Оценка эффективности существующих способов очистки

Эксцентричное размещение бурильной колонны в стволе скважины и радиальная нацеленность влияющих на частицы шлама гравитационных сил, устанавливают значительное различие условий выноса частиц шлама промывочной жидкостью при бурении горизонтальных скважин от вертикальных. Данный факт считается одним из ключевых факторов, характеризующих невысокую результативность использования при бурении горизонтальных скважин многих технологических и конструктивных решений, связанных с выносом шлама на дневную поверхность, так как в их базе лежат утверждения, характеризуемые условиями бурения вертикальных скважин.
Эксцентричное размещение бурильной колонны в стволе ГС приводит к перераспределению потока промывочной жидкости в верхнюю долю кольцевого зазора, что не соблюдает требование выноса частиц шлама в затрубном пространстве и делает ход очищения ствола скважины от шлама неэффективным [20].
Повышение расхода и увеличение плотности промывочной жидкости для роста её «вымывающей» способности приводит к кольматации стенок скважины в ее продуктивном горизонте и уменьшению качества ее ствола.
Прокачивание по циркуляционной системе бурильной конструкции промывочной жидкости высокой плотности в виде единичных «пачек» уменьшает возможность кольматации стенок скважины, однако, как показывают авторы работы, считается неэффективным способом очищения скважины от шлама из-за недостающего времени присутствия частиц выбуренной породы в прокачиваемой «пачке» бурового раствора.
Известно коллективное применение метода прокачивания «пачек» бурового раствора высокой плотности и шламоуловителей, поставленных в компоновку бурильного прибора на расстоянии L от низа колонны, где важность обусловливается исходя из периода пребывания в «пачке» бурового раствора частиц шлама [63].
L≤QαSnρшρq-1-1VSn,(2.1)
α – коэффициент, который зависит от площади поперечного сечения кольцевого зазора;
Sn – площадь поперечного сечения затрубного пространства, м2;
ρш- плотность частиц шлама, м;
ρq- плотность бурового раствора в «пачке», кг/м3;
V – объём «пачки» бурового раствора повышенной плотности, м3.
Хотя результат данного метода положительный, при бурении вертикальных и наклонных скважин, радиальная направленность к оси скважины, сил гравитации, которые действуют на частицы шлама, делают работу шламоуловителей при бурении ГС, а вместе с тем и всего метода, неэффективной.
Применение приборов с разделением потока промывочной жидкости выступает продуктивным только на малых участках застойных зон, которые обусловлены изменением сечения кольцевого зазора затрубного пространства из-за кавернозности стенок скважины, или геометрических характеристик компоновки бурильной колонны. Гарантия очистки протяжённого участка ствола ГС потребует при применении данного метода установки в компоновку бурильного инструмента большого количества устройства данного типа, что не только усложнит её конструкцию, но и приведёт к отбору значительного количества гидравлической мощности буровых насосов, влияя, тем самым, на выполнение других задач гидравлической программы [21, 22].
Используемый в практике бурения способ очистки ствола скважины от шлама посредством профилактической промывки ствола скважины приводит из-за интенсивных спускоподъёмных действий к разрушению стенок скважины, а еще значительно задалживает производительный период, снижая этим технико-экономические характеристики хода бурения.
Существующая практика бурения ГС с периодическим прокручиванием ротором бурильной колонны говорит о действенности использования данного способа для увеличения качества очистки ствола скважины. Совместно с тем, в связи с не достаточной изученностью данного процесса нет его единственной оценки. На сегодняшний день существуют две точки зрения на условия, предопределяющие увеличение очистных возможностей промывочной жидкости при вращении бурильной колонны:
•вращение потока промывочной жидкости в кольцевом зазоре, предопределенное «смачиваемостью» стенок бурильной колонны;
•влияние колебательных действий, образующихся в бурильной колонне при ее вращении.
Процесс взаимодействия промывочной жидкости с бурильной колонной, определенный условием «смачиваемости» ее стенок, исследован довольно подробно и, более того, на сегодняшний день есть методика расчета воздействия данного фактора на увеличение равномерности распределения скорости потока промывочной жидкости в кольцевом зазоре. А что касается воздействия колебательных движений на увеличение качества очистки ствола скважины от выбуренной породы, в таком случае из-за трудности и проблемы его точного воссоздания данный процесс остаётся не изученным.
Имеющиеся оценки воздействия фактора вращения бурильной колонны на качество очистки ствола скважины от шлама, не дают возможность разъяснить в совершенной степени образующийся при этом благоприятный результат. Вместе с тем, собранная в иных сферах техники позитивная практика использования колебательных действий в решении вопросов по предупреждению процесса осаждения твёрдых частиц из их взвесей, говорит о важности данного условия и потребности в его изучении, с целью улучшения технологии очистки скважины от шлама.
