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

В наших опытах при значениях — <0,75, близких к условиям

ѵп

роторного бурения, роль центробежных сил была ничтожно мала, а поэтому влияние со на величину ѵч не было замечено. Поскольку положительное влияние вращения труб па ѵч в практике бурения установлено давно, то, по всей видимости, следует искать другие причины, обусловливающие это явление. Вполне возможно, что уменьшение значений ѵч при вращении труб связано с характером свободного вращения колонны труб при бурении, когда па колонне образуются различного типа пространственные волны. Теория моделирования свободно вращающейся бурильной колонны в ее растянутом участке подробно рассмотрена в работе [84], в которой показано, что скорость вращения трубок па модели сом должна определяться нз выражения

С увеличением со диапазон разброса сокращается. Для сфери­ ческих частиц ускорение вращения, как видно, снижает величину коэффициента К, а следовательно, и ѵч. Это, видимо, объясняется отбрасыванием шариков от стенок с помощью трубок в связи с интенсивным перемешиванием жидкости. Вполне реально и воз­ никновение вертикального вихря, отсасывающего частицы в центр потока за счет взвешивающей силы [4]. Полученная для ша­ риков зависимость, показанная на рис. 21, описывается уравне­ нием вида

Что касается влияния вращения па величину К для плоских частиц, то оно не было установлено, несмотря на большой, диапа­

зон изменения ——. Даже, наоборот, судя по рис. 21, заметно

ѴП

некоторое увеличение Л при малых величинах---- , что, возможно,

связано с продольными воронками в потоке и центробежными силами, переворачивающими плоские частицы на ребро и снижаю­ щими этим самым эффект вращения.

72

Довольно наглядно влияние вращения на вынос частиц пока­ зано па рис. 22 II 23, где представлены зависимости степени выноса частиц из .модели от времени промывки с вращением и без вра­ щения трубок.

= 1,04 и" происходил вынос частиц, при отсутствии вращения вы­ носа практически не было.

другая цифра на кривой показывает скорость вращения трубок в об/мин.

С увеличением же ѵ„ выше значений (1,82—2,0) и" влияние

вращения фактически отсутствует. В этом случае происходит почти одновременный вынос частиц и без вращения. Таким образом, влияние свободного вращения труб сводится в основном к интен­ сивному перемешиванию потока и предотвращению остановки ча­ стиц у стенок скважины, что способствует их одновременному выносу из кольцевого зазора.

Ѵп

обладает достаточной силой, чтобы обеспечивать одновременный вынос частиц, а это улучшает очистку по сравнению с отсутствием вращения труб.

73

г

Как показал анализ полученных данных, скорость восходящего потока должна быть не меньше значения ѵч, определенною по формуле (11.32) для самых крупных частиц шлама. В противном случае, как видно из рис. 22 и 23, трудно обеспечить 100%-ный вынос частиц, несмотря на большие значения со. Естественно, если трудно при бурении достичь расчетного значения ѵц, то вращение труб улучшит состояние ствола и очистку как за счет ускорения выноса округлых частиц, так и за счет дробления плоских. Как

Рис. 23. Влияние скорости вращения свободных трубок на степень уда­ ления алюминиевых дисков (6 = 0,253) из модели скважины. Обозначения те же, что на рис. 22.

показали опыты, свободное вращение трубок приводит к измене­

нию формы частиц, особенно при больших значениях ——, обычно

при этом уменьшается величина 6. Учитывая практическое отсут­ ствие сферических частиц в шламе, а также отсутствие влияния вращения на закономерности движения плоских частиц, перепи­ шем зависимость (11.36) в следующем виде, осреднив коэффици-

(ädH

ент перед —— до 12:

С учетом выражения (11.37) формула (11.32) запишется сле­ дующим образом:

ѵч — [ 38 (0,58 4- б) — 35

(11.38)

74

МЕТОДИКА УЧЕТА ФОРМЫ ЧАСТИЦ БУРОВОГО ШЛАМА ПРИ РАСЧЕТАХ

Несомненно, что форма и размер частиц шлама являются от­ правным пунктом при расчетах промывки скважины. Однако этому вопросу стали уделять большое внимание лишь в последние годы [55 и др.]. Одни авторы [111] считают, что частицы имеют пла­ стинчатую форму, другие утверждают, что при бурении образуются частицы в виде октаэдров, третьи доказывают, что они имеют чече­ вицеобразную форму.

Тем не менее, до настоящего времени пет единой методики для установления определяющих параметров формы частиц буро­ вого шлама.

К. Уильямс [111] считает возможным при расчетах скоростей падения частиц шлама учитывать их форму с помощью парамет­ ра б, характеризующего степень сплюснутости частиц и определяе­

ограничивающей площадь, равную по величине площади макси­ мального миделева сечения частицы. Это связано с тем, что рав­ номерное падение всех частиц происходит в таком положении, при котором достигаются минимальные затраты энергии, а они обычно связаны с малой скоростью движения частиц. Поэтому любая пло­ ская частица разворачивается при падении так, чтобы плоскость ее максимального миделева сечения располагалась горизонтально. Назовем эквивалентным диаметром максимального миделева сечения. Величина б может изменяться в широких пределах от величин, близких к единице у частиц объемной многогранной формы, до значений, близких к нулю в случае частиц пластинчатой формы.

Поскольку К. Уильямс не предлагает метода установления ве­ личины б для частиц натурного шлама, попытаемся дать такую методику, позволяющую определять эту величину с точностью, достаточной для практических расчетов.

Изучение шлама, отобранного при бурении на различных пло­ щадях Чечено-Ингушетии, показало, что форма частиц его весьма различна. Но как ни разнообразна форма частиц шлама, ее всегда в какой-то мере можно уподобить определенной геометрической фигуре.

