Гидродинамика вертикального потока жидкости в зону поглощения

УДК 665.6.011.

Н. Х. Зиннатуллин, А. А. Булатов, Р. Г. Галимуллин, И. М. Нафиков, Г. Н. Зиннатуллина, М. В. Астраханов

ГИДРОДИНАМИКА ВЕРТИКАЛЬНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ В ЗОНУ ПОГЛОЩЕНИЯ.

Ключевые слова: скорость потока, давление, коэффициенты сопротивления, тампонажные растворы.

Для поглощающей скважины определены параметры вертикального потока жидкостей разной плотности: скорость, давление, высота столба тампонажного раствора, глубина опорожнения.

Keywords: stream speed, pressure, resistance coefficients, grouting solutions.

For the absorbing well parameters of a vertical stream of liquids of different density are determined: speed, pressure, height of a column of grouting solution, depletion depth.

Одной из проблем при бурении скважин (нефтяных, газовых, водопонизительных, разведочных и т.д.) является поглощение породой буровых растворов. Наиболее сложными для изоляции являются зоны поглощения высокой интенсивности, составляющей 50 м3/час и более. Для их ликвидации изоляционные работы проводят комплексно, путем последовательной закачки в скважину нескольких видов тампонажных смесей. Эти работы занимают довольно большое время и его уменьшение зависит от выбора, объема наполнителей и гидродинамики закачивания тампонажных жидкостей (растворов, смесей) [1].

Гидродинамика процессов, происходящих в буровой скважине при закачивании в нее растворов разной плотности рассматривалась в ряде работ авторов [2-6].

Рассмотрим гидродинамику процесса закачки тампонажной смеси в бурильные трубы, с установленным на их конце пакером. Уровень жидкости в затрубном пространстве в таких скважинах при проведении изоляционных работ практически не меняется. Давление столба жидкости в затрубном пространстве остается равным пластовому.

Изучение и установление времени возникновения зон опорожнения (столба воздуха) позволит вводить в тампонажные растворы максимум наполнителей или аэрировать и т.п. В это время работа насосов облегчена.

В настоящей работе гидродинамику процесса

высокоинтенсивных поглощений. скважины приведена на рис. 1.

Как известно [2], при закачке тампонажного раствора на основе цемента, в бурильной колонне возникает зона опорожнения, скорость движения жидкости с этого момента перестает быть постоянной и складывается из постоянной скорости ш0, обусловленный производительностью насосов и переменной составляющей —, обусловленной изменением глубины зоны опорожнения z, т.е.:

проанализируем ликвидации Схема буровой

dz

w = w0+-

А

/

Нз

А

\/

л

- - „ V - : V

Ы4 "Т-Г

л

Z

А

V

Лл1

V

Рис. 1 - Схема закачки тампонажного раствора в поглощающую скважину: 1 - колонна бурильных труб, 2 - пакер, 3 - кровля зоны поглощения, 4 - зона поглощения; Нзп - глубина зоны поглощения, ИТ - высота тампонажной смеси, - высота бурового раствора, й2 -высота кровли, 2— высота зоны опорожнения.

Как уже отмечалось в [2], сила инерции не оказывает заметного влияния на процесс. Тогда для момента времени, когда давление, развиваемое насосами при закачке тампонажного раствора становится равным нулю, можно записать:

Ризб ^пот ^пд 0

где Ризб - избыточная сила гидростатического давления; Рпот - сила, обусловленная потерями напора при движении жидкости в скважине; Рпд -сила пластового давления, возникающего при закачивании жидкости в скважину.

Ризб определяется выражением: Ризб = -рг) + ш2 •д •Н2 хр^

где ш1 и ш2 - площадь поперечного сечения канала бурильных труб и затрубного пространства; рт и рг-плотность тампонажного и бурового растворов.

