К вопросу регулирования режима очистки скважины

Гипотезы, сообщения, дискуссия

УДК 622.244

DOI 10.21285/0130-108Х-2016-57-4-119-124

К ВОПРОСУ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА ОЧИСТКИ СКВАЖИНЫ © А.И. Ламбин1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, Россия, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Очистка скважины при бурении от разрушенной породы является наиболее важным процессом в технологии ее промывки. При бурении наклонно -направленных скважин с горизонтальным окончанием промывка становится более актуальной задачей по сравнению с очисткой вертикальных стволов скважин.

Целью статьи является анализ исследований как отечественных, так и зарубежных авторов для установления различий выносной способности вертикальных потоков буровых растворов и потоков, формирующихся в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах.

Приведено сравнение необходимых расходов бурового раствора для бурения вертикальных и горизонтальных участков скважин. Режим очистки при проходке указанных участков существенно отличается от режима промывки вертикальных участков. Показана геометрия концентричного и эксцентричного каналов в скважине. Приведены аналитические выкладки увеличения пропускной способности эксцентричного канала по сравнению с концентричным при одинаковой площади их сечений и моделировании этих сечений кольцевой щелью.

Показаны особенности удаления шлама при эксцентричном расположении бурильных труб в наклонно-направленной скважине. Приведены условия удаления частиц разрушенной породы при различных режимах течения бурового раствора. Показано, что жидкость, текущая в условиях турбулентного режима, обладает лучшей выносной способностью по сравнению с жидкостью, текущей в условиях ламинарного режима при одинаковом отношении динамического напряжения сдвига к вязкости. Указана недостаточность предлагаемых исследователями математических моделей для оптимизации промывки скважины в целом.

Предложены необходимые шаги оптимизации выносной способности бурового раствора.

Ключевые слова: буровой раствор, эксцентрический поток, режим течения, эквивалентная плотность раствора.

Формат цитирования: Ламбин А.И. К вопросу регулирования режима очистки скважины // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2016. № 4 (57). С. 119-124. DOI 10.21285/0130-108Х-2016-57-4-119-124.

ON THE REGULATION OF HOLE CLEANING MODE A.I. Lambin

Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Cleaning of a borehole from broken rock under drilling is the most important process in the hole washing technology. When drilling directional horizontal wells washing becomes a more important task than cleaning of a vertical well bore.

The purpose of the article is to analyze the researches of both domestic and foreign authors in order to identify the differences in the removing ability of vertical flows of drilling muds and the flows formed in directional and horizontal wells.

The mud consumption required for drilling of vertical sections of wells is compared with the one required for drilling of horizontal sections. The cleaning mode in advancing the specified sections significantly differs from the washing mode of the vertical sections. The geometry of the concentric and eccentric channels in the borehole is shown. Analytical calculations of the increase in the eccentric channel capacity as compared with concentric ones under the same area of cross-sections and ring slit modeling of these sections are provided.

1Ламбин Анатолий Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405278, e-mail: burenie@istu.edu

Lambin Anatoliy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405278, e-mail: burenie@istu.edu

The features of carrying up cuttings are shown at the eccentric location of drill pipes in directional wells. The conditions for the removal of broken rock particles are given for different modes of drilling mud flow. It is specified that the fluid flowing in a turbulent regime has better removing capacity than the fluid flowing in a laminar mode at the same ratio of the dynamic shear stress and viscosity. The disadvantages of the mathematical models of well washing optimization proposed by the researches are specified.

The steps necessary for the optimization of drilling mud removing ability are proposed.

Keywords: drilling mud, eccentric flow, mode offlow, mud equivalent weight

For citation: Lambin A.I. On the regulation of hole cleaning mode. Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences, Russian Academy of Natural Sciences. Geology, Prospecting and Exploration of Ore Deposits. 2016. No. 4 (57). Pp. 119-124. DOI 10.21285/0130-108X-2016-57-4-119-124.

