Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин
|
|
На качество очистки вертикальных скважин влияют следующие факторы:
• Плотность бурового раствора
• Скорость потока бурового раствора в кольцевом пространстве
• Реологические характеристики и режим течения бурового раствора
• Размер, форма и количество шлама
• Скорость проходки
• Вращение и эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны
• Время
Плотность бурового раствора (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин).
Плотность бурового раствора влияет на качество очистки скважин трояким образом:
• Обеспечивает плавучесть шлама, способствующую его подъему в потоке
• Влияет на кинетическую энергию бурового раствора
• Влияет на трение между буровым раствором и обтекаемым им шламом.
Оценить часть подъемной силы, обеспечиваемой плавучестью, можно через отношение плотности бурового раствора к плотности шлама.
Отношение выталкивающей силы к весу шлама = ρ f/ρ c (7.4)
где
ρ с = плотность шлама
ρ f = плотность бурового раствора
Например, средняя плотность шлама равна примерно 21 фунт/галлон. Если плотность бурового раствора равна 8, 33 фунт/галлон, то выталкивающая сила будет составлять примерно 40% от веса шлама. Она будет составлять 50% при плотности бурового раствора 10, 5 фунт/галлон и 76% при плотности бурового раствора 16 фунт/галлон!
| Плотность бурового раствора | ÷ | Плотность шлама | *100 = | % веса шлама |
| 8, 33 фунт/галлон | ÷ | 21 фунт/галлон | *100 = | 40% |
| 10, 5 фунт/галлон | ÷ | 21 фунт/галлон | *100 = | 50% |
| 16, 0 фунт/галлон | ÷ | 21 фунт/галлон | *100 = | 76% |
Небольшое увеличение плотности бурового раствора оказывает значительное влияние на конечную скорость оседания шлама, и таким образом, повышает показатель эффективности транспортирования.
Увеличение плотности бурового раствора является лучшим способом уменьшить конечную скорость оседания шлама (см. уравнение 7.3).
Еще один механизм воздействия плотности бурового раствора на качество очистки скважин реализуется в передаче момента количества движения шламу, точно так же как в биллиарде биток передает момент количества движения прицельному шару. Выражение для момента количества
движения - произведение массы на скорость. Момент количества движения возрастает линейно с увеличением плотности бурового раствора (рис. 7-1).
Момент количества движения = m • v (7.5)
Момент количества движения возрастает линейно с увеличением плотности бурового раствора или скорости потока.
Рис. 7-1 Момент количества движения
Изменение плотности бурового раствора влияет на момент количества движения в соответствии с зависимостью 7.6.
М2 = М1 • (ρ 2/ρ 1) (7.6)
Где
ρ 1 = начальная плотность
М1 = начальный момент количества движения
ρ 2 = конечная плотность
М2 = конечный момент количества движения
Более плотный буровой раствор передает шламу больший момент количества движения. Следует отметить, что момент количества движения в равной степени зависит и от скорости потока в кольцевом пространстве (уравнение 7.5). Некоторая часть подъемной силы обеспечивается благодаря трению между буровым раствором и обтекаемым им шламом. Кроме того, трение может способствовать отрыву частиц шлама от стенки скважины и возвращению их в поток. Плотность бурового раствора влияет и на трение; чем больше плотность, тем больше трение.
Если бы можно было уменьшить плотность бурового раствора до нуля, то он не обеспечивал бы плавучесть шлама, не передавал бы ему момент количества движения и не воздействовал бы на него посредством трения. Поэтому очистить скважину не удалось бы даже при самой высокой скорости потока в кольцевом пространстве. Если бы можно было увеличить плотность бурового раствора до значения, превышающего плотность шлама, то для очистки скважины не потребовалось бы никакого потока. Шлам всплывал бы к устью сам.
