технология бурения 2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Опишем предельное состояние равновесия между внешней силой, выталкивающей жидкость из скважины, диаметром D, длиной Н и силами сопротивления, препятствующими такому выталкиванию:

Следовательно, только в том случае, если рпл превысит на величину (πНθ/D) гидростатическое давление столба бурового раствора, скважина начнет «проявлять».

9.2.4. Гидростатическое давление тиксотропной суспензии

Суспензия считается тиксотропной, если при оставлении её в покое в ней наблюдается рост СНС, приводящий к замедлению, а затем и к прекращению оседания твёрдой фазы. Плотность суспензии зависит от объём-

Если сразу после оставления жидкости в покое СНС ещё достаточно мало и все частицы твёрдой фазы оседают, гидростатическое давление бу-

где p0 – атмосферное давление.

Если с ростом СНС часть частичек твёрдой фазы перестанет оседать, они уже не будут участвовать в создании давления. Естественно, что при этом гидростатическое давление в суспензии станет меньше.

Когда вследствие дальнейшего роста СНС вся твёрдая фаза перестанет оседать, давление будет создаваться лишь жидкой фазой

График изменения гидростатического давления тиксотропной суспензии показан на рисунке 9.15.

Темп падения давления зависит от темпа роста СНС и фракционного состава твёрдой фазы.

Очевидно, что такое изменение гидростатического давления тиксотропных жидкостей, а к ним относится большая часть буровых растворов, должно учитываться при строительстве скважин.

19

99

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

pc

P1

P2

t

Рис. 9.15. Изменение гидростатического давления покоящейся тиксотропной суспензии во времени p1 = p0 + ρc gH ; p2 = p0 + ρж gH

Если давление столба жидкой фазы бурового раствора меньше пластового, то при оставлении раствора в покое падение гидростатического давления из-за тиксотропного упрочнения структуры раствора может привести к поступлению в ствол скважины пластовых флюидов (проявлению). Для предотвращения этого необходимо время от времени прерывать процесс тиксотропного упрочнения структуры каким-либо механическим воздействием, путём, например, вращения колонны труб. Можно компенсировать падение гидростатического давления созданием на устье скважины избыточного давления.

9.2.5. Равновесие твёрдых тел и пузырьков газа в жидкостях

Известно, что в жидкостях, обладающих СНС, тела будут неподвижны, если касательные напряжения на их поверхности меньше величины

СНС τ<θ.

На тело, погружённое в жидкость, действует сила тяжести G = ρтgV и сила Архимеда Fарх = ρжgV, где V – объём тела; ρт, ρж – соответственно плотность тела и жидкости. Оно будет находиться в равновесии, если

где S – поверхность тела.

Если тело имеет шарообразную форму и V = πd6 3 , S = πd 2 , то из (9.34)

получим размер твёрдой частицы, которая не тонет в вязкопластичной жидкости

100

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

и размер пузырька газа, не всплывающего в вязкопластичной жидкости:

Коэффициент k учитывает то обстоятельство, что направление векто-

ров τ не на всей поверхности совпадает с направлением векторов G и Fарх. Для округлой формы частиц подставляемый в формулу (9.35) размер есть

~

Для частиц, имеющих пластинчатую форму, k = 1, но в этом случае dэ

есть толщина пластинки.

Способность вязкопластичной жидкости удерживать во взвешенном состоянии твёрдую фазу имеет крайне важное значение при бурении. Если бы буровые растворы не обладали СНС, то при оставлении их в покое вся твёрдая фаза достаточно быстро осела бы на дно емкости или на забой скважины, создавая тем самым условия для прихвата. Мы не смогли бы готовить растворы плотностью более плотности жидкой фазы.

С другой стороны, СНС затрудняет очистку промывочной жидкости от выбуренной породы или попавших в неё пузырьков газа. Для обеспечения процесса очистки промывочной жидкости от выбуренной породы и пузырьков газа необходимо или уменьшать СНС раствора, или пропускать раствор через центробежные аппараты (гидроциклоны, центрифуги), в которых создаётся центробежное ускорение больше ускорения земного тяготения.

Ускорение дегазации промывочной жидкости можно достичь использованием вакуумных дегазаторов. За счёт вакуума происходит расширение пузырьков газа, что ускоряет их всплытие.

9.2.6. Расчет «пусковых» давлений на насосах

Рис. 9.16. Состояние статического равновесия вязкопластичной жидкости, когда в скважину спущена двухсекционная колонна труб

Расчет сводится к решению задачи: какое давление возникает в спущенных в скважину трубах, чтобы вывести вязкопластичную жидкость, находящуюся в трубах и скважине, из состояния покоя.

