5 Тема: «Промывка ствола скважины»*

Вопросы для изучения:

5.1 Промывка вертикальных скважин

5.1.1 Качество промывки вертикальных скважин

5.1.2 Факторы, влияющие на качество промывки скважин

5.2 Промывка наклонно направленных скважин

5.2.1 Качество промывки наклонно-направленных скважин

Большая часть прихватов бурильных труб происходит из-за некачественной очистки ствола скважины от выбуренной породы. Поэтому промывке скважины отводится большая роль в плане обеспечения безаварийной работы скважины. Основное внимание в этой теме уделено физическим факторам, влияющим на профиль скоростей и, соответственно, на качество промывки скважины.

5.1 Промывка вертикальных скважин [5]

5.1.1 Качество промывки вертикальных скважин

Оценить качество промывки скважины можно по объемному содержанию шлама в кольцевом пространстве или по показателю транспортирования шлама.

Объемное содержание шлама рассчитывается как отношение суммарного объема шлама в кольцевом пространстве к полному объему кольцевого пространства:

Низкая концентрация шлама означает более качественную очистку. Чтобы обеспечить более качественную очистку, нужно решить задачу подъема шлама на поверхность.

______________________

* Тема выполнена по матералам книги Джона Митчелла «Безаварийное бурение» «Дилберт Инжениринг Инк», 2001 г.

Шлам под действием сил гравитации перемещается вниз через буровой раствор с конечной скоростью, называемой конечной скоростью оседания. Для того чтобы шлам начал двигаться вверх, скорость потока в кольцевом пространстве должна стать выше конечной скорости оседания.

Отношение скорости частиц шлама к скорости потока бурового раствора в кольцевом пространстве называется показателем эффективности транспортирования шлама.

Показатель эффективности транспортирования шлама = v_ш / v_б.р.

где:

v_ш - скорость частиц шлама = v_б.р. - v_s

v_б.р. - скорость потока в кольцевом пространстве = Q расход / S площадь поперечного сечения потока

v_s - конечная скорость оседания =

g - гравитационная постоянная

d_ш - диаметр частиц шлама

ρ_ш - плотность шлама

ρ_б.р. - плотность бурового раствора

Увеличить показатель эффективности транспортирования шлама можно за счет уменьшения конечной скорости оседания, которая зависит от плотности и размера частиц шлама, а также от вязкости и плотности бурового раствора. Чем больше размер и плотность шлама, и чем меньше вязкость и плотность бурового раствора, тем быстрее будет шлам погружаться в буровой раствор.

5.1.2 Факторы, влияющие на качество промывки скважин

На качество очистки вертикальных скважин влияют следующие факторы:

• Плотность бурового раствора

• Скорость потока бурового раствора в кольцевом пространстве

• Реологические характеристики и режим течения бурового раствора

• Размер, форма и количество шлама

• Скорость проходки

• Вращение и эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны

• Время

Плотность бурового раствора

Плотность бурового раствора влияет на качество промывки скважин, обеспечивая его плавучесть, способствующую его подъему в потоке. Кроме того плотность раствора влияет на кинетическую энергию бурового раствора и на трение между буровым раствором и обтекаемым им шламом.

Оценить часть подъемной силы, обеспечиваемой плавучестью, можно через отношение плотности бурового раствора к плотности шлама.

Небольшое увеличение плотности бурового раствора оказывает значительное влияние на конечную скорость оседания шлама, и таким образом, повышает показатель эффективности транспортирования.

Увеличение плотности бурового раствора является лучшим способом уменьшить конечную скорость оседания ишама.

Еще один механизм воздействия плотности бурового раствора на качество очистки скважин реализуется в передаче момента количества движения шламу, точно так же как в биллиарде удар по шару передает момент количества движения прицельному шару. Выражение для момента количества движения - произведение массы на скорость. Момент количества движения возрастает линейно с увеличением плотности бурового раствора рисунок 5.1.

Рисунок 5.1 – Момент количества движения

Более плотный буровой раствор передает шламу больший момент количества движения. Следует отметить, что момент количества движения в равной степени зависит и от скорости потока в кольцевом пространстве. Некоторая часть подъемной силы обеспечивается благодаря трению между буровым раствором и обтекаемым им шламом. Кроме того, трение может способствовать отрыву частиц шлама от стенки скважины и возвращению их в поток. Плотность бурового раствора влияет и на трение; чем больше плотность, тем больше трение.

Промысловый опыт показывает, что при увеличении плотности бурового раствора промывка скважины упрощается, и можно обойтись меньшей скоростью потока в кольцевом пространства. Отчасти это обусловлено тем, что при увеличении плотности бурового раствора уменьшается конечная скорость оседания шлама. Когда плотность раствора низка, например при бурении с продувкой воздухом, для очистки скважины требуется гораздо более высокая скорость потока в кольцевом пространстве, поскольку конечная скорость оседания шлама в этом случае будет намного выше.

