших зависимостей характер. Вероятно, это связано с малой длиной модели и с малым размером частиц, с которыми он проводил исследования. Хоро­ шее совпадение зависимости Л. П. Шумилова с нашими данными

Исследования в вертикальной модели показали, что влияние стенок скважины на скорость падения частиц не зависит от формы частиц, формы поперечного сечения скважины и наличия или от­ сутствия течения жидкости. В общем виде зависимость между К

и — может быть представлена в виде

1)с увеличением б линейно возрастает К, а следовательно, и скорость падения частиц;

2)при эксцентричном расположении труб в скважине вынос сферических частиц хуже, чем при центрированном, это связано с заклиниванием шариков в серповидной щели, образующейся при расположении труб у стенки модели;

3)положение труб в скважине не оказывает влияния на ско­ рость падения частиц, у которых б<0,5.

Хотя сферических частиц в натурном шламе практически нет, тем не менее, влияние расположения труб па величину Кь следует учитывать. Поэтому за основную примем графическую зависи­ мость 2; тогда

В результате обобщения экспериментальных данных получена следующая зависимость для определения скорости падения частиц в восходящем турбулентном потоке вертикальной скважины.

скорость падения частиц непосредственно в потоке, то любое пре­ вышение средней скорости турбулентного потока ѵп над величиной

скоростей падения частиц в потоке имеет тот существенный недо­ статок, что графические зависимости даны для сферических частиц Е для каких-то частиц неопределенной формы, хотя в опытах использовались вполне конкретные частицы.

Хотя зависимость (II.32) была получена при максимальном уподоблении процесса промывки на модели с натурным, тем не менее, она требовала проверки. С этой целью на скв. 179 (участок Западный Гудермес, объединение Грознефть) при забое 3747 м были проведены специальные исследования, включающие опре­ деление всех параметров глинистого раствора и установление с к о ­ рости падения частиц бурового шлама. После спуска долота до забоя была начата промывка без вращения инструмента. Подача двух насосов составляла 35 л/с, что при диаметрах скважины и бурильных труб, соответственно равных 295 мм и 141 мм, обеспе-

«5

чпвало скорость восходящего потока, равную 0,65 м/с. Спустя 2,5 ч после начала промывки из скважины стало выходить боль­ шое количество крупного шлама, заполнившего все сита. Зная средний эквивалентный диаметр выносимого шлама (равный 4,0 см

Рис. 20. Динамика изменения концентрации бурового шлама в глинистом растворе в про­ цессе промывки скважины после очередного спуска бурильной колонны.

среднюю скорость падения частиц в потоке, которая составила 0,21 м/с, т. е. при данной скорости потока частицы должны выйти из скважины через 2,4 ч. Как видно, получилось хорошее совпаде­ ние расчетных и фактических данных.

Следующая проверка зависимости (11.32) была проведена на буровой 43 Гойт-Корт того же объединения. После спуска инстру­ мента на забой (глубина скважины 2970 м) была начата промыв­ ка. В процессе промывки через каждые 5—10 мин мерной кружкой отбирали раствор из желоба у устья и определяли процентное со­ держание шлама в растворе. На рис. 20 приведен график измене­ ния процентного содержания шлама в глинистом растворе от вре-

* Величина б определялась по методике, описанной ниже.

3* S7

мели промывки. Как видно из этого рисунка, скважина очистилась от шлама, т. е. вышли па поверхность последние, самые крупные частицы шлама, через 1,75 ч. В течение первых 55 мин работал один насос, обеспечивающий среднюю скорость потока за тру­ бами, равную 0,6 м/с, а затем был пущен в работу второй насос, что увеличило значение і>„ до’ 1,1 м/с. Исходя из фактических зна­ чений у,к=1,45 гс/см3, с/,, = 15 мм и 6= 0,45, согласно выражению (11.32), получим, что средняя скорость падения частиц составляет 0,37 м/с (/7(4,15 = 269 мм, аф=146 мм). В результате расчетов оказалось, что скважина должна была очиститься от шлама через 1,59 ч. И здесь, как видно, совпадение расчетного значения с фак­ тическим значением времени очистки находится в пределах точ­ ности, достаточной для практики.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПАДЕНИЯ ЧАСТИЦ В ЖИДКОСТИ ПРИ ВРАЩЕНИИ В НЕЙ ТРУБ

Особенности движения частиц шлама в кольцевом зазоре сква­ жины при роторном бурении следующие:

1) вращение соосно расположенных труб ведет к перемещению частиц шлама к стенкам скважины. Это явление не исключено и

винтервалах каверн;

2)вращение труб одновременно вокруг оси скважины и вокруг

собственной оси способствует интенсивному перемешиванию потока с частицами и улучшает условия выноса последних. В этом случае

