5.2 Промывка наклонно направленных скважин

5.2.1 Качество промывки наклонно-направленных скважин

На качество очистки наклонно направленных скважин влияют те же факторы, что и в вертикальных скважинах. Однако из-за наличия угла искривления профиля ствола скважины в этой зоне формируются слои шлама и шлам ускоренно оседает в наклонных участках ствола (эффект Бойкотта).

Эффект Бойкотта

Эффект Бойкотта назван так по имени доктора А. Е. Бойкотта, который изучал пробы крови в первую мировую войну. Он случайно установил, что кровь оседает быстрее, когда пробирки установлены с наклоном 45°. Позднее он написал статью, в которой объяснил этот феномен.

Аналогично для бурового раствора: для того чтобы шламовый массив осел, он должен вытеснить расположенную под ним жидкость. которая должна пройти через шламовый массив по извилистому пути, испытывая сопротивление трения при взаимодействии с частицами шлама" (рисунок 5.4, а). А при угле 45° частицы должны осесть лишь на небольшое расстояние, чтобы образовался канал вдоль верхней стенки скважины по которому чистая жидкость может быстро прорваться вверх вдоль верхней стенки скважины, в то время как более плотная жидкость, содержащая твердую фазу, может быстрее опускаться вдоль нижней стенки в форме рыхлого слоя шлама (рисунок 5.4, б).

Рисунок 5.4 – Схематичное изображение эффекта Бойкотта: а) оседание шлама в вертикальном участке; б) оседание шлама в наклонном участке

Качество очистки вертикальных скважин оценивают по динамике крутящего момента и сопротивления продольному перемещению колонны по стволу, а также путем визуального контроля вибросит. Однако в наклонных скважинах могут формироваться большие слои шлама, даже если вибросита чистые, а крутящий момент и сопротивление продольному перемещению колонны - умеренные.

С увеличением зенитного угла уменьшение конечной скорости оседания все меньше способствует повышению качества очистки. Нужно корректировать показатель эффективности транспортирования шлама ввиду того, что учитывается лишь осевая компонента конечной скорости оседания. Поэтому прогнозировать качество очистки в таких случаях сложнее (рисунок 5.5). Рисунок 5.5 – Скорость оседания

частиц

При промывке в наклонных скважинах основное внимание уделяется удалению частиц шлама из слоев шлама и переводу их в суспензию.

5.2.2 Факторы, влияющие на качество очистки наклонно направленных скважин

На качество очистки влияет следующее:

• Наклон скважины

• Расход бурового раствора

• Характеристики и режим течения

• Слои шлама бурового раствора

• Скорость проходки

• Вращение и эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны

• Время

Зенитный угол (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

В наклонно-направленной скважине можно выделить три четко различимых участка (рисунок 5.6):

- От примерно нуля до 30 ⁰ (вертикальный)

• От 30⁰ до 65 ⁰ (переходный)

• От 65 ⁰ до 90⁰ (горизонтальный)

Рисунок 5.6 – Схематичное изображение участков в наклонно направленной скважине

Природа слоев шлама и механизмы очистки скважин на разных участках отчетливо различаются. На вертикальном участке все, что уменьшает скорость оседания шлама, улучшает очистку. Фактически, на качество очистки влияет только осевая составляющая скорости оседания. При увеличении зенитного угла вертикальное перемещение шлама под действием силы тяжести и выталкивающей силы дополняется смещением вдоль наклонной оси скважины (рисунок 5.5).

При отклонении скважины от вертикали шлам перемещается к нижней стенке. При угле наклона до 30° частицы шлама дольше задерживаются у стенки скважины перед возвращением обратно в основной поток. При увеличении угла более 30° до45°, проблема циркуляции шлама усугубляется еще больше и продолжительность пребывания шлама у стенки резко возрастает. Объемная концентрация шлама резко увеличивается и остается относительно постоянной.

Рисунок 5.7 – Зависимость концентрации шлама от зенитного угла

Формирование слоев шлама начинается при углах больше 30 °. При углах менее 45 ° слои шлама рыхлые и неустойчивые с большим содержанием воды и поэтому при прекращении циркуляции они стекают вниз по стволу. При углах до 65 ⁰ слои шлама постоянно соскальзывают даже при наличии циркуляции (это соскальзывание происходит интенсивнее при бурении на углеводородных растворах, чем при бурении на водном растворе).

При углах более 65° слои шлама становятся более устойчивыми и плотными, поэтому их труднее разрушить. Шлам имеет тенденцию оседать в интервале 40 ⁰ - 55 ° быстрее, чем во всех других, благодаря эффекту Бойкотта.

Механизмы транспортирования шлама

Механизмы транспортирования шлама на разных участках отличаются друг от друга из-за различий в природе слоев шлама. Используются две широкие классификации механизмов транспортирования шлама - движение в суспензии и перемещение в движущемся слое.

В вертикальном интервале шлам равномерно распределяется в буровом растворе и двигается в суспензии с постоянной концентрацией. При увеличении зенитного угла более крупные частицы перемещаются к нижней стенке и движутся вверх по стволу в суспензии с изменяющейся концентрацией (рисунок 5.6). При больших зенитных углах шлам имеет тенденцию формировать слой и скатываться по нижней стенке. При углах больше 65 ° слой становится устойчивым, если не испытывает возмущений от перемещений бурильной колонны. Однако если расход бурового раствора достаточно высок, может образоваться суспензия с постоянной концентрацией даже при большом наклоне скважины.

