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.
Мгновенное бурение скважин #shorts
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
| Глава 3 | Направленное бурение и методы отклонения | 167 |
| Раздел 1 | Буровые растворы |
ГИДРАВЛИКА ДОЛОТА Рисунок1-1. Гидравлика долота.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
| 168 | Глава 3 | Направленное бурение и методы отклонения |
| Раздел 1 | Буровые растворы |
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.
Инженер Олег Косицын⚒️ — технология и способы бурения, правильная конструкция, уголовка за скважины
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/м 2 m, = Вязкость, Н сек/м 2 (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
| Глава 3 | Направленное бурение и методы отклонения | 169 |
| Раздел 1 | Буровые растворы |
• Долотные насадки — турбулентный • Кольцевое пространство, — ламинарный или переходный В зависимости 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
| Режим течения | Скорость потока | Диаметр | Вязкость | Шероховатость |
| трубы | ||||
| Ламинарный | Q | 1/D 4 | m | Не влияет |
| Турбулентный | Q 1.8 | 1/D 5 | m 0.3 | Растет при увели- |
| чении шерохова- | ||||
| тости | ||||
| Промывочные | Q | Нет данных | Не влияет | Нет данных |
| насадки |
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
| 170 | Глава 3 | Направленное бурение и методы отклонения |
| Раздел 1 | Буровые растворы | |
| Наземная обвязка | 3-5% | |
| Долотные насадки | 50-60% | |
| Бурильная колонна | 30-40% | |
| Кольцевое пространство 5-10% | ||
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:
| 2R 2 (p-p III )g | , где: |
| Vo=—————— | |
| 9m III | |
| Vo | — C корость осаждения частицы, м/с |
| R | -радиус частицы, м |
| p | -плотность частицы, кг/м 3 |
| р III | — плотность дисперсионной среды, кг/м 3 |
| g | -ускорение свободного паления, м/сек 2 |
| m | -вязкость, Н — сек/м 2 |
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
| Глава 3 | Направленное бурение и методы отклонения | 171 |
| Раздел 1 | Буровые растворы |
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 100 0 может в 10 раз увеличить скорость осаждения. Влияние параметров на конечную скорость
| Режим течения | Радиус частицы | Вязкость |
| Ламинарный | R 2 | 1/m |
| Переходный | R | 1/m 0.33 |
| Турбулентный | R 0,5 | Зависимость от вязкости отсутствует |
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
Источник: studfile.net
Гидравлическая программа
Принципы выбора бурового раствора для горизонтальных и вертикальных скважин одинаковы. Однако при выборе промывочной жидкости для горизонтальных скважин некоторые факторы требуют к себе более пристального внимания и более детальной проработки. Такими факторами являются:
• Смазочные свойства раствора
• Толщина фильтрационной корки и опасность возникновения прихватов, вызванных дифференциальным давлением
• Регулирование содержания твердой фазы в буровом растворе
• Загрязнение продуктивного пласта
• Устойчивость стенок скважины
• Вынос шлама и размыв стенок скважины
Одним из наиболее надежных методов выбора бурового раствора для горизонтальных скважин является использование такого раствора, который успешно работал при бурении соседних вертикальных или наклонных скважин. Такой раствор служит хорошей основой для выбора. Однако для горизонтальных скважин потребуется его модифицирование.
Труднее всего обеспечить вынос шлама на участке скважины с зенитным углом 45-60° при большом диаметре ствола. В этих участках часто бывает трудно обеспечить турбулентный режим течения промывочной жидкости, и это может обусловить необходимость применения бурового раствора с повышенными реологическими свойствами.
Компьютерные программы для расчета крутящего момента и сил натяжения могут быть средством диагностики. Можно использовать для оценки степени очистки ствола скважины от шлама. Крутящий момент и осевые силы сопротивления можно уменьшить путем применения бурового раствора с хорошими смазочными свойствами и одновременного регулирования фильтратоотдачи и коркообразования. Хорошая очистка ствола от шлама также обуславливает уменьшение крутящего момента и осевых сил сопротивления. Этому способствует вращение бурильной колонны и периодические промывки при подъеме инструмента.
В горизонтальных скважинах продуктивный пласт дольше подвергается воздействию бурового раствора. Следовательно, необходимо уделять больше внимания сохранению коллекторских свойств пласта, регулированию содержания и состава твердой фазы в буровом растворе, регулированию водоотдачи раствора.