Очистка скважины является приоритетным направлением в технологии промывки скважины. Трудно не согласиться с авторами [1] в том, что технология промывки скважины должна способствовать лучшим показателям бурения. Основываясь на указанной предпосылке, авторы выводят формулу, увязывающую зависимость необходимого для очистки расхода промывочной жидкости от основных режимных параметров бурения вертикальной скважины, от твердости разбуриваемой породы и конструкции долота. Конечно, такая зависимость желательна для технологии промывки скважины. Однако сам вывод формулы вызывает некоторые возражения, суть которых излагается ниже.

Авторы, ссылаясь на работу [2], приводят формулу скорости подъема частиц в затрубном пространстве:

"пп л

^м

д ^КпСКзП Уж)

где Sз - площадь забоя; Vм - механическая скорость бурения; Sкп - площадь кольцевого пространства; уп - удельный вес породы; уж - удельный вес промывочной жидкости, закачиваемой в скважину; узп - удельный вес промывочной жидкости в затрубном пространстве.

Используя условие неразрывности потока, эта формула представляется как

у _ ^м(Гп-Гж) •^вынСКзп- Уж)^

где ^вын - скорость выноса частиц с забоя; 5вын - суммарная свободная площадь долота, через которую осуществляется вынос частиц с забоя в затрубное пространство.

Во-первых, здесь появляется не объясняемое обозначение k (по [2] это коэффициент X = 1,25-1,27, участвую-

щий в такой же формуле минимально допустимого предела скорости подъема частиц).

Во- вторых, необходимо учитывать кроме условия неразрывности несущего потока условие неразрывности твердой фазы, то есть объемную долю твердых частиц при смене площади потока. Здесь же в обеих формулах она одинакова и выражена через узп. В работе [3] отмечается, что с увеличением скорости потока объемная концентрация твердой фазы монотонно падает.

В настоящее время при бурении эксплуатационных скважин превалирует наклонно направленный с горизонтальным окончанием профиль, в котором доля вертикального участка минимальна. Следовательно, технико-экономические показатели бурения в основном определяет проходка наклонных и горизонтальных участков скважин.

Режим очистки при проходке указанных участков существенно отличается от режима промывки вертикальных участков.

Этот режим определяется эксцентричностью потока, так как колонна бурильных труб располагается в процессе бурения на лежачей стенке скважины.

В процессе движения промывочной жидкости по стволу горизонтальной скважины происходит выделение полидисперсных частиц шлама под действием силы тяжести. Эта сепарация частиц осложняется эксцентричностью расположения бурильных труб относительно ствола и центробежным осаждением в призабойной зоне.

Основным фактором, определяющим транспортирование частиц шлама,

является скорость потока жидкости в за-трубном пространстве. Авторы работы [4] приводят сравнение скорости потоков для транспортирования частиц шлама при бурении вертикального и горизонтального участков скважины. Если для вертикального участка скорость потока может быть на 10-15% больше скорости оседания (витания) самых крупных частиц, то для горизонтального потока эта скорость должна быть больше скорости оседания в 18-20 раз и для выполнения этого условия в узкой части кольцевого пространства необходим расход

<? = (15-20)иос^кв(1 + 0,21е2), (3) где иос - скорость оседания частиц шлама в промывочной жидкости; 5кп - площадь кольцевого пространства; е - расстояние между центрами окружностей, образованных поперечным сечением бурильных труб и ствола скважины (эксцентриситет).

Для очистки горизонтальных скважин В.И. Крыловым и В.В. Крецулом предложена формула расхода для жидкостей, описываемых моделью Бингама [5]:

Q =

n

0,0008р

, 600-п+т^2.52 ( 330ц+То '

где Бе - диаметр скважины; Бт - диаметр бурильных труб; р,ц,т0 - плотность, структурная вязкость и динамическое напряжение сдвига раствора; а -угол наклона скважины к вертикали.

Из этой формулы следует, что расход жидкости для бурения горизонтального участка должен быть в 2 раза больше, чем для вертикального.

Если рассматривать поток жидкости концентричный и эксцентричный (при одном и том же диаметре бурильных труб и скважины), то пропускная способность эксцентричного канала в 2,5 раза выше концентричного, хотя площади сечений потоков одинаковы. Эту особенность показал Гродде.

