6 Гидродинамические давлении при бурении скважин
Как известно, вращательное бурение зародилось в 1903 г (Юз). Однако лишь в 30 гг. ХХвека появились работы о том, что гидродинамические давления в скважине могут вызвать осложнения - проявления при pg. H> Рпл и поглощение при pg. H < РПОГЛ. Колебания давления в скважине возникают при спускоподъемных операциях (СПО), при пуске насосов, посадке продавочной пробки на кольцо - стоп при цементировании и т. д.
6. 1 Виды гидравлических ударов в скважине Различают прямой, обратный и непрямой гидравлические удары. Прямой гидравлический удар обусловлен переходом кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления за время, меньшее фазы гидроудара t<tφ. Фазой гидроудара считается время пробега звуковой волны от источника до устья скважины tφ =L/Uзв (6. 1) где U 3 B - скорость звука в буровом растворе. (6. 2) где (β - коэффициент сжимаемости среды. Для воды (β =4, 7 *10 -10 Па-1 у глинистых растворов β =(3. 8: 4, 2) 10 -10 Па-1
Для жидкости, находящейся в колонне труб где D, t- соответственно диаметр и толщина стенки трубы, Е - модуль упругости материала труб. Примерами прямого гидравлического удара являются посадка продавочной пробки на кольцо — стоп при цементировании, быстрое забивание промывочных отверстий долота, быстрое закрытие задвижки на трубопроводе и т. п. Обратный гидравлический удар связан с переходом потенциальной энергии давления в кинетическую энергию за время, меньше фазы гидроудара.
Примером обратного гидравлического удара является снижение давления, порыв диафрагмы на нагнетательной линии насосов и т. п. Непрямым гидравлическим ударом называется взаимный переход энергии (кинетической в потенциальную энергию давления и обратно) за время, большее фазы гидроудара. Примерами непрямого гидравлического удара являются колебания давления в скважине при СПО. Прямой и обратный гидравлические удары являются быстрыми процессами, при их расчете необходимо учитывать сжимаемость жидкости. Непрямой гидравлический удар является медленным процессом. Жидкость при этом можно считать несжимаемой.
Рассмотрим пример. За одну секунду произошло забивание промывочных отверстий долота, т. е. t=lc. Если глубина скважины была 500 м. то фаза гидроудара составила tφ =L/Uзв =500/1400=0, 36 с; t> tφ. Значит этот процесс является медленным. Жидкость можно считать несжимаемой. Рост давления можно найти из уравнения Бернулли Δ P=0, 5·p·Δ U 2. Если скорость жидкости в трубах составляла 3 м/с, то Δ P =0, 5· 1200· 32=5, 4 к. Па. Если же глубина скважины составляла 5000 м, то tφ =3, 6 с и t> tφ. В этом случае процесс является быстрым, сжимаемость жидкости следует учитывать. Рост давления рассчитывают по уравнению Жуковского Н. Е.
6. 2 Расчет изменения давления в скважине при СПО Во время СПО колонна труб перемещается с переменной скоростью. На рисунке 6. 1 показана типичная тахограмма спуска одной свечи. Рисунок 6. 1 - Тахограмма спуска одной свечи.
Участок 0 -1 соответствует подъему колонны труб для снятия с элеватора или с клиньев. Участок 1 — 2 соответствует разгону колонны, затем колонна спускается с более менее постоянной скоростью (участок 2 -3). Участок 3 -4 соответствует торможению труб. На этом же рисунке показан график изменения ускорений. Можно отметить, что моменты максимальной скорости и максимумы ускорений по времени не совпадают. Изменение давления в скважине при СПО происходит из-за гидравлических сопротивлений вытесняемой жидкости, а также из-за инерции столба жидкости при движении труб с ускорением.
6. 2. 1. Расчет изменения давления в скважине при движении труб с постоянной скоростью Спускоподъемные операции можно проводить с открытым и закрытым нижним концом колонны. Эпюры движения жидкостей в трубах и кольцевом пространстве при спуске труб показана на рисунке 6. 2. Рисунок 6. 2 - Эпюры скоростей течения жидкости в скважине при спуске труб с закрытым (а) и открытым (б) нижнем кольцом, г. с. тр- гидравлические сопротивления в трубах; г. с. кп – гидравлические сопротивления в кольцевом пространстве.
