Моделирование лабораторной установки по исследованию процессов транспортирования выбуренной породы при проходке горизонтальных участков скважин

БУРЕНИЕ

УДК 622.243.1

т.о. Акбулатов, к.т.н., доцент кафедры БНГС, и.А. хабибуллин, аспирант кафедры БНГС, Уфимский государственный нефтяной технический университет

моделирование лабораторной установки по исследованию процессов транспортирования выбуренной породы при проходке горизонтальных участков скважин

В данной работе на основе теории подобия дается обоснование параметров лабораторной установки для исследования процессов транспорта частиц выбуренной породы по горизонтальному и наклонному стволу скважин.

мально необходимая длина установки 10-12 м. Принята длина установки 14 м, в т. ч. 6 м в средней части из стеклянных труб, а краевые участки из алюминиевых труб АБТ 12911 (внутренний диаметр 107 мм). Очень важным для транспорта шлама в ГС является эксцентриситет кольцевого пространства е = - Dз)/(Dc - Dт) где Dc, Dз, Dт - соответственно, диаметры скважины, бурильного замка и бурильной трубы. Как видно из таблицы 1, принятые в модели размеры замковых соединений обеспечивают равенство эксцентриситетов в модели и натуре. Размеры модельных частиц шлама показаны в табл. 2. При этом было учтено

Установка позволяет проводить исследование при различных режимах течения жидкостей, различных эксцентриситетах кольцевого пространства, как при вращении «бурильных труб» так и без их вращения.

Несмотря на имеющийся опыт бурения скважин с горизонтальным окончанием, процесс транспорта шлама в ГС (горизонтальная скважина) до конца не изучен. Детальное исследование этого процесса в реальной скважине затруднено. Некоторые его особенности могут быть исследованы лишь в лабораторных экспериментах.

создание лабораторной установки с учетом критериев подобия

При проектировании любых экспериментальных установок необходимо соблюдать подобие граничных условий и режимных параметров. Подобие граничных условий означает необходимость проведения исследований за пределами начальных и конечных участков, на которых формируется (искажается) профиль скорости течения. Длины этих участков согласно многочисленным исследованиям со-

ставляют 50-100 гидравлических диаметров, отсюда длина лабораторной установки должна быть порядка (200250 DГ). Если принят DС = 0,217 м, DТ = 0,127 м, DГ = 0,09 м, то длина экспериментальной установки должна составлять не менее 18-20 м. Кроме того при натуральном моделировании необходима мощная насосная установка, обеспечивающая до 50-60 л/с, большой объем емкостей и т. д. Нами было принято решение принять коэффициент геометрического моделирования, равный отношению диаметральных размеров модели и натуры, ка = Dn/Dн = 0,5. Тогда имеем Dсn = 105 мм, Dтn = 64 мм, Dr = 44 мм. Мини-таблица 1. значение эксцентриситетов в зависимости от натурных и модельных замков

натура модель

Dc, мм Dт, мм Dз, мм е Dc, мм Dт, мм Dз, мм е

216-218 127 170 0,52 108 64 85 0,52

178 0,43 89 0,41

147 178 0,55 73 89 0,54

таблица 2. размеры натурных и модельных частиц шлама

натура ач, мм 5 4 2 1

ач/0,5(^т) 0,11 0,09 0,04 0,02

модель ач, мм 2,5 2 2 1

ач/0,5(^т) 0,11 0,09 0,09 0,045

¡м^ошкшимгащимд мп

Ф  Spec 7- ГЦ 27 05 03 NC50

65/ а «31/4

ЗАМКИ ДЛЯ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ ВТУЛКИ и ШТОКА МУФТЫ НКТ ОПТ, ОТТМ ПЕРЕВОДНИКИ ПОРШНИ

г. Орск, ул. Крупской, I, тел.: (3537) 29 00 69, факс: 29 00 60, www.ormash.ru, e-mail: export@ormash.ru