Показанная на рис. 9.16 система труб представляет собой систему

21

101

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

сообщающихся сосудов, один из которых образован стенками скважины и наружными стенками труб, а другой – самой трубой. Примем, что колонна труб состоит из секций труб двух размеров d1 и d2. Длина секции соответственно l1 и l2. Диаметр скважины – D. Длина колонны – Lк. Внутренний диаметр труб d1в и d2в.

Усложним задачу. Считаем, что колонна труб заполнена жидкостью с ρв, θв, а заколонное пространство – с параметрами ρкп, θкп, причем ρкп>ρв. Такая ситуация создается, например, в конце цементирования обсадной колонны, когда в кольцевом пространстве за трубами находится еще не начавший твердеть цементный раствор, а в колонне – продавочная жидкость.

Условие предельного равновесия вязкопластичной жидкости в этом случае запишется следующим образом.

где ро – «пусковое» давление; р1в и р2в – давления, необходимые для преодоления сил, вызванных

напряжениями θ в трубах; р1н и р2н – то же для заколонного пространства.

Последний член уравнения – это давление, необходимое для уравновешивания давления, вызванного разной плотностью жидкости в трубах и

взаколонном (затрубном) пространстве.

Вчастном случае – в процессе бурения, когда ρв = ρкп = ρ, θв = θкп = θ, получим формулу:

Для практики бурения представляет большой интерес и другая задача, обратная рассмотренной: определение «остаточного» давления на насосах рост после того, как насосы плавно остановлены без открывания пусковой задвижки. Дело в том, что при этом давление на насосах никогда не опускается до нуля сразу. Если считать, что жидкость подчиняется модели Бингама, то будет справедливо признать, что в данном случае рост является величиной, эквивалентной не θ, а τо.

22

102

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

9.2.7. Определение высоты перепада уровней вязкопластичной жидкости в трубах и заколонном пространстве при спуске и подъеме колонны труб

Скважина и спущенная в нее колонна нефтепромысловых труб (бурильные, обсадные и насосно-компрессорные) образуют систему сообщающихся сосудов, где одним из сосудов является колонна, а другим – заколонное пространство. Если бы скважина была заполнена ньютоновской жидкостью, например водой, то при равенстве плотностей жидкостей в обоих «сосудах» уровни жидкости в них совпадали бы. Несколько иначе обстоит дело, когда скважина заполнена вязкопластичной жидкостью (ВПЖ), например глинистым раствором.

При медленном спуске (рис. 9.17) колонны в скважину (медленном для того, чтобы избежать инерционных сил и влияния гидродинамических факторов) уровень жидкости в трубах будет опускаться вместе с колонной и после остановки колонны может оказаться ниже устья скважины на величину h.

Найдем наибольшее значение h, при котором ВПЖ в скважине еще может находиться в состоянии покоя, не перетекая из заколонного пространства в трубы (после спуска) или наоборот (после подъема). Обозначим диаметр скважины D, внутренний диаметр труб – dв, наружный диаметр – dн, длину колонны труб в скважине – Lк.

Условие предельного равновесного состояния выразится уравнением:

23

103

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

На рис. 9.18 показано, как влияют на h диаметр скважины и статическое напряжение сдвига. Видно, что их влияние весьма существенно.

Рис. 9.18. Влияние диаметра скважины и СНС бурового раствора на снижение уровня жидкости в бурильной колонне диаметром 127 мм длиной 3000 м после ее спуска

9.2.8. Давление на стенки наклонно направленной скважины

Когда массовые внешние силы представлены только силами тяжести, к жидкости, независимо от ее вида (вязкая или ВПЖ), можно применить основное уравнение гидростатики, в котором, как хорошо известно, нет координат x и y. В таком случае давление столба жидкости на стенки наклонно направленной скважины зависит только от плотности жидкости и глубины скважины по вертикали. Пространственное положение ствола, следовательно, значения не имеет. Совсем иное дело, когда решается задача о «пусковых» давлениях на насосах и о «сифонах» или опорожнении труб при спуске. Совершенно очевидно, что величины θ и τо не зависят от координат, следовательно, силы сопротивления в жидкости также не зависят от того, вертикальная скважина или наклонная. Нетрудно доказать, что величины ро и рост для наклонно направленной скважины определяются по формулам, аналогичным формулам (9.38–9.39), если под li и Lк понимать действительные длины секций и колонны в наклонно направленной скважине. Точно так же при расчете высоты подъема жидкости или опорожнения труб при спуске следует воспользоваться формулой (9.41), подставляя вместо Lк фактическую длину колонны Lкн.

24

104

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Т.е. при расчетах пусковых давлений или остаточных давлений на насосах, определении глубины снижения уровня вязко-пластичной жидкости при спуске колонны или высоты подъема жидкости в трубах (подъем с «сифоном») расчеты следует вести, пользуясь фактическими длинами труб по стволу скважины.