Увеличение плотности бурового раствора является лучшим способом повысить качество очистки вертикальных скважин. При увеличении плотности бурового раствора возрастает показатель эффективности транспортирования шлама, и концентрация шлама резко уменьшается. Обычно не прибегают к изменению плотности бурового раствора для повышения качества очистки скважины по причинам экономического характера. Вместо этого увеличивают скорость потока в кольцевом пространстве или изменяют реологические характеристики бурового раствора.

Скорость потока бурового раствора в кольцевом пространстве

Скорость потока в кольцевом пространстве это второй по значимости фактор в отношении качества промывки скважин. Движущийся в кольцевом пространстве поток бурового раствора обеспечивает подъемную силу путем передачи шламу количества движения и трения между буровым раствором и обтекаемым им шламом. При ламинарном режиме течения момент количества движения линейно возрастает с увеличением скорости потока, так же как и с увеличением плотности бурового раствора. Следует отметить, что роль скорости потока в кольцевом пространстве зависит от плотности бурового раствора (рисунок 5.1). Если бы плотность раствора равнялась нулю, то скорость потока не влияла бы на качество очистки. Хотя механизм влияния на подъемную силу скорости потока в кольцевом пространстве прост, общее влияние скорости сложнее, поскольку оно определяется профилем скоростей. Профили скоростей потока рассмотрены в теме 4.

Следующие факторы, влияющие на качество промывки скважин: реологические характеристики и режим течения рассмотрены в четвертой теме данного пособия.

Размер, форма и количество шлама

Чем больше размер и плотность частиц шлама, тем более стремительно они оседают под действием гравитационных сил. Скорость осаждения частиц шлама возрастает также по мере приближения формы частиц к сферической. Крупные частицы шлама перемещаются к стенке скважины, где скорость потока ниже. Чтобы обеспечить высокое качество очистки скважины, эффективность промывки должна возрастать с увеличением размера частиц шлама.

Форма и тип шлама влияют на способность бурового раствора к разжижению при сдвиге. Раствор, содержащий инертные сферические твердые частицы разжижается слабо. Плоские твердые частицы будут постепенно выравниваться в направлении потока, что ведет к уменьшению вязкости при больших расходах. Поверхностно-активные твердые частицы, такие как полимеры, также способствует разжижению раствора при сдвиге.

Многочисленные частицы шлама взаимодействуют друг с другом, что ухудшает профиль скоростей потока и эффективность очистки скважины. С увеличением содержания шлама в скважине концентрация шлама у стенок возрастает. Это ведет к заострению профиля скоростей потока, как показано на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 – Схема транспортировки шлама при его высокой концентрации в буровом растворе

Увеличение содержания в буровом растворе твердых частиц ведет также к возрастанию пластической вязкости. В результате профиль скоростей потока вытягивается. В некоторых случаях для обеспечения высокого качества очистки скважины нужно регулировать скорость проходки.

Обломки обрушившейся породы можно рассматривать как очень крупные частицы шлама. Для таких обломков характерна высокая скорость оседания, и они могут разрушиться с образованием более мелких кусков до того, как будут вынесены из скважины циркулирующим буровым раствором.

Скорость проходки

Скорость проходки определяет как размер, так и количество разрушаемой породы (шлама). При высокой скорости проходки долото внедряется в поверхность забоя глубже, и образуется более крупный шлам. Увеличивается также количество шлама. При увеличении скорости проходки необходимо повысить эффективность очистки ствола.

Возрастание крутящего момента при увеличении скорости проходки говорит о том, что долото внедряется глубже, и образуется более крупный шлам. Если возрастание крутящего момента продолжается при неизменной скорости проходки, это может быть признаком недостаточной очистки ствола. Скопления шлама затрудняют вращение бурильной колонны

Вращение и эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны

Вращение колонны улучшает показатель эффективности транспортирования шлама благодаря тому, что шлам выносится от стенок ствола и возвращается обратно в быстрый поток (рисунок 5.3, а). Эксцентричное расположение бурильной колонны в стволе приводит к уменьшению показателя эффективности транспортирования шлама. Профиль скоростей потока более вытянут на стороне большего зазора, и скорость в пространстве вокруг колонны низкая (рисунок 5.3, б). Влияние вращения колонны и ее эксцентричного расположения в скважине на качество очистки имеет большое значение при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

а б

Рисунок 5.3 – Схематичное изображение а) - вращение бурильной колонны; б) эксцентричное положение бурильной колонны

Вращение бурильной колонны приводит также к возрастанию гидравлических потерь в кольцевом пространстве. Этот эффект тем более выражен, чем больше диаметр колонны приближается к диаметру ствола.

Время

Для того чтобы удалить шлам циркуляцией от долота и КНБК перед наращиванием колонны требуется время. Кроме того, требуется время для промывки скважины перед подъемом инструмента.

Как показывает опыт, большая часть прихватов связана с тем, что промывка скважин перед наращиванием колонны или подъемом инструмента проводилась недостаточно долго.

Нужно рассчитать время, необходимое для промывки скважины, и сравнивать с ним фактическое время, затраченное на промывку перед каждым подъемом инструмента.