Движение в суспензии с постоянной концентрацией является наиболее эффективным механизмом транспортирования шлама. Поэтому вертикальные участки очищать проще всего.

Перекатывание или движение шлама в слое является наименее эффективным механизмом транспортирования шлама. Исходя из этого можно подумать, что очищать горизонтальные участки труднее всего. Однако шлам будет транспортироваться в суспензии с изменяющейся концентрацией над слоем шлама, и при углах больше 65 ⁰ никогда не будет соскальзывать вниз по стволу, как это происходит на участке 30 ⁰ - 65 °.

Из-за сочетания таких факторов как соскальзывание слоев, эффект Бойкотта и асимметричный профиль скоростей потока, труднее всего очищать участки средних зенитных углов.

Эксцентричное расположение колонны в скважине и повышенная концентрация шлама у нижней стенки скважины приводят к искажению профиля скоростей потока. Жидкость протекает вдоль верхней стенки с намного большей скоростью, чем в затрудненном потоке вдоль нижней стенки (рисунок 5.8). Поэтому передача буровым раствором энергии, требуемой для перемещения шлама, затруднена. Ламинарный поток с более вытянутым профилем скоростей менее эффективен с точки зрения предотвращения формирования или разрушения слоев шлама в сильнонаклонных скважинах, чем турбулентный поток с его более плоским профилем.

Рисунок 5.8 – Схема изменения профиля потока при эксцентричном положении колонны в скважине

Природа слоев шлама и эксцентричное расположение колонны в скважине требуют выбора различных режимов течения бурового раствора для очистки участков ствола, имеющих разный наклон.

Режим течения бурового раствора

Как отмечалось в предыдущей главе в вертикальных скважинах предпочтительно поддерживать ламинарный режим, так как скорость оседания шлама меньше, и можно легко регулировать характеристики бурового раствора и скорость потока в кольцевом пространстве для обеспечения качественной очистки ствола. При больших зенитных углах преимущества ламинарного течения сводятся к нулю из-за формирования слоев шлама.

Ламинарный поток менее эффективен для разрыхления и разрушения слоев шлама, чем турбулентный. Кроме того, вязкие жидкости не могут глубоко проникать в плотно упакованные слои шлама, формирующиеся в сильнонаклонных скважинах.

При зенитных углах больше 55⁰ желателен турбулентный режим, поскольку в наклонно направленных и горизонтальных скважинах доминирующим фактором является глубокое проникновение бурового раствора в слои шлама и максимально возможное увеличение скорости потока около слоев шлама, а ламинарный поток не обеспечивает касательных напряжений, достаточных для разрыхления слоев шлама. Исключение составляют случаи, когда жидкость достаточно вязкая для образования структурного течения. При зенитных углах больше 55 ° турбулентный поток намного более эффективен для разрушения слоев шлама.

При зенитных углах от 45 ⁰ до 55° эффективность ламинарного и турбулентного потока примерно одинакова. Здесь нужно найти компромисс между ограничением скорости оседания шлама у стенки и максимально возможным увеличением скорости потока у стенки.

Труднее всего обеспечить качественную очистку при зенитных углах от 45 ° до 55 ° когда шлам и бурильная колонна лежат на нижней стенке скважины. Такое эксцентричное расположение бурильной колонны приводит к снижению скорости потока, обтекающего оседающий шлам и слои шлама. Поэтому нужно использовать буровой раствор, способный эффективно очищать скважину под эксцентрично расположенной бурильной колонной. Для этого необходим такой профиль скоростей этого бурового раствора, при котором скорость потока под эксцентрично расположенной бурильной колонной была бы максимально высокой, а конечная скорость оседания шлама была бы как можно более низкой.

При таких умеренных зенитных углах возникает также опасность соскальзывания слоев шлама. Поэтому важно обеспечить минимальную скорость потока в кольцевом пространстве, при которой такая опасность устраняется. Это минимальная скорость транспортирования (МСТ), при которой начинается движение шлама в слое.

Как и в вертикальных скважинах, концентрация шлама всегда уменьшается при увеличении плотности бурового раствора. Однако при увеличении зенитного угла плавучесть замедляет перемещение шлама по оси скважины. При больших зенитных углах увеличение плотности бурового раствора способствует повышению качества очистки скважины благодаря ослаблению эффекта Бойкотта и благодаря тому, что слои шлама более ожижены и менее плотно упакованы. Роль плотности бурового раствора в передаче момента количества движения от бурового раствора к шламу остается неизменной при любом значении зенитного угла.

Работы Becker и Azar в университете г. Талса продемонстрировали влияние плотности бурового раствора на формирование слоев шлама. Ниже вкратце перечислены итоги этих исследований.

• Концентрация шлама резко возрастала в интервале зенитных углов 35° - 45 ⁰ при низкой плотности бурового раствора, но не так резко при большей плотности бурового раствора (рисунок 5.7).

• Толщина слоя шлама значительно уменьшалась при небольших увеличениях плотности бурового раствора при любых значениях зенитного угла.

• При большей плотности бурового раствора соскальзывание и лавинообразное движение шлама в слое происходило реже.

• При большей плотности бурового раствора слои бурового раствора ожижены в большей степени, и поэтому их легче разрушить.

• При большей плотности бурового раствора меньше минимальная скорость, при которой начинается движение шлама в слое.

