Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Бурение с очисткой скважины воздухом и пеной

Бурение с продувкой воздухом связано со специфическими трудностями в отношении очистки скважины. Плотность воздуха очень мала, поэтому эффект плавучести практически отсутствует, и для выноса шлама требуется обеспечить в кольцевом пространстве очень высокую скорость потока. Кроме того, воздух является хорошо сжимаемой средой. При изменении давления в кольцевом пространстве на пути шлама от забоя к поверхности изменяется также скорость потока воздуха и, следовательно, качество очистки скважины.

Сжимаемость

Воздух подчиняется закону Бойля, который гласит, что для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления на объем есть величина постоянная. Математически это выражается следующим образом:

P1V1 = P2V2 = constant

(7.13)

Если давление изменяется, то объем также должен измениться. В нижеследующем примере бутыль, заполненная сжатым воздухом, и пустая бутыль соединены вместе (рис. 7-47). В одной бутыли находится 10 галлонов воздуха под давлением 100 фунт/дюйм2, а в другой - 10 галлонов под нулевым давлением. Если открыть кран и выпустить воздух из полной бутыли в пустую бутыль, то общее количество воздуха не изменится. Давление уменьшится наполовину, а объем удвоится.

После того как воздух перетек из левой бутыли в правую, общее его количество не изменилось. Объем стал в два раза больше, а давление - в два раза меньше.

Рис. 7-47 Закон Бойля

Примерно то же самое происходит в скважине. При возрастании давления из-за гидравлических потерь в кольцевом пространстве объем уменьшается. Уменьшение объема приводит к снижению скорости потока воздуха в кольцевом пространстве. Если диаметр скважины не изменяется, скорость потока в кольцевом пространстве будет иметь самое низкое значение у забоя, где самое высокое давление. При движении вверх по стволу давление уменьшается, объем увеличивается, и скорость в кольцевом пространстве возрастает. Самая большая скорость будет на устье скважины (рис. 7-48).

Самые крупные частицы шлама, для которых конечная скорость оседания имеет наивысшее значение, будут накапливаться на забое. При транспортировании вверх по стволу они разламываются на более мелкие частицы, конечная скорость оседания которых будет ниже.

Из-за сочетания низкой скорости воздуха и большого размера частиц шлама очищать самую нижнюю часть ствола труднее всего. По мере углубления скважины в нее нужно подавать все больше воздуха для поддержания достаточной скорости потока в кольцевом пространстве.

90

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Скорость потока в кольцево м пространстве = расход воздуха / площадь поперечного сечения Поскольку расход воздуха пропорционален давлению, местная скорость потока в кольцевом пространстве также зависит от давления.

Самое большое давление у долота, поэтому расход воздуха и его скорость минимальны около долота. При движении воздуха вверх по стволу давление умень шается, воздух расширяется, и скорость потока в кольцевом пространстве возрастает. Да вление в скважине обусловлено, в некоторой с тепени, наличием градиента гидростатического давления, создаваемого взвешенным ш ламом, но главным образом гидравлическими потерями в кольцевом пространстве.

Гидравлические потери в кольцевом пространстве прямо пропорциональны скорости потока в кольцевом пространстве. Поэтому давление в скважине линейно увеличивается с глубиной, а скорость потока в кольцевом пространстве линейно уменьшается с глубиной из-за гидравлических потерь.

В процессе транспортирования вверх по стволу шлам разламывается на боле е мелкие частицы.

Труднее всего очищать участок ствола около долота.

Это объясняется тем, что здесь шлам крупнее, скорость оседания выше, а скорость потока в кольцевом пространстве минимальна.

91

Рис. 7-48 Эффект с жимаемости воздуха в кольцевом пространстве

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Забойное давление

Очевидно, что нужно уделять особое внимание скорости потока в ко льцевом пространстве и давлению в области непосредственно над долотом и УБТ. Это давление определяется гидростатическим давлением в сочетании с гидравлическими потерями в кольцевом пространстве. Если расход ве лик, а количество жидкости и твердой фазы в воздушном потоке очень мало, то преобладающ ее значение имеют гидравлические потери. Если расход мал, а количество жидкой и твердой фазы в воздушном потоке велико, то п реобладающее значение может иметь гидростатическ ое давление (рис. 7-49).