то обстоятельство, что частицы, размер которых меньше 0,1 размера канала, двигаются, не испытывая влияния стенок (как бы в канале бесконечно большого размера), и для них необязательно выполнение геометрического критерия подобия. При бурении с гладкими трубами без их вращения основная часть шлама собирается в нижней части кольцевого пространства, характерным размером которой является 0,5фз - Dт). При вращении бурильных труб, частицы шлама будут, двигаться, очевидно, по всему кольцевому пространству, характерным размером которой является 0,5фс - Dт). Как видно из таблицы 2, частицы dч « 2 мм и в реальной скважине и в лабораторной установке имеют отношение dч/0,5(Dс - Dт) < 0,1, и для них можно принять к, = 1. Моделирование более крупных частиц требует учета принятого коэффициента геометрического моделирования к, = 0,5. При проходке ГС используются глинистые и полимерные растворы, описы-

ваемые моделью Бингама t = t0 + ^•(dU/dy) (их называют вязкопластич-ными жидкостями - ВПЖ) или моделью Освальда-де Вааля dU

t = п*

dy

(псевдопластичные жидкости - ППЖ). Режим течения ВПЖ характеризуется параметрами Рейнольдса Re = U-D-p/п, и Хедстрема Не = t0-D2-p/n2. Очевидно, что при использовании в экспериментах жидкостей, реологические параметры которых равны параметрам натуральных жидкостей (t0" = V, пн = Пм, Рн ~ Р") невозможно добиться равенства в модели и натуре параметров Re и He, если kd * 1. Режим течения ППЖ характеризуется параметром Re = U2-m-Dm-p/n*, где m - показатель нелинейности, п* - постоянная вязкости ППЖ. Для Re = idem при использовании в экспериментах жидкости, реологические параметры которой равны параметрам натуральной жидкости (п*м = П*н, m^ = mj, необходимо иметь

и , т п 1

к- = -ЦТ =

ин ам Пм

При проходке горизонтальных скважин в Западной Сибири используют промывочные жидкости пн = 1100-1200 кг/м3. Согласно [1] ППЖ для нормальных условий должны иметь т = 0,4-0,6. В экспериментах предполагается использовать жидкость плотностью п = 1000 кг/м3 с т = 0,5 следовательно, имеем ки = (к,)033.(1,10 ) 067 = 1,34. Отсюда, получаем следующее соотношение модельных и натурных расходов Qм

k

Qh

= ku(kd)2 = 1,4 . 025 = 0,35

Кинематическое подобие означает равенство отношений скоростей в сходных точках в натуре и модели. Для исследуемого процесса транспорта шлама при вращении труб в качестве коэффициентов кинематического подобия можно принять отношение скорости оседания частиц шлама и скорости потока жидкости

n = м— i = i —и

iu— jm 1 u— ih

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ БУРЕНИЕ \\ 19

БУРЕНИЕ

рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной установки. выкидная линия; 2 - краники отбора проб; 3 - емкость для раствора; 4 - всасывающая линия; насос; 6 - двигатель; 7 - расходомер; 8 - нагнетательная линия; 9 - двигатель; 10 - редуктор;

11 - сальник; 12 - алюминиевая труба (модель скважины); 13 - краны регулировки расхода жидкости; 14 - стеклянная труба (модель скважины);

15 - бурильная труба; 16 - датчики давления

и отношение окружных и осевых скоростей жидкости

п =

и.

и.

и.

и.

Известно, что при ламинарном обтекании частиц 1

Re0c =

. Аг

18

Для ППЖ

и^ . ачт . рж

Reoc =

П

Аг =

(Ар . д)2-т . ржт . с1ч

(п*)2

где иос - скорость оседания частиц; Ар = рч - рж; , рч, рж - собственно, плотность материала транспортируемых частиц и плотность жидкости, С - эк-

вивалентный диаметр частиц. Подставляя (5) и (4) в (2), получим

ан

2 2-т

р н 22-22

Мж 2-т

к = А22 = к

кА р = Арн = к..........

Отсюда, при т = 0,5 АрчМ = Арн . 1,34 . (2)1,33 . (1,10)-033 = 3,27 . Арн. Поскольку Арн » 2600 - 1100 = 1500 кг/м3, плотность модельных частиц должна составлять АрчМ = 1000 + 3,27 . 1500 = 4900 кг/м3.