Промысловый опыт показывает, что при увеличении плотности бурового раствора очистка скважины упрощается, и можно обойтись меньшей скоростью потока в кольцевом пространства. Отчасти это обусловлено тем, что при увеличении плотности бурового раствора уменьшается конечная скорость оседания шлама. Когда плотность раствора низка, например при бурении с продувкой воздухом, для очистки скважины требуется гораздо более высокая скорость потока в кольцевом пространстве, поскольку конечная скорость оседания шлама в этом случае будет намного выше.
Увеличение плотности бурового раствора является лучшим способом повысить качество очистки вертикальных скважин. При увеличении плотности бурового раствора возрастает показатель эффективности транспортирования шлама, и концентрация шлама резко уменьшается. Однако следует отметить, что обычно не прибегают к изменению плотности бурового раствора для повышения качества очистки скважины. Чаще всего, по причинам экономического характера, стараются держать плотность бурового раствора настолько низкой, насколько позволяют условия в скважине. Вместо этого увеличивают скорость потока в кольцевом пространстве или изменяют реологические характеристики бурового раствора.
Скорость потока в кольцевом пространстве (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)
Скорость потока в кольцевом пространстве является вторым по значению фактором, влияющим на качество очистки вертикальных скважин. Движущийся в кольцевом пространстве поток бурового раствора обеспечивает подъемную силу путем передачи шламу момента количества движения и трения между буровым раствором и обтекаемым им шламом. При ламинарном режиме течения момент количества движения линейно возрастает с увеличением скорости потока, так же как и с увеличением плотности бурового раствора (уравнение 7.5). Следует отметить, что роль скорости потока в кольцевом пространстве зависит от плотности бурового раствора (рис. 1). Если бы плотность бурового раствора равнялась нулю, то скорость потока не влияла бы на качество очистки.
Хотя механизм влияния на подъемную силу скорости потока в кольцевом пространстве достаточно прост, общее влияние скорости сложнее, поскольку оно определяется профилем скоростей.
| Рис. 7-2 Профиль скоростей при ламинарном течении |
Когда говорят о скорости потока в кольцевом пространстве, обычно подразумевают среднюю скорость потока в кольцевом пространстве, поскольку эта скорость не постоянна по диаметру ствола. Она равна нулю у стенки и постоянно возрастает с удалением от стенки. Таким образом создается профиль скоростей (рис. 7-2). Профиль скоростей показывает скорости потока на различных расстояниях от стенок.
| Неравномерное распределение скоростей приводит к тому, что шлам перемещается к стенкам скважины Рис.7-3 Перемещение шлама |
Неравномерное распределение скоростей в кольцевом пространстве, отражаемое профилем скоростей потока, приводит к неравенству сил, действующих на частицы шлама (рис. 7-3). Вследствие этого частицы выталкиваются из самого быстрого слоя и оттесняются к стенкам ствола. Чем крупнее частица, тем сильнее воздействие на нее со стороны жидкости, и тем быстрее она движется к стенке в результате этого воздействия. Даже если средняя скорость потока достаточно велика для обеспечения показателя эффективности транспортирования шлама, при котором шлам выносится вверх по кольцевому пространству, более крупные частицы шлама перемещаются к стенкам скважины, где скорость потока ниже, и затем оседают вниз по стволу.
| Шлам оседает вниз у стенки, где скорость потока невелика, и затем возвращается в быстрый поток, в котором он опять поднимается вверх. Рис.7-4 Циркуляция шлама |
Когда скорость движущейся вниз частицы достаточно возрастет, на нее начнет действовать гидродинамическая сила (эффект Бернулли), стремящаяся вернуть частицу в быстрый слой, в котором она будет снова транспортироваться вверх. Такие циклические подъемы и снижения называют циркуляцией шлама3. Этот процесс приводит к увеличению концентрации шлама в кольцевом пространстве (рис. 7-4).