Несмотря на результативность использования данного способа в решении проблемы увеличения качества очистки ствола скважины от шлама следует выделить и несколько его значительных недочетов:
- беспорядочный характер появления колебательных действий, что усложняет не только оптимизацию данного процесса, но и его регулирование;
- синхронное воздействие на штрекобурильную колонну осевой нагрузки и значительного по величине крутящего момента уменьшает критическую длину бурильной колонны, при которой случается утрата её стойкости, что приводит к повышению противодействия вращения бурильной колонны со стороны стенок скважины и считается фактором не только их уничтожения, но и, принимая во внимание невысокие прочностные свойства бурильных труб, фактором осложнений, связанных с неисправностью бурильной колонны [53, 54].
Если первый недочет данного метода считается бесспорным, то второй подтверждается решением проблемы о стойкости однородного упругого стержня при синхронном воздействии на него осевой нагрузки и скручивающего момента, когда условия утраты прямолинейной формы упругого равновесия формируются соответствием:
2ПLкр=M2EI+M2EI2+PEL, (2.2)
где Lкр – длина стержня, которая соответствует условиям первоначальной потери устойчивости при пространственной деформации стержня, м;
М – вращающий момент, Нм;
Р – осевая нагрузка, Н;
EI – жесткость на изгиб, Нм2;
По выражению (2.2), действие вращающегося момента ведет к уменьшению критической длины бурильной колонны Lкр и, как следствие, к увеличению давления на стенки скважины.
Устранить обозначенные недочеты этого метода, учитывая эффективность его промыслового применения в решении вопроса повышения качества очистки ствола скважины от выбуренной породы, возможно при использовании встраиваемых в компоновку бурильной колонны генераторов радиальных колебаний непрерывного действия. Оптимизация их характеристик на основе рассмотрения влияния колебательных процессов, генерируемых в бурильной колонне на качество очистки ствола скважины от шлама, даст возможность воспользоваться имеющимися резервами в повышении технико-экономических показателей процесса бурения ГС [34, 39].
2.2. Изучение факторов, которые влияют на эффективность удаления шлама
Очистка ствола - одна из самых больших трудностей в бурении скважин с большим отклонением от вертикали и одна из основных функций раствора

. Очень важно понять, как в действительности происходит очистка ствола скважины в скважинах с большим углом отклонения и в чем ее отличие от очистки вертикального ствола и ствола с небольшим углом отклонения.
Очистку ствола в общем можно разделить на 3 категории, имеющие достаточно различные стратегии и обстоятельства:
•Скважины с углом отклонения 0 - 45
•Скважины с отклонением 45 - 65
•Скважины с отклонением 65 – 90
Рисунок 2.2.1 – Различия в движении шлама в скважинах.
Главное различие для скважины с большим углом отклонения (по соотнесению со скважиной с небольшим углом отклонения) заключается в том, что для выпадения шлама есть промежуток всего в некоторое количество сантиметров, прежде чем осадок дойдет до стенки ствола скважины. Таким образом, смесь шлама с флюидом при угле отклонения 65 - 90 весьма разнится со смесью при вертикальном отклонении до угла 45. Даже при прокачке со значительной скоростью потока, шлам станет выпадать на стенку скважины в скважинах с крупным углом отклонения. Понятие "скользящая скорость", как правило используемый для вертикальных скважин, становится неподходящим, т.к. шлам не "скользит" против перемещения флюида, а скорее перемещается как "дюна" вдоль нижней части ствола скважины. Как только шлам вступает в интервал ствола скважины со средним углом отклонения (+/- 45 в промежутке нарастания угла), действия шлама вновь изменяются [47, 49, 53]. В данный момент, шлам наиболее свободно "перемешивается" в режиме потока, но, при остановке насосов, шлам стремительно выпадает на нижнюю сторону ствола и лавиной прокатывается книзу по стволу вплоть до тех пор, пока угол не делается чрезмерно большим для продолжения перемещения. В данный момент создается дюна.
0-450 Шлам выносится успешнее при ламинарном порядке движения. Транспортировка улучшается при увеличении реологических параметров, в особенности динамического напряжения сдвига
45-650 Ни ламинарный, ни турбулентный режимы не обладают превосходством друг перед другом. В данном спектре прослеживалось соскальзывание вниз шламового осадка.
65-900Ствол лучше вычищается при турбулентном режиме движения.
Повышение реологических параметров не оказывает большого влияние на несущую способность при турбулентном режиме в каждом диапазоне зенитного угла, но при небольших зенитных углах и ламинарном режиме движения увеличение динамического напряжения сдвига доводит до совершенства вынос шлама [45]
Расход жидкости при промывке горизонтальных скважин должен быть в 2-3 раза больше, нежели при промывке вертикальных, с целью усовершенствования транспортировки шлама следует повышать динамическое напряжение сдвига и вязкость раствора.
Наиболее небезопасные с точки зрения вероятности прихвата является интервал с углом наклона от 300 до 700. Нужно заметить, что при бурении горизонтальных скважин на Ванкорском месторождении интервал с этим углом отклонения от вертикали приходится на глинистые породы, в которых допустимо формирование каверн, уменьшение сечения ствола скважины, обвал пород. Данные факторы ещё более обостряют вопрос успешного выноса шлама из-за уменьшения в этом интервале восходящего потока в затрубном пространстве [46].