В общем, увеличение плотности бурового раствора облегчает разрушение слоев шлама. Это значит, что при большей плотности бурового раствора пороговая скорость, ограничивающая рост слоев шлама, будет меньше. Таким образом, при одном и том же расходе бурового раствора площадь сечения кольцевого пространства будет больше, а толщина слоя шлама будет меньше.

Динамическое напряжение сдвига и вязкость

В вертикальной скважине увеличение ДНС приводит к повышению качества очистки, а в наклонно направленной и горизонтальной скважинах увеличение ДНС наоборот к снижению, так как вязкий буровой раствор не может так легко проникать в слои шлама, как маловязкий. Однако основной причиной является искажение профиля скоростей при ламинарном течении. Эксцентричное расположение бурильной колонны приводит к смещению профиля скоростей от слоев шлама. В результате скорость у поверхности слоя шлама значительно уменьшается (рисунок 5.9)

Рисунок 5.9 – Профили скоростей потока бурового раствора в горизонтальной скважине

Kenny, Sunde и Hemphill считают, что при использовании менее вязких жидкостей скорость потока под эксцентрично расположенной бурильной колонной будет выше. Используя модель Гершеля-Бакли, они показали, что качество очистки скважины на участках больших зенитных углов повышается при увеличении показателя поведения (n) и при уменьшении динамического напряжения сдвига и пластической вязкости.

Из-за высокой вязкости бурового раствора поток будет отклоняться в часть кольцевого пространства над бурильной колонной. В результате снизится скорость в пространстве над слоем шлама.

Kenny, Sunde и Hemphill считают также, что увеличение скорости жидкости в пространстве под эксцентрично расположенной бурильной колонной не является единственным фактором, который следует учитывать при оценке качества очистки скважины при умеренных зенитных углах. Так же важно ограничить скорость оседания при низких скоростях сдвига, наблюдающихся около стенки. Должен быть достигнут некий компромисс между очень низкой вязкостью бурового раствора, способствующей увеличению скорости потока у стенки, и высокой вязкостью, способствующей уменьшению конечной скорости оседания (выводы этих исследователей проиллюстрированы на рисунке 5.10.

а) Концентричное расположение бурильной колонны в скважине	б) Эксцентричность расположения бурильной колонны в скважине - 50%	с) эксцентричность расположения бурильной колонны в скважине - 50 % и уменьшенный расход

Рисунок 5.10 - Влияние вязкости бурового раствора на толщину слоя шлама (графики применимы только к ламинарным потокам)

Так, при отсутствии эксцентричности расположения бурильной колонны в скважине, высоковязкий буровой раствор обеспечивает лучший показатель эффективности транспортирования шлама, чем раствор низкой вязкости. Профиль скоростей таков, что скорость потока около слоя шлама достаточно высока для разрушения слоя. При этом высокая вязкость бурового раствора ограничивает оседание шлама. Высоковязкие буровые растворы обеспечивают качественную очистку скважины даже при больших зенитных углах.

Если же бурильная колонна расположена в скважине эксцентрично, то, поток оттесняется от слоя шлама (рисунок 5.10, в, с). При использовании высоковязкого бурового раствора скорость потока над слоем шлама будет ниже, чем при использовании маловязкого раствора. Однако маловязкий буровой раствор не обеспечивает высокий показатель эффективности транспортирования в пространстве за эксцентрично расположенной бурильной колонной, поскольку при низкой скорости сдвига в пространстве около стенки конечная скорость оседания слишком высока.

Буровые растворы средней вязкости обеспечивают наилучшее сочетание скорости бурового раствора за эксцентрично расположенной бурильной колонной и низкой конечной скорости оседания при низких значениях скорости сдвига.

При наличии ламинарного режима течения и при эксцентричном расположении бурильной колонны буровые растворы средней вязкости обеспечивают наилучшие показатели при любых зенитных углах и при всех расходах.

Толщина слоя шлама значительно уменьшается при уменьшении вязкости при всех зенитных углах больше 45 ⁰ . Однако уменьшить толщину слоя шлама можно также используя буровой раствор очень высокой вязкости, особенно при небольших зенитных углах. Отсюда следует, что буровые растворы как очень высокой вязкости (структурное течение), так и очень низкой вязкости (турбулентное течение) очищают скважину лучше, чем растворы средней вязкости (ламинарное течение).

Турбулентные и структурные течения редко возникают в сильнонаклонных скважинах, поэтому приходится ограничиться ламинарным течением. На рисунке 5.11 показано, что при ламинарном течении лучше всего очищают скважину буровые растворы средней вязкости. Растворы очень высокой и очень низкой вязкости могут быть использованы как дополнение к средствам очистки, обеспечивающим наиболее эффективное ламинарное течение.

Увеличение вязкости бурового раствора после прекращения бурения эффективно только в слабонаклонных скважинах. В сильнонаклонных участках слои шлама разрушаться не будут. Вертикальные участки будут очищены, и вибросита будут чистыми, но в сильнонаклонных участках останутся слои шлама.

Рисунок 5.11 – Влияние скорости потока на толщину слоя шлама

а) при увеличении расхода толщина слоя шлама увеличивается линейно; б) при увеличении расхода показатель качества очистки скважины увеличивается линейно

Ниже даны выводы, сделанные в ряде работ по изучению вязкости буровых растворов в наклонных скважинах:

• При зенитных углах больше 65 ⁰ наилучшее качество очистки обеспечивает вода в турбулентном потоке.