Рпот определим по формуле Дарси - Вейсбаха: _ . , _ щ и/2

^пот • "5---тт •Рт •Пт +я2 • ----— X

а1 2 а1 2

w12

хр1^1+Л3— — ^р1^2+АР,

а2 2

где АР = АРп + АРзп.; АРп - сопротивление пакера; АРзп. - сопротивление зоны поглощения.

Принимая для квадратичной зоны сопротивления Л1 = Я2 = Я3 и учитывая, что м^ = м/0 • — и К1 = й9, уравнение (4) приводится к виду:

Р = Я

1 пот

Г 2

^ 2

-Й2)Р!] + Я'

^ ,2

•Р! •к2 + АР,

•^с 2

Определить гидравлическое сопротивление пакера можно, зная его размеры и шероховатость поверхности.

Для того, чтобы определить гидравлическое сопротивление зоны поглощения, или выраженное через него суммарное гидравлическое сопротивление АР, введем в (5) коэффициент местного сопротивления

1 „

А р = ^ •-м/22.

Тогда согласно с выражением (2) имеем

о>1 м^о

•д • ^(Рг -Рг) • ----— [К'Т{рТ -

а1 2

-р1) + р1(Яз.п.-й2)] +Я 1

О)

1

w.

о

И/.

^2 •^с 2 ,п

^ 1 Пд

X

"2 т 'пд

где Ь'т = w0 •£' - высота тампонажной жидкости в момент выравнивания давлений в системе скважина - пласт, т.е. когда давление на стояке стало равным нулю (при этом предполагается, что статический уровень до начала изоляционных работ был на устье скважины); м/2 - скорость на участке й2; - время закачки тампонажной жидкости до момента, когда давление на стояке упало до нуля.

Рекомендуется путем замера Ь'т и вычислить АР, когда происходит закачка тампонажного раствора на небольшой глубине (200 ^ 300 м).

Находим Рпд. После закачки определенного объема тампонажного раствора насосы можно отключить и при прекращении движения жидкостей в скважине Ризб становится равной силе пластового давления, т.е.:

Лоб = Лд

Если к этому моменту высота зоны опорожнения равна г*, то

^ттд ^изб ^

пд

Используя уравнение преобразований получим:

£ =—--г •р1-Я

д№т(Рт ~Рг) -2* •р1].

после несложных

(7),

[К'т{рт -

-р±) + №.п. -Л2)Р!] - Я • •Р! •А2. (10) При ликвидации поглощений на небольших глубинах может оказаться, что в момент окончания закачки тампонажной жидкости в бурильные трубы некоторое ее количество до продавки зайдет в зону поглощения и установится скорость w = w0 при

йг

— =0. В таком случае АР и Рпд можно определить

по другой схеме.

Обозначив соответственно высоты г" и й^', исходя из уравнений (2) и (7), получим выражение:

^•дЦг'тОзт-р!)

— •й^'(рг -рх) + Я'

+ 1^о2+Рпд,

ш,

' = я • :т х

а1

° 2 М7!)

—ртк2 +

здесь г" + =Яз.П..

Если далее, в процессе опускания тампонажной жидкости в зону поглощения прекратить ее подачу в бурильные трубы, то через некоторое время уровень установится на некоторой глубине г'", которую можно определить из условия:

Рпд = ш^д[Щ'{рт -р1) -г'" •р1], (12) где + г"' =ЯзЛ,

Таким образом по выражениям (11) и (12) также можно определить АР и Рпд.

Знание этих величин позволит планировать изоляционные работы.

При ускоренном движении тампонажного раствора вследствии образования зоны опорожнения в выражениях (6), (7) вместо ш0 подставим w = м?0+с12М и используя (5), (6), (7) балансовое уравнение (2) принимает вид:

• д •Ьт{рт -р±) + ш2 •д •к2р1 - {Я-х

К+Й.