9.3. Гидродинамика промывочных жидкостей

Под действием внешних сил (сила тяжести, давление насоса и т.п.) жидкость может выйти из состояния покоя и прийти в движение.

Различают два основных вида движения: установившееся и неустановившееся.

Неустановившимся движением жидкости называется такое, при ко-

тором скорость течения и гидродинамическое давление в каждой данной точке изменяются, иначе говоря, они зависят не только от координат, но и от времени.

Примером такого движения является движение жидкости по трубе, присоединенной к емкости, из которой выливается предварительно налитая в неё жидкость. По мере опорожнения емкости скорость жидкости в любой точке трубы будет постоянно уменьшаться.

Другим примером является так называемое «отрывное» течение жидкостей в скважине при закачивании цементного раствора в обсадные трубы. Вследствие того, что плотность цементного раствора больше плотности бурового, в процессе закачивания наступает момент, когда избыточное гидростатическое давление оказывается больше суммарных гидравлических потерь в системе, и цементный раствор в трубах начинает с некоторым ускорением «убегать» от закачиваемого с постоянной подачей раствора на устье скважины.

Установившимся движением называется такое движение, при котором в данной точке пространства скорость, давление, плотность с течением времени остаются неизменными. Если в первом примере уровень жидкости в емкости поддерживать на одной и той же отметке, то в трубе движение жидкости будет установившимся.

Средняя скорость потока v. В расчетной практике используется понятие средней по сечению скорости. Средняя скорость v равна длине образующей цилиндра, объем которого равен объему тела вращения, образованного эпюрой скоростей потока.

Чтобы измерить среднюю скорость потока, необходимо объем жидкости, прошедшей через данное сечение в единицу времени, Q разделить на площадь поперечного сечения потока (основания пространственной эпюры скоростей) f :

25

105

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Уравнение неразрывности. Если жидкость движется по трубопроводу сплошным потоком, без образования разрывов и пустот, то для такого потока всегда справедливо условие Q = const. Это, в частности, означает, что

v обратно пропорциональна сечению, или vi fi = const.

Напорное и безнапорное течение. Если жидкость, двигаясь по трубе,

заполняет все сечение, то такое течение называют напорным. При безнапорном (русловом) течении сечение потока меньше сечения трубы. В бурении такое течение наблюдается в желобах. Смоченный периметр χ – это та часть периметра живого сечения, по которой происходит соприкоснове-

где p1-2 – потери давления, затрачиваемые на поддержание движения на участке между сечениями 1-1 и 2-2.

26

106

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

По условию z1 = z2, а p2 = 0, поскольку выходящий из скважины поток изливается в желоб, где давление равно атмосферному.

Это означает, что давление на буровых насосах при промывке скважины численно равно потерям давления в циркуляционной системе от насоса до устья скважины.

Получается, что для определения ожидаемого давления на насосах достаточно вычислить и просуммировать все потери давления в скважине. Сказанное справедливо только в том случае, когда плотность бурового раствора на всех участках циркуляционной системы одна и та же.

9.3.1. Гидравлические сопротивления при движении жидкостей

вскважине

Взадаче о движении жидкостей по трубопроводу различают два вида сопротивлений: линейные и местные. Первые при всех прочих равных условиях пропорциональны длине трубопровода, а вторые отличаются тем, что приурочены к определенному месту и зависят от геометрических особенностей канала в этом месте. Сказанное является справедливым и для циркуляционной системы скважины (рис. 9.21).

Вколонне труб, спущенных в скважину, можно выделить участки с постоянным живым сечением, например участки равнопроходного сечения между соединениями труб. Гидравлические сопротивления на таких участках, ecтественно, являются типично линейными. Сопротивления в заколонном пространстве на участках между соединениями также являются по своей природе линейными, пропорциональными длине труб. Что касается мест соединений, то они являются источниками местных сопротивлений.

Поэтому для скважины pн = Σpл + Σpм, где pл – линейные сопротивления, pм – местные сопротивления.

Приведенная формула справедлива для случая, когда все сопротивления располагаются последовательно друг за другом (рис. 9.21).

Рассмотрим места гидравлических сопротивлений:

1)в наземной обвязке буровых насосов (манифольде) на участке от насоса до бурового шланга, которые состоят из местных сопротивлений при прохождении задвижек и линейных сопротивлений по трубам обвязки,

атакже местных сопротивлений на соединениях труб с буровым шлангом, на изгибах (коленах) труб манифольда;

27

107

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 9.21. Циркуляционная система скважины

2)в буровом шланге, где преобладают линейные сопротивления;

3)в вертлюге, где имеют место преимущественно местные сопротивления (повороты, сужения потока, участки с резким его расширением);

4)в ведущей трубе (рабочей трубе) – и линейные, и местные (в зам-

ках);

5)в бурильных и утяжеленных бурильных трубах – линейные (между соединениями труб) и местные – в соединениях;

28

108