Все вышеперечисленные факторы взаимосвязаны и требуют комплексного подхода. Применение качественного бурового раствора, надлежащая гидравлическая программа, 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 в 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
• Неровности ствола (во всех моделях стволы скважины рассматриваются как гладкий цилиндрический канал)
• Вращение бурильной колонны и способность ее вызывать спиральное течение раствора
• 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.
ГИДРАВЛИКА ДОЛОТА
Рис. 1.1. Гидравлика долота.
Источник: poznayka.org
Этапы проектирования гидравлической программы промывки скважины буровыми растворами
Гидравлической программой бурения скважин называется совокупность режимов промывки и других операций, связанных с гидравликой и обеспечивающих бурение скважин без осложнений или с минимумом осложнений, с максимально высоким качеством при заданных ограничениях по стоимости строительства скважин и выбору бурового оборудования.
Гидравлическая программа включает выбор параметров и расхода промывочной жидкости, выбор режимов промывки забоя, расчет давлений, выбор типа и число насосов и режимов их работы. Некоторые исследователи включают в гидравлическую программу также определение максимально допустимых скоростей спускоподъемных операций (СПО).
Выбор параметров промывочной жидкости
Определяется их функциями, важнейшими из которых являются создание противодавления на проходимые породы, очистка забоя от частиц шлама и вынос их на дневную поверхность. С этой точки зрения наиболее важными свойствами жидкостей, применяемых в бурении, являются их плотность, реологические и фильтрационные параметры. В ряде случаев, например, при проходке многолетнемерзлых пород (ММП) необходимо учитывать (регулировать) и теплофизические параметры промывочных жидкостей.
Правильный выбор плотности промывочной жидкости имеет исключительное значение, так как от этого во многом зависят условия разрушения горных пород, возможность предотвращения осложнений и т.д.
Для предотвращения поступления пластовых флюидов в скважину (проявления) и поглощения бурового раствора давление в скважине pс не должно быть меньше пластового pпл и больше давления начала поглощения (гидроразрыва) pп с учетом гидродинамических потерь, т.е. должно выполняться условие
Критерии выбора расхода определяются функциями промывочной жидкости, важнейшими из которых являются очистка забоя от выбуренной породы, транспортировка шлама на дневную поверхность, подвод энергии к гидравлическим забойным двигателям.
Следует иметь в виду, что при бурении с забойными двигателями перепад давления в долоте не должен превышать 6МПа, иначе происходит достаточно быстрый износ сальниковых уплотнений и рост утечек жидкости через них.
Расчет потерь давления в элементах циркуляционной системы буровой
Циркуляционная система буровой включает бурильные трубы и кольцевое пространство вокруг них, забойный двигатель (если он есть), долото, поверхностную обвязку насоса манифольд, стояк, буровой (грязевый) шланг, вертлюг и ведущую трубу, а также различные задвижки.
Выбор расчетной зависимости зависит от принятой реологической модели и режима течения. В турбулентном режиме, где преобладают силы инерции, для расчета потерь давления используется уравнение Дарси—Вейсбаха
Расчет местных сопротивлений циркуляционной системы
В циркуляционной системе бурящейся скважины имеются многочисленные элементы, в которых происходит изменение проходного сечения или направление потока. К ним относятся замковые соединения, насадки долот, задвижки, вертлюги, забойные двигатели, переводники, обратные клапаны и т.п.
где a — коэффициент потерь давления.
Выбор насоса и режима его работы
Тип насосов и их число выбираются из условия обеспечения заданного (расчетного) расхода промывочной жидкости, при этом максимальное допустимое давление при выбранном диаметре цилиндровых втулок [p]; должно быть больше расчетного
где n — число насосов;
Qi — производительность насоса при i-м диаметре втулок;
Qp — расчетный расход промывочной жидкости;
Δpj — потери давления в элементах циркуляционной системы при расходе Qp;
Δρ — увеличение плотности промывочной жидкости в кольцевом пространстве за счет выбуренной породы.
Следует иметь в виду, что фактическая производительность насоса, как правило, меньше теоретической (паспортной). Отношение фактической производительности насоса Qф к паспортной Qп называется коэффициентом наполнения
Источник: www.megapetroleum.ru