Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Обоснование рационального режима промывки на различных этапах бурения скважины и выбор насоса (или группы насо­сов) для обеспечения промывки производится на основе гидрав­лических расчетов.

Потребный расход промывочной среды. Наилучшие условия для работы породоразрушающего инструмента создаются тогда, когда все частицы разрушенной породы сразу после отделения от массива выносятся с забоя и транспортируются к поверх­

ности. Если промывка недостаточна, на забое происходит вто­ричное измельчение крупных частиц, что снижает скорость бу­рения и повышает износ долот. Подъемная сила восходящего потока пропорциональна плотности среды и квадрату скорости ее движения. Поэтому определяющим фактором успешного вы­носа шлама является скорость восходящего потока используе­мой промывочной среды, а значит, ее объемный расход в еди­ницу времени. При определении подачи насоса исходят из необходимости создать такую скорость восходящего потока, при которой обеспечивается устойчивое транспортирование наибо­лее крупных частиц образующегося на забое шлама. Для этой скорости ь справедливо соотношение

и = ш + м, (2.13)

где т — критическая скорость восходящего потока, при кото­рой сила воздействия потока на частицу становится равной движущей силе ее веса в среде (за вычетом выталкивающей силы), частица находится во взвешенном состоянии, м/с; и — желаемая скорость выноса частицы (скорость поступательного движения), м/с.

Для определения скорости т служит следующая общая фор­мула

т = Vйэ(-р~ — , м/с, (2.14)

где g — ускорение свободного падения, м/с2; с — безразмерный коэффициент сопротивления среды падающему в ней шару (по Прандтлю — Годэну); йэ — эквивалентный диаметр частицы, т. е. диаметр шара, эквивалентного частице по объему, м; рп’— плотность материала частицы, кг/м3; р — плотность промывоч­ной среды, кг/м3.

Коэффициент сопротивления с даже для тела. идеальной сферической формы не является величиной постоянной и на­ходится в сложной зависимости от параметра Рейнольдса, ха­рактеризующего режим обтекания тела средой:

Не = _Н^Р или це = -^.

К л’

Движение шара в среде наиболее полно описывается кри­териальной зависимостью

Ке=ехр10(^1Г£_“1)’ (2Л5)

где Аг — безразмерный параметр Архимеда,

Зависимость (2.16) справедлива в широком диапазоне Re = = 0,5-ь105, отличается высокой точностью и позволяет получить формулу критической скорости

v 1 л / ^ 1п Аг 2,3 | /л | л

"’“пexp,0(.^5—(216)

применяемую для шаровидных тел практически любой круп­ности в любой жидкой или газообразной среде.

Частицы шлама единой сферической формы не встречаются. Как показали исследования, для учета влияния формы частиц к величине w, вычисленной по формуле (2.14), для трех основ­ных неправильных форм —компактной, удлиненной и плоской в порядке первого приближения следует применять поправоч­ные множители соответственно: 0,7; 0,6 и 0,5.’Формулами (2.14) и (2.16) можно пользоваться при определении w для любой среды, коэффициент вязкости jx которой известен. При расче­тах можно принимать следующие его значения (в Н • с/м2) :

Вода при 20 °С ……………………… I • 10 8

Глинистый раствор…………………. 5-10-8— 2-10—2

Воздух……………………….. 1,8-10-Б

Принимая для шара в среднем-с»0,5, из (2.14) можно по­лучить формулу Риттингера

ш = 5.11 «у 8(g^~P)- , м/с, (2.17)

применимую для приближенных расчетов ‘ с указанными по­правками на форму частиц.

Характерный размер наиболее крупной частицы da следует принимать соизмеримым с выпуском подрезных резцов твердо­сплавной коронки, глубиной боковой промывочной канавки ал­мазной коронки, шагом зубьев шарошечного долота и т. п.