При этом следует помнить, что все мелкие шероховатости и уг­ лубления на поверхности частицы в процессе ее обтекания запол­ няются жидкостью [31], образующей неподвижный слой. Это при­ дает частицам большую обтекаемость.

75

Для любой фракции частиц с небольшой погрешностью можно записать, что

В общем виде объем частицы Ѵ'ч любой формы можно выра­ зить как:

а (d?)*

Как показал анализ бурового шлама, количество частиц поро­ ды в нем в виде многогранников, призм и пирамид, которые могут быть мысленно заменены (при условии t = const) соответствующи­ ми им разнообъемпыми круглыми телами: сферой, диском* и кону­ сом, в общей массе шлама примерно одинаковое. Это позволяет принять величину а в формуле (11.42), равной средней арифме­ тической значений, приведенных *в табл. 11, т.е. а = 0,523. При таком значении а параметр б, согласно выражению (II.42), харак­ теризует отношение фактического объема частицы шлама к объему сферы диаметром dzK В формулах (11.42) и (II.41) величина

может быть выражена как

* Под диском в дальнейшем будем понимать цилиндр с малой высотой 1-

76

При наличии в шламе частиц с явно выраженной продолгова­ той формой, количество которых в общей массе шлама обычно не превышает 25%, результаты расчета, полученные согласно выра­ жению (11.42), будут несколько завышены. Это обусловлено тем, что продолговатые частицы имеют, как правило, d<i>D,, а в

d 7

связи с этим отношение------->1. Величина этого отношения завнДУр

сит от степени вытянутости частиц Кч и, как показали данные на­ блюдений и ориентировочные расчеты, не превышает значений 1,1. Учесть вытянутость формы частиц шлама в каждом конкретном случае практически можно, по не совсем удобно. В расчетах мож­ но определять по формуле (11.43). Некоторое завышение,

получаемое в этом случае при использовании зависимости (11.42), ведет к определенному завышению расчетного расхода жидкости и обеспечит некоторый запас подачи промывочного агента в сква­ жину.

Итак, зная число частиц, оставшихся на сите после отсеивания, и их суммарный объем, можно найти средний объем одной части­

при проходке отложений верхнего мела.

77

Менее точно величина cL{ может быть найдена по формуле

78

Поскольку на форму частиц шлама влияет ряд факторов, а именно: геологическое строение района, тип применяемых долог, параметры режима бурения и другие, характеризующих условия и опыт бурения в данном районе, величину б нужно искать в каж­ дом конкретном случае, применительно к рассматриваемому райо­ ну бурения, к данному литолого-стратиграфическому горизонту.

Чтобы верно спроектировать режим промывки скважины, не­ обходимо знать состояние промывки призабойной зоны, так как в ней может скапливаться большое количество крупных частиц поро­ ды, образовавшихся на забое, а также осыпавшихся со стенок скважины. Из скважины всегда выносятся лишь те частицы, которые могут быть подняты при данном режиме промывки, и су­ дить по ним о качестве промывки забоя и ствола скважины нельзя. Если ствол скважины устойчив, то в этом случае может возник­ нуть реальная возможность снизить подачу жидкости и использо­ вать в процессе бурения гидромониторные долота.

На рис. 25 приведена конструкция забойного шламоуловителя,

глч, СМ/С

■^скд йц

Рис. 26. Номограмма для определения скорости падения частиц в потоке в вертикальной скважине.

£»скв- d n

=0,8; ѵч =0,22 м/с.

t'n

79

устанавливаемого над утяжеленными трубами и позволяющего отбирать шлам непосредственно в скважине. Предлагаемая конст­ рукция позволяет отбирать шлам в любом участке ствола скважи­ ны и исключает засорение шламоуловителя осыпающимися облом­ ками породы при спуске и подъеме труб. Это дает возможность избежать дезинформации о качестве промывки скважины. Полость шламоуловителя при спуске закрыта завинчивающейся на левой ленточной резьбе крышкой. Пружина при завинчивании крышки на поверхности сжимается. После спуска инструмента вращение его перед бурением ведет к отвинчиванию крышки и отбрасыванию по­ следней вверх, после чего она начинает выполнять функцию цент­ ратора. Подъем инструмента после прекращения бурения ведет к срезу шпилек в упорном кольце и опусканию крышки-центратора в седло шламоприемной трубы; шламоуловитель поднимается в за­ крытом виде.

Зная эквивалентный диаметр бурового шлама и параметр б его частиц, по формуле (И.38) можно определить ѵч. Для облегче­ ния расчетов предлагаем пользоваться номограммой, приведенной на рис. 26.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СОВЕРШЕННОЙ ОЧИСТКИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ

Под совершенной очисткой ствола скважины следует понимать такую очистку, при которой в процессе проводки скважины отсут­

связанные с загрязнением скважины шламом. Для получения со­ вершенной чистоты ствола скважины необходимо правильно вы­ брать режим промывки. Нормирование расхода промывочной жид­ кости является довольно сложной задачей, поскольку это связано со многими факторами, в частности с величиной и формой бурового шлама, зависящих от ряда указанных выше факторов.

Расход жидкости для обеспечения совершенной очистки ствола при бурении в условиях отсутствия обвалов и осыпей должен вы­ бираться с учетом размера и формы частиц, образующихся на

Потребный расход промывочной жидкости (л/с) для совершен­

в которой FK— площадь поперечного сечения кольцевого простран­ ства в см2; ѵпп — требуемая скорость восходящего потока промы­ вочной жидкости для обеспечения совершенной очистки ствола скважины в м/с.

80