Из-за присутствия тяжелого шлама увеличивается эффективная плотность среды в кольцевом пространстве, в результате ч его забойное давление возрастает еще бол ьше. Нужно соблюдать осторожность, чтобы не произвести шлама больше, чем может вын ести поток воздуха. По мере увеличения количества шлама в воздушном потоке давление в кольцевом пространстве возрастает, а объем (и, следо вательно, скорость) уменьшается. Снижение скорости приводит к увеличению концентрации шлама, а это, в свою очередь, приводит к дальнейшему возрастанию давления и сни жению скорости.

В области пневмотранспор та материалов устанавливается предельно низкое значение скорости, после которого начинается необратимый обвал твердой фазы. Эта скорость называется "скоростью в итания". Если концентрация шлама становится достаточно высокой, чтобы "обвалить" шлам, бурильная колонна быстро ока зывается прихваченной оседающим шламом, даже если в выкидной линии не прекращается си льный поток воздуха.

Чтобы избежать обвала шлам а, нужно поддерживать расход нагнетаемого воздуха достаточно высоким для выноса шлама, образующегося при данной скорости проходки. При увеличении расхода гидравлические потери в кольцевом пространстве возрастают (как и забойное давление). С увеличением давления мощность, потребляемая воздушным компрессором, быстро возрастает, поэтому чрезмерного повышения расхода не п роисходит. Существует оптимальный расход воздуха, при котором гидравлические потери в к ольцевом пространстве минимальны, а скорость по тока в кольцевом пространстве достаточна для максимально возможного снижения конце нтрации шлама (рис. 7-49).16

Существует оптимальный расход воздуха, при котором мощность, потребляемая воздушным компрессором, мини мальна, а качество очистки достаточно высоко. Старайтесь поддерживать расход выше оптимального!

Р ис. 7-49 Оптимальная скор ость потока в кольцевом пространстве

92

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Оптимальная скорость потока в кольцевом пространстве возрастает с увеличением зенитного угла, поскольку циркуляция шлама и наличие слоя шлама ведет к увеличению его концентрации. Это, в свою очередь, ведет к увеличению как гидростатического давления, так и гидравлических потерь в кольцевом пространстве. В сильнонаклонных скважинах требуется больший расход воздуха.

Качество очистки ствола при бурении с продувкой воздухом

При бурении с продувкой воздухом трение способствует повышению качества очистки ствола в большей степени, чем плавучесть. Сила трения зависит от удельной площади поверхности частицы. Удельная площадь поверхности равна частному от деления площади поверхности частицы на ее массу. Поэтому чем больше поверхность частицы, и чем меньше ее объем, тем большая подъемная сила потока действует на нее.

На рис. 7-50 кубик со стороной 1" разделен пополам по каждой оси, в результате чего получено восемь кубиков со стороной 1/2". Теперь площадь поверхности каждого кубика составляет одну четвертую площади поверхности кубика со стороной 1", но объем каждого кубика составляет лишь 1/8 объема кубика со стороной 1". Таким образом, удельная площадь поверхности кубика удваивается при каждом новом делении. При уменьшении размера частицы подъемная сила потока, действующая на частицу шлама, и, следовательно, показатель эффективности транспортирования шлама возрастают по экспоненте.

Большие сферические частицы будут транспортироваться очень медленно (если вообще будут), в то время как мелкие плоские частицы будут двигаться со скоростью, приближающейся к скорости воздушного потока. При прекращении циркуляции шлам быстро осядет.

Когда частицы разрушаются с образованием все более мелких частиц, общая поверхность увеличивается. Удельная площадь поверхности равна частному от деления площади поверхности частицы на ее массу. Удельная площадь поверхности удваивается при каждом делении диаметра частиц шлама пополам.

Рис. 7-50 Удельная площадь поверхности частиц шлама

Скорость потока в кольцевом пространстве, требуемая для подъема частицы шлама, возрастает экспоненциально с увеличением ее размера. При увеличении скорости воздушного потока в кольцевом пространстве возрастают гидравлические потери. Объем воздуха около долота уменьшается. Возможно, не удастся обеспечить скорость потока в кольцевом пространстве, требуемую для подъема самых крупных частиц шлама, образуемых на забое. Такой шлам или куски обвалившейся породы могут быть подняты только после того, как они будут перемолоты вращающейся бурильной колонной в более мелкие частицы.

93

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Более крупный шлам образуется при высокой скорости проходки и/или низкой репрессии. Если желательной является более высокая скорость проходки, потребуется больший расход. Идеальным будет такой расход, при котором преимущества высокой скорости проходки уравновешивают дополнительные затраты на компримирование воздуха. Как показывает опыт, расход воздуха, обеспечивающий скорость потока в кольцевом пространстве 3000 фут/мин, достаточен для большинства условий бурения с продувкой воздухом.