Скорость выноса частицы и принимается равной 0,1—0,3 w и тем больше, чем глубже скважина и выше механическая скорость проходки. Определив w и задавшись значением и, по формуле (2.13) находят необходимую скорость восходящего по­тока v. Если скорость восходящего потока достаточна для вы­носа наиболее крупных частиц, скважина заведомо будет очи­щена от всех остальных частиц меньших размеров.

Потребный объемный расход промывочной жидкости Q при прямой циркуляции определяется по формуле

Q =&-— {D2—di) v, м8/с, (2.18)

где D — наибольший внутренний диаметр скважины или обсад­ных труб (обычно на устье), м; d2 — наружный диаметр буриль­ных труб, м; k — коэффициент, учитывающий неравномерность

скорости потока по стволу из-за местной повышенной разра­ботки, наличия каверн и др. (%= 1,1 1,3).

Во всех случаях бурения важно, чтобы концентрация шлама в восходящем потоке не была слишком большой, поскольку при этом возникает опасность зашламования скважины при временном прекращении циркуляции. Точное определение не­обходимого значения V для обеспечения заданной концентрации требует знания гранулометрического состава шлама и сложных расчетов. На среднюю скорость транспортирования полидис — персного шлама существенное влияние оказывают вращение бурового снаряда, частично сохраняющаяся в потоке структура бурового раствора, стесненность движения и ряд других, трудно аналитически учитываемых факторов. Поэтому в прикладных расчетах часто пользуются выработанными практикой значе-

Таблица 2.4

Практические рекомендации по выбору скорости восходящего потока промывочной жидкости

’ Породоразрушающий инструмент	Скорость восходящего потока, м/с
при промывке водой	при промывке глинистым раствором ‘
Долота РХ, пикобуры (в породах до V катего­рии по ЕНВ-63)	■ 0,6—1,0	0 05 1 о со
Шарошечные долота (в породах свыше V катего­рии по ЕНВ—63)	0,6—0,8	0,4—0,6
Коронки, армированные твердым сплавом	0,25—0,6	0,2—0,5
Алмазные коронки	0,5—0,8	0,4—0,6

ниями скорости восходящего потока промывочной среды при различных видах и условиях бурения. В табл. 2.4 приводятся рекомендуемые значения скоростей восходящего потока воды и нормального глинистого раствора при колонковом разведочном бурении с применением различных породоразрушающих инстру­ментов.

Большие значения V принимают при высокой скорости буре­ния, когда в единицу времени образуется много шлама, и в случае, когда шлам крупнее, меньшие значения — в противо­положных условиях, а также тогда, когда проходимые породы неустойчивы и легко размываются. Для сохранения преиму­ществ, которые обеспечивает энергичная промывка в отношении механической скорости бурения, в мягких породах применяют высококачественные глинистые растворы.

При алмазном бурении снарядами ССК в силу весьма ма­лых зазоров между колонной и стенками скважины и очень больших окружных скоростей вращения колонны поток промы­вочной жидкости приобретает спиральный характер. При этом сильно возрастают гидродинамические потери давления, что отрицательно сказывается на устойчивости стенок скважины и может приводить к осложнениям. Поэтому при бурении снаря­дами ССК с промывкой водой скорость ее восходящего потока снижают до 0,2—0,3 м/с, и расход определяют с учетом разра­ботки ствола не более 4 мм по диаметру. ВИТР рекомендует при бурении снарядами ССК-46, ССК-59 и ССК-76 поддержи­вать, соответственно, расход воды 10, 13 и 17 л/мин. По указан-, ным выше причинам при бурении снарядами ССК, кроме воды, целесообразно применять эмульсионные и другие не содержа­щие твердой фазы растворы.

