Удержание твердой фазы во взвешенном состоянии

Буровая промывочная жидкость должна удерживать во взвешенном состоянии утя­желитель (например, бариты, карбонат кальция) и в то же время легко освобождаться от выбуренной породы на поверхности.

Следовательно, между этими двумя функциями должен быть определенный ком­промисс. Скорость осаждения отдельной частицы зависит от ее размера, плотности и вяз­кости жидкости. При оценке скорости осаждения, так же, как и при гидравлических расче­тах при течении в трубах, используют критерий Рейнольдса частицы. Как было сказано выше, уравнения, характеризующие движения частицы в жидкости, будут разными, в за­висимости от режима ее обтекания.

Конечная скорость осаждения в жидкости отдельной сферической частицы под действием силы тяжести определяется по закону Стокса:

 

2R²(p-p_III)g

Vo=-----------------, где:

9m_III

 

Vo -cкорость осаждения частицы, м/с

R -радиус частицы, м

p -плотность частицы, кг/м³

р_III - плотность дисперсионной среды, кг/м³

g -ускорение свободного паления, м/сек²

m -вязкость, Н - сек/м²

 

Закон Стокса справедлив только при очень небольших скоростях осаждения. Если скорость увеличивается, ее зависимость от вязкости жидкости и радиуса частиц меняется. (Рис. 1-3).

Закон Стокса и его эквивалент для турбулентного обтекания - закон Ноютона спра­ведливы для случая осаждения одиночной частицы. Практически на процесс осаждения влияют соседние частицы, т.е. твердая фаза осаждается в стесненных условиях. Это об­стоятельство снижает скорость осаждения. Поскольку осаждение в покоящейся жидкости происходит при очень малых скоростях сдвига, вязкость жидкости следует оценивать точ­нее при малых скоростях сдвига. Было установлено, что хорошим показателем удержи­вающей способности жидкости может служить показание ротационного вискозиметра Фэнн при частоте вращения n = 3 об/мин (скорость сдвига == 5, 1 сек^-1). Однако, поскольку вязкость сильно зависит от температуры, скорость осаждения в стволе скважины будет, вероятно, больше. Например повышение температуры от комнатной до 100⁰ может в 10 раз увеличить скорость осаждения.

 

Влияние параметров на конечную скорость
Режим течения	Радиус частицы	Вязкость
Ламинарный	R2	1/m
Переходный	R	1/m0.33
Турбулентный	R0, 5	Зависимость от вязкости отсутствует

Рисунок 1-3. Влияние размеров частиц и вязкости жидкости на скорость скважины

 

Транспортировка шлама

Это очень сложная проблема, которую активно исследовали в течение последних 30-40 лет. По существу это - проблема осаждения частиц в потоке жидкости. Хотя для та­кого случая справедливы зависимости, представленные рис. 1-3, трудность состоит в вы­боре надлежащего значения критерия Рейнольдса. Практическое правило таково: если ре­жим течения жидкости в кольцевом пространстве турбулентный, то и режим обтекания падающей частицы тоже будет турбулентным. В зависимости от геометрических особен­ностей частицы и вязкости жидкости режим обтекания частицы, падающей в ламинарном потоке, может быть турбулентным, переходным или ламинарным. Транспортировка шлама - процесс очень сложный, но приведенные ниже положения могут прояснить механизм этого процесса:

· Вынос шлама можно обеспечить при промывке водой, если скорость восходящего потока достаточно велика. Это свидетельствует о том, что для транспортировки шлама жидкость не обязательно должна иметь динамическое напряжение сдвига, отличное от нуля.

· Обычный метод определения динамического напряжения сдвига у жидкостей, для которых характерно сдвиговое разжижение, может привести к ошибочным результатам.

