Определение динамического напряжения сдвига и пластической вязкости

Инженеры по буровым растворам определяют динамическое напряжение сдвига и пластическую вязкость с помощью вискозиметра Фанна V-G. Этот прибор измеряет касательные напряжения при различных значениях скорости сдвига. На график наносятся значения касательного напряжения при скорости сдвига, создаваемой при вращении цилиндра с частотой 300 и 600 об/мин (рис. 7-14).

Пластическая вязкость характеризуется наклоном прямой. Тангенс угла наклона определяется по уравнению:

PV = (касательное напряжение при 600 об/мин - касательное напряжение при 300 об/мин) / (скорость сдвига при 600 об/мин - скорость сдвига при 300 об/мин).

Принимая разность между значениями скорости сдвига при 600 об/мин и 300 об/мин за единицу можно упростить уравнение:

PV = (касательное напряжение при 600 об/мин - касательное напряжение при 300 об/мин)

Можно продолжить эту наклонную прямую до точки нулевой скорости сдвига, определив тем самым напряжение, при котором начнется ламинарное течение. Используя подобие треугольников, можно получить уравнение для расчета динамического напряжения сдвига.

YP = касательное напряжение при 300 об/мин - (касательное напряжение при 600 об/мин -
касательное напряжение при 300 об/мин)

или YP = касательное напряжение при 300 об/мин - PV (7.9)

Динамическое напряжение сдвига выражается в фунтах на 100 квадратных футов (фунт/100 фут²).

Рис. 7-14 Графическое определение динамического напряжения сдвига и пластической вязкости

Вязкость можно определить по времени вытекания определенного количества (кварты) бурового раствора через отверстие постоянного сечения в воронке Марша. Это простой и быстрый способ проследить динамику параметров бурового раствора. Изменение вязкости, определенной с помощью воронки Марша, указывает на изменение либо динамического напряжения сдвига, либо пластической вязкости. Однако таким образом нельзя установить причины этого изменения.

Реологические характеристики бурового раствора влияют на профиль скоростей потока и, таким образом, на скорость потока у стенки, где оседают частицы шлама. Целью инженера по бурению является создание буровых растворов с такими реологическими характеристиками, которые обеспечивают максимальное увеличение скорости потока у стенки и максимальное снижение конечной скорости оседания при низких значениях скорости сдвига.

Размер, форма и количество шлама (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)

потока ниже, преимущественно крупные частицы. Чтобы обеспечить высокое качество очистки скважины, эффективность очистки должна возрастать с увеличением размера частиц шлама.

Форма и тип шлама влияют на способность бурового раствора к разжижению при сдвиге. Раствор, содержащий инертные сферические твердые частицы разжижается слабо. Плоские твердые частицы будут постепенно выравниваться в направлении потока, что ведет к уменьшению вязкости при больших расходах. Поверхностно-активные твердые частицы, такие как полимеры, также способствует разжижению раствора при сдвиге.

Многочисленные частицы шлама взаимодействуют друг с другом, что ухудшает профиль скоростей потока и эффективность очистки скважины. С увеличением содержания шлама в скважине концентрация шлама у стенок возрастает. Это ведет к заострению профиля скоростей потока, как показано, на рис. 7-15.

Увеличение содержания в буровом растворе твердых частиц ведет также к возрастанию пластической вязкости. В результате уменьшается отношение УР/РУ, и профиль скоростей потока вытягивается. В некоторых случаях для обеспечения высокого качества очистки скважины нужно регулировать скорость проходки.

Обломки обрушившейся породы можно рассматривать как очень крупные частицы шлама. Для таких обломков характерна высокая скорость оседания, и они могут разрушиться с образованием более мелких кусков до того, как будут вынесены из скважины циркулирующим буровым раствором.

Скорость проходки (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)

Скорость проходки определяет как размер, так и количество продуцируемого шлама. При высокой скорости проходки долото внедряется в поверхность забоя глубже, и образуется более крупный шлам. Увеличивается также количество шлама. При увеличении скорости проходки может понадобиться повысить эффективность очистки ствола.

Возрастание крутящего момента при увеличении скорости проходки говорит о том, что долото внедряется глубже, и образуется более крупный шлам. Если возрастание крутящего момента продолжается при неизменной скорости проходки, это может быть признаком недостаточной очистки ствола. Скопления шлама затрудняют вращение бурильной колонны.

Вращение и эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)

Вращение колонны улучшает показатель эффективности транспортирования шлама благодаря тому, что шлам выносится от стенок ствола и возвращается обратно в быстрый поток (рис. 7-16). Эксцентричное расположение бурильной колонны в стволе приводит к уменьшению показателя эффективности транспортирования шлама. Профиль скоростей потока более вытянут на стороне большего зазора, и скорость в пространстве вокруг колонны низкая (рис. 7-17). Влияние вращения колонны и ее эксцентричного расположения в скважине на качество очистки очень невелико в вертикальных скважинах, но значительно усиливается в сильнонаклонных скважинах.⁷

Вращение бурильной колонны приводит также к возрастанию гидравлических потерь в кольцевом пространстве. Этот эффект тем более выражен, чем больше диаметр колонны приближается к диаметру ствола.

Время (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)

Для того чтобы удалить шлам циркуляцией от долота и КНБК перед наращиванием колонны требуется время. Кроме того, требуется время для промывки скважины перед подъемом инструмента.

Как показывает опыт, большая часть прихватов связана с тем, что промывка скважин перед наращиванием колонны или подъемом инструмента проводилась недостаточно долго.

Нужно рассчитать время, необходимое для промывки скважины, и сравнивать с ним фактическое время, затраченное на промывку перед каждым подъемом инструмента.