Пусть внутренний и наружный цилиндры неподвижны и они организуют кольцевую щель высотой к = Я - г и шириной Ь = 2пЯ (рис. 1, а).

Расход между неподвижными ци линдрами рассчитывается по формулам

АрЬк3

Q =

12ßl

или

Относительный эксцентриситет выражается следующим образом:

_ е £ = К

где е - расстояние между центрами окружностей; к - радиальный зазор при концентричном расположении окружностей (к = Я - г). Для дальнейшего анализа обозначим его как ко.

Высоту зазора при изменении эксцентриситета £ Е [0,1] (рис. 1, б) обозначим через у (к = у).

Продифференцировав (5), получим

^ 12^ I 7

Перейдя на угловое измерение высоты зазора, будем иметь ёЬ = RdS, при этом

у = к0(1 — £ • собЗ).

Или

dQ = • у3 • Я • йЗ.

При интегрировании dQ по углу 8 в пределах [0...2л] получаем полный расход

Q =

Ар _ Г2п

12p I

(1 — £ • cosS)3dS.

После интегрирования получаем

Я=^Т^О

Сравнение (5) и (7) при е = ^ = \ = 1 дает

Qэ = 2^с, где Qэ - расход через эксцентричную щель; Qc - расход через соосную щель.

Однако увеличение пропускной способности эксцентричного канала не способствует улучшению очистки ствола скважины.

Особенностью течения в эксцентричном канале является то, что в различных частях кольцевого пространства могут одновременно существовать различные режимы течения [6, 7].

б

Рис. 1. Поперечное сечение концентрического и эксцентрического каналов с соответствующими моделями щелей

Авторы, выступающие за оптимизацию очистки скважины перед ее цементированием, рассуждают следующим образом. Жидкости, рассчитанные участвующими как в турбулентном потоке, при предположении идеального центрирования обсадной колонны могут быть турбулентными на самом деле только в части кольцевого пространства. Фактически три режима течения - нет течения, ламинарное и турбулентное -могут сосуществовать в кольцевом пространстве, что означает, что шлам может

быть очищен эффективно в широкой части канала, в то время как в его узкой части шлам находится в статическом состоянии. Между крайностями: отсутствия потока на узкой стороне кольцевого пространства и полного турбулентного обтекания кольцевого пространства, удаление шлама может быть плохим, если смещения ламинарного потока не будут должным образом разработаны. В подтверждение ими приводится схема изменения режимов течения с изменением скорости потока (рис. 2).

Рис. 2. Схема распределения режимных потоков в кольцевом пространстве при последовательном увеличении скорости жидкости [7]

а

Все вышеприведенное свидетельствует о сложных процессах, происходящих при очистке наклонно-направленных скважин в противовес очистке вертикальных участков. Сложность процессов и решений увеличивается требованиями ограничения скорости потока с целью предупреждения размыва стенок скважины, а также ограничения дифференциального давления.

При бурении горизонтальных участков скважины из-за разности удельных весов очистного агента и разбуриваемой породы в застойных зонах (см. рис. 2) организуется так называемая шламовая постель. Попытки специалистов увеличения выносной способности жидкости путем увеличения динамического напряжения сдвига и уменьшения эффективной вязкости бурового раствора не приводят к успеху. Так, по мнению Т. Беккера и Дж. Азара [8] при зенитных углах 55-90° увеличение отношения т0/^ не приводит к улучшению выноса шлама.

Расчеты, связанные с выносом шлама, не только сложны из-за геометрии кольцевого пространства горизонтальной скважины, но и зависят от того, какую реологическую модель вынуждены применять специалисты, исходя из условий в скважине и многообразия составов дисперсных систем, применяемых в качестве буровых растворов.

В настоящее время разрабатывается множество математических моделей выноса частиц шлама эксцентричным потоком с использованием той или иной реологической модели. Однако это

множество не всегда дает возможность восстановить картину течения в различных ситуациях, выявить закономерности изменения давления, изучить поле сдвиговых напряжений и т.д.