Если усилия, направленные на очистку скважины, будут безрезультатными, то забойное давление будет расти, скорость потока в кольцевом пространстве будет уменьшаться, и состояние скважины будет и далее ухудшаться. Очевидно, что желательно контролировать эффективность очистки, прослеживая динамику забойного давления. При бурении с использованием бурового раствора это можно сделать, следя за давлением на стояке и за давлением в скважине по показаниям глубинного датчика давления. Можно попытаться проследить динамику забойного давления при бурении с продувкой воздухом, но сделать это сложнее из-за сильной сжимаемости воздуха.

Волны давления распространяются со скоростью звука. Скорость звука в воздуха намного меньше, чем в буровом растворе, поскольку сжимаемость воздуха намного больше. При бурении с использованием бурового раствора нарастание давление в узком месте кольцевого пространства до 200 фунт/дюйм2 будет замечено на манометре стояка всего через несколько секунд. При бурении с продувкой воздухом такое нарастание давление будет замечено с задержкой от нескольких секунд до нескольких минут. При бурении с использованием бурового раствора манометр на стояке покажет все 200 фунт/дюйм2. При бурении с продувкой воздухом манометр на стояке покажет лишь некоторую часть этого давления, или же вообще ничего!

Перепад давления на долоте затрудняет определение забойного давления. Даже долото без насадок (которые обычно используются при бурении с продувкой воздухом) оказывает большое сопротивление потоку в бурильной колонне. Когда воздух проходит через узкий канал долота, его скорость возрастает. Если скорость воздушного потока достигает скорости звука, то говорят что возникает "звуковое течение". При звуковом течении акустические волны и волны давления больше не могут распространяться из кольцевого пространства в бурильную колонну. Похожая картина наблюдается, когда рыба плывет против течения, скорость которого выше скорости движения самой рыбы. Чем больше перепад давления на долоте, тем выше скорость воздушного потока через долото.

Используя основы механики жидкостей можно рассчитать перепад давления, при котором возникает звуковое течение, для газа любого типа. Согласно практическому правилу, если давление непосредственно над долотом в два раза больше давления непосредственно под долотом, имеет место звуковой течение.

Звуковое течение возникает, когда Рinside ÷ Рoutside ≈ 2

(7.14)

Если течение является дозвуковым, можно рассчитать забойное давление по давлению на стояке по уравнениям механики жидкости.17 Важно отметить, что небольшое изменение давления на стояке отражает намного большее изменение забойного давления. Чем больше перепад давления на долоте, тем меньше изменение давления на стояке отражает изменение забойного давления.

94

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Если течение воздуха через долото является сверхзвуковым, то давление на стояке изменяться не будет, даже когда начнется закупоривание кольцевого пространства! (рис. 7-51).

На рис. 7-51 показана зависимость между забойным давлением и давлением на стояке при различных значениях перепада давления на долоте. Чем больше расход, тем больше перепад давления на долоте, и тем труднее выявить закупоривание ствола. Нужно очень внимательно следить даже за небольшими изменениями давления на стояке и быстро реагировать на них!

Обнаружить возрастание забойного давления по манометру на стояке при бурении с продувкой воздухом труднее, чем при бурении с использованием бурового раствора. Поэтому намного труднее выявить увеличение концентрации шлама и образование пробок в кольцевом пространстве.

Рис. 7-51 Зависимость между забойным давлением и давлением на стояке

Толстая фильтрационная корка

При бурении с продувкой воздухом непроницаемая фильтрационная корка не образуется, но некоторая фильтрационная корка все же существует. По определению, фильтрационная корка представляет собой массив твердых частиц, отлагающихся на стенках скважины при фильтрации жидкой фазы в проницаемый пласт. При вскрытии проницаемого пласта, если пластовое давление меньше давления в скважине, в пласт начнет поступать воздух. Твердые частицы будут забивать каналы, но это может не привести к значительному уменьшению потока в пласт. Массив твердых частиц будет расти, пока не наступит равновесие между отложением и эрозией (см. материалы по фильтрационной корке в главе "Дифференциальный прихват"). Если в воздухе нет влаги, корка может быть очень тонкой. Если в воздухе присутствует влага, корка будет уплотняться и станет толстой и прочной.

Если присутствует влага, фильтрационная корка будет формироваться непосредственно над УБТ или в размывах ствола, где скорость потока в кольцевом пространстве очень низка. Толстая фильтрационная корка ограничивает поток в кольцевом пространстве, в результате чего возрастает забойное давление. Возрастание давления влечет за собой уменьшение расхода и увеличение температуры. Если присутствует газ, температура и давление могут возрасти настолько, что в скважине начнется пожар, который не сразу удастся обнаружить. Пожар в скважине может стать причиной обрыва бурильной колонны, и после пожаров часто приходится забуривать боковые стволы.