Таким образом, для соблюдения кинематического подобия при выполнении геометрического модельные частицы должны изготавливаться из материалов плотностью рчМ » 500 кг/м3, т.е. из частиц железных руд или металлических сплавов.

Ясно что это представляет определен-

7 6 Участки, м

рисунок 2. Схема расположения труб в установке.

ные трудности и кроме того такие частицы будут по другому взаимодействовать между собой и со стенками труб и скважины, чем натурные частицы шлама из терригенных или карбонатных частиц.

Указанную трудность можно преодолеть следующим образом. Как было сказано выше, моделирование частиц диаметром С < 2 мм можно производить при кс = 1.

При ламинарном обтекании из зависимости (6) имеем

Рн т-1

>

кАр = к

рж"

2-т = 1,34 . (1,1)-0,33 = 1,3

рчМ = 2950 кг/м3

При турбулентном же обтекании

ржМ т"

к = к 2

кАр = ки

222т = 1,63

рчМ = 3500 кг/м3

В среднем можно принять плотность модельных частиц, моделирующих натурные частицы а <2 мм, равную 3000^3200 кг/м3. Такой плотностью обладает пропант, используемый при гидроразрыве скважин.

м

н

9-1- т

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

№ 12 \\ декабрь \ 2007

таблица 3. размеры и плотности модельных частиц

Сн, мм <С„, мм Рм, кг/м3

1 1 3000-3200

2 2 3000-3200

5 2,5 5000

Окружная скорость жидкости, обусловленная вращением труб, иТокр = 0,5 . ш . DT, где ш - угловая скорость вращения труб. Равенство

I иокр.Т | = I иркр.Т|

будет выполняться при

Ш" = Шн . Ы . — -

При кС = 0,5 и ки

шн

1,34

т. е. частота вращения модельных труб должна быть в 2,7 выше частоты вращения натурных.

При пн = 50 об/мин пм = 135-145 об/мин

В то же время [2] вращательное движение жидкости, обусловленное вращением труб, предлагается характеризовать критерием Тейлора

Та = 0,25 . ^ .

где 6 = Dт/Dc; Dr = ^ -Равенство Там = Тан достигается при

ш„ = шн . 2 .

При кС = 1/2 имеем шм = шН . 4. Таким образом, выполнение Там = Тан приводит к нарушению условий кинематического подобия. По нашему мнению, в данном случае предпочтительным является соблюдение условий кинематического подобия.

По выше перечисленным критериям моделирования [3] сконструирована и опробована лабораторная установка, которая позволяет исследовать транспорт шлама из горизонтального и наклонного участка без вращения и при

вращении бурильных труб, при различных эксцентриситетах с использованием жидкостей с различными реологическими параметрами. Экспериментальная установка представлена на рисунке 1. Данная установка смонтирована и на ней проводились лабораторные эксперименты по исследованию процессов транспорта шлама (пропанта) в горизонтальных участках скважины, с промывкой полимерным раствором, при вращении и без вращения «бурильных труб».

литература

1. Осипов П.Ф. Гидравлические и гидромеханические расчеты при бурении скважин. Учебное пособие. Ухта. 2004 г.

2. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении. М.: Недра, 1987.

3. Акбулатов Т.О., Левинсон Л.М. Моделирование буровых процессов. Учебное пособие. Уфа.2004 г.

Возможно изготовление труб с прорезями под ключ и без

Трубы бурильные с приварными замками для ремонта нефтегазо-^ добывающих скважин

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТ В^О

ЗАВОД БУР0В|Г0 ОБОРУДОВАНИЯ*

г. Оренбург, пр. Победы, 118 1

е-таН: zbo@pochta.ru л ф

www.zbo.ru

тел.: +7 (3532) 75-42-67, 75-68-14 факс: +7 (3532) 75-42-73, 75-68-19

Трубы бурильные с приварными замками для геофизических изысканий при поиске и разведке нефти и газа; для бурения разведочных скважин на воду и твердые полезные ископаемые

I # # /

Г^огооед^

шм = ш

н