Изменчивость режима течения при изменении скорости последнего при эксцентричном расположении бурильных труб, показанная в работе [7] для промывки скважины перед ее непосредственным цементированием, необходимо распространить и на сам процесс углубки скважины. То есть при бурении в скважине возможно существование либо ламинарного режима течения, либо переходного к турбулентному, либо самого турбулентного режима. Геометрия потока определяет и совместное сосуществование указанных режимов. Скорость потока, а следовательно, и режимы течения в свою очередь зависят от эквивалентной плотности циркуляции, устанавливаемой для конкретных пластовых залежей (расчет эквивалентной плотности циркуляции требует определения потерь давления на трение при каждом режиме течения).

Отсюда определяются и алгоритмы оптимизации выноса продуктов разрушения пород, при которой сначала определяется необходимая реологическая модель бурового раствора.

Таким образом, необходимо иметь общепризнанную гидродинамическую теорию промывки наклонно-направленных скважин с горизонтальным окончанием с целью оптимизации выноса шлама и строительства скважины в целом.

Библиографический список

1. Александров С.С., Лагуманов М.Г. Регулирование режима очистки скважины в процессе бурения // Бурение и нефть. 2013. № 2. С. 36-38.

2. Акопов Э.А. Очистка забоев глубоких скважин. М.: Недра, 1970. 120 с.

3. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы ап-

паратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1968. 512 с.

4. Попов А.Н., Спивак А.И., Акбу-латов Т.О. [и др.]. Технология бурения нефтяных и газовых скважин. М.: Недра-Бизнесцентр, 2003. 509 с.

5. Крылов В.И., Крецул ВВ. Особенности технологии промывки гори-

зонтальных скважин // Нефтяное хозяйство. 2001. № 6. С. 36.

6. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении. М.: Недра, 1987. 304 с.

7. Fraser L., Stanger B., Griffin T. [et al.]. Seamless fluids programs: a key to

better well construction // Oilfield Review. 1996. Р. 42-56.

8. Беккер Т.Е., Азар Дж.Дж., Окра-джи З.С. Зависимость выноса шлама от реологических свойств раствора при направленном бурении // Special purpose entity. 1953. Октябрь 1989. 48 с.

References

1. Aleksandrov S.S., Lagumanov M.G. Regulirovanie rezhima ochistki skva-zhiny vprotsesse bureniya [Regime regulating well clean-up during drilling]. Burenie i neft' [Drilling and Oil], 2013, no. 2, pp. 36-38.

2. Akopov E.A. Ochistka zaboev glubokikh skvazhin [Deep well bottom-hole cleaning]. Moscow, Nedra Publ., 1970. 120 p.

3. Aerov M.E., Todes O.M. Gidravlicheskie i teplovye osnovy raboty apparatov so statsionarnym i kipyashchim zernistym sloem [Hydraulic and thermal bases of operation of devices with fixed and fluidized granular layer]. Leningrad, Khimiya Publ., 1968. 512 p.

4. Popov A.N., Spivak A.I., Akbula-tov T.O. Tekhnologiya bureniya neftyanykh i gazovykh skvazhin [Drilling technology of oil and gas wells]. Moscow, Nedra-Biznest-sentr Publ., 2003. 509 p.

5. Krylov V.I., Kretsul V.V. Osoben-nosti tekhnologii promyvki gorizontal'nykh skvazhin [Features of horizontal hole washing technology]. Neftyanoe khozyaistvo [Oil industry], 2001, no. 6, рр. 36.

6. Leonov E.G., Isaev V.I. Gidro-aeromekhanika v burenii [Drilling hydro-aeromechanics]. Moscow, Nedra Publ., 1987. 304 р.

7. Fraser L., Stanger B., Griffin T. Seamless fluids programs: a key to better well construction. Oilfield Review, 1996, рр. 42-56.

8. Bekker T.E., Azar Dzh.Dzh., Okradzhi Z.S. Zavisimost' vynosa shlama ot reolo-gicheskikh svoistv rastvora pri napravlennom burenii [Dependence of cuttings removal on the rheological properties of the mud under directional drilling]. Special purpose entity, 1953. October 1989. 48 р.

Статья поступила 25.09.2016 г.

Article received 25.09.2016.