55

1. Основные результаты и направления развития гидроаэромеханики буровых процессов

Интенсивное изучение форм и законов движения жидкостей в скважинах началось с 1901 г., когда в США на месторождении Спиндлтоп в штате Техас нашел применение механический вращательный способ бурения с промывкой (роторное бурение). В 1911 г., впервые в России, в Сураханском районе были пробурены несколько скважин вращательным способом с промывкой забоя глинистым раствором.

Непрерывное увеличение глубин скважин и сложности горно-геологических условий привели к тому, что процессы промывки и тампонирования скважин стали весьма дорогостоящими и энергоемкими, поэтому возникла необходимость в составлении математической модели циркуляционной системы скважины, позволяющей оптимизировать процессы. Формулирование модели развивалось в двух направлениях: описание основных гидроаэромеханических свойств отдельных элементов и структуры системы в целом.

Исследования основных свойств элементов свелись к нахождению зависимостей между давлением, расходом и временем. Они проходили под влиянием представлений теоретической гидромеханики и практической гидравлики. Укажем наиболее значимые результаты для гидроаэромеханики в бурении.

Основополагающее значение для решения задач буровой гидроаэромеханики имели реологические уравнения, сформулированные:

• в 1685 г. И. Ньютоном для вязких;

• в 1889 г. Ф.Ф. Шведовым и в 1916 г. Е. Бингамом для вязкопластических;

• в 1924 г. В. Оствальдом для псевдопластических сред.

С помощью этих уравнений были получены формулы для распределения давления при установившемся ламинарном течении в круглых трубах:

• вязких (Ж. Пуазейль, 1840—1842 гг.; Г. Стокс, 1846 г.);

• вязкопластических (Е. Букингам, 1921 г.);

• псевдопластических (В. Рабинович, 1929 г., М. Муни, 1931 г.) жидкостей.

Также были найдены решения для течений в концентричных кольцевых каналах:

• вязких (Т. Буссинеск, 1891 г.);

• вязкопластических (М.П. Воларович и А. М. Гуткин, 1946 г.);

• псевдопластических (А. Фредриксон и Р. Берд, 1958 г.) жидкостей.

Опираясь на формулы Букингама и Воларовича—Гуткина для течения вязкопластических жидкостей в круглых трубах и концентричных кольцевых каналах, К. Гродде в 1960 г. применил удобный графический метод расчета перепада давления.

В 1931 г. В.Н. Щелкачев рассмотрел ламинарное установившееся течение вязкой жидкости в эксцентричном кольцевом канале и получил формулу для распределения давления. Р. Мак-Лин, Ц. Менри и В. Уайтекер в 1967 г. дали общую схему приближенного расчета распределения давления при ламинарном течении реологически стационарных жидкостей в эксцентричном кольцевом канале.

Устойчивость ламинарного движения вязких жидкостей в круглых трубах экспериментально исследована О. Рейнольдсом в период 1876—1883 гг. Им установлен критерий перехода ламинарного течения в турбулентное. Потерю устойчивости ламинарного движения вязкопластических жидкостей Б. Хедстрем в 1951 г. охарактеризовал числами Рейнольдса и Сен-Венана.

На основании теории пограничного слоя, разработанной Л. Прандтлем в 1904— 1925 гг. для турбулентного движения вязкой жидкости в трубах с гладкими и шероховатыми стенками, А.Д. Альтшуль в 1970 г. получил зависимость для коэффициентов гидравлических сопротивлений.

Создавая теорию многоступенчатых турбин, П.П. Шумилов в 1933—1941 гг. дал формулу для определения перепада давления в турбобурах. Для расчета изменения давления в местных сопротивлениях циркуляционной системы X. Геррик в 1932 г. использовал метод эквивалентных длин. П.П. Шумилов в 1940 г. для определения перепада давления в замках применил формулу Борда— Карно, а в долотных отверстиях — формулу Торичелли. В 1851 г. Г. Стокс рассмотрел ламинарное обтекание шара вязкой жидкостью. Экспериментальные исследования сопротивления при обтекании твердых сферических частиц в широком диапазоне чисел Рейнольдса обобщены в виде кривой Релея. В 1932 г. Р.И. Шищенко и Б.Д. Бакланов исследовали условия равновесия и обтекания частиц глинистым раствором.

С.М. Тарг в 1946 г. нашел распределение давлений при ламинарном установившемся движении вязкой жидкости в осесимметричном кольцевом канале, одна из стенок которого перемещается с постоянной скоростью. В 1954 г. Н.А. Гукасов рассмотрел ламинарное течение вязкопластической жидкости в концентрическом кольцевом канале с подвижной внутренней стенкой.

Основные уравнения гидродинамики многофазных жидкостей, замкнутые с помощью эмпирических зависимостей для концентрации и коэффициента гидравлических сопротивлений, вывел С.Г. Телетов в 1945 г. На их базе получены распределения давлений в трубах и кольцевых каналах при промывке скважины аэрированной жидкостью или продувке ее газом.

Фундаментальный вклад в решение проблемы неустановившегося движения в гидравлических системах с учетом сжимаемости жидкости и упругости стенок внес Н.Е. Жуковский в 1898—1921 гг. На основе его трудов главным образом советскими учеными разработана теория одноразмерного неустановившегося движения вязкой жидкости. Она позволяет методом характеристик решать многие задачи.

В связи с задачами разработки нефтяных и газовых месторождений в первую очередь в трудах Н.Н. Павловского (1922 г.), Л.С. Лейбензона (1934 г.), В.Н. Щелкачева, И.А. Чарного, М. Маскета и многих других подробно изучено движение пластовых флюидов в пористой среде, необходимое для решения задач вскрытия продуктивных отложений и борьбы с осложнениями при бурении.

Наряду с изучением гидроаэромеханических характеристик элементов системы развиваются исследования системы пласт—скважина в целом. В них устанавливаются взаимосвязи между элементами системы, необходимые для совместного решения всех уравнений, характеризующих отдельные элементы. Например, с целью определения подачи и давления буровых насосов для циркуляции промывочной жидкости такую задачу рассмотрели в 1932 г. И.Л. Векслер и X. Геррик. В 1938 г. Н.И. Шацов разработал схему методики выбора числа и параметров цементировочных агрегатов для одноступенчатого тампонирования скважин.

В последние десятилетия А.Х. Мирзаджанзаде и его ученики развивают анализ гидроаэромеханических процессов с помощью стохастических и адаптационно-обучающихся моделей.

Изучением местных и линейных гидравлических потерь давления занимались Б.И. Мительман, В.И. Липатов, Б.И. Есьман и др. Вопросы возникновения турбулентности исследовались Э.К. Латыповым, Б.С. Филатовым, В.И. Липатовьм, Г.Г. Габузовым и др.

Детальное изучение температурного режима бурящихся скважин началось в 1965 г. В разработке методик прогнозирования и регулирования температурного режима скважин и горных выработок участвовали Ленинградский горный институт (Б.Б. Кудряшов, Ю.Д. Дядькин), ВНИИКрнефть (А.И. Булатов, Ю.М. Проселков, И.А. Карманов), ГрозНИИ (Г.Г. Поляков) и др.

В настоящее время намечается тенденция развития системного подхода к гидроаэромеханике бурения, прежде всего в направлении построения структур моделей системы скважина—пласт в целом как упрощенных, так и более сложных, требующих применения разнообразных методов математического аппарата и использования компьютерной техники.