95

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Даже если удается разрушить толстую фильтрационную корку, образуются большие куски, которые слишком тяжелы, чтобы их можно было удалить циркуляцией. Если фильтрационная корка формировалась в присутствии влаги, эти куски будут "слипаться", образуя новые глинистые корки. Со временем бурильная колонна может оказаться прихваченной из-за образования пробки.

Об образовании толстой фильтрационной корки можно судить по следующим признакам:

•Уменьшение расхода воздуха в выкидной линии из-за поглощения или потери циркуляции.

•Прекращение выноса пыли. Частицы пыли слипаются и задерживаются на стенках ствола.

•Небольшое возрастание давления на стояке.

Когда есть основания предполагать образование толстой фильтрационной корки, нужно быстро принять меры для предотвращения образования пробки.

Туман

Если в скважине присутствует влага, нужно смыть глинистую корку большим количеством воды. В воздушный поток добавляют воду и ПАВ, получая "туман". Небольшое количество влаги способствует укреплению связей между частицами в глинистой корке и более плотной их упаковке. В результате повышается прочность мостов (см. материалы по механике горных пород в разделе "Неустойчивость стенок скважины"). Дополнительная вода насыщает корку, превращая ее в жижу. Насыщающая вода обволакивает частицы, смазывает их и отталкивает их друг от друга. Это ослабляет мосты, в результате чего корку легко удалить. ПАВ также способствуют обволакиванию и разделению частиц пыли.

К сожалению, капли воды увеличивают общую массу, которую воздух должен перемещать вверх по стволу. Ввод в скважину воды производит такое же действие, как и образование шлама - потребуется увеличить расход воздуха для обеспечения достаточной скорости потока в кольцевом пространстве в нижней части ствола. Как показывает опыт, с началом образования тумана требуется дополнительное увеличение расхода на 30 % - 40 %.

Если дополнительного воздуха нет, приходится уменьшать скорость проходки.

Если в воздушный поток добавлено слишком много воды, или в скважину поступает вода из проявляющего пласта, может развиться "пробковый" режим.

При этом происходит образование в воздушном потоке водяных пробок. Данный процесс приводит к резким броскам давления при выбрасывании из скважины водяных пробок. Скорость потока в кольцевом пространстве в нижней части ствола значительно снижается, и возникает опасность потери устойчивости стенок скважины (рис.7-52).

Образование водяных пробок происходит, когда вода и воздух выделяются из однородной cмеси. При этом формируются воздушные карманы и водяные пробки. Этот процесс сопровождается колебаниями давления и может привести к потере устойчивости стенок скважины.

Рис. 7-52 Образование водяных пробок в воздушном потоке

96

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Устойчивая пена

Если в скважину притекает слишком много воды, или если шлам или куски обвалившейся породы слишком велики, чтобы их можно было эффективно удалять из скважины, то нужно предпринимать следующий шаг - переходить на устойчивую пену.

При использовании устойчивой пены есть достаточно жидкости для охватывания всего воздуха в форме мелких пузырьков. Жидкость образует непрерывную дисперсионную среду, а воздух - дисперсную фазу, причем пузырьки воздуха изолированы друг от друга жидкостью

(рис. 7-53).

Пена представляет собой смесь жидкости и газа. Жидкая дисперсионная среда образует ячеистую структуру, вмещающую маленькие пузырьки газа. Под качеством пены понимают отношение объема воздуха к общему объему смеси. Чем выше отношение объема воздуха к объему жидкости, тем выше качество пены.

Рис. 7-53 Качество пены

Пена характеризуется своим "качеством". Качеством пены называют отношение объема воздуха к общему объему смеси

Качество пены = объем воздуха ÷ (объем воздуха + объем жидкости)

(7.15)

Если воздух занимает менее 55 % общего объема, пузырьки имеют форму правильной сферы и не касаются друг с другом. В таком случае пена фактически представляет собой просто аэрированную жидкость. Когда объем воздуха в смеси достигает 55 %, пузырьки входят в контакт и начинают деформироваться. В местах контакта пузырьков друг с другом их поверхность становится плоской.