• При отсутствии вращения бурильной колонны и при ламинарном течении в скважине всегда присутствуют слои шлама, как бы ни был велик расход бурового раствора.

• Слои шлама не присутствуют при ламинарном течении.

• Нужно находить компромисс между максимально возможным увеличением скорости потока за эксцентрично расположенной бурильной колонной и уменьшением конечной скорости оседания при низких скоростях сдвига, наблюдающихся в пространстве между бурильной колонной и слоем шлама.

• Изменение реологических характеристик бурового раствора меньше влияет на качество очистки, если колонна вращается". Это обусловлено тем, что вращение колонны эффективно разрушает слои шлама.

• При использовании высоковязких буровых растворов вращение бурильной колонны требуется в большей степени, чем при использовании маловязких растворов.

• При использовании РВО влияние вязкости на качество очистки скважины заметнее, чем при использовании РУО.

• При использовании РУО слои шлама более склонны к соскальзыванию, чем при использовании РВО.

Разжижение бурового раствора при сдвиге

Еще одним свойством буровых растворов, требующим рассмотрения, является их способность к разжижению при сдвиге.

Благодаря способности бурового раствора разжижаться при сдвиге, его вязкость будет меньше у стенки скважины, где скорость сдвига имеет наибольшее значение, и будет больше в основном потоке, где скорость сдвига имеет наименьшее значение. При использовании буровых растворов, обладающих большей способностью к разжижению при сдвиге, скорость сдвига у стенки скважины обычно бывает больше, а центральная часть профиля скоростей бывает более плоской. Поэтому чем больше способность бурового раствора к разжижению при сдвиге, тем вероятнее развитие структурного течения.

Чем больше способность бурового раствора к разжижению при сдвиге, тем эффективнее будет очистка пространства под эксцентрично расположенной бурильной колонной.

Вязкость буровых растворов имеет самое низкое значение в кольцевом пространстве около долота и будет последовательно возрастать при движении вверх по стволу. Поэтому буровой раствор будет прекрасно разрыхлять слой шлама около долота, но эффективность этого процесса будет уменьшаться при удалении бурового раствора от долота. Таким образом, при подъеме инструмента не удается заметить большого сопротивления продольному перемещению колонны до тех пор, пока УБТ не войдут в слои шлама, не разрыхленные более вязким раствором.

Расход бурового раствора

Обычно считается, что скорость потока в кольцевом пространстве является фактором, в наибольшей степени влияющим на эффективность очистки наклонных скважин. Однако, следует учитывать момент количества движения, передаваемый буровым раствором шламу, который зависит от плотности бурового раствора. При использовании буровых растворов низкой плотности для качественной очистки скважины требуется более высокая скорость потока в кольцевом пространстве.

Для глубокого понимания процесса очистки наклонных скважин нужно различать расход и скорость потока в кольцевом пространстве. Часто эти два термина используют как синонимы, но между ними есть важное различие: скорость потока в кольцевом пространстве равна расходу деленному на площадь поперечного сечения кольцевого пространства. Фактическая скорость зависит и от площади поперечного сечения, и от удаления слоя бурового раствора от стенки.

В вертикальной скважине площадь поперечного сечения кольцевого пространства остается относительно постоянной по отношению к расходу. Однако на сильнонаклонных участках площадь поперечного сечения изменяется в зависимости от расхода. Это обстоятельство обуславливает влияние расхода на скорость потока в кольцевом пространстве по всей длине ствола.

В вертикальной скважине средняя скорость потока в кольцевом пространстве зависит от расхода. В наклонной скважине, где присутствуют слои шлама, средняя скорость потока в кольцевом пространстве преимущественно постоянна, независимо от расхода. Это обусловлено тем, что слои шлама формируются до достижения равновесия между скоростями отложения шлама и эрозии слоя шлама.

Если скорость бурового раствора не достигает "пороговой", шлам оседает на нижней стенке скважины и образует слои. Пороговая скорость - это такая скорость, которой достаточно для прекращения отложения шлама. Обеспечить такую высокую скорость потока в кольцевом пространстве, при которой совсем не будет отлагаться шлам, часто невозможно из-за ограничений давления или объема. Однако по мере того как шлам оседает и образует слои, площадь кольцевого пространства уменьшается, и местная скорость потока в кольцевом пространстве возрастает. Со временем местная скорость потока достигает порогового значения, и устанавливается равновесие между отложением и эрозией слоя шлама (рисунок 5.12). При отсутствии вращения бурильной колонны установится равновесная толщина слоя шлама, не зависящая от количества шлама или расхода бурового раствора.

Рисунок 5.12 – Схема формирования слоя шлама в горизонтальных скважинах

Изменение расхода не приведет к изменению пороговой местной скорости. Толщина слоя шлама изменится таким образом, чтобы площадь кольцевого пространства была достаточно велика для обеспечения этой пороговой скорости.

Для каждого типа бурового раствора существует своя критическая пороговая скорость, достаточно высокая для предотвращения дальнейшего формирования слоев шлама. Когда площадь поперечного сечения кольцевого пространства уменьшается из-за формирования слоев шлама, скорость должна возрасти. При достижении пороговой скорости, отложение шлама прекращается. Если расход будет возрастать, начнется разрушение слоя, и этот процесс продолжится до восстановления пороговой скорости. Пороговая скорость изменяется в зависимости от зенитного угла, характеристик бурового раствора и типа образующегося шлама.

