vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

эффективная методика очистки скважины от шлама, тщательное проектирование - вот некоторые основные моменты, обеспечивающие успешное бурение горизонтальных скважин.

Гидравлическая программа

Составление гидравлической, программы бурения - это всегда поиск компромисса в выборе параметров с целью оптимизации процесса и удовлетворения определенных критериев. Такими критериями могут быть гидравлическая мощность, реализуемая ^ насадках долота, работа забойного двигателя, работа системы измерений в процессе бурения, сила удара струи бурового раствора, выходящей из насадок долота, минимальный размыв стенок скважины и т.п.

Оптимизировать все гидравлические параметры по каждому критерию невозможно, поскольку все параметры взаимосвязаны. Наиболее важными критериями являются обеспечение максимальной скорости проходки и совершенной очистки скважины. Необходимо установить, что вероятнее всего создаст наибольшие трудности: высокая твердость разбуриваемых пород, снижающая скорость проходки, или вынос шлама. От этой дилеммы зависит выбор решения, оптимизировать ли гидравлику долота с целью эффективной транспортировки шлама или силу удара струи жидкости о поверхность забоя. После того, как решение принято, нужно определить наибольший зенитный угол (на участие набора зенитного угла) и механическую скорость проходки для участка с этим зенитным углом. Это определит наихудшие условия для выноса шлама. Затем нужно выбрать забойный двигатель и систему измерения забойных параметров на основе ограничений по величине расхода промывочной жидкости и давления, характерных для этих инструментов. Совершенно очевидно, что имеется несколько диапазонов расхода жидкости и давления, при которых возможно эффективное бурение скважины.

Традиционные гидравлические программы не учитывают следующие моменты:

•Тот факт, что реальные буровые растворы не подчиняются точно различным гидравлическим моделям (бингама, степенной и т.п.)

•Влияние температуры и давления на реологические свойства раствора

•Искривление скважины

•Неровности ствола (во всех моделях стволы скважины рассматриваются как гладкий цилиндрический канал)

•Вращение бурильной колонны и способность ее вызывать спиральное течение рас-

твора

•Эксцентричное положение бурильной колонны в скважине

Учет перечисленных факторов представляет серьезную задачу для горизонтального бурения. В значительной мере гидравлическая программа для горизонтальной скважины будет определять успешность ее бурения. Решению этих задач посвящены обширные исследования и некоторые фирмы разработали компьютерные программы на основе результатов их исследований. Однако большинство разработок несовершенны, поскольку они построены для вертикальных скважин.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ГИДРАВЛИКА ДОЛОТА

Рисунок1-1.Гидравлика долота.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Использование реологических данных

Буровой раствор выполняет три наиболее важные функции:

•Очищает ствол скважины от разрушений породы

•Удерживает во взвешенном состоянии утяжелитель

•Передает гидравлическую мощность долоту

Реологические свойства промывочной жидкости могут повлиять на выполнение этих функций. Ниже рассматриваются случаи, в которых реологические свойства играют особо важную роль.

Гидравлические расчеты

Гидравлические расчеты выполняются обычно для того, чтобы:

• Определить гидравлические потери в кольцевом пространстве и эквивалентную плотность бурового раствора при циркуляции

•Выбрать оптимальный размер долотных насадок

•Оценить способность раствора выносить из скважины выбуренную породу

Важно подчеркнуть, что любой расчет хорош лишь настолько, насколько хороши исходные данные. Это особенно важно, поскольку реологические свойства бурового раствора в условиях температуры и давления на поверхности, можно измерить непосредственно на буровой. Однако расчеты по этим свойствам обычно дают завышенные гидравлические потери и, следовательно, результат даст некоторый запас давления.

Вязкость в разной степени влияет на гидравлические потери, в зависимости от того, является ли поток ламинарным или турбулентным. Режим течения определяется величиной критерия Рейнольдса -Re. Эта безразмерная величина является мерой отношения сил инерции к силам вязкости. Для ньютоновских жидкостей критерий Рейнольдса можно определить из выражения:

vDp

Re = ----- ,где:

M

v = скорость жидкости, м/с D = Диаметр трубы, р = Плотность жидкости, кг/м2 m, = Вязкость, Н сек/м2

(Выражения для неньютоновских жидкостей - иные из-за различия в вязкости. Однако такие выражения для определения Re при течении неньютоновских жидкостей существует и принципы остаются теми же самыми). Переход от ламинарного течения к турбулентному начинается при Re = 2100 и продолжается в переходной зоне до тех пор, пока поток не станет полностью турбулентным.

При ламинарном режиме течения потери давления сильно зависят от вязкостных свойств жидкости. При высоких значениях критерия Рейнольдса инерционные силы преобладают, и потери давления зависят больше от скорости течения. Типичные режимы течения в различных участках циркуляционного тракта таковы:

•Наземная обвязка - турбулентный

•Бурильные трубы - турбулентный или переходный

•Утяжеленные бурильные трубы – турбулентный

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

•Долотные насадки - турбулентный

•Кольцевое пространство, - ламинарный или переходный

Взависимости от величины критерия Рейнольдса вязкость в различной степени влияет на величину гидравлических сопротивлений. Приведенная ниже таблица составлена для ньютоновского жидкостей, но она справедлива и для неньютоновских жидкостей.