· Большинство исследователей утверждает, что при турбулентном режиме течения вынос шлама улучшается. Одно из возможных объяснений этого явления заключается в том, что профиль скоростей при турбулентном режиме более плоский, чем при ламинар­ном режиме течения и частицы породы поднимаются в виде скопления частиц. Однако вследствие опасности размыва стенок скважины стараются избежать турбулентного ре­жима течения бурового раствора в кольцевом пространстве.

· Благодаря способности к сдвиговому разжижению растворы полимеров даже при ламинарном режиме течения имеют плоский профиль скоростей. Чем сильнее поведение таких растворов отличается от поведения ньютоновских жидкостей, тем более плоским становится профиль скоростей.

 

СМАЗОЧНЫЕ СВОЙСТВА

Выбор смазочной добавки и ее концентрация в буровом растворе являются очень важным фактором. Однако следует отметить, что смазочные добавки благоприятно прояв­ляют себя при бурении. Хорошие смазочные свойства увеличивают долговечность долота, снижают крутящий момент и, возможно, уменьшают опасность возникновения прихвата бурильной колонны.

 

Уменьшение крутящего момента

и осевых сил сопротив­ления

 

В наклонных скважинах с большими зенитными углами и горизонтальных скважи­нах фактические значения могут оказался больше, чем было принято при составлении про­екта бурения. Это может быть следствием влияния таких факторов, как:

· Плохой вынос шлама

· Сильная извилистость ствола скважины •

· Неудачная конструкция компоновки низа бурильной колонны

· Применение долот и центраторов, изношенных по диаметру

· Наличие толстой фильтрационной корки на стенках

· Неудовлетворительное состояние ствола скважины, например сужение ствола.

Если при бурении возникают затяжки или наблюдается чрезмерно большой крутя­щий момент, то нужно учесть перечисленные факторы и устранить их влияние прежде, чем принимать решения о вводе смазочной добавки в буровой раствор.

Для расчета величины крутящего момента, сил натяжения, величины коэффициента трения на стадии проектирования скважины используют компьютерные программы, учи­тывающие состав компоновки низа бурильной колонны. На буровой сравнивают проект­ные и фактические величины крутящего момента и сил натяжения. Отклонения фактиче­ских значений от проектных может свидетельствовать о возникновении осложнений. На­копление данных о величине крутящего момента в процессе разработки месторождения может способствовать существенному снижению затрат на ликвидацию прихватов и на бурение в целом.

 

Смазочные свойства

 

Трудности, обусловленные большим крутящим моментом ц силами натяжения, особенно велики в наклонных скважинах с большими зенитными углами и в горизонталь­ных скважинах. Бурильная колонна лежит на нижней стенке скважины и имеет большую площадь контакта с породой и обсадной колонной. В таких условиях применение смазы­вающей жидкости может дать существенные преимущества при условии, если другие свойства бурового раствора оптимальны и применяется хорошая технология бурения.

При использовании буровых растворов на нефтяной основе (РУО) принимают ко­эффициент трения в пределах 0, 14-0, 22; при использовании растворов на водной основе для (РВО) - в пределах 0, 20-0, 40. В обсаженном стволе для РУО коэффициент трения при­мерно равен 0, 18, а для РВО - 0, 25, в зависимости от типа раствора. Значения коэффици­ента трения в промысловых буровых растворах колеблется в довольно широких пределах. Диапазоны значения для РУО и РВО могут перекрываться, в зависимости от состава рас­твора и вида используемой компьютерной программы.

Программы для расчета крутящего момента и сил натяжения не следует использо­вать отдельно одну от другой. Следует подчеркнуть необходимость использования произ­водственного опыта. Если при бурении предыдущих наклонных скважин с большим зе­нитным углом потребовалось применение смазочных добавок, а все остальные компо­ненты бурения были оптимизированы, то использование смазочных добавок следует зало­жить в проекты будущих скважин. При таких обстоятельствах приоритет следует отдавать производственному опыту.