При более высоких расходах пороговая скорость будет достигаться при более тонких слоях шлама. Толщина слоя шлама уменьшается линейно с увеличением расхода.

Пороговая скорость, при которой прекращается дальнейшее отложение шлама и формирование слоя, представляет собой минимальную скорость транспортирования (MСТ), при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Как было указано выше, в общем случае MСТ определяется как скорость, при которой начинается транспортирование шлама. Или, в отношении пороговой скорости, MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, является скоростью, при которой начинается разрушение слоя шлама.

Ниже даны выводы в отношении MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние:

• MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, возрастает по мере увеличения размера частиц шлама и уменьшается по мере увеличения плотности бурового раствора.

• Вращение бурильной колонны способствует уменьшению MСТ при использовании вязких буровых растворов, но не влияет на MСТ при использовании воды (это объясняется отсутствием слоя шлама в воде при турбулентном режиме течения).

• MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, зависит от реологии в меньшей степени, чем MСТ, при которой начинается движение шлама в слое.

• MСТ имеет самые высокие значения при использовании буровых растворов средней вязкости и самые низкие значения использовании высоковязких буровых растворов. При использовании воды MСТ имеет промежуточные значения.

• MСТ уменьшается с увеличении вязкости при действии обоих механизмов транспортирования шлама. Однако она имеет меньшие значения, если используется вода, -при действии обоих механизмов транспортирования шлама.

Шлам и слой шлама

При недостаточном вращении или отсутствии вращения бурильной колонны формируется слой шлама, что часто наблюдается при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин (рисунок 5.13).

Рисунок 5.13 -Равновесная толщина слоя шлама

При протаскивании КНБК через этот слой шлама последний деформируется и образует "шламовую горку ", возвышающуюся перед долотом и стабилизаторами. Когда толщина слоя невелика, эта "шламовая горка" достигает стабильной высоты, и при протаскивании через нее КНБК постоянно происходят затяжки (рисунок 5.14). Когда толщина слоя шлама слишком велика, шламовая горка развивается в пробку, в результате чего происходит закупоривание кольцевого пространства и резкое увеличение усилия на крюке при подъеме колонны.

При протаскивании долота через слой шлама образуется шламовая горка.

Когда толщина слоя шлама слишком велика, шламовая горка развивается в пробку, в результате чего происходит закупоривание кольцевого пространства и резкое увеличение усилия на крюке при подъеме колонны.

Рисунок 5.14 - Критическая толщина слоя шлама

Вокруг КНБК и долота должен быть достаточный кольцевой зазор, чтобы они смогли пройти слои шлама при подъеме инструмента. Если площадь поперечного сечения долота больше площади открытого пространства над слоем шлама, то колонна не может двигаться в осевом направлении.

Показатель качества очистки скважины представляет собой отношение высоты кольцевого пространства над слоем шлама к критической толщине слоя шлама.

Транспортирование шлама в суспензии

Лучший режим транспортирования шлама - "в суспензии с постоянной концентрацией", когда шлам равномерно распределен по сечению кольцевого пространства. Этот режим транспортирования можно ожидать при движении мелкого шлама на вертикальном участке. Его можно обеспечить также при турбулентном течении с вращением бурильной колонны при больших зенитных углах (рисунок 5.15, а).

Следующий по эффективности режим транспортирования - "в суспензии с изменяющейся концентрацией". Шлам все еще находится во взвешенном состоянии, но сконцентрирован в большей степени у нижней стенки скважины. Этот режим действует, когда тяжелый шлам циркулирует на слабонаклонных участках.

Он может существовать также на сильнонаклонных участках, если поток обладает достаточной энергией для и/или производится вращение бурильной колонны (рисунок 5.15, б).

а

б

Рисунок 5.15 – Транспортирование шлама в суспензии

Еще один режим транспортирования шлама во взвешенном состоянии - "в песчаных комках". Шлам все еще транспортируется во взвешенном состоянии, но собирается в комки, в которых все частицы шлама движутся примерно с одинаковой скоростью (рисунок 5.16, а).

Последний режим транспортирования шлама во взвешенном состоянии - "скачкообразное движение".

а

б

Рисунок 5.16 - Транспортирование шлама: а) «в песчаных комках»; б) «скачкообразное движение»

Шлам все еще транспортируется во взвешенном состоянии, но с трудом удерживается в потоке. Поэтому частицы шлама периодически соударяются с нижней стенкой скважины и снова возвращаются в поток. Этот режим имеет градации от "преимущественно во взвешенном состоянии" до "преимущественно в контакте со стенкой" (рисунок 5.16, б).

Все режимы транспортирования, при которых шлам находится во взвешенном состоянии, эффективнее режимов, при которых шлам находится в контакте со стенкой скважины. Находясь во взвешенном состоянии шлам, движется со скоростью, составляющей некоторую часть от скорости потока бурового раствора. Двигаясь в контакте со стенкой скважины шлам перекатывается или скользит по нижней стенке с намного более низкой скоростью, чем при транспортировании во взвешенном состоянии. Если постоянно не производится вращение бурильной колонны, шлам не удается удалять с такой же скоростью, с какой он образуется.

Толщина слоя шлама будет возрастать, пока не установится пороговая скорость, при которой становится возможным транспортирование шлама во взвешенном состоянии. При достижении этой пороговой скорости вновь поступающий шлам будет преимущественно уноситься потоком во взвешенном состоянии, независимо от толщины слоя шлама.

