Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Как показано на рис. 7-27С, при работе с очень низким расходом высоковязкий буровой раствор еще менее эффективен. Это объясняется тем, что скорость за эксцентрично расположенной бурильной колонной уменьшается еще больше.

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.

Примечание: графики, приведенные на рис. 7-27, применимы только к ламинарным потокам. Эти расчеты не относятся к турбулентному или структурному течению. Кроме того, при построении этих графиков не учитывалось вращение бурильной колонны.

В работе Sifferman11 также показано, что толщина слоя шлама значительно уменьшается при уменьшении вязкости при всех зенитных углах больше 45° (все исследования Sifferman

проводились для углов больше 45°). 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 рис. 7-30 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.

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

•При зенитных углах больше 65º 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.11

•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.6

•Изменение реологических характеристик бурового раствора меньше влияет на качество очистки, если колонна вращается11. 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.

70

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

•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 РВО11

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 наинизшее значение (рис. 7-28). 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.

При истечении бурового раствора через гидравлические насадки долота скорость сдвига очень высока, поэтому вязкость раствора уменьшается. Последние данные измерения давления во время бурения (PWD) свидетельствуют о том, что для восстановления вязкости некоторых буровых растворов после прохождения их через насадки долота требуется определенное время.

Скорость скольжения или "сдвига"

слоев относительно друг друга максимальна у стенки и минимальна в центре потока

Рис. 7-28 Скорость сдвига

Это означает, что вязкость этих буровых растворов будет иметь 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.

При увеличении содержания твердой фазы способность бурового раствора к разжижению при сдвиге уменьшается. Таким образом, чем выше отношение УР/РУ, тем больше способность бурового раствора к разжижению при сдвиге. При ламинарном течении увеличение отношения УР/РУ приводит к повышению эффективности очистки скважины как в сильнонаклонных, так и в вертикальных скважинах.

71

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Расход бурового раствора (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

Обычно считается, что скорость потока в кольцевом пространстве является фактором, в наибольшей степени влияющим на эффективность очистки наклонных скважин. Однако, как отмечалось выше, момент количества движения, передаваемый буровым раствором шламу,

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.

vа = скорость потока в кольцевом пространстве = расход/площадь поперечного сечения

кольцевого пространства

(7.10)

Ввертикальной 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.

Ввертикальной 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 (рис. 7-29).

При отсутствии вращения бурильной колонны установится равновесная толщина слоя шлама, не зависящая от количества шлама или расхода бурового раствора!

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.7,8

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

72

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

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.

Если существует слой шлама, местная скорость потока в кольцевом пространстве не изменяется. При увеличении расхода слой разрушается, и площадь поперечного сечения потока возрастает. В результате скорость потока снижается и возвращается к равновесному значению.

Скорость потока = расход / площадь

поперечного сечения

Рис. 7-29 Пороговая скорость

Очевидно, что при более высоких расходах пороговая скорость будет достигаться при более тонких слоях шлама. Толщина слоя шлама уменьшается линейно с увеличением расхода (рис. 7-30А). Показатель качества очистки скважины8 Н/Нcrit, также увеличивается линейно с увеличением расхода (рис. 7-30В).

	При увеличении расхода толщина	При увеличении расхода
		показатель качества очистки
	слоя шлама уменьшается линейно
		скважины увеличивается линейно
	Рис. А	Рис. B
	Рис. 7-30 Влияние скорости на толщину слоя шлама

Пороговая скорость, при которой прекращается дальнейшее отложение шлама и формирование слоя, представляет собой минимальную скорость транспортирования (MTV)10, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Как было указано выше, в общем случае MTV определяется как скорость, при которой начинается транспортирование шлама. Или, в отношении пороговой скорости, MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, является скоростью, при которой начинается разрушение слоя шлама.

Ниже даны выводы в отношении MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, сделанные в работе Ford, Peden, Oyeneyin, Gao и Zarrough:

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

73

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

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

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

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

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

Ниже даны некоторые выводы в отношении скорости потока в кольцевом пространстве, приведенные в работе Ford и Sifferman:

•Скорость потока в кольцевом пространстве и плотность бурового раствора оказывают значительное влияние на толщину слоя шлама. Реологические характеристики бурового раствора и эксцентричное расположение бурильной колонны в скважине влияют меньше.

•При зенитных углах меньше 45 ° частицы шлама соскальзывают вниз по слою при низких значениях скорости потока в кольцевом пространстве.

•Повышение скорости потока в кольцевом пространстве менее эффективно при ламинарном течении, чем при турбулентном, поскольку более быстрое оседание шлама вследствие разжижения бурового раствора при сдвиге компенсируется более высокой скоростью транспортирования шлама.

Шлам и слой шлама (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

Слой шлама формируется при недостаточном вращении или отсутствии вращения бурильной колонны, что часто наблюдается при бурении наклонно-направленных скважин (рис. 7-31).

При отсутствии вращения бурильной колонны формируется слой шлама. Устанавливается равновесная толщина слоя шлама, при которой скорость потока имеет пороговое значение, ограничивающее рост толщины слоя.

Рис. 7-31 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

74

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

невелика, эта "шламовая горка" достигает стабильной высоты, и при протаскивании через нее КНБК постоянно происходят затяжки (рис. 7-32). 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.

Рис. 7-32 Критическая толщина слоя шлама

Критическая толщина слоя шлама и показатель качества очистки скважины

Показатель качества очистки скважины (HCR), предложенный Marco Rasi8, служит для оценки качества очистки с учетом толщины слоя шлама. Rasi исходит из того, что существует максимально допустимая толщина слоя шлама, при которой КНБК может пройти по стволу без прихвата. Эта толщина называется критической толщиной слоя (Hcrit). Высота кольцевого пространства над слоем шлама называется высотой свободной области (Н) (рис. 7-33). Эта высота определяет площадь поперечного сечения кольцевого пространства, от которой зависит пороговая скорость потока, при которой устанавливается равновесная толщина слоя шлама. Высота свободной области изменяется в зависимости от расхода и характеристик бурового раствора. Hcrit зависит только от площади поперечного сечения элемента КБНК, имеющего самый большой диаметр. Обычно это долото (рис. 7-33).

75

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Отношение высоты кольцевого пространства над слоем шлама к критической толщине слоя шлама называется показателем качества очистки скважины НСR = Н/Нcrit. Если это отношение больше единицы, то можно провести колонну через слой шлама в отсутствие циркуляции. Если это отношение меньше единицы, то можно ожидать осложнений.

Рис. 7-33 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. Отношение Аbit/Аopen должно быть меньше единицы, иначе долото не пройдет слой шлама (рис. 7-34).

Площадь поперечного сечения открытого пространства над слоем шлама должна быть больше площади поперечного сечения долота. Если это не так, долото не пройдет слой шлама. Другими словами, сечение долота должно поместиться в сечении открытого пространства над слоем шлама. Можно сказать и так - площадь поперечного сечения слоя шлама должна быть меньше площади поперечного сечения открытого пространства

вокруг долота.

Рис. 7-34 Критическая толщина слоя шлама

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

HCR = H/Hcrit

(7.11)

Marco Rasi считает, что если высота свободной области превышает критическую толщину слоя шлама, то можно провести колонну через слой шлама в отсутствие циркуляции. Если H/Hcrit > 1, осложнений не будет. Если же Н/Нcrit, < 1, то можно ожидать осложнений.

Изучая данные исследований, проведенных на 50 наклонных скважинах большого диаметра в Северном море,8 Marco заметил, что если HCR больше 1,1, то прихватов не было. При HCR меньше 0,5 всегда происходили прихваты.

При уменьшении HCR усиливается тенденция к возникновению прихватов.

76

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

При увеличении толщины слоя шлама кольцевое пространство на этим слоем уменьшается. Чем больше диаметр КНБК, тем меньше толщина слоя шлама, при которой возможно прохождение колонны. В общем, при увеличении диаметра КНБК или уменьшении диаметра бурильной колонны усиливаются затяжки. При выборе диаметра бурильной колонны, долота и стабилизаторов нужно \читывать это обстоятельство.

Оценка толщины слоя шлама

Для оценки толщины слоя шлама можно использовать алгоритм последовательных приближений, предложенный Rasi. Однако точность этого итерационного алгоритма вызывает сомнения.

Более точно можно оценить толщину слоя измерением общего количества шлама, вынесенного из скважины. Кроме того, оценить толщину слоя можно путем контроля общего объема бурового раствора - принимая, что поглощений нет.9

Рис. 7-35 Зависимость между толщиной слоя шлама и уровнем (объемом) бурового раствора в емкостях

Ствол бурящейся скважины должен заполняться буровым раствором. Формирование слоя шлама приводит к тому, что уровень бурового раствора в приемной емкости уменьшается медленнее, чем ожидалось. Когда слой шлама разрушается из-за периодического вращения бурильной колонны, уровень бурового раствора в приемной емкости обычно заметно снижается (рис. 7-35).

Когда слой шлама разрушается из-за вращения бурильной колонны, уровень бурового раствора в приемной емкости снижается при выходе шлама из скважины.

Члены буровой бригады должны также следить за динамикой сопротивления продольному перемещению бурильной колонны в ходе СПО для оценки толщины слоев шлама. Если затяжки усиливаются, или натяжение колонны возрастает резко, то это указывают на чрезмерное увеличение толщины слоев шлама. Динамика крутящего момента при бурении также позволяет судить о толщине слоев шлама.

77

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Три области формирования слоев шлама

Есть три области формирования слоев шлама

(рис. 7-36). При очень небольших зенитных углах шлам циркулирует вдоль нижней стенки скважины. Концентрация шлама у нижней стенки очень велика, но шлам находится здесь в составе суспензии с изменяющейся концентрацией и не образует слоев.

При умеренных зенитных углах шлам образует слои на нижней стенке, но эти слои сильно ожижены и легко разрушаются. При прекращении циркуляции эти слои соскальзывают вниз по стволу. Фактически, при низких расходах бурового раствора слои шлама могут постоянно скользить и лавинообразно двигаться вниз по стволу даже при наличии циркуляции.

Три четко различимые области формирования слоев шлама

Рис. 7-36 Три четко различимые области формирования слоев шлама

При больших зенитных углах слои шлама плотно упакованы и проявляют тенденцию к устойчивости.

Ford et al.10 идентифицировали семь различных режимов транспортирования шлама на сильнонаклонных участках, которые описаны ниже. Каждый из этих семи режимов обеспечивается одним из двух упомянутых выше механизмов транспортирования, в суспензии или в движущемся слое. В суспензии твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, движутся в буровом растворе вдоль стенки скважины. Перемещаясь в движущемся слое, шлам находится в контакте с нижней стенкой скважины. Находясь в составе суспензии, шлам движется вдоль стенки скважины намного быстрее, Поэтому данный механизм является желательным, но его трудно обеспечить при больших зенитных углах.

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 (рис. 7-37А).

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.
					78		Рис. 7-37 Транспортирование шлама

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

Рис. 7-38 Транспортирование шлама

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Он может существовать также на сильнонаклонных участках, если поток обладает достаточной энергией для и/или производится вращение бурильной колонны (рис.7-37В).

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 (рис. 7-38А).

Последний режим транспортирования шлама во взвешенном состоянии - "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" (рис 7-38В).

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 (рис. 7-39):

•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.

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.

79

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts