Технологии очистки горизонтальной скважины

В числе всевозможных научно-технических вопросов, связанных со строительством скважины, существенную роль отводят задачам, которые решаются в процессе реализации гидроаэромеханической программы [33, 46].
Процесс бурения, в особенности при использовании забойных гидравлических двигателей, практически невозможен без циркуляции промывочной жидкости, осуществляющей передачу гидравлической мощности от буровых насосов к забойному двигателю, исключение выбуренной породы с забоя скважины на «дневную» поверхность, предотвращение нефтегазопроявления - это не полный список вопросов, разрешаемых гидроаэромеханической программой.
Значительный объём исследовательских трудов, посвящённых одной из проблем гидроаэромеханической программы - проблеме очищения ствола скважины от шлама, говорит не только о значимости, но и трудности данного процесса, для реализации которого, к настоящему времени, разработан большой цикл технологий и технических средств.
Согласно общепризнанной технологии очищения скважины, промывочная жидкость, выходя из отверстий долота, подхватывает частички выбуренной породы и выносит их по затрубному пространству на дневную поверхность. При этом вынесение элементов шлама потоком промывочной жидкости обусловливается из обстоятельства превышения скорости восходящего потока промывочной жидкости U_ж над итоговой скоростью погружения U_п элементов шлама и полной скоростью их подъёма иц. Из этого следует, условия, которые обеспечивают подъём элементов шлама по затрубному пространству, определяются как:
Uи=Uж-Uп(1.1)
При этом темп течения потока промывочной жидкости в затрубном пространстве устанавливают из соотношения:
Uп=QSп, (1.2)
где Sп=D12-D22,
где Q – расход промывочной жидкости, м3/сут;
D1, D2 – соответственно диаметр скважины и наружный диаметр бурильной колонны, м.
Определение быстроты погружения элементов шлама в промывочной жидкости, изображает более трудную задачу по сопоставлению с определением быстроты ее движения в затрубном пространстве, однако созданные, к нынешнему времени, технологии гидроаэромеханических расчётов дают возможность найти решение ее с учётом формы, размеров и объёмного веса элементов шлама, а также структурно-механических данных промывочной жидкости [58, 59].
Несмотря на представляющуюся простоту формулировок (1.1) и (1.2), осуществление их на практике представляет крайне непростую проблему, так как бурильная колонна находится в стволе скважины эксцентрично и в зависимости от расположения выносимой частицы шлама в сечении кольцевого зазора затрубного пространства быстрота ее выноса из-за неравномерности распределения струи промывочной жидкости не способна гарантировать подъёма частицы шлама на «дневную» поверхность, невзирая на то, что средний показатель ее скорости отвечает соотношению UпUж.
Режим движения и эпюра скоростей в кольцевом зазоре обусловливаются расходом бурового раствора и его вязкопластическими особенностями. При этом чем больше отношение динамического противодействия сдвига к пластической вязкости либо меньше коэффициент неньютоновского поведения жидкости, тем внушительнее "сплющена" эпюра скоростей и больше, при этой средней скорости, "выносная" способность бурового раствора [12, 19].
Для выравнивания скорости потока промывочной жидкости в кольцевом зазоре затрубного пространства рекомендуется устанавливать такой её расход, который бы обеспечивал турбулентный режим движения промывочной жидкости:
Uж=50(τ0γж-1)1/2(1.3)
где τ0 - динамическое напряжение сдвига промывочной жидкости, Па;
уж- удельный вес промывочной жидкости, н/м3 .
Кроме этого замечают, что «выносная» способность бурового раствора при турбулентном порядке его перемещения значительно возрастает, хотя потребует существенных энергетических расходов. При этом реологические характеристики бурового раствора становятся маловлияющими на ход очищения ствола скважины от шлама [13, 25, 59].
При бурении горизонтальных областей ствола скважины миссия осуществления технологии ее очищения от шлама значительно усложняется, это связано с переменой направления функционирующих на частицы шлама гравитационных сил. Функционирующие навстречу потоку промывочной жидкости, при бурении вертикальных скважин, они становятся обращенными радиально к оси скважины при бурении горизонтального ее места, что никак не предусматривается имеющимися гидравлическими программами, и считается одной из ключевых причин, приводящих к интенсивному оседанию элементов шлама на нижней стенке ствола скважины. Данный факт служит причиной неполной утраты циркуляции промывочной жидкости, а также усиленного износа долота из-за неоднократного разделения оседающих элементов шлама, а в некоторых случаях связано с появлением аварийных ситуаций, сопряженных с прихватом бурильного прибора.
Известно, что активное оседание частиц шлама при бурении скважин приводит к насыщению бурового раствора твердыми элементами, меняя его структурно-реологические характеристики и снижая очистную способность промывочной жидкости, в особенности при проходке горизонтальных зон её ствола.
Для укрепления характеристик промывочной жидкости в установленных границах и, в первую очередь всего содержания и состава твердой фазы, Г.П

. Зозулей, в исследованном им руководстве по обрабатыванию бурового раствора при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин, рекомендовано использовать способы физического регулирования содержания и состава твердой фазы в буровом растворе:
- разведение водой;
- замена части бурового раствора свежеприготовленным;
- оседание больших частиц шлама в отстойниках;
- очищения бурового раствора от шлама при поддержки вибросит, пескоотделителей, илоотделителей и центрифуг.
Одним из используемых на практике технологических приёмов с целью избежания накопления шлама на горизонтальном участке скважины считается профилактическая очистка ствола с периодическим подъёмом бурильной колонны на несколько свечей и вторичной проходкой пройденного промежутка ствола скважины. Здесь цикличность использования этого технологического приёма значительно уменьшается при переходе к бурению горизонтальных зон скважин и обычно обусловливается интуицией и опытом бурильщика.
Теоретически аргументирован и апробирован на практике способ борьбы с накапливанием шлама, базирующийся на периодической прокачке по циркуляционной системе «пачек» бурового раствора высокой плотности, что, согласно суждению авторов метода, дает возможность выровнять скорость потока в плоскости сечения кольцевого зазора, увеличивая свойства очищения ствола скважины от шлама [14].
Зарубежная практика бурения наклонных и горизонтальных скважин роторным методом, а также, используемая в отечественной практике при турбинном бурении, методика уменьшения сил сопротивления движению бурильного прибора, базирующаяся на периодическом прокручивании бурильной колонны ротором, выявили, что вращение бурильной колонны, при неизменности прочих технологических характеристик хода бурения, приводит к росту качества очищения ствола скважины от шлама [55].
Большая часть ученых связывает это обстоятельство с процессом взаимодействия промывочной жидкости с поверхностью бурильной колонны, обусловленным явлением её смачиваемости, что приводит при вращении бурильной колонны к возникновению в промывочной жидкости вихрей Тейлора и, как следствие, к переходу ламинарного течения бурового раствора в затрубном пространстве к турбулентному, обладающему более высокими «выносными» способностями [41, 56]
При этом скорость вращения бурильной колонны, требуемую для перехода от ламинарного течения к турбулентному, определяют из того условия, чтобы число Тейлора превышало его значение равное 41,5.
Ta=0,51-δδ1/2UpD1ρμ-1,(1.4)
где δ=D2-D1-1;
Up=ωD22;
ω – угловая скорость вращения бурильной колонны, с-1;
μ – динамическая вязкость бурового раствора, Пас;
Значительное воздействие на интенсивность осаждения частиц шлама оказывают местные гидравлические противодействия, формируемые составляющими бурильной колонны, обладающими переменной геометрической конфигурацией, что порождает перемена скорости потока в кольцевом зазоре и, как итог, формирование застойных зон и возвратных течений [44]. Подобными компонентами считаются замковые соединения, муфты, переводники, долота, центраторы и т. д.
Одним из первостепенных способов уменьшения данного воздействия считается конструктивный, связанный с уменьшением гидравлического противодействия при применении бурильных труб с высаженными во внутрь замками и центраторов с размещенными по периметру их корпуса продольными каналами [10].
Известен метод очищения скважины от шлама, базирующийся на применении специализированных технических приборов, таких как шламоуловители, обладающие воронками для сбора оседающего под влиянием гравитационных сил частиц шлама.
Та = 0,5
Значение числа Тейлора Та находят из выражения
Для увеличения действенности их применения, по циркуляционной системе время от времени прокачивают «пачки» облегчённого бурового раствора с минимальной плотностью. Образующийся при этом кратковременный перепад давления в циркуляционной системе приводит к оседанию элементов шлама в воронки шламоуловителя, установленного в компоновку бурильной колонны