При дальнейшем увеличении качества пены пузырьки все более сближаются и начинают образовывать полиэдрические ячейки. Пузырьки деформируются и занимают все больше пространства, разделяющего их. Пузырьки сопротивляются деформации, поскольку по своей природе они стремятся быть идеальными сферами. Это объясняется тем, что когда пузырек имеет форму идеальной сферы, он обладает наименьшей потенциальной энергией (сфера имеет наибольшее отношение объема к площади поверхности по сравнению с любой другой формой). Для того чтобы пузырек мог деформироваться и приобрести полиэдрическую форму, пленка должна растянуться. Этот процесс сопровождается повышением внутреннего давления.

97

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

Если пена переходит в туман до того, как она достигнет поверхности, она теряет свою вязкость и способность выносить шлам. Одно из средств, позволяющих избежать этого - закачка большего количества жидкости в пену. Однако если качество пены у долота будет ниже 55 %, то вынос шлама с забоя будет невозможен. Нужно отрегулировать качество пены таким образом, чтобы оно было не ниже 60% у долота и не выше 98 % на устье.

98

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

Рис. 7-54 Вязкость пены

Вязкость пены может превышать вязкость бурового раствора в несколько раз (до

десяти). При относительно небольшой скорости потока в кольцевом пространстве устойчивая пена может вынести из скважины диаметром 30" куски породы размером с кулак. Устойчивая пена может также выносить из скважины в большом объеме жидкость, поступающую из вскрытых пластов.

Возрастание вязкости с повышением качества пены (из работы Mitchell 197118)

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Вязкость пены

Пузырьки подобны воздушным шарикам, которые стремятся принять сферическую форму. Если комната частично заполнена воздушными шариками, то для того чтобы пройти, нужно расталкивать их. Таким же образом частица шлама проходит через пену качеством ниже 55 % (рис. 7-53А).

Если попытаться заполнить комнату дополнительными шариками, то шарики начнут деформироваться. В этом случае пройти через комнату трудно (рис. 7-53В). Когда мы пытается оттолкнуть шарики с нашего пути, они деформируются еще больше. Постепенно можно поместить в комнату столько шариков, что пройти через нее станет невозможно (рис. 7-53С).

С увеличением качества пены вязкость ее повышается (рис. 7- 54). На забое скважины, где самое большое давление, пена будет иметь самое низкое качество. При движении пены вверх по стволу давление уменьшается, а объем воздуха увеличивается. Объем жидкости остается постоянным, поэтому с уменьшением давления качество пены возрастает. Если воздух расширяется слишком сильно, пена может разрушиться с образованием тумана. В этом случае воздух становится дисперсионной средой, окружающей капельки воды (рис. 7-54).

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Для этого следует ограничить расширение пузырьков, увеличив устьевое давление.

Проблема заключается в том, что из-за чрезмерных гидравлических потерь в кольцевом пространстве и большого гидростатического давления качество пены, равное 98 % на устье, может снизиться до менее чем 55 % у долота. При избыточном устьевом давлении пузырьки сжимаются у забоя даже больше. Для предотвращения чрезмерного сжатия газа из-за больших гидравлических потерь и гидростатического давления нужно закачивать больше газа. Применяя совместно регулирование расхода воздуха и жидкости и регулирование устьевого давления можно обеспечить требуемое качество пены во всей скважине.

Влияние устьевого давления на процесс бурения с продувкой воздухом иллюстрирует рис. 7- 55. На рис. 7-55А забойное давление равно 500 фунт/дюйм2, а устьевое давление - 20 фунт/дюйм2. Единичный объем воздуха будет занимать на поверхности в 25 раз больший объем, чем на забое. Поэтому скорость потока в кольцевом пространстве будет на поверхности в 25 больше, чем у долота. На рис. 7-55В забойное давление равно 1000 фунт/дюйм2, а устьевое давление - 500 фунт/дюйм2. Единичный объем воздуха будет занимать на поверхности в 2 раза больший объем, чем на забое, поэтому скорость потока в кольцевом пространстве увеличится лишь вдвое.

Если увеличить устьевое давление до значения, при котором забойное давление возрастет в два раза, то для обеспечения такой же скорости потока на забое, какая была при отсутствии противодавления на устье, нужно вдвое увеличить расход закачиваемого воздуха. Нужно давать расход воздуха, обеспечивающий скорость потока в кольцевом пространстве, достаточную для выноса шлама с забоя, с учетом сжатия воздуха под действием гидравлических потерь и давления на устье.

ношение скоростей потока в кольцевом пространстве, измеренных на поверхности и на забое, пропорционально отношению давлений на устье и на забое.

Рис. 7-55 Зависимость скорости потока в кольцевом пространстве от глубины

99

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