Интенсивность циркуляции шлама зависит, главным образом, от профиля скоростей потока. При плоском профиле скоростей потока силы, отталкивающие частицы к стенкам ствола, будут меньше, а скорость потока у стенок будет выше (рис. 7-5).
| При течении с плоским профилем скорость потока у стенок будет выше. Рис.7-5 Плоский профиль скоростей Рис. 7-5 Плоский профиль скоростей |
Для этого используется определенное сочетание скорости потока в кольцевом пространстве и характеристик бурового раствора.
На скорость потока в кольцевом пространстве и профили скоростей потока влияет диаметр ствола скважины. Чем больше диаметр ствола, тем меньше скорость потока около стенки. Это в особенности относится к зонам размыва. Таким образом, проблема циркуляции шлама усугубляется в скважинах большого диаметра и в зонах размыва ствола.
Частицы шлама могут также прилипать к стенкам скважины или постоянно циркулировать в кольцевом пространстве в зонах размыва ствола. При остановке насосов этот шлам может оседать в скважине.
Реологические характеристики и режимы течения бурового раствора (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)
| При турбулентном режиме давление растет быстрее. Рис.7-6 Зависимость между расходом и давлением |
Различают три режима течения:
• Турбулентный
• Ламинарный
• Структурный
При небольших значениях давления и скорости жидкость течет в ламинарном потоке.
При более высоких значениях давления и скорости развивается турбулентный режим течения (рис.7-6).
При течении очень вязких жидкостей с небольшой скоростью имеет место разновидность ламинарного потока, называемая " структурный режим" (рис. 7-7С). На значение скорости, при котором ламинарный режим переходит в турбулентный, влияют характеристики бурового раствора.
Рис. 7-7 А
Турбулентный режим
Рис. 7-7В
Ламинарный режим
Рис. 7-7С
Структурный режим
Рис. 7-7 Режимы течения
Ламинарный режим определяется вязкостными характеристиками жидкости. Жидкость течет плавно, все молекулы движутся в одном и том же направлении, но с различными скоростями.
Примером ламинарного режима может служить.течение воды в оросительном канале (рис. 7-7В). Вода прилипает к стенкам канала, поэтому скорость потока у стенки равна нулю. Когезионные свойства воды обуславливают возникновение притягивающей силы, которая замедляет движение молекул воды в проходящем потоке. Таким образом, молекулы, находящиеся близко к стенкам, движутся медленно, а молекулы, находящиеся в центре канала, движутся наиболее быстро.
При ламинарном течении профиль скоростей потока имеет параболическую форму. Эта форма зависит от пластической вязкости и динамического напряжения сдвига жидкости. По мере увеличения отношения динамического напряжения сдвига к пластической вязкости (УР/РУ) профиль скоростей потока выполаживается.
Турбулентный поток является более хаотичным. Он определяется инерционными характеристиками жидкости. В отличие от ламинарного потока здесь нет плавного течения и движения всех молекул в одном и том же направлении. Молекулы прилипают к стенке, и скорость потока у стенки равна нулю, как и при ламинарном течении. Однако в ядре потока молекулы движутся во всех направлениях и с различными скоростями (рис. 7-7А). Результирующее движение происходит по направлению потока, и профиль скоростей турбулентного потока значительно уплощен по сравнению с профилем скоростей ламинарного потока. Примером турбулентного потока является быстрая река.
При плоском профиле скоростей потока эффективность очистки скважины выше. Вытянутый параболический профиль скоростей, характерный для ламинарного водного потока, неэффективен с точки зрения очистки скважин. При таком профиле скоростей более крупные частицы оттесняются к стенке, где скорость потока меньше, и оседают вниз по стволу.
Для турбулентного потока характерен самый плоский профиль скоростей. Турбулентный поток очищает скважину наилучшим образом, но обычно его не целесообразно использовать в вертикальных скважинах. Как видно на рис. 7-6, турбулентный режим приводит к намного большим гидравлическим потерям в кольцевом пространстве, чем ламинарный. В результате возможны поглощения и, в некоторых случаях, эрозия стенок скважины. При ламинарном режиме течения плоский профиль скоростей характерен для буровых растворов с высоким отношением УР/РУ.