Там, где это возможно, анализ, проводимый по окончании бурения, должен вклю­чать расчет значений коэффициента трения по фактической величине нагрузки на крюк и крутящего момента, зарегистрированного в процессе бурения. Полученные значения ко­эффициента трения можно затем использовать при проектировании следующей скважины.

 

Рисунок 1-4. Результаты экспериментов по износу

 

В лабораторных условиях была проведена оценка смазочных свойств растворов на нефтяной и водной основе при разной их плотности и разной концентрации смазочных до­бавок. При проведении опытов гладкий бурильный замок диаметром 165 мм был прижат к внутренней поверхности обсадной трубы диаметром 244 мм и вращался. Усилие приложе­ния менялось в пределах 4-8 кН, что соответствует контактному усилию, действующему на участке набора зенитного угла 3⁰/30 м. Частота вращения замка составляла 112 об/мин. Установку заполняли различными буровыми растворами.

 

Ссылка: Влияние состава буровых растворов на износ и работоспособность обсадных труб и бурильных замков. Дж. М. Бол Коримклийке. Лаборатории фирмы Shell Е& Р Labo­ratories. Статья 13457 Общества Инженеров-Нефтянников и Международной Ассоциа­ции Буровых Подрядчиков.

При испытании в среде неутяжеленных буровых растворов разницы в смазочной способности у различных, имеющихся на рынке, смазочных добавок не обнаружено. До некоторой степени они все уменьшают износ обсадных труб (Рис. 1-4).

 

Рисунок 1-5. Результаты экспериментов над обсадкой

 

Уменьшение износа от ввода смазочных добавок в растворы с плотностью более 1500 кг/м - обнаружено не было (Рис.1-6).

Ввод в раствор стеклянных шариков или дизельного топлива не изменило смазоч­ных свойств. Размер стеклянных шариков не позволял им проникать между бурильным замком и обсадной трубой. Дизельное топливо не образует смазочной пленки на поверх­ности стали.

Ввод соли и полимера привел к некоторому уменьшению крутящего момента и из­носа, но влияние их было меньше, чем от ввода стандартных добавок.

Влияния ввода смазочных добавок на износ при испытаниях в среде утяжеленных раство­ров не обнаружено.

Наибольшее влияние на износ оказал тип утяжелителя. (Рис. 1-5)

 

 

 

Рисунок 1-6. Коэффициент трения как функция плотности бурового раствора и

концентрации смазывающего материала

 

 

Рисунок 1-7. Смазки, снижающие коэффициент трения при бурении скважины.

Подобные эксперименты были проведены с 28 различными смазочными добавками. Проделано 800 опытов для двенадцати факторных матриц. Были использованы стальной замок с гладкой поверхностью, замок с наплавкой твердого сплава и модель центратора. Испытания проводили только в растворах на водной основе. Лишь одна комбинация: сма­зочные добавки высокого давления + ПАВ + полимеры обеспечила понижение коэффици­ента трения до уровня, характерного для растворов на нефтяной основе. Три добавки: стеклянные шарики, сульфированное таловое масло с жирными кислотами плюс аминь и модифицированные жирные кислоты не оказали никакого влияния на величину коэффици­ента трения. Первые две добавки дали столь незначительное снижение коэффициента тре­ния, что лучшего, результата можно добиться другими средствами, т.е. совершенствова­нием формы профиля скважины, компоновкой низа бурильной колонны, изменением плотности бурового раствора (Рис. 1-7).

 

Ссылка: Передовая технология лабораторных измерении коэффициента трения в среде бурового раствора. М.С.Кигли. Фирма Mobil R& D Corporation. Статья: 19537 Общества Инженеров-Нефтяников

Выбор смазочных материалов

 

Выбор смазочных добавок может быть ограничен экологическими и экономиче­скими соображениями, а также совместимостью добавки с исходным буровым раствором. Если опыт бурения аналогичных скважин не позволяет сделать определенный выбор, то рекомендуется прибегнуть к помощи экспертов из фирмы, специализирующейся в области бурового раствора.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: