Факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин

На качество очистки влияет следующее:

• Наклон скважины • Расход бурового раствора

• Характеристики и режим течения • Слои шлама бурового раствора

• Скорость проходки • Вращение и эксцентричное

расположение в скважине бурильной колонны

• Время

В наклонно-направленной скважине можно выделить три четко различимых участка (рис. 7-19):

• От примерно нуля до 30°

• От 30° до 65°

• От 65° до 90°

Иногда их называют вертикальным, переходным и горизонтальным участками.

Природа слоев шлама и механизмы очистки скважин на разных участках отчетливо различаются. На вертикальном участке все, что уменьшает конечную скорость оседания, улучшает очистку. Фактически, на качество очистки влияет только осевая составляющая конечной скорости оседания. На вертикальном участке осевая составляющая направлена практически по вертикали. При увеличении зенитного угла вертикальное перемещение шлама под действием силы тяжести и выталкивающей силы дополняется смещением вдоль наклонной оси скважины (рис. 7-18).

Когда скважина начинает отклоняться от вертикали, шлам перемещается к нижней стенке. При приближении зенитного угла к 30° частицы шлама начинает дольше задерживаться у стенки перед возвращением обратно в основной поток. Когда зенитный угол превышает 30°, проблема циркуляции шлама усугубляется еще больше. При увеличении зенитного угла от 30° до 45° продолжительность пребывания шлама у стенки резко возрастает. Как видно из рис. 7-20, объемная концентрация шлама резко увеличивается в интервале 30° - 45° и остается относительно постоянной при больших углах.³

Формирование слоев шлама начинается при углах больше 30 °. При углах менее 45 ° эти слои шлама рыхлые и сильно ожижены. Поэтому они неустойчивы и легко соскальзывают. При углах менее 45 ° эти слои шлама всегда соскальзывают вниз по стволу при прекращении циркуляции.¹¹ При углах до 65 ° слои шлама постоянно соскальзывают и опрокидываются, даже при наличии циркуляции (это соскальзывание происходит интенсивнее при бурении на РУО, чем при бурении на РВО).

При углах более 65° слои шлама становятся более устойчивыми. Кроме того, они становятся лучше упакованными, поэтому их труднее разрушить.

Шлам имеет тенденцию оседать в интервале 40 ° - 55 ° быстрее, чем во всех других, благодаря так называемому эффекту Бойкотта.

Эффект Бойкотта

Эффект Бойкотта назван так по имени д-ра А. Е. Бойкотта (А. Е. Boycott), который изучал пробы крови в первую мировую войну. Он случайно установил, что кровь оседает быстрее, когда пробирки установлены с наклоном 45 °. Позднее он написал статью, в которой объяснил этот феномен.

Перефразируя д-ра Бойкотта, " взвесь мелких частиц ведет себя как отдельное жидкое тело. Для того чтобы шламовый массив осел, он должен вытеснить расположенную под ним жидкость. Вытесняемая жидкость должна пройти через шламовый массив по извилистому пути, испытывая сопротивление трения при взаимодействии с частицами шлама" (рис. 7-21).

При угле 45 ° частицы должны осесть лишь на небольшое расстояние, чтобы открылся канал вдоль верхней стенки скважины. После этого чистая жидкость может быстро прорваться вверх вдоль верхней стенки скважины, в то время как более плотная жидкость, содержащая твердую фазу, может быстрее опускаться вдоль нижней стенки в форме рыхлого слоя шлама (рис. 7-22).

Механизмы транспортирования шлама

Механизмы транспортирования шлама на разных участках отличаются друг от друга. Это объясняется различиями в природе слоев шлама. Используются две широкие классификации механизмов транспортирования шлама - движение в суспензии и перемещение в движущемся слое. Они подробно рассмотрены в разделе " Слои шлама".

В вертикальном интервале шлам имеет тенденцию равномерно распределяться в буровом растворе и двигаться в суспензии с постоянной концентрацией. При увеличении зенитного угла более крупные частицы перемещаются к нижней стенке и движутся вверх по стволу в суспензии с изменяющейся концентрацией (рис. 7-23). При больших зенитных углах шлам имеет тенденцию формировать слой и скатываться по нижней стенке. При углах больше 65 ° слой становится устойчивым, если не испытывает возмущений от перемещений бурильной колонны. Однако если расход бурового раствора достаточно высок, может образоваться суспензия с постоянной концентрацией даже при большом наклоне скважины.

В сильнонаклонных участках почти всегда присутствует устойчивый слой шлама.

Шлам движется над этим слоем в суспензии с изменяющейся концентрацией.

Движение в суспензии с постоянной концентрацией является наиболее эффективным механизмом транспортирования шлама. Поэтому вертикальные участки очищать проще всего.

Перекатывание или движение шлама в слое является наименее эффективным механизмом транспортирования шлама. Исходя из этого можно подумать, что очищать горизонтальные участки труднее всего. Однако шлам будет транспортироваться в суспензии с изменяющейся концентрацией над слоем шлама, и при углах больше 65 ⁰ никогда не будет соскальзывать вниз по стволу как это происходит на участке 30 ⁰ - 65 °.

Из-за сочетания таких факторов как соскальзывание слоев, эффект Бойкотта и асимметричный профиль скоростей потока, труднее всего очищать участки средних зенитных углов.

Одна из проблем при проводке наклонно-направленных скважин заключается в том, что эксцентричное расположение колонны в скважине и повышенная концентрация шлама у нижней стенки скважины приводят к искажению профиля скоростей потока. Жидкость протекает вдоль верхней стенки с намного большей скоростью, чем в затрудненном потоке вдоль нижней стенки (рис. 7-24). Поэтому передача буровым раствором энергии, требуемой для перемещения шлама, затруднена. Ламинарный поток с более вытянутым профилем скоростей намного менее эффективен с точки зрения предотвращения формирования или разрушения слоев шлама в сильнонаклонных скважинах, чем турбулентный поток с его более плоским профилем.

Природа слоев шлама и эксцентричное расположение колонны в скважине диктуют необходимость использования различных режимов течения для очистки участков ствола, имеющих разный наклон.

Режим течения

В вертикальных скважинах предпочтительно поддерживать ламинарный режим. При ламинарном режиме скорость оседания шлама меньше, и можно легко регулировать характеристики бурового раствора и скорость потока в кольцевом пространстве для обеспечения качественной очистки ствола. Однако при больших зенитных углах преимущества ламинарного течения сводятся к нулю из-за формирования слоев шлама.

Ламинарный поток менее эффективен для разрыхления и разрушения слоев шлама, чем турбулентный. Кроме того, вязкие жидкости не могут глубоко проникать в плотно упакованные слои шлама, формирующиеся в сильнонаклонных скважинах.

Исследования Sifferman¹¹ и Kenny⁶ привели к следующим выводам в отношении режимов течения при различных зенитных углах:

• При зенитных углах меньше 45 " желателен ламинарный режим, поскольку в вертикальных скважинах доминирующим фактором является уменьшение конечной скорости оседания частиц шлама.

• При зенитных углах больше 55 " желателен турбулентный режим, поскольку в сильнонаклонных скважинах доминирующим фактором является глубокое проникновение бурового раствора в слои шлама и максимально возможное увеличение скорости потока около слоев шлама. В сильнонаклонных скважинах ламинарный поток не обеспечивает касательных напряжений, достаточных для разрыхления слоев шлама. Исключение составляют случаи, когда жидкость достаточно вязкая для образования структурного течения. При зенитных углах больше 55 ⁰ турбулентный поток намного более эффективен для разрушения слоев шлама (рис. 7-26).

• При зенитных углах от 450 до 55" эффективность ламинарного и турбулентного потока примерно одинакова. Здесь нужно найти компромисс между ограничением скорости оседания шлама у стенки и максимально возможным увеличением скорости потока у стенки.

Труднее всего обеспечить качественную очистку при зенитных углах от 45 ⁰ до 55 °. Шлам и бурильная колонна лежат на нижней стенке скважины. Эксцентричное расположение бурильной колонны приводит к тому, что скорость потока, обтекающего оседающий шлам и слои шлама очень низка. Поэтому нужно использовать буровой раствор, способный эффективно очищать скважину под эксцентрично расположенной бурильной колонной. Для этого необходим такой профиль скоростей этого бурового раствора, при котором скорость потока под эксцентрично расположенной бурильной колонной была бы максимально высокой, а конечная скорость оседания шлама была бы как можно более низкой⁶.

При таких умеренных зенитных углах возникает также опасность соскальзывания слоев шлама. Поэтому важно обеспечить минимальную скорость потока в кольцевом пространстве, при которой такая опасность устраняется. Это минимальная скорость транспортирования (MTV), при которой начинается движение шлама в слое. Ford et al. сделали следующие выводы в отношении MTV, при которой начинается движение шлама в слое, ¹⁰ при различных зенитных углах:

• MTV, при которой начинается движение шлама в слое, возрастает с увеличением зенитного угла.

• По мере увеличения зенитного угла MTV достигает максимального значения, затем уменьшается. Значение зенитного угла, при котором это происходит, будет разным для различных буровых растворов, но приблизительно оно равно 65°.

• MTV в меньшей степени зависит от зенитного угла при углах больше 40°, чем при углах меньше 40°.

• При увеличении зенитного угла скорость потока в кольцевом пространстве должна возрастать, чтобы ограничить формирование слоев шлама.

Характеристики бурового раствора (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

Как и в вертикальных скважинах, концентрация шлама всегда уменьшается при увеличении п лотности бурового раствора.. Однако при увеличении зенитного угла плавучесть замедляет перемещение шлама по оси скважины. При больших зенитных углах увеличение плотности бурового раствора способствует повышению качества очистки скважины благодаря ослаблению эффекта Бойкотта и благодаря тому, что слои шлама более ожижены и менее плотно упакованы. Роль плотности бурового раствора в передаче момента количества движения от бурового раствора к шламу остается неизменной при любом значении зенитного угла.

Работы Becker и Azar в университете г. Талса продемонстрировали влияние плотности бурового раствора на формирование слоев шлама³. Ниже вкратце перечислены итоги этих исследований.

• Концентрация шлама резко возрастала в интервале зенитных углов 35° - 45 ⁰ при низкой плотности бурового раствора, но не так резко при большей плотности бурового раствора (рис. 7-25).

• Толщина слоя шлама значительно уменьшалась при небольших увеличениях плотности бурового раствора при любых значениях зенитного угла.

• При большей плотности бурового раствора соскальзывание и лавинообразное движение шлама в слое происходило реже.

• При большей плотности бурового раствора слои бурового раствора ожижены в большей степени, и поэтому их легче разрушить.

• При большей плотности бурового раствора меньше минимальная скорость, при которой начинается движение шлама в слое.

В общем, увеличение плотности бурового раствора облегчает разрушение слоев шлама. Это значит, что при большей плотности бурового раствора пороговая скорость, ограничивающая рост слоев шлама, будет меньше. Таким образом, при одном и том же расходе бурового раствора площадь сечения кольцевого пространства будет больше, а толщина слоя шлама будет меньше.

При большей плотности бурового раствора толщина слоя шлама будет меньше.

Рис. 7-25 Влияние плотности бурового раствора на толщину слоя шлама

Динамическое напряжение сдвига и вязкость

В вертикальной скважине увеличение динамического напряжения сдвига приведет к повышению качества очистки. Однако в наклонной скважине увеличение динамического напряжения сдвига обычно приводит к противоположному результату. Это объясняется, в частности, тем что вязкий буровой раствор не может так легко проникать в слои шлама, как маловязкий раствор. Однако основной причиной является искажение профиля скоростей при ламинарном течении. Эксцентричное расположение бурильной колонны приводит к смещению профиля скоростей от слоев шлама. В результате скорость у поверхности слоя шлама значительно уменьшается (рис. 7-26).

Профиль скоростей потока смещается от бурильной колонны и слоя шлама на нижней стенке скважины. Вследствие этого скорость у нижней стенки скважины уменьшается настолько, что разрушение слоя шлама не происходит. Эта проблема не имеет столь большого значения при бурении на маловязком растворе.

Рис. 7-26 Профили скоростей в горизонтальной скважине

Kenny, Sunde и Hemphill⁶ считают, что при использовании менее вязких жидкостей скорость потока под эксцентрично расположенной бурильной колонной будет выше. Используя модель Гершеля-Бакли (уравнение 7.8), они показали, что качество очистки скважины на участках больших зенитных углов повышается при увеличении показателя поведения (n) и при уменьшении динамического напряжения сдвига и пластической вязкости.

Из-за высокой вязкости бурового раствора поток будет отклоняться в часть кольцевого пространства над бурильной колонной. В результате снизится скорость в пространстве над слоем шлама.

Как видно на рис. 7-27А, при отсутствии эксцентричности расположения бурильной колонны в скважине, высоковязкий буровой раствор обеспечивает лучший показатель эффективности транспортирования шлама, чем раствор низкой вязкости. Профиль скоростей таков, что скорость потока около слоя шлама достаточно высока для разрушения слоя. При этом высокая вязкость бурового раствора ограничивает оседание шлама. Высоковязкие буровые растворы обеспечивают качественную очистку скважины даже при больших зенитных углах.

Если же бурильная колонна расположена в скважине эксцентрично, то, как показано на рис. 7-27В и 7-27С, поток оттесняется от слоя шлама. При использовании высоковязкого бурового раствора скорость потока над слоем шлама будет ниже, чем при использовании маловязкого раствора. Однако маловязкий буровой раствор не обеспечивает высокий показатель эффективности транспортирования в пространстве за эксцентрично расположенной бурильной колонной, поскольку при низкой скорости сдвига в пространстве около стенки конечная скорость оседания слишком высока.

Буровые растворы средней вязкости обеспечивают наилучшее сочетание скорости бурового раствора за эксцентрично расположенной бурильной колонной и низкой конечной скорости оседания при низких значениях скорости сдвига.

Расчетные значения показателя эффективности транспортирования шлама при различных степенях эксцентричности расположения бурильной колонны в скважине и различных расходах

Рис. 7-27 Влияние вязкости бурового раствора на толщину слоя шлама

Как показано на рис. 7-27С, при работе с очень низким расходом высоковязкий буровой раствор еще менее эффективен. Это объясняется тем, что скорость за эксцентрично расположенной бурильной колонной уменьшается еще больше.

При наличии ламинарного режима течения и при эксцентричном расположении бурильной колонны буровые растворы средней вязкости обеспечивают наилучшие показатели при любых зенитных углах и при всех расходах.

Примечание: графики, приведенные на рис. 7-27, применимы только к ламинарным потокам. Эти расчеты не относятся к турбулентному или структурному течению. Кроме того, при построении этих графиков не учитывалось вращение бурильной колонны.

В работе Sifferman¹¹ также показано, что толщина слоя шлама значительно уменьшается при уменьшении вязкости при всех зенитных углах больше 45° (все исследования Sifferman проводились для углов больше 45°). Однако уменьшить толщину слоя шлама можно также используя буровой раствор очень высокой вязкости, особенно при небольших зенитных углах. Отсюда следует, что буровые растворы как очень высокой вязкости (структурное течение), так и очень низкой вязкости (турбулентное течение) очищают скважину лучше, чем растворы средней вязкости (ламинарное течение).

Турбулентные и структурные течения редко возникают в сильнонаклонных скважинах, поэтому приходится ограничиться ламинарным течением. На рис. 7-30 показано, что при ламинарном течении лучше всего очищают скважину буровые растворы средней вязкости. Растворы очень высокой и очень низкой вязкости могут быть использованы как дополнение к средствам очистки, обеспечивающим наиболее эффективное ламинарное течение.

Увеличение вязкости бурового раствора после прекращения бурения эффективно только в слабонаклонных скважинах. В сильнонаклонных участках слои шлама разрушаться не будут. Вертикальные участки будут очищены, и вибросита будут чистыми, но в сильнонаклонных участках останутся слои шлама.

Ниже даны выводы, сделанные в ряде работ по изучению вязкости буровых растворов в наклонных скважинах:

• При зенитных углах больше 65º наилучшее качество очистки обеспечивает вода в турбулентном потоке.

• При отсутствии вращения бурильной колонны и при ламинарном течении в скважине всегда присутствуют слои шлама, как бы ни был велик расход бурового раствора.¹¹

• Слои шлама не присутствуют при ламинарном течении.

• Нужно находить компромисс между максимально возможным увеличением скорости потока за эксцентрично расположенной бурильной колонной и уменьшением конечной скорости оседания при низких скоростях сдвига, наблюдающихся в пространстве между бурильной колонной и слоем шлама.⁶

• Изменение реологических характеристик бурового раствора меньше влияет на качество очистки, если колонна вращается¹¹. Это обусловлено тем, что вращение колонны эффективно разрушает слои шлама.

• При использовании высоковязких буровых растворов вращение бурильной колонны требуется в большей степени, чем при использовании маловязких растворов.

• При использовании РВО влияние вязкости на качество очистки скважины заметнее, чем при использовании РУО.

• При использовании РУО слои шлама более склонны к соскальзыванию, чем при использовании РВО¹¹

Разжижение бурового раствора при сдвиге

Еще одним свойством буровых растворов, требующим рассмотрения, является их способность к разжижению при сдвиге.

Благодаря способности бурового раствора разжижаться при сдвиге, его вязкость будет меньше у стенки скважины, где скорость сдвига имеет наибольшее значение, и будет больше в основном потоке, где скорость сдвига имеет наинизшее значение (рис. 7-28). При использовании буровых растворов, обладающих большей способностью к разжижению при сдвиге, скорость сдвига у стенки скважины обычно бывает больше, а центральная часть профиля скоростей бывает более плоской. Поэтому чем больше способность бурового раствора к разжижению при сдвиге, тем вероятнее развитие структурного течения.

Чем больше способность бурового раствора к разжижению при сдвиге, тем эффективнее будет очистка пространства под эксцентрично расположенной бурильной колонной.

При истечении бурового раствора через гидравлические насадки долота скорость сдвига очень высока, поэтому вязкость раствора уменьшается. Последние данные измерения давления во время бурения (PWD) свидетельствуют о том, что для восстановления вязкости некоторых буровых растворов после прохождения их через насадки долота требуется определенное время.

Рис. 7-28 Скорость сдвига

Это означает, что вязкость этих буровых растворов будет иметь самое низкое значение в кольцевом пространстве около долота и будет последовательно возрастать при движении вверх по стволу. Поэтому буровой раствор будет прекрасно разрыхлять слой шлама около долота, но эффективность этого процесса будет уменьшаться при удалении бурового раствора от долота. Таким образом, при подъеме инструмента не удается заметить большого сопротивления продольному перемещению колонны до тех пор, пока УБТ не войдут в слои шлама, не разрыхленные более вязким раствором.

При увеличении содержания твердой фазы способность бурового раствора к разжижению при сдвиге уменьшается. Таким образом, чем выше отношение УР/РУ, тем больше способность бурового раствора к разжижению при сдвиге. При ламинарном течении увеличение отношения УР/РУ приводит к повышению эффективности очистки скважины как в сильнонаклонных, так и в вертикальных скважинах.

Расход бурового раствора (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

Обычно считается, что скорость потока в кольцевом пространстве является фактором, в наибольшей степени влияющим на эффективность очистки наклонных скважин. Однако, как отмечалось выше, момент количества движения, передаваемый буровым раствором шламу, зависит от плотности бурового раствора. При использовании буровых растворов низкой плотности для качественной очистки скважины требуется более высокая скорость потока в кольцевом пространстве.

Для глубокого понимания процесса очистки наклонных скважин нужно различать расход и скорость потока в кольцевом пространстве. Часто эти два термина используют как синонимы, но между ними есть важное различие: скорость потока в кольцевом пространстве равна расходу деленному на площадь поперечного сечения кольцевого пространства. Фактическая скорость зависит и от площади поперечного сечения, и от удаления слоя бурового раствора от стенки.

v_а = скорость потока в кольцевом пространстве = расход/площадь поперечного сечения
кольцевого пространства (7.10)

В вертикальной скважине площадь поперечного сечения кольцевого пространства остается относительно постоянной по отношению к расходу. Однако на сильнонаклонных участках площадь поперечного сечения изменяется в зависимости от расхода! Это обстоятельство обуславливает влияние расхода на скорость потока в кольцевом пространстве по всей длине ствола.

В вертикальной скважине средняя скорость потока в кольцевом пространстве зависит от расхода. В наклонной скважине, где присутствуют слои шлама, средняя скорость потока в кольцевом пространстве преимущественно постоянна, независимо от расхода! Это обусловлено тем, что слои шлама формируются до достижения равновесия между скоростями отложения шлама и эрозии слоя шлама.

Если скорость бурового раствора не достигает " пороговой", шлам оседает на нижней стенке скважины и образует слои. Пороговая скорость - это такая скорость, которой достаточно для прекращения отложения шлама. Обеспечить такую высокую скорость потока в кольцевом пространстве, при которой совсем не будет отлагаться шлам, часто невозможно из-за ограничений давления или объема. Однако по мере того как шлам оседает и образует слои, площадь кольцевого пространства уменьшается, и местная скорость потока в кольцевом пространстве возрастает. Со временем местная скорость потока достигает порогового значения, и устанавливается равновесие между отложением и эрозией слоя шлама (рис. 7-29). При отсутствии вращения бурильной колонны установится равновесная толщина слоя шлама, не зависящая от количества шлама или расхода бурового раствора!

Изменение расхода не приведет к изменению пороговой местной скорости. Толщина слоя шлама изменится таким образом, чтобы площадь кольцевого пространства была достаточно велика для обеспечения этой пороговой скорости.^{7, 8}

Для каждого типа бурового раствора существует своя критическая пороговая скорость, достаточно высокая для предотвращения дальнейшего формирования слоев шлама. Когда площадь поперечного сечения кольцевого пространства уменьшается из-за формирования слоев шлама, скорость должна возрасти. При достижении пороговой скорости, отложение шлама прекращается. Если расход будет возрастать, начнется разрушение слоя, и этот процесс продолжится до восстановления пороговой скорости. Пороговая скорость изменяется в зависимости от зенитного угла, характеристик бурового раствора и типа образующегося шлама.

Если существует слой шлама, местная скорость потока в кольцевом пространстве не изменяется. При увеличении расхода слой разрушается, и площадь поперечного сечения потока возрастает. В результате скорость потока снижается и возвращается к равновесному значению.

Скорость потока = расход / площадь поперечного сечения

Очевидно, что при более высоких расходах пороговая скорость будет достигаться при более тонких слоях шлама. Толщина слоя шлама уменьшается линейно с увеличением расхода (рис. 7-30А). Показатель качества очистки скважины⁸ Н/Н_crit, также увеличивается линейно с увеличением расхода (рис. 7-30В).

Рис. 7-30 Влияние скорости на толщину слоя шлама

Пороговая скорость, при которой прекращается дальнейшее отложение шлама и формирование слоя, представляет собой минимальную скорость транспортирования (MTV)¹⁰, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Как было указано выше, в общем случае MTV определяется как скорость, при которой начинается транспортирование шлама. Или, в отношении пороговой скорости, MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, является скоростью, при которой начинается разрушение слоя шлама.

Ниже даны выводы в отношении MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, сделанные в работе Ford, Peden, Oyeneyin, Gao и Zarrough:

• MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, возрастает по мере увеличения размера частиц шлама и уменьшается по мере увеличения плотности бурового раствора.

• Вращение бурильной колонны способствует уменьшению MTV при использовании вязких буровых растворов, но не влияет на MTV при использовании воды (это объясняется отсутствием слоя шлама в воде при турбулентном режиме течения).

• MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, зависит от реологии в меньшей степени, чем MTV, при которой начинается движение шлама в слое.

• MTV имеет самые высокие значения при использовании буровых растворов средней вязкости и самые низкие значения использовании высоковязких буровых растворов. При использовании воды MTV имеет промежуточные значения.

• MTV уменьшается с увеличении вязкости при действии обоих механизмов транспортирования шлама. Однако она имеет меньшие значения, если используется вода, -при действии обоих механизмов транспортирования шлама.

Ниже даны некоторые выводы в отношении скорости потока в кольцевом пространстве, приведенные в работе Ford и Sifferman:

• Скорость потока в кольцевом пространстве и плотность бурового раствора оказывают значительное влияние на толщину слоя шлама. Реологические характеристики бурового раствора и эксцентричное расположение бурильной колонны в скважине влияют меньше.

• При зенитных углах меньше 45 ° частицы шлама соскальзывают вниз по слою при низких значениях скорости потока в кольцевом пространстве.

• Повышение скорости потока в кольцевом пространстве менее эффективно при ламинарном течении, чем при турбулентном, поскольку более быстрое оседание шлама вследствие разжижения бурового раствора при сдвиге компенсируется более высокой скоростью транспортирования шлама.

Шлам и слой шлама (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

Рис. 7-31 Равновесная толщина слоя шлама

При протаскивании КНБК через этот слой шлама последний деформируется и образует " шламовую горку ", возвышающуюся перед долотом и стабилизаторами. Когда толщина слоя невелика, эта " шламовая горка" достигает стабильной высоты, и при протаскивании через нее КНБК постоянно происходят затяжки (рис. 7-32). Когда толщина слоя шлама слишком велика, шламовая горка развивается в пробку, в результате чего происходит закупоривание кольцевого пространства и резкое увеличение усилия на крюке при подъеме колонны.

При протаскивании долота через слой шлама образуется шламовая горка.

Когда толщина слоя шлама слишком велика, шламовая горка развивается в пробку, в результате чего происходит закупоривание кольцевого пространства и резкое увеличение усилия на крюке при подъеме колонны.

Критическая толщина слоя шлама и показатель качества очистки скважины

Показатель качества очистки скважины (HCR), предложенный Marco Rasi⁸, служит для оценки качества очистки с учетом толщины слоя шлама. Rasi исходит из того, что существует максимально допустимая толщина слоя шлама, при которой КНБК может пройти по стволу без прихвата. Эта толщина называется критической толщиной слоя (H_crit). Высота кольцевого пространства над слоем шлама называется высотой свободной области ( Н) (рис. 7-33). Эта высота определяет площадь поперечного сечения кольцевого пространства, от которой зависит пороговая скорость потока, при которой устанавливается равновесная толщина слоя шлама. Высота свободной области изменяется в зависимости от расхода и характеристик бурового раствора. H_crit зависит только от площади поперечного сечения элемента КБНК, имеющего самый большой диаметр. Обычно это долото (рис. 7-33).

Вокруг КНБК и долота должен быть достаточный кольцевой зазор, чтобы они смогли пройти слои шлама при подъеме инструмента. Если площадь поперечного сечения долота больше площади открытого пространства над слоем шлама, то колонна не может двигаться в осевом направлении. Отношение А_bit/А_open должно быть меньше единицы, иначе долото не пройдет слой шлама (рис. 7-34).

Рис. 7-34 Критическая толщина слоя шлама

Показатель качества очистки скважины представляет собой отношение высоты кольцевого пространства над слоем шлама к критической толщине слоя шлама.

HCR = H/H_crit (7.11)

Marco Rasi считает, что если высота свободной области превышает критическую толщину слоя шлама, то можно провести колонну через слой шлама в отсутствие циркуляции. Если H/H_crit > 1, осложнений не будет. Если же Н/Н_crit, < 1, то можно ожидать осложнений.

Изучая данные исследований, проведенных на 50 наклонных скважинах большого диаметра в Северном море, ⁸ Marco заметил, что если HCR больше 1, 1, то прихватов не было. При HCR меньше 0, 5 всегда происходили прихваты.

При уменьшении HCR усиливается тенденция к возникновению прихватов.

При увеличении толщины слоя шлама кольцевое пространство на этим слоем уменьшается. Чем больше диаметр КНБК, тем меньше толщина слоя шлама, при которой возможно прохождение колонны. В общем, при увеличении диаметра КНБК или уменьшении диаметра бурильной колонны усиливаются затяжки. При выборе диаметра бурильной колонны, долота и стабилизаторов нужно \читывать это обстоятельство.

Оценка толщины слоя шлама

Для оценки толщины слоя шлама можно использовать алгоритм последовательных приближений, предложенный Rasi. Однако точность этого итерационного алгоритма вызывает сомнения.

Более точно можно оценить толщину слоя измерением общего количества шлама, вынесенного из скважины. Кроме того, оценить толщину слоя можно путем контроля общего объема бурового раствора - принимая, что поглощений нет.⁹

Ствол бурящейся скважины должен заполняться буровым раствором. Формирование слоя шлама приводит к тому, что уровень бурового раствора в приемной емкости уменьшается медленнее, чем ожидалось. Когда слой шлама разрушается из-за периодического вращения бурильной колонны, уровень бурового раствора в приемной емкости обычно заметно снижается (рис. 7-35).

Члены буровой бригады должны также следить за динамикой сопротивления продольному перемещению бурильной колонны в ходе СПО для оценки толщины слоев шлама. Если затяжки усиливаются, или натяжение колонны возрастает резко, то это указывают на чрезмерное увеличение толщины слоев шлама. Динамика крутящего момента при бурении также позволяет судить о толщине слоев шлама.

Три области формирования слоев шлама

При умеренных зенитных углах шлам образует слои на нижней стенке, но эти слои сильно ожижены и легко разрушаются. При прекращении циркуляции эти слои соскальзывают вниз по стволу. Фактически, при низких расходах бурового раствора слои шлама могут постоянно скользить и лавинообразно двигаться вниз по стволу даже при наличии циркуляции.

При больших зенитных углах слои шлама плотно упакованы и проявляют тенденцию к устойчивости.

Ford et al.¹⁰ идентифицировали семь различных режимов транспортирования шлама на сильнонаклонных участках, которые описаны ниже. Каждый из этих семи режимов обеспечивается одним из двух упомянутых выше механизмов транспортирования, в суспензии или в движущемся слое. В суспензии твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, движутся в буровом растворе вдоль стенки скважины. Перемещаясь в движущемся слое, шлам находится в контакте с нижней стенкой скважины. Находясь в составе суспензии, шлам движется вдоль стенки скважины намного быстрее, Поэтому данный механизм является желательным, но его трудно обеспечить при больших зенитных углах.

Транспортирование шлама в суспензии

Лучший режим транспортирования шлама - " в суспензии с постоянной концентрацией", когда шлам равномерно распределен по сечению кольцевого пространства. Этот режим транспортирования можно ожидать при движении мелкого шлама на вертикальном участке. Его можно обеспечить также при турбулентном течении с вращением бурильной колонны при больших зенитных углах (рис. 7-37А).

Следующий по эффективности режим транспортирования - " в суспензии с изменяющейся концентрацией". Шлам все еще находится во взвешенном состоянии, но сконцентрирован в большей степени у нижней стенки скважины. Этот режим действует, когда тяжелый шлам циркулирует на слабонаклонных участках.

Он может существовать также на сильнонаклонных участках, если поток обладает достаточной энергией для и/или производится вращение бурильной колонны (рис.7-37В).

Еще один режим транспортирования шлама во взвешенном состоянии - " в песчаных комках". Шлам все еще транспортируется во взвешенном состоянии, но собирается в комки, в которых все частицы шлама движутся примерно с одинаковой скоростью (рис. 7-38А).

Последний режим транспортирования шлама во взвешенном состоянии - " скачкообразное движение". Шлам все еще транспортируется во взвешенном состоянии, но с трудом удерживается в потоке. Поэтому частицы шлама периодически соударяются с нижней стенкой скважины и снова возвращаются в поток. Этот режим имеет градации от " преимущественно во взвешенном состоянии" до " преимущественно в контакте со стенкой" (рис 7-38В).

Все режимы транспортирования, при которых шлам находится во взвешенном состоянии, эффективнее режимов, при которых шлам находится в контакте со стенкой скважины! Находясь во взвешенном состоянии шлам движется со скоростью, составляющей некоторую часть от скорости потока бурового раствора. Двигаясь в контакте со стенкой скважины шлам перекатывается или скользит по нижней стенке с намного более низкой скоростью, чем при транспортировании во взвешенном состоянии. Если постоянно не производится вращение бурильной колонны, шлам не удается удалять с такой же скоростью, с какой он образуется.

Толщина слоя шлама будет возрастать, пока не установится пороговая скорость, при которой становится возможным транспортирование шлама во взвешенном состоянии. При достижении этой пороговой скорости вновь поступающий шлам будет преимущественно уноситься потоком во взвешенном состоянии, независимо от толщины слоя шлама.

Транспортирование шлама в слое

Есть три основных режима транспортирования шлама в слое (рис. 7-39):

• В шламовых дюнах: песок, находящийся на верхней поверхности слоя, перекатывается через нижележащий неподвижный массив песка " прыжками". Внешнее впечатление таково, что перекатывается вся дюна.

• В непрерывно движущемся слое: шлам перекатывается или скользит по нижней стенке скважины в тонком слое. Все частицы шлама движутся вперед, но с разными скоростями.

• По неподвижному слою: формируется толстый слой шлама, в верхней части которого есть частицы, способные перекатываться вперед. Внутренняя часть слоя остается неподвижной. Это наименее эффективный режим транспортирования шлама.

Тенденция к образованию неподвижного слоя шлама проявляется при зенитных углах больше 65°. Режимы " в шламовых дюнах" и " в непрерывно движущемся слое" чаще всего встречаются при умеренных зенитных углах. При таких углах поток должен удерживать шлам в достаточной степени, чтобы не происходило его соскальзывание и лавинообразное движение.

Рис. 7-39 Транспортирование шлама в слое

Следует отметить, что при достижении равновесной толщины слоя шлам будет транспортироваться во взвешенном состоянии над слоем. Вновь поступающий шлам будет транспортироваться по стволу. При остановке бурения толщина слоя шлама не уменьшится. Со временем вибросита могут стать чистыми, но слои шлама останутся на месте.

В вертикальной скважине можно снизить скорость проходки и остановить бурение, пока скважина не будет очищена. На наклонных участках ствола толщина слоя шлама при остановке значительно не уменьшится. Это не означает, что нужно продолжить бурение, если требуется очистка. Уменьшение скорости проходки может обеспечить очистку вертикального участка ствола, но для очистки сильнонаклонных участков нужно применять более эффективные методы.

Как упоминалось выше, существует минимальная скорость транспортирования (MTV), при которой начинается движение шлама при действии любого механизма. Есть одна MTV, при которой начинается движение шлама в слое, и другая MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Пороговая скорость, при достижении которой прекращается увеличение толщины слоев шлама, представляет собой МТУ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. По данным исследований MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, были сделаны следующие выводы.^{7, 3, 8, 10, 11}

• Плотность и размер частиц шлама влияют на MTV и, следовательно, на толщину слоя шлама. Небольшое уменьшение плотности шлама может привести к значительному уменьшению толщины слоя шлама.

• Крупные частицы шлама легче вырываются из слоя шлама, чем очень мелкие. Вероятно, это обусловлено тем, что крупные частицы испытывают более высокое касательное напряжение при взаимодействии с потоком бурового раствора. Касательное напряжение зависит от коэффициента трения, который определяется шероховатостью поверхности и реологическими характеристиками.

(касательное напряжение τ = fρ v²/2)⁸ (7.12)

τ = касательное напряжение, Н/м²

f = коэффициент трения Фэннинга (безразмерный)

ρ = плотность бурового раствора, кг/м³

v = средняя скорость потока над слоем шлама, м/с

• Крупные частицы имеют более шероховатую поверхность, поэтому коэффициент трения для них будет больше. Очень мелкие частицы могут очень сильно прилипать друг к другу. Отношение площади поверхности к массе для них настолько велико, что заметно проявляются адгезивные свойства бурового раствора, и происходит их слипание. Так же как барит оседает на дно приемной емкости, эти частицы, размер которых сопоставим с размером частиц ила, образуют похожий на мягкую породу осадок, способный сопротивляться эрозии. Часто вымыть барит с дна приемной емкости невозможно, его приходится удалять лопатой. Барит, выбрасываемый из приемной емкости, остается связанным в крупные комки. Эти очень мелкие частицы (размер ила) могут быть так сильно связаны между собой, что забивают сливное отверстие емкости. Во избежание забивания сливного отверстия частицами диаметром в несколько микрон его диаметр должен составлять 6" и более!

• В вертикальной скважине крупный шлам оттесняется к стенке и циркулирует, поэтому его трудно вымыть. В наклонной скважине крупный шлам легче оторвать от слоя шлама, поэтому здесь его проще удалять. Требуется вращение колонны для разрушения слоя шлама, особенно слоя мелкого шлама. Если шлам крупный, вращение колонны не дает большого эффекта. Если используется вода, и режим течения турбулентный, вращение колонны может вообще не понадобиться.

• Реологические характеристики бурового раствора влияют на MTV, при которой начинается движение шлама в слое, больше, чем на MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Увеличение вязкости обычно не ведет к значительному уменьшению толщины слоя шлама, поскольку вязкие жидкости не могут легко проникать в слои шлама на сильнонаклонных участках.

• С увеличением зенитного угла МТУ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, возрастает. При увеличении зенитного угла скорость потока в кольцевом пространстве должна возрасти до значения, при котором прекращается увеличение толщины слоя шлама. Толщина слоя шлама всегда возрастает при увеличении зенитного угла, поэтому местная скорость потока в кольцевом пространстве на сильнонаклонных участках будет выше, чем скорость на слабонаклонных участках при одинаковом расходе бурового раствора (рис. 7-41).

Поскольку площадь поперечного сечения открытого пространства в слабонаклонном участке будет больше, местная скорость потока в кольцевом пространстве на этом участке будет меньше при любом расходе.

Скорость потока = расход / площадь поперечного сечения потока

Увеличение толщины слоя шлама обычно определяется по возрастанию крутящего момента. Но так бывает не всегда. При зенитных углах около 45 ⁰ шлам соскальзывает, и крутящий момент имеет тенденцию к снижению. Установлено, что в некоторых случаях шлам в сформировавшемся слое смазывает бурильные трубы, что ведет к снижению крутящего момента³.

Если появится необходимость остановить бурение и поднять инструмент с промывкой, расход циркулирующего бурового раствора должен быть по меньшей мере таким же, каким он был в процессе бурения. В противном случае шлам из устойчивого слоя на участке с зенитным углом больше 65 °, перенесенный на участок с умеренным зенитным углом, может лавинообразно двинуться вниз по стволу и закупорить кольцевое пространство.

Слои шлама являются причиной большинства осложнений при бурении наклонно-направленных скважин. Из-за пробок, возникших при наличии слоя шлама, происходят прихваты и поглощения. Именно поэтому слои шлама являются предметом рассмотрения во многих работах, связанных с бурением наклонно-направленных скважин. Ниже приведены некоторые общие выводы, сделанные в этих работах:

• При отсутствии вращения колонны в сильнонаклонных скважинах почти наверняка будут формироваться слои шлама.

• При нормальных условиях до половины кольцевого пространства может быть заполнено слоем шлама.

• Наиболее вероятно формирование слоев шлама в скважинах большого диаметра. Это обусловлено более низкими скоростями бурового раствора, особенно в пространстве под эксцентрично расположенной бурильной колонной.

• Если производится вращение бурильной колонны, слои шлама обычно не создают проблем. Прихват может произойти при продольном перемещении колонны по стволу.

• Если требуется переместить без циркуляции КНБК с элементами большого диаметра по стволу, где есть слой шлама, то это можно сделать лишь в том случае, когда этот слой шлама очень тонкий.

• Скорость проходки влияет на толщину слоя шлама в меньшей степени, чем другие факторы, такие как плотность бурового раствора, вращение бурильной колонны и расход бурового раствора.

• Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при увеличении зенитного угла.

• Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при уменьшении плотности бурового раствора.

• Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при уменьшении расхода бурового раствора.

• Если скважина не очищается, первым хорошо заметным признаком этого является возрастание крутящего момента. Для контроля за процессом очистки можно также следить за объемом бурового раствора, выходящего из скважины (рис. 7-35). Объем выходящего из скважины раствора будет уменьшаться, если из скважины выносится шлам.

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

Скорость проходки влияет на размер и количество шлама. Однако количество шлама не влияет на толщину слоя шлама. Слои шлама достигают равновесной толщины независимо от скорости проходки. Пороговая скорость, при которой прекращается увеличение толщины слоя, не изменяется с изменением скорости поступления шлама, так что равновесная толщина слоя тоже не меняется. Количество продуцируемого шлама может увеличиваться, но весь этот шлам будет выноситься во взвешенном состоянии над слоем шлама. Тем не менее, скорость проходки может влиять на качество очистки скважины на слабонаклонных и вертикальных участках.

При прекращении бурения вертикальный участок скважины будет очищен, но на сильнонаклонных участках толщина слоя шлама не изменится. В данном случае чистые вибросита не являются показателем высокого качества очистки. Вибросита станут чистыми, когда из скважины будет вынесен весь шлам, находящийся во взвешенном состоянии. В то же время слой шлама останется на месте. Необходимо вращать бурильную колонну или принимать другие меры для разрушения слоя шлама, чтобы можно было вымыть шлам в вертикальный участок и удалить из скважины.

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

Эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны очень слабо влияет на качество очистки вертикальных скважин. Однако его влияние намного возрастает в сильнонаклонных скважинах. Это обусловлено влиянием этого параметра на профиль скоростей (рис. 7-42).

Рис. 7-42 Влияние эксцентричного расположения в скважине бурильной колонны на формирование слоя шлама

В верхней части интервала набора кривизны колонна испытывает сильное растяжение, в результате чего она может войти в контакт с верхней стенкой скважины. Шлам перемещается, главным образом, к нижней стенке скважины, поэтому его концентрация максимальна на той стороне, где скорость потока заметно не снижается. Однако при больших зенитных углах бурильная колонна находится в контакте с нижней стенкой скважины, и уменьшение скорости потока заметно снижает эффективность транспортирования шлама (рис. 7-42). Этот эффект сильнее выражен при ламинарном течении, чем при турбулентном. Вращение бурильной колонны в некоторой степени способствует повышению качества очистки на вертикальном участке, поскольку помогает отвести шлам от стенок скважины.

Для того чтобы вращение бурильной колонны приводило к эффективному разрушению слоя шлама, должна быть достигнута " пороговая" частота вращения. При больших зенитных углах и низкой частоте вращения бурильная колонна перекатывается вверх по стенке скважины и соскальзывает назад³. Когда частота вращения увеличивается, но остается ниже порогового значения, колонна поднимается выше по стенке, прежде чем она соскользнет обратно. При низкой частоте вращения колонны слой шлама будет ослаблять или предотвращать это " перекатывание" из-за того, что колонна удерживается на месте шламовым ложем (рис. 7-43).

Рис. 7-43 Пороговая частота вращения

При частотах вращения, превышающих пороговое значение, бурильная колонна может вырваться из шламового ложа и перекатываться по всей окружности стенки скважины. Данные приборов для измерения давления во время бурения показывают, что типичная пороговая частота вращения 5" бурильной колонны в скважинах диаметром 12¹/₄" и 8¹/₂" находится в интервале 50 - 75 об/мин.¹² (рис. 7-44). Когда слой шлама разрушается, и взрыхленный шлам выносится на вертикальный участок скважины, забойное давление возрастает из-за увеличения содержания шлама в кольцевом пространстве на этом участке.

Как показано на рис. 7-44, вращение бурильной колонны приводит к возрастанию забойного давления. Этот эффект был продемонстрирован с помощью приборов для измерения давления во время бурения и гидравлических моделей^{12, 14}. Он выражен сильнее, когда диаметр бурильной колонны близок к диаметру скважины. В скважинах малого диаметра возрастание забойного давления, обусловленное вращением бурильной колонны, намного больше, чем в скважинах большого диаметра.

Незамедлительный скачок давления обусловлен как началом вращения бурильной колонны, так и разрушением слоев шлама. До достижения пороговой частоты вращения значительных скачков давления не наблюдалось.

Эффект от вращения бурильной колонны при изменении других параметров, таких как характеристики бурового раствора и размер шлама, рассматривается в других разделах этой главы. Ниже приведены общие выводы:

• Эффект от вращения бурильной колонны возрастает при увеличении зенитного угла. При умеренных зенитных углах слои шлама разрыхлены и ожижены. Они легко разрушаются даже при очень медленном вращении. При больших зенитных углах слои шлама плотно упакованы, и для их разрушения требуется вращение с пороговой частотой. При умеренных зенитных углах слои шлама можно удалить путем улучшения реологических характеристик и увеличения расхода бурового раствора, на при больших зенитных углах для разрушения слоев шлама требуется вращение бурильной колонны. Таким образом, влияние вращения бурильной колонны на толщину слоев шлама сильнее при больших зенитных углах.

• Эффект от вращения бурильной колонны становится слабее при увеличении расхода бурового раствора, поскольку с увеличением расхода уменьшается толщина слоев шлама.

• Эффект от вращения бурильной колонны выражен сильнее при высоких значениях динамического напряжения сдвига. Высоковязкие буровые растворы не могут легко проникать в слои шлама, поэтому здесь возрастает роль вращения бурильной колонны.

• Вращение бурильной колонны сильнее влияет на мелкий шлам. Из-за большого отношения площади поверхности к массе мелкого шлама заметно проявляются адгезивные свойства бурового раствора, и происходит слипание частиц шлама. Слой такого шлама трудно разрушить одним лишь увеличением расхода бурового раствора.

• Механическое воздействие вращения бурильной колонны на слои шлама уменьша