Динамическое напряжение сдвига (УР) характеризует усилие, требуемое для того, чтобы началось течение, или движение молекул относительно друг друга по направлению потока. Для увеличения скорости потока необходимо дополнительное усилие. Это дополнительное усилие характеризуется пластической вязкостью (РУ). Динамическое напряжение сдвига способствует повышению качества очистки скважины, а пластическая вязкость - нет.5
Динамическое напряжение сдвига является мерой способности твердых частиц в жидкости формировать структуру, сопротивляющуюся деформации. Оно возникает в результате действия сил отталкивания электростатических зарядов на поверхности частиц. Отрицательные заряды на поверхности частиц бентонита заставляют их отталкиваться друг от друга, как магниты при контакте их одноименных полюсов. При смешивании жидкости с бентонитом частицы бентонита будут стремиться отойти одна от другой как можно дальше. Таким образом формируется структура, показанная на рис. 7-8.
| Рис. 7-8 Динамическое напряжение сдвига |
Динамическое напряжение сдвига характеризует сопротивление течению, обусловленное действием электрохимических сил.
Для иллюстрации концепции динамического напряжения сдвига можно вообразить себе тонкий, толщиной в одну молекулу, слой бурового раствора, неким образом подвешенный в горизонтальной плоскости (рис.7-9). Поскольку динамическое напряжение сдвига измеряется в фунт/100 фут2, мы примем площадь поперечного сечения ствола 100 фут2.
Если частица шлама должна пройти через этот слой бурового раствора, частицы бентонита должны уйти с пути ее движения. Это означает, что некоторые частицы должны подойти ближе друг к другу. Из-за наличия отрицательных зарядов возникает сила отталкивания, стремящаяся этому помешать. Сила отталкивания является функцией квадрата расстояния. Если сократить наполовину расстояние между двумя частицами, то сила отталкивания между ними возрастет в четыре раза. Чем больше глины в растворе, тем ближе будут друг к другу частицы глины, и тем больше будет сила отталкивания.
Если динамическое напряжение сдвига равно 20 фунт/100 фут2, наш неким образом подвешенный слой бурового раствора удержит 20 фунтов шлама, при условии что шлам очень тонко измельчен и равномерно распределен по поверхности слоя (рис. 7-9А). Если же поместить 20 фунтов породы в центр этого слоя, он легко прорвется. При прорыве, однако, на шлам будет действовать давление 20 фунт/100 фут2 (рис. 7-9В).
| Рис. 7-9 Транспортирующая способность |
Вернемся к ламинарному течению. Как мы помним, скорость потока у стенки равна нулю и постоянно возрастает с удалением от стенки. Силы притяжения стремятся удержать молекулы вместе. Для того чтобы побудить молекулы двигаться относительно друг друга по направлению потока, требуется касательное напряжение. Скорость движения молекул относительно друг друга называется скоростью сдвига.
Скорость сдвига не постоянна по сечению ствола (рис. 7-10). Она имеет наибольшее значение у стенки и наименьшее значение в центре сечения скважины. Зависимость между касательным напряжением и скоростью сдвига для любого бурового раствора выражается кривыми течения. Кривая течения для чистой воды показана на рис. 7-10А.
Рис. 7-10 Кривые течения для типичных жидкостей
Наклон этого кривой характеризует вязкость жидкости. Вязкость характеризует сопротивление жидкости течению. Вязкость определяется как отношение касательного напряжения к скорости сдвига.
Пластическая вязкость = касательное напряжение / скорость сдвига (7.7)
Если жидкость содержит твердые частицы, размер которых превышает размер молекул, они ведет себя иначе. На рис. 7-10В показана кривая течения для вязкопластичной бингамовской жидкости. Для начала течения такой жидкости требуется большое касательное напряжение, называемое динамическим напряжением сдвига. Оно обусловлено тенденцией твердых частиц формировать структуру в жидкости. Эта структура и оказывает сопротивление касательному напряжению.
|
|