-к2)р1} +я •

О)2

[йг(рг -рг) + (Яз.п. -

О),

•Р^^г + 2Х

•w22 - {ш1 •д • ^(рг -рх) +рх(Яз.п. -

-Л2)]+Л'

о)т

(^о

дл)

й,

• Р1 +

1 ^ ^^ | ~~ 0,

где м/2 = м/0

После несложных преобразований данного нелинейного дифференциального уравнения первого порядка интегрируем его с помощью подстановки Эйлера [2].

Решение позволит для любого момента времени определить высоту тампонажного раствора, глубину зоны опорожнения, скорость движения жидкости в скважине и т.д.

В таблице 1 приведены выборочные данные по динамике изменения глубины зоны опорожнения для конкретного (фиксированного) условия закачки растворов в скважину (глубины скважины, размеров пакера и т.д.).

Таблица 1 - Динамика изменения глубины опорожнения

^ с z, м ^ с z, м

200 0 900 376

400 65 1000 340

500 148 1100 305

600 250 1300 223

700 340 1500 115

800 384 1750 0

Как показывают расчетные данные, скорость тампонажной смеси имеет большое значение в интервале времени 400 - 1500. Это время целесообразно использовать для подачи максимального количества наполнителей для подавления поглощения жидкостей. В этих условиях сопротивление зоны поглощения резко возрастает.

Литература

1. Н.Г. Середа, Е.И. Соловьев. Бурение нефтяных и газовых скважин: -М: Недра, 1988,-360с.

2. Н.Х. Зиннатуллин, И.М. Нафиков, Р.Г. Галимуллин, Г.Н. Зиннатуллина. Вестник Казанского государственного аграрного университета, № 1, с.89-92, (2012).

3. Н.Х. Зиннатуллин, А. А. Булатов, Р.Г. Галимуллин, И.М. Нафиков, Г.Н. Зиннатуллина. Вестник Казанского технологического университета, т.17, № 22, с. 340-343,

(2014).

4. Н.Х. Зиннатуллин, А.А. Булатов, Р.Г. Галимуллин, М.В. Астраханов. Вестник Казанского технологического университета, т.18, № 3, с. 154-156, (2015).

5. Н.Х. Зиннатуллин, А.А. Булатов, Р.Г. Галимуллин, Г.Р. Зайнуллина. Вестник технологического университета, т.18, № 6, с. 154-157, (2015).

6. Н.Х. Зиннатуллин, А.А. Булатов, Р.Г. Галимуллин, Г.Н. Зиннатуллина, М.В. Астраханов. Вестник технологического университета, т.18, № 15, с. 73-75,

(2015).

© Н. Х. Зиннатуллин - д-р техн. наук, проф. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, проф. каф. энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий КГЭУ, znazif@yandex.ru; А. А. Булатов - канд. техн. наук, гл. инженер ООО «Апарт»; Р. Г. Галимуллин - канд. техн. наук, доц. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, liliagalimullina@gmail.com; И. М. Нафиков - канд. техн. наук, доц. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ; Г. Н. Зиннатуллина - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной безопасности КНИТУ; М. В. Астраханов - студ. КГЭУ, BASAY55555@yandex.ru.

© N. Kh. Zinnatullin - the Doctor of Engineering, professor of chair of processes and devices of chemical technology of the KNITU, professor of chair power supply of the enterprises and the power resource-saving technologies of the KSPEU, znazif@yandex.ru; A. A. Bulatov - Candidate of Technical Sciences, the chief engineer of JSC Apart; R. G. Galimullin - Candidate of Technical Sciences, the associate professor of processes and devices of the chemical technology of the KNITU, liliagalimullina@gmail.com; 1 M. Nafikov - Candidate of Technical Sciences, the associate professor of processes and devices of the chemical technology of the KNITU; G. N. Zinnatullina - Candidate of Technical Sciences, associate professor of industrial safety of the KNITU; M. V. Astrakhanov - the student of the KSPEU, BASAY55555@yandex.ru.