Транспортирование шлама в слое

Есть три основных режима транспортирования шлама в слое (рисунок 5.17):

• В шламовых дюнах: песок, находящийся на верхней поверхности слоя, перекатывается через нижележащий неподвижный массив песка "прыжками". Внешнее впечатление таково, что перекатывается вся дюна.

• В непрерывно движущемся слое: шлам перекатывается или скользит по нижней стенке скважины в тонком слое. Все частицы шлама движутся вперед, но с разными скоростями.

• По неподвижному слою: формируется толстый слой шлама, в верхней части которого есть частицы, способные перекатываться вперед. Внутренняя часть слоя остается неподвижной. Это наименее эффективный режим транспортирования шлама.

Рисунок 5.17 – Транспортирование шлама в слое

Тенденция к образованию неподвижного слоя шлама проявляется при зенитных углах больше 65 °. Режимы "в шламовых дюнах" и "в непрерывно движущемся слое" чаще всего встречаются при умеренных зенитных углах. При таких углах поток должен удерживать шлам в достаточной степени, чтобы не происходило его соскальзывание и лавинообразное движение.

Следует отметить, что при достижении равновесной толщины слоя шлам будет транспортироваться во взвешенном состоянии над слоем. Вновь поступающий шлам будет транспортироваться по стволу. При остановке бурения толщина слоя шлама не уменьшится. Со временем вибросита могут стать чистыми, но слои шлама останутся на месте.

В вертикальной скважине можно снизить скорость проходки и остановить бурение, пока скважина не будет очищена. На наклонных участках ствола толщина слоя шлама при остановке значительно не уменьшится. Это не означает, что нужно продолжить бурение, если требуется очистка. Уменьшение скорости проходки может обеспечить очистку вертикального участка ствола, но для очистки сильнонаклонных участков нужно применять более эффективные методы.

Как упоминалось выше, существует минимальная скорость транспортирования (MСТ), при которой начинается движение шлама при действии любого механизма. Есть одна MСТ, при которой начинается движение шлама в слое, и другая MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Пороговая скорость, при достижении которой прекращается увеличение толщины слоев шлама, представляет собой MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. По данным исследований MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, были сделаны следующие выводы.

• Плотность и размер частиц шлама влияют на MСТ и, следовательно, на толщину слоя шлама. Небольшое уменьшение плотности шлама может привести к значительному уменьшению толщины слоя шлама.

• Крупные частицы шлама легче вырываются из слоя шлама, чем очень мелкие. Вероятно, это обусловлено тем, что крупные частицы испытывают более высокое касательное напряжение при взаимодействии с потоком бурового раствора. Касательное напряжение зависит от коэффициента трения, который определяется шероховатостью поверхности и реологическими характеристиками.

• Крупные частицы имеют более шероховатую поверхность, поэтому коэффициент трения для них будет больше. Очень мелкие частицы могут очень сильно прилипать друг к другу. Отношение площади поверхности к массе для них настолько велико, что заметно проявляются адгезивные свойства бурового раствора, и происходит их слипание. Так же как барит оседает на дно приемной емкости, эти частицы, размер которых сопоставим с размером частиц ила, образуют похожий на мягкую породу осадок, способный сопротивляться эрозии. Часто вымыть барит с дна приемной емкости невозможно, его приходится удалять лопатой. Барит, выбрасываемый из приемной емкости, остается связанным в крупные комки. Эти очень мелкие частицы (размер ила) могут быть так сильно связаны между собой, что забивают сливное отверстие емкости.

• В вертикальной скважине крупный шлам оттесняется к стенке и циркулирует, поэтому его трудно вымыть. В наклонной скважине крупный шлам легче оторвать от слоя шлама, поэтому здесь его проще удалять. Требуется вращение колонны для разрушения слоя шлама, особенно слоя мелкого шлама. Если шлам крупный, вращение колонны не дает большого эффекта. Если используется вода, и режим течения турбулентный, вращение колонны может вообще не понадобиться.

• Реологические характеристики бурового раствора влияют на MСТ, при которой начинается движение шлама в слое, больше, чем на MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Увеличение вязкости обычно не ведет к значительному уменьшению толщины слоя шлама, поскольку вязкие жидкости не могут легко проникать в слои шлама на сильнонаклонных участках.

С увеличением зенитного угла MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, возрастает. При увеличении зенитного угла скорость потока в кольцевом пространстве должна возрасти до значения, при котором прекращается увеличение толщины слоя шлама. Толщина слоя шлама всегда возрастает при увеличении зенитного угла, поэтому местная скорость потока в кольцевом пространстве на сильнонаклонных участках будет выше, чем скорость на слабонаклонных участках при одинаковом расходе бурового раствора (рисунок 5.18).

Рисунок 5.18 – Схематичное изображение формирования слоя шлама в а) слабонаклоненном и б) в сильнонаклоненном участках ствола скважины

Увеличение толщины слоя шлама обычно определяется по возрастанию крутящего момента. Но так бывает не всегда. При зенитных углах около 45⁰ шлам соскальзывает, и крутящий момент имеет тенденцию к снижению. Установлено, что в некоторых случаях шлам в сформировавшемся слое смазывает бурильные трубы, что ведет к снижению крутящего момента.

Если появится необходимость остановить бурение и поднять инструмент с промывкой, расход циркулирующего бурового раствора должен быть по меньшей мере таким же, каким он был в процессе бурения. В противном случае шлам из устойчивого слоя на участке с зенитным углом больше 65 °, перенесенный на участок с умеренным зенитным углом, может лавинообразно двинуться вниз по стволу и закупорить кольцевое пространство.