Для эффективного бурения скважин с БОВ довольно значимым считается тщательное восприятие динамики и качества очищения ствола. Для скважин с большим углом отклонения шлам обычно выпадает на нижнюю стенку ствола скважины, в стороне от основного потока флюидов в верхней части ствола скважины. Это усложняет устранение шлама из скважины и требует специальных методов удаления при разном угле наклона скважины. Шлам эффективно перемещается как передвижной "бархан" по нижней стенке ствола скважины. Эффективная очистка ствола скважины от шлама зависит от скорости восходящего потока, которая определяется производительностью насосов, параметрами раствора, расстоянием между инструментом и скважиной. На качество выноса выбуренной породы оказывает влияние удельный вес, вязкость и динамическое напряжение сдвига раствора. Для удаления частиц шлама нужно, чтобы скорость восходящего потока была выше скорости их осаждения. Скорость осаждения частиц в неподвижном растворе находится в зависимости от их размеров и форм, разницы удельных весов раствора и частицы, вязкости раствора и особенно тиксотропных свойств [62].
Тиксотропные свойства помогают удержанию частиц выбуренной породы во взвешенном состоянии, это требуется для предотвращения прихватов бурильного инструмента при прекращении циркуляции. Тиксотропные свойства способны при отсутствии движения образовывать структуру, которая обладает определенной устойчивостью. Устойчивость структуры оценивается величиной статического напряжения сдвига.
На качественную очистку ствола оказывают огромное влияние следующие факторы:
- реология бурового раствора:
- скорость потока в скважине;
- профили скоростей;
- неравномерность профилей скоростей потока;
- скорость вращения трубы;
- параметры долота и КНБК;
- коэффициент трения;
- скорость проходки;
- плотность бурового раствора;
Реология бурового раствора
Идеальная реология бурового раствора способна быть довольно трудной для скважин с БОВ [48, 56].
Реологические особенности буровых растворов оказывают существенное воздействие на вынос выбуренной породы на дневную поверхность, формирование гидродинамического давления в скважине. Гидродинамическое давление, в свою очередь, предопределяет вероятность появления осложнений в ходе строительства скважин: проявление либо поглощение бурового раствора, разрыв горных пород, а также засорение продуктивного пласта. Таким образом, цель управления реологическими характеристиками буровых растворов в скважине становится особенно своевременной. Данная проблема решается посредством химической обработки буровых растворов всевозможными реагентами. Излишнее завышение реологических качеств раствора приводит к возникновению таких явлений, как: свабирование и поршневание; к циклическому гидродинамическому влиянию на породу, слагающую стенки скважины, вызывающему утрату стойкости ствола; увеличению давления на насосе и в скважине; уменьшению механической скорости. Повышение реологических характеристик ведет кроме того к существенным расходам, связанным, в первую очередь, с использованием дорогих реагентов, придающих буровому раствору оригинальный реологический профиль, дающий гарантировать удовлетворительную очистку ствола скважины от выбуренного шлама.
Скорость осаждения элементов в буровом растворе находится в зависимости от его вязкости. Данная взаимозависимость воздействует на транспортировку шлама в вертикальных скважинах. Но уже после создания шламовой постели на нижней стенке скважины с зенитным углом более 450 перемена реологических параметров бурового раствора не достаточно улучшает вынос шлама. Слабовязкие жидкости более результативны в скважинах с зенитными углами более 450, так как порядок их движения - турбулентный и завихрения потока содействуют выносу шлама [55].
Для снижения гидравлических противодействий и обеспечения наиболее плоского профиля скоростей в затрубном пространстве пластическую вязкость необходимо уменьшить вплоть до минимального количества. При наименьшей вязкости и том же самом расходе промывочной жидкости возрастает скорость движения её в наружной части кольцевого пространства.
При небольших зенитных углах и ламинарном режиме течения увеличение динамического напряжения сдвига доводит до совершенства вынос шлама.
Для определения характера течения жидкости, Грей Дарли в своей книге
«Состав параметров определяющий характер течения жидкости.
τ = K ∙ γn
где τ – напряжение сдвига;
K – показатель консистенции;
n – показатель нелинейности, характеризующий степень отклонения от ньютоновской жидкости;
γ – скорость сдвига.
Степенной закон рассказывает о трех моделях течения, которые зависят от значения n:
n 1 – Псевдопластические (эффективная вязкость снижается с увеличением скорости сдвига);
n = 1 – Нью́ тоновские (вязкость остается постоянной при изменении скорости сдвига);
n 1 – Дилатантные (эффективная вязкость возрастает с увеличением скорости сдвига).
Рисунок 2.2.2 – Зависимость профилей притока от показателя линейности.
Оптимальные реологические свойства для очистки ствола скважины