Впервые влияние вращения труб на вынос частиц породы было изучено А. С. Денисовым [36]. Он установил, что вращение поло­ жительно сказывается на удержании частиц во взвешенном со­ стоянии. Так, при вращении труб со скоростью 88 об/мин скорость падения частиц антрацита и магнезита размерами соответственно 0,295—0,7 мм и 0,295—0,417 мм уменьшалась на 61,5%, а скорость

на 130% по сравнению со скоростью выноса при отсутствии вра­ щения труб. Вероятно, это можно частично объяснить отбрасыва­ нием частиц к стенкам модели скважины и задержками их там. Отметим, что трубы в опытах А. С. Денисова не были отцентри­ рованы, что осложняло картину их движения и затрудняло полу­ чение зависимостей для определения величины ѵч с учетом вра­ щения.

68

Вдальнейшем Д. 3. Лозинским теоретически был рассмотрен вопрос о движении пластинки во вращающемся потоке. Он дока­ зал, что о,, снижается с увеличением скорости вращения. Однако он не объяснил причины снижения скорости выноса частиц, наблю­ даемого А. С. Денисовым при вращении труб. При решении задачи Д. 3. Лозинский не учел закон распределения скоростей в коль­ цевом пространстве, угловую скорость движения жидкости он при­ нимал равной скорости вращения груб. Кроме того, Д. 3. Лозин­ ский не учитывал возможности вращения пластинки вокруг своей оси в таком потоке и не принимал во внимание центробежные силы, способные перемещать частицы к стенке скважины, в об­ ласть малых скоростей.

Вдальнейшем исследования с вращением бурильной колонны

проводил К. Уильямс [111]. Им было установлено, что вращение труб значительно улучшает выносную способность потока, особен­ но при структурном режиме течения. К. Уильямс считает, что основной причиной этого является возникновение турбулизании потока и оттеснение частиц в область с высокой скоростью потока. Однако им же было установлено, что положительное влияние вращения сказывается лишь до определенной скорости вращения. Так, в скважине диаметром 194 мм, в которой проводились опыты при вращении 73-мм бурильной колонны, изменение скорости вра­ щения колонны до 35 об/мин влияло на выносную способность потока, а выше — не имело значения. Как видно, это противоречит данным Д. 3. Лозинского, согласно которым подъемная сила струи растет пропорционально угловой скорости потока.

Е. Г. Леоновым были проведены исследования с целью установ­ ления зависимости между линейной скоростью вращения инстру­ мента у„, аксиальной скоростью восходящего потока ип и критиче­ ской скоростью витания частиц с*р в аксиальном потоке. Опыты

были проведены лишь для шариков. Полученная зависимость имеет следующий вид:

размера частиц, отношения их размера к величине зазора, кон­ центрации частиц, их взаимодействия, а также от распределения скоростей в кольцевом зазоре.

Однако величина пс автором была найдена лишь для частного случая, что ограничивает возможность применения предлагаемой формулы (опыты проводились в воде при значениях Re=103—

5-10* и только при одном значении отношения ——=0,8, в то время

Д ж в

как на практике это отношение иногда достигает величины 0,3).

69

В работе [81] частично освещены некоторые результаты иссле­ дований на описанной выше установке.

Угловая скорость вращения труб со выбиралась таким образом, чтобы максимально сохранить подобие вращения бурильной ко­ лонны в скважине [84]. При этом соблюдалось условие, чтобы величины критерия Тейлора

в практике бурения. Число Те, определяющее подобие вращающе­

493-ІО2, а минимальное — не ниже 2,7-ІО2, то в опытах был охва­ чен довольно широкий диапазон изменения указанного критерия. К тому же следует учесть, что при промывке глинистым раствором величина Те будет всегда ниже ввиду больших значений его вяз­ кости.

В первой серии опытов трубки в модели скважины были от­ центрированы, а во второй — свободны. Центровка трубок осущест­

с наружной трубой при вращении их со скоростью до 2000 об/мин. Центратор представлял собой кольцо толщиной 3 мм с вверну­ тыми в него под углом 120° тремя 4-мм стержнями. При вращении труб проворачивание центраторов исключалось специально преду­

смотренным приспособлением.

Поскольку исследования велись только в турбулентном потоке, была выявлена возможность установления зависимости между ве­

ной скорости вращения наружной поверхности труб к осевой ско­ рости потока и являющийся отношением критерия Тейлора в упро­ щенном виде Ru [84] к критерию Re. Если на практике величина этого коэффициента изменяется в пределах от 0 до 1,12, то опыты были проведены при значениях его 0—0,75.

Первая серия экспериментов была проведена при отцентриро­

70