Слои шлама являются причиной большинства осложнений при бурении наклонно-направленных скважин. Из-за пробок, возникших при наличии слоя шлама, происходят прихваты и поглощения. Именно поэтому слои шлама являются предметом рассмотрения во многих работах, связанных с бурением наклонно-направленных скважин. Ниже приведены некоторые общие выводы, сделанные в этих работах:

• При отсутствии вращения колонны в сильнонаклонных скважинах почти наверняка будут формироваться слои шлама.

• При нормальных условиях до половины кольцевого пространства может быть заполнено слоем шлама.

• Наиболее вероятно формирование слоев шлама в скважинах большого диаметра. Это обусловлено более низкими скоростями бурового раствора, особенно в пространстве под эксцентрично расположенной бурильной колонной.

• Если производится вращение бурильной колонны, слои шлама обычно не создают проблем. Прихват может произойти при продольном перемещении колонны по стволу.

• Если требуется переместить без циркуляции КНБК с элементами большого диаметра по стволу, где есть слой шлама, то это можно сделать лишь в том случае, когда этот слой шлама очень тонкий.

• Скорость проходки влияет на толщину слоя шлама в меньшей степени, чем другие факторы, такие как плотность бурового раствора, вращение бурильной колонны и расход бурового раствора..

• Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при увеличении зенитного угла.

Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при уменьшении плотности бурового раствора.

Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при уменьшении расхода бурового раствора.

• Если скважина не очищается, первым хорошо заметным признаком этого является возрастание крутящего момента. Для контроля за процессом очистки можно также следить за объемом бурового раствора, выходящего из скважины. Объем выходящего из скважины раствора будет уменьшаться, если из скважины выносится шлам.

Скорость проходки

Скорость проходки влияет на размер и количество шлама. Однако количество шлама не влияет на толщину слоя шлама. Слои шлама достигают равновесной толщины независимо от скорости проходки. Пороговая скорость, при которой прекращается увеличение толщины слоя, не изменяется с изменением скорости поступления шлама, так что равновесная толщина слоя тоже не меняется. Количество продуцируемого шлама может увеличиваться, но весь этот шлам будет выноситься во взвешенном состоянии над слоем шлама. Тем не менее, скорость проходки может влиять на качество очистки скважины на слабонаклонных и вертикальных участках.

При прекращении бурения вертикальный участок скважины будет очищен, но на сильнонаклонных участках толщина слоя шлама не изменится. В данном случае чистые вибросита не являются показателем высокого качества очистки. Вибросита станут чистыми, когда из скважины будет вынесен весь шлам, находящийся во взвешенном состоянии. В то же время слой шлама останется на месте. Необходимо вращать бурильную колонну или принимать другие меры для разрушения слоя шлама, чтобы можно было вымыть шлам в вертикальный участок и удалить из скважины.

Вращение и эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны

Эксцентричное расположение колонны в скважине практически не влияет на качество очистки вертикальных скважин, а в наклонно направленных скважинах и горизонтальных оказывает значительное влияние из-за изменения профиля скорости потока бурового раствора.

Рисунок 5.19 - Влияние эксцентричного расположения в скважине бурильной колонны на формирование слоя шлама

В верхней части интервала набора кривизны колонна испытывает сильное растяжение, в результате чего она может войти в контакт с верхней стенкой скважины. Шлам перемещается, главным образом, к нижней стенке скважины, поэтому его концентрация максимальна на той стороне, где скорость потока заметно не снижается. Однако при больших зенитных углах бурильная колонна находится в контакте с нижней стенкой скважины, и уменьшение скорости потока заметно снижает эффективность транспортирования шлама (рисунок 5.19). Этот эффект сильнее выражен при ламинарном течении, чем при турбулентном. Вращение бурильной колонны в некоторой степени способствует повышению качества очистки на вертикальном участке, поскольку помогает отвести шлам от стенок скважины. При больших зенитных углах вращение колонны очень эффективно, так как при этом происходит разрушение слоя шлама.

Для того чтобы вращение бурильной колонны приводило к эффективному разрушению слоя шлама, должна быть достигнута "пороговая" частота вращения. При больших зенитных углах и низкой частоте вращения бурильная колонна перекатывается вверх по стенке скважины и соскальзывает назад³. Когда частота вращения увеличивается, но остается ниже порогового значения, колонна поднимается выше по стенке, прежде чем она соскользнет обратно. При низкой частоте вращения колонны слой шлама будет ослаблять или предотвращать это "перекатывание" из-за того, что колонна удерживается на месте шламовым ложем (рисунок 5.20).

Рисунок 5.20 – Пороговая частота вращения

При частотах вращения, превышающих пороговое значение, бурильная колонна может вырваться из шламового ложа и перекатываться по всей окружности стенки скважины. Данные приборов для измерения давления во время бурения показывают, что типичная пороговая частота вращения 127 мм бурильной колонны в скважинах диаметром 300 мм и 196 находится в интервале 50 - 75 об/мин. (рисунок 5.21). Когда слой шлама разрушается, и взрыхленный шлам выносится на вертикальный участок скважины, забойное давление возрастает из-за увеличения содержания шлама в кольцевом пространстве на этом участке.

