vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть III. Раздел 19. Оптимизация режима промывки скважины с учётом фактора "утяжеления" восходящего потока в заколонном пространстве выбуренной породой

19. Оптимизация режима промывки скважины с учётом фактора "утяжеления" восходящего потока в заколонном пространстве выбуренной породой.

До сих пор принималось, что плотности буровой промывочной жидкости в трубах и в заколонном пространстве (как и другие параметры) совершенно одинаковы. Словом, считали, что рассматривается промывка без бурения, когда скважина промывается одной и той же жидкостью на всех участках циркуляционной системы скважины.

В то же время придётся признать, что промывка во время бурения (углубления скважины) сопровождается «утяжелением» жидкости в заколонном пространстве выбуренной породой, и средняя плотность восходящей промывочной жидкости будет больше плотности закачиваемой в трубу жидкости.

Предположим, что механическая скорость бурения долотом диаметром 295,3 мм при расходе жидкости 0,035 м3/с составила 50 м/час. Если средняя плотность породы равна 2500 кг/м3, а исходная плотность жидкости

– 1200 кг/м3, то средняя плотность жидкости ρсм в заколонном пространстве во время бурения составит около 1240 кг/м3. Разница, как видим, существенная. Увеличение подачи насосов Q уменьшит эту разницу вследствие того, что концентрация шлама в растворе уменьшится. Это, в частности, означает, что изменение Q непосредственно влияет на гидростатическое давление на забой (через плотность смеси ρсм). С другой стороны, увеличение или уменьшение Q изменяет потери давления в заколонном пространстве. Как видим, вопрос представляется не таким уж простым и требует специального рассмотрения.

19.1.Подъём выбуренной породы потоком жидкости

взаколонном пространстве.

Если скважина промывается вязко-пластичной жидкостью, то можно считать, что твёрдые частицы, характерный (эквивалентный) размер которых dэ:

где статическое напряжение сдвига бурового раствора, Кф коэффициент формы, ρп плотность породы,

ρ плотность бурового раствора, будут двигаться со скоростью, равной скорости восходящего потока в данной точке сечения заколонного

пространства. Твёрдые частицы большего диаметра начнут “оседать” в восходящем потоке (по отношению к жидкости), и скорость подъёма их будет меньше скорости жидкости, окружающей частицу. Но в разных точках сечения скорости, как известно, разные. Они равны нулю на стенке скважины и на наружной поверхности трубы. В центральной части кольцевого пространства (если трубы расположены строго концентрично относительно скважины) скорость максимальна. В отличие от трубы при структурном режиме потока в затрубном пространстве образуются два градиентных кольцевых слоя: один между трубой и кольцеобразным стуктурным ядром, а другой между ядром и стенкой скважины. Следовательно, твердые частицы, оказавщиеся в ядре, будут подниматься быстрее, а те частицы, которые случайно оказались либо у поверхности трубы, либо у стенки скважины, отстанут от первых и в какой-то момент даже могут оседать, пока не окажутся так же случайно втянутыми в ядро или в зоны, прилегающие с внутренней стороны или с наружной стороны к структурному ядру. Это говорит о том, что процесс транспортировки шлама имеет весьма своеобразный характер даже при структурном движении. При турбулентном режиме движения скорости потока по сечению не так сильно отличаются между собой, как это имеет место при структурном режиме. Поэтому и твердые частицы одинакового размера dэ будут двигаться (по отношению к скважине) с близкими скоростями.

Фракционный состав выбуренной породы, "поставляемой" забоем восходящему потоку, охватывает очень широкий спектр размеров и форм: от сотых долей до десятков миллиметров; от частиц, которые условно можно отнести к круглым, до пластинчатых, длина которых кратно больше поперечных размеров частицы. Ясно, что частицы, эквивалентный размер которых, найденный по формуле:

где V- объем частицы, диаметр которой меньше dэ, найденого по формуле (5.1), будут двигаться вместе с потоком, не отставая от него. Другие же частицы будут двигаться со скоростью, которая заведомо меньше скорости в том месте сечения потока, где они случайно оказались. Все это означает, что частицы больших

152

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть III. Раздел 19. Оптимизация режима промывки скважины с учётом фактора "утяжеления" восходящего потока в заколонном пространстве выбуренной породой

размеров отстанут от частиц меньших размеров. Концентрация частиц большего размера в нижней части скважины окажется, естественно, больше, чем в среднем по стволу.

Существует немало методик определения относительной скорости движения твердой частицы в восходящем потоке жидкости. Приведем одну из них.

В структурном потоке (ламинарном) ВПЖ среднюю скорость оседания частиц можно найти по формуле:

Критерий (параметр) Ar критерий Архимеда.

При турбулентном режиме движения жидкости средняя скорость оседания частиц определяется по

В этой формуле игнорируется влияние, например, осевой нагрузки или скорости вращения на dэ.

Логично увязывать размер частиц, образующихся при бурении не с диаметром долота, а с проходкой

При этом dэ получается в мм.

К этой формуле следует относиться как к весьма ориентировочной, приближенной. Она может исказить результат (в сторону занижения) при усталостном режиме разрушения. С другой стороны, она может завысить dэ при высоких скоростях бурения долотами с большим скольжением зубьев. Очевидно и то, что dэ не может превысить высоту зубьев шарошки.

Расчеты показывают, что формулы (19.3) и (19.6) дают завышенные результаты. Опыт свидетельствует, что при скоростях восходящего потока 0,10…0,15 м/с наблюдается устойчивый подъем частиц шлама в восходящем потоке ВПЖ.

Нужно учесть и тот неоспоримый факт, что трубы всегда прижаты к стенке скважины и канал для транспорта шлама всегда имеет серповидную форму, а поток периодически обтекает замки (муфты), где подвергается интенсивному перемешиванию.

Если обобщить сказанное выше, то можно заключить, что невозможно количественно определить тот так называемый расход витания Qвит при котором все частицы "повиснут" в заколонном пространстве. Такой расход существует только для частиц одного размера. Можно только говорить о некоторой условной скорости потока в заколонном пространстве vо.кп, меньше которой большинство частиц останутся в зоне долота. Для каждого размера, режимы движения этой скорости будут разными. Для ВПЖ меньше, чем для технической воды. Ориентировочно можно принять для ВПЖ с τо ≥ 3Па vо.кп= 0,10…0,12 м/с. Для воды vо.кп= 0,15…0,20 м/с. Этим скоростям будут соответствовать и условные расходы Qо, при которых частицы не могут подниматься по стволу скважины.

Это значит, что эффективный танспорт шлама возможен только при Q >Qо.

19.2.Влияние выбуренной породы, поступающей в скважину

впроцессе бурения, на давления при промывке.

Представим себе, что за время наблюдения t долотом пройден интервал от глубины Lо, при этом проходка составила h м (рис. 19.1). За время от начала бурения жидкость успеет подняться на высоту

153

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть III. Раздел 19. Оптимизация режима промывки скважины с учётом фактора "утяжеления" восходящего потока в заколонном пространстве выбуренной породой

где ƒкп – площадь сечения кольцевого пространства.

Выбуренная порода "отстанет" от жидкости и поднимется за это же время только на высоту

φ(ρп-ρ)gH+pпот

(19.14)'

"шламовый" поток не дошел до устья (H<L).

При H=L, когда "грязный" раствор достигнет устья скважины, формулы (19.15) и (19.16) примут вид:

154