Влияние параметровна потерю давления в системе для потока в трубе

Рисунок 1-2 Зависимость потери давления для потока в трубе

При ламинарном течении жидкостей с хорошо известными свойствами в каналах определенных геометрических размеров потери давления можно рассчитать достаточно точно, если поведение жидкостей подчиняется простым реологическим моделям: степенной или модели Бингама. Зависимости для турбулентного течения являются эмпирическими. Эти зависимости справедливы для ньютоновских жидкостей. Зависимости для определения потерь давления при турбулентном течении неньютоновских жидкостей не в такой степени точны. Но вообще-то турбулентность потока оказывает более существенное влияние, чем вязкость и гидравлические сопротивления сильно зависят от расхода жидкости и шероховатости стенок труб. В большинстве учебников и служебных руководств различных фирм приводятся примеры таких зависимостей.

Наилучший совет разработчикам гидравлических программ: применять эти зависимости с осторожностью. Результаты расчетов не следует считать точными. Размеры бурильных труб и УБТ точ но определены. Следовательно, расчетные значения гидравлических потерь в них достаточно точны. Точны результаты расчетов перепада давления в насадках долота, где перепад не зависит от вязкости. Для расчетов гидравлических потерь в кольцевом пространстве характерна наименьшая точность, поэтому:

•Гидравлические потери при ламинарном течении очень сильно зависят от вязкости

(Рис. 1-2)

•Зависимость вязкостных свойств от температуры и давления точно не установлена

•Из-за наличия каверн неизвестна точно геометрия ствола скважины

Типичное распределение гидравлических потерь в циркуляционном тракте, выраженных в процентах, таково:

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В расчете гидравлических потерь в кольцевом пространстве много неопределенностей. Престон Моор предлагает определять эти потери как разность между фактическим давлением в стояке и суммой расчетных потерь давления во всех остальных элементах циркуляционного тракта.

Итак, гидравлические программы могут быть полезны для оценки гидравлических потерь, но пользователь должен помнить о возможных погрешностях в расчетах.

Многие нефтедобывающие и сервисные фирмы имеют компьютерные программы для гидравлических расчетов. Из-за присущих этим программах неточностей ни одной из них нельзя отдать предпочтения. Большинство сервисных фирм имеют программы, базирующиеся на различных реологических моделях. Рекомендуется пользоваться той моделью, расчеты по которой дают наиболее пессимистический результат.

Удержание твердой фазы во взвешенном состоянии

Буровая промывочная жидкость должна удерживать во взвешенном состоянии утяжелитель (например, бариты, карбонат кальция) и в то же время легко освобождаться от выбуренной породы на поверхности.

Следовательно, между этими двумя функциями должен быть определенный компромисс. Скорость осаждения отдельной частицы зависит от ее размера, плотности и вязкости жидкости. При оценке скорости осаждения, так же, как и при гидравлических расчетах при течении в трубах, используют критерий Рейнольдса частицы. Как было сказано выше, уравнения, характеризующие движения частицы в жидкости, будут разными, в зависимости от режима ее обтекания.

Конечная скорость осаждения в жидкости отдельной сферической частицы под действием силы тяжести определяется по закону Стокса:

Закон Стокса справедлив только при очень небольших скоростях осаждения. Если скорость увеличивается, ее зависимость от вязкости жидкости и радиуса частиц меняется. (Рис. 1-3).

Закон Стокса и его эквивалент для турбулентного обтекания - закон Ноютона справедливы для случая осаждения одиночной частицы. Практически на процесс осаждения

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

влияют соседние частицы, т.е. твердая фаза осаждается в стесненных условиях. Это обстоятельство снижает скорость осаждения. Поскольку осаждение в покоящейся жидкости происходит при очень малых скоростях сдвига, вязкость жидкости следует оценивать точнее при малых скоростях сдвига. Было установлено, что хорошим показателем удерживающей способности жидкости может служить показание ротационного вискозиметра Фэнн при частоте вращения n = 3 об/мин (скорость сдвига == 5,1 сек-1). Однако, поскольку вязкость сильно зависит от температуры, скорость осаждения в стволе скважины будет, вероятно, больше. Например повышение температуры от комнатной до 1000 может в 10 раз увеличить скорость осаждения.

Влияние параметров на конечную скорость

Рисунок 1-3. Влияние размеров частиц и вязкости жидкости на скорость скважины

Транспортировка шлама

Это очень сложная проблема, которую активно исследовали в течение последних 30-40 лет. По существу это - проблема осаждения частиц в потоке жидкости. Хотя для такого случая справедливы зависимости, представленные рис. 1-3, трудность состоит в выборе надлежащего значения критерия Рейнольдса. Практическое правило таково: если режим течения жидкости в кольцевом пространстве турбулентный, то и режим обтекания падающей частицы тоже будет турбулентным. В зависимости от геометрических особенностей частицы и вязкости жидкости режим обтекания частицы, падающей в ламинарном потоке, может быть турбулентным, переходным или ламинарным. Транспортировка шлама - процесс очень сложный, но приведенные ниже положения могут прояснить механизм этого процесса:

•Вынос шлама можно обеспечить при промывке водой, если скорость восходящего потока достаточно велика. Это свидетельствует о том, что для транспортировки шлама жидкость не обязательно должна иметь динамическое напряжение сдвига, отличное от нуля.

•Обычный метод определения динамического напряжения сдвига у жидкостей, для которых характерно сдвиговое разжижение, может привести к ошибочным результатам.

•Большинство исследователей утверждает, что при турбулентном режиме течения вынос шлама улучшается. Одно из возможных объяснений этого явления заключается в том, что профиль скоростей при турбулентном режиме более плоский, чем при ламинарном режиме течения и частицы породы поднимаются в виде скопления частиц. Однако