Трубы с открытым нижним концом спускаются для промывки скважин и для смены одной жидкости на другую. С закрытым нижним концом (оборудованным обратным клапаном) могут спускать обсадные колонны и бурильные колонны при исследовании пластов с помощью испытателя пластов на трубах (ИПТ). Очевидно, что расход вытесняемой жидкости, а, следовательно, и величина гидродинамического давления максимальны при движении труб с закрытым нижним концом. Естественно, что наиболее часто СПО производят с бурильной колонной, содержащий забойный двигатель и долото. Поскольку гидравлические сопротивления в забойном двигателе и долоте достаточно велики, и почти вся вытесняемая жидкость при этом поступает в кольцевое пространство, данный случай соответствует движению труб с закрытым нижним кольцом.
Как видно из рисунка 6. 2 трубы при своем движении увлекают за собой часть жидкости - поток q 1, вследствие этого встречный поток вытесняемой где расход жидкости, вытесняемой собственно трубами; UТ - скорость перемещения (подъема или спуска) труб в скважине. Для расчета изменения давления в скважине при СПО могут использоваться различные методики. Одна из методик основана на использовании формул обычной гидравлики –уравнения Дарси – Вейсбаха при движении жидкости в турбулентном режиме и формулы при течении ВПЖ в ламинарном режиме.
Среднюю по сечению кольцевого пространства скорость встречного потока жидкости q 2 можно найти следующим образом. где k - коэффициент, учитывающий увлечение части жидкости (поток q 1) стенками труб. Приблизительно, этот коэффициент можно найти из следующих экспериментальных зависимостей[5] k≈0. 4+0. 1 DT/Dc при турбулентном течении (6. 6) k≈0. 28+0. 2 DT/Dc при ламинарном течении (6. 7)
Поскольку до определения скорости вытесняемой жидкости режим ее течения неизвестен, поступают следующим образом. Делают предположение о режиме течения, находят по соответствующей формуле (6. 6) или (6. 7) значение коэффициента к, и по формуле (6. 5) - скорость жидкости. После чего определяют режим течения. Если предположение о режиме течения не подтвердилось, находят значение к по другой формуле и новое значение Uж. Если бурение ведется с промывкой водой, то согласно Е. Г. Леонову[2].
Буркхардом получены эмпирические формулы расчета изменения давления при СПО: если вытесняемая жидкость движется в ламинарном режиме, и ΔР=РА·L·UT 1. 75·ɳ 0. 25·ρ0. 75 (6. 11) при турбулентном режиме течения. В уравнениях Буркхарда коэффициенты А и В являются функциями DT и Dc и находятся по составленным им графикам. Поскольку, согласно этой методике, скорость и режим течения жидкости не определяются, производят расчет ΔР по обеим формулам (6. 10) и (6. 11) и принимают большее значение ΔР.
6. 2. 2 Расчет изменения давления при движении труб с ускорением Поскольку СПО является процессом медленным, скважинную жидкость можно считать несжимаемой и применять к ней формулу Ньютона. Сила, обусловленная инерцией жидкости при движении с ускорением F= m*d. U/dt, отсюда инерционное давление где m - масса столба жидкости в кольцевом пространстве скважины. Поскольку m= ρ·l·Sкп, формула (6. 12) принимает вид
По Е. Г. Леонову При спуске ускорение колонны труб зависит, очевидно, от действий бурильщика, характеристики гидравлического или электрического тормозов лебедки, профиля скважины и т. д. Учесть все это невозможно. Известна следующая эмпирическая формула для определения ускорения труб при спуске. где G- вес колонны труб, Н.
6. 2. 3 Определение предельно допустимых скоростей СТТО Скорость проведения СПО ограничивается из условий недопущения проявления при подъеме и поглощения при спуске труб. Явное решение определения максимально допустимой скорости отсутствует. Удобным является графический способ решения задачи. Строятся графики изменения давления в скважине при подъеме и спуске труб и по этим графикам определяется допустимые скорости (рисунок 6. 3). Рисунок 6. 3
Важным является определение опасных точек пласта (пропластков), в которых создаются условия проявления при подъеме и поглощения при спуске труб. При подъеме проявление может начаться прежде всего в той точке пласта (в том пропластке), где коэффициент аномальности максимален. При спуске труб поглощение может начаться прежде всего в той точке пласта (в том пропластке), где коэффициент поглощения минимален (рисунок 6. 4).
Рисунок 6. 4 Наиболее опасным положением инструмента, при котором максимально допустимая скорость СПО должна быть минимальной, является такое, когда над опасной точкой располагается элемент колонны максимального диаметра – забойный двигатель или УБТ (рисунок 6. 4 б, в).
Скачать презентацию 6 Гидродинамические давлении при бурении скважин
6_Gidrodinamicheskie_davlenii_pri_burenii_skvazhi.pptx