Рисунок 5.21 – Данные измерения давления во время бурения и очистка скважины

Выводы:

• Эффект от вращения бурильной колонны возрастает при увеличении зенитного угла. При умеренных зенитных углах слои шлама разрыхлены и ожижены. Они легко разрушаются даже при очень медленном вращении. При больших зенитных углах слои шлама плотно упакованы, и для их разрушения требуется вращение с пороговой частотой. При умеренных зенитных углах слои шлама можно удалить путем улучшения реологических характеристик и увеличения расхода бурового раствора, на при больших зенитных углах для разрушения слоев шлама требуется вращение бурильной колонны. Таким образом, влияние вращения бурильной колонны на толщину слоев шлама сильнее при больших зенитных углах.

• Эффект от вращения бурильной колонны становится слабее при увеличении расхода бурового раствора, поскольку с увеличением расхода уменьшается толщина слоев шлама.

• Эффект от вращения бурильной колонны выражен сильнее при высоких значениях динамического напряжения сдвига. Высоковязкие буровые растворы не могут легко проникать в слои шлама, поэтому здесь возрастает роль вращения бурильной колонны.

• Вращение бурильной колонны сильнее влияет на мелкий шлам. Из-за большого отношения площади поверхности к массе мелкого шлама заметно проявляются адгезивные свойства бурового раствора, и происходит слипание частиц шлама. Слой такого шлама трудно разрушить одним лишь увеличением расхода бурового раствора.

• Механическое воздействие вращения бурильной колонны на слои шлама уменьшается с увеличением размера или количества шлама. Вращение бурильной колонны способствует уменьшению толщины слоев крупного шлама при низкой скорости проходки и слоев мелкого шлама при высокой скорости проходки. Вращение бурильной колонны не помогает уменьшить толщину слоев крупного тяжелого шлама при высокой скорости проходки.

Осторожно: перемещение бурильной колонны может привести к обвалу шлама из зон размыва ствола, что является предпосылкой для образования пробки. Для качественной очистки нужно всегда иметь ствол номинального диаметра.

Бурение без вращения бурильной колонны

При бурении забойным двигателем бурильную колонну обычно не вращают. В результате, при продольном перемещении бурильной колонны по стволу формируется слой шлама. Для разрушения и удаления этого слоя шлама необходимо время от времени вращать бурильную колонну.

После разрушения слоя шлам будет транспортироваться по скважине в суспензии с изменяющейся концентрацией в виде протяженного скопления шлама высокой концентрации. Когда это скопление дойдет до вертикального участка ствола, оно будет влиять на забойное давление.

С началом вращения бурильной колонны после ее продолжительного продольного перемещения по стволу может появиться область аномально высокой концентрации шлама. Четким признаком появления такой области могут служить показания прибора для измерения давления во время бурения при отрыве долота от забоя.

Сопротивление продольному перемещению колонны по стволу будет меньше, если перед этим перемещением выполнялось вращение колонны. Благодаря вращению слой шлама удаляется от КНБК. Наличие слоя шлама приводит к чрезмерному возрастанию крутящего момента и может помешать усилиям по управлению траекторией скважины.

Использование гибкой бурильной колонны

При бурении с гибкой бурильной колонной вращение колонны невозможно. Поэтому образование слоя шлама при больших зенитных углах неизбежно.

При бурении с гибкой бурильной колонной нужно часто выполнять рейсы для очистки и проработки ствола с полной циркуляцией и вращением долота. Выполнение циркуляции с продольным перемещением бурильной колонны недостаточно для разрушения слоя шлама. Разрушить слой шлама можно только вращением долота. Шлам быстро осядет и снова образует слой, поэтому гибкую бурильную колонную нужно периодически поднимать для удаления слоя шлама. При подъеме колонны из скважины большая часть шлама в слое поднимается вверх по стволу долотом (рисунок 5.22). Следует отметить, что долото ориентировано вниз, и разрыхляет слой шлама при подъеме.

Рисунок 5.22 – Бурение с гибкой бурильной колонной

При бурении с гибкой бурильной колонной вращающееся долото "гонит" шлам вверх по стволу. Шлам, взрыхленный долотом, быстро оседает. Нужно периодически поднимать долото в вертикальный участок, чтобы довести до него шлам.

Хотя при бурении с гибкой бурильной колонной выполнять рейсы для очистки и проработки ствола на вертикальном участке относительно легко, желательно свести к минимуму необходимость в таких рейсах. Обычно осуществляют оптимизацию характеристик и расхода бурового раствора для увеличения временного интервала между такими рейсами.

Время

Транспортирование шлама в наклонных скважинах требует больше времени, чем в вертикальных скважинах.

С увеличением зенитных углов возрастает время, требуемое для качественной очистки ствола.

Используя свои фирменные программы для расчета конечной скорости оседания, большинство сервисных компаний, осуществляющих контроль параметров бурового раствора, может оценить время, требуемое для транспортирования шлама от долота на поверхность. Если буровая бригада не имеет возможности использовать такие средства, то она должна дать свою эмпирическую оценку времени, требуемого для очистки.

Метод прогнозирования времени, требуемого для очистки наклонных скважин предусматривает использование для каждого участка ствола коэффициента увеличения числа двойных ходов насоса при циркуляции. Значение этих коэффициентов принимается в зависимости от того, сколько объемов кольцевого пространства нужно вытеснить, чтобы полностью очистить скважину. Эти коэффициенты увеличения числа двойных ходов насосов при циркуляции определяются эмпирическим путем для различных разбуриваемых пластов и используемых буровых растворов.

216