2. Гидродинамические функции

Общим для всех промывочных жидкостей является их агре­гатное состояние. Наиболее характерным свойством жидкостей является их способность течь. Свойства текущих жидкостей называются гидродинамическими. Отсюда все технологические функции промывочной жидкости, выполнение которых осуществ­ляется потоком жидкости в скважине, также именуются гидро­динамическими.

2.1.Вынос выбуренной породы из скважины

В процессе бурения на забое скапливаются частицы выбурен­ной породы. Если их своевременно не удалить, бурение прекра­тится. Но даже небольшое количество частиц выбуренной поро­ды, оставшееся на забое скважины, снижает скорость бурения. Это объясняется тем, что энергия долота затрачивается не толь­ко на разрушение породы и образование ствола скважины, но и на дополнительное измельчение уже выбуренных частиц породы. Чем быстрее удаляется с забоя выбуренная порода, тем меньше непроизводительный расход энергии, тем выше механическая скорость бурения.

Значительную опасность представляет накопление выбурен­ной породы в затрубном пространстве скважины, куда она до­ставляется потоком промывочной жидкости с забоя. Просвет между бурильными трубами и стенками скважины при этом уменьшается, что вызывает опасность прихвата (заклинивания) труб. Измельчение выбуренной породы долотом ведет к накоп­лению в промывочной жидкости избыточного количества мелких твердых частиц, в связи с чем уменьшается подвижность жидкости, следовательно, ухудшается ее качество. Частицы некото­рых пород, в основном глинистых, обладают способностью само­стоятельно распадаться в промывочной жидкости, даже без измельчения долотом. Удаление таких пород из жидкости позво­ляет сохранить ее необходимые свойства.

В некоторых породах находятся соли, растворимые в промы­вочной жидкости. Растворяясь, они взаимодействуют с некото­рыми составными частями промывочной жидкости и ухудшают ее способность осуществлять необходимые функции. Количество солей, переходящих в промывочную жидкость, тем выше, чем сильнее измельчается порода на забое и чем дольше она нахо­дится в промывочной жидкости.

Таким образом, целью рассматриваемой функции промывоч­ной жидкости является предотвращение ряда нежелательных явлений: уменьшение механической скорости бурения, прихват бурильных труб и ухудшение качества промывочной жидкости. Для достижения этой цели промывочную жидкость прокачивают через скважину по трубам, а от выбуренной породы жидкость очищают на дневной поверхности, при этом ее пропускают через специальные очистные сооружения. Эти две операции лежат в основе способа осуществления данной функции.

Частицы с забоя удаляются струей промывочной жидкости, выходящей из отверстий в породоразрушающем инструменте — долоте. Частицы выбуренной породы захватываются струей как непосредственно с забоя, так и с рабочей поверхности долота. Скорость удаления частиц породы возрастает с увеличением расхода промывочной жидкости в единицу времени. Однако повышение расхода ограничено в первую очередь давлением, воз­никающим при прокачивании. С ростом давления может нару­шиться целостность не только шланга и труб, по которым жид­кость подается в скважину, но и самих стенок скважины, сло­женных породами различной прочности. Скорость удаления частиц породы тем выше, чем ближе к забою подводится струя промывочной жидкости, выходящей из отверстий долота. Исполь­зование долот со специальными насадками, подводящими струю почти к самому забою, обеспечивает улучшенную промывку забоя.

Условия промывки забоя скважины зависят не только от рас­смотренных факторов, но и от свойств самой промывочной жид­кости, особенно от ее вязкости. Чем выше вязкость, тем больше сопротивление струе жидкости, выходящей из отверстий долота, и тем меньшая часть энергии струи будет доходить до забоя.

Далее промывочная жидкость вместе с частицами выбуренной породы движется в пространстве между бурильными трубами и стенками скважины. Жидкость при этом движется вверх, а ча­стицы породы под действием силы тяжести — вниз. Достаточно полное удаление этих частиц обеспечивается при условии, если скорость падения частиц значительно меньше, чем скорость подъема жидкости. В условиях скважины этот процесс очень сложный. Скорость подъема жидкости неодинакова по сечению затрубного пространства — она наибольшая в середине потока и резко уменьшается при приближении к стенкам скважины или поверхности бурильных труб. Поэтому для достижения достаточ­но полного выноса породы необходимо иметь высокую скорость подъема не только в середине потока. Ограничена эта скорость, как указывалось выше, давлением жидкости при прокачивании.

При большей вязкости жидкости скорость падения частиц уменьшается. Однако увеличение вязкости ухудшает условия промывки забоя. Поэтому вязкость жидкости должна быть не большой и не малой, а оптимальной (наиболее выгодной).

Скорость падения частиц зависит и от разности удельных весов материала частиц и промывочной жидкости. Чем эта раз­ность меньше, тем меньше и скорость падения. Если разность равна нулю, частицы останутся взвешенными в промывочной жидкости. Но удельный вес материала частиц может быть равен или выше 2,5 гс/см³. Приготовление и применение промывочной жидкости такого высокого и даже меньшего удельного веса по ряду причин, которые будут рассмотрены далее, очень затрудни­тельно. Поэтому для улучшения промывки скважины удельный вес промывочной жидкости повышают только при поступлении в жидкость большого количества частиц породы (например, при обвалах стенок скважины).

Условия выноса частиц породы зависят и от их формы. Так, частицы плоской формы падают в жидкости медленнее, чем ша­рообразные. Однако форма частиц зависит от многих условий и не регулируется.

На условия выноса частиц существенно влияет способ буре­ния скважины. При роторном бурении вращается вся колонна бурильных труб, а при турбинном она может быть и неподвиж­ной. Вращение колонны передается и жидкости, которая в этом случае поднимается по спирали, что улучшает вынос частиц по­роды, особенно для участков жидкости, приближающихся к стен­кам скважины. Поэтому полнота очистки ствола скважины от выбуренных частиц при роторном бурении выше, чем при тур­бинном.

Таким образом, скорость выноса частиц выбуренной породы увеличивается с уменьшением размера частиц и разности между удельными весами породы и жидкости, увеличением скорости подъема жидкости. Предложены уравнения, с помощью которых можно рассчитать необходимую для конкретных условий ско­рость подъема жидкости. Но на практике ввиду сложности по­добных расчетов удельный вес жидкости и производительность насосов определяют опытным путем, ориентируясь на скорость бурения скважины. При недостаточной скорости промывки, опре­деляемой производительностью насосов, скорость бурения соот­ветственно снижается, а недостаточная выносящая способность промывочной жидкости проявляется в накоплении в стволе сква­жины большого количества частиц выбуренной породы, что вы­зывает задержки при движении бурильной колонны.

Вышедшая на дневную поверхность промывочная жидкость с помощью ряда очистных устройств освобождается от частиц выбуренной породы.