При глубоком роторном бурении долотами дробящего и ре­жущего типа скорость восходящего потока принимают обычно в пределах 0,3—1,2 м/с; при бурении под кондуктор, как пра­вило, 0,3—0,5 м/с не только для предупреждения размыва сте­нок, но и из-за ограниченной производительности насосов; при бурении под техническую колонну — 0,5—0,8 м/с и под эксплуа­тационную 0,8—1,2 м/с. При турбинном бурении потребная по­дача насосов определяется режимными параметрами работы турбобура и всегда достаточна для эффективной очистки сква­жины. Следует иметь в виду, что в мягких породах даже вы­сококачественный глинистый раствор при скоростях движения

1,5 м/с и больше может сильно размывать стенки скважины. Излишне высокая подача промывочной жидкости ведет, кроме того, к усиленному абразивному износу бурильной колонны и нерациональным затратам мощности на привод насосов.

Гидравлические потери давления. Давление, развиваемое на­сосом, должно быть достаточным для преодоления гидравличе­ских сопротивлений в циркуляционной системе скважины при прокачивании промывочной жидкости в заданном количестве. Общее потребное давление определяется по формуле

Р = МР1-|-Р2 + Рэ + Р4 + Рб). МПа> (2.19)

где А—-коэффициент, учитывающий необходимость запаса дав­ления на преодоление дополнительных сопротивлений при за — шламовании скважины, образовании сальников и др. (&= = 1,3-т-1,5); р — потери давления в бурильных и утяжеленных трубах, в ведущей трубе, сальнике, шланге и поверхностной на­гнетательной линии; р2 — потери давления на преодоление местных сопротивлений в соединениях бурильной колонны; р3 — потери давления в кольцевом пространстве скважины; р4 — по­тери давления на преодоление сопротивлений в долоте или ко­лонковом наборе; р5 — перепад давления в турбобуре в случае турбинного бурения.

В основу расчетов гидравлических потерь давления в сква­жине и поверхностных трубопроводах положена формула Дар­си— Вейсбаха, которую можно представить в виде •

Др= 10-6Я-^-/,МПа, (2.20)

где К — безразмерный коэффициент гидравлического сопротив­ления; V — средняя по сечению канала потока объемная ско­рость движения жидкости, м/с; р —плотность жидкости, кг/м3; I—длина канала потока, м; Д,— эквивалентный диаметр ка­нала потока (для круглого канала, например, бурильных труб равный его диаметру Д,=йь для канала неправильной формы — равный учетверенной площади сечения, деленной на смоченный периметр, Д,=4/7П Для кольцевого канала скважины Д,= = Ю—с12, где (12 — наружный диаметр бурильной трубы), м.

Наиболее сложным и ответственным при гидравлических расчетах является определение значений К для конкретных ус­ловий. Величина коэффициента гидравлических сопротивлений зависит от свойств жидкостной среды, скорости ее движения, сечения канала, шероховатости стенок.

В гладких каналах режим движения ньютоновских вязких жидкостей однозначно характеризуется безразмерным парамет­ром Рейнольдса (2.15)

или = (2.21)

Ц V

где V — кинематический коэффициент вязкости, м2/с. Осталь­ные обозначения аналогичны принятым в формулах (2.15), (2.20).

Влияние шероховатости в формулах для практических рас­четов учитывают через эквивалентную или гидравлическую ше­роховатость &ш, составляющую для новых цельнотянутых сталь­ных труб 0,02—0,07 мм, для труб с незначительной коррозией 0,2—0,5 мм, для старых ржавых труб до 1,0 мм.

При значениях (приблизительно) Ке<2000 имеет место ла­минарный режим движения, при котором коэффициент сопро­тивления зависит только от числа Рейнольдса и определяется формулой Стокса

Л = 64Же. (2.22)

В этой области потери давления зависят от скорости движе­ния в первой степени.

При больших значениях 1^е имеют место переходный и тур­булентный режимы, характеризующиеся дробной степенью за­висимости потерь давления от скорости, и затем, при значениях числа Рейнольдса порядка Ие>105 (квадратичная область), по­тери давления не зависят от Ке, а только от шероховатости и пропорциональны квадрату скорости движения.

Для определения А, при движении вязких жидкостей во всей широкой области турбулентного режима служат приближенные формулы, например, формула А. Д. Альтшуля

% = о,1 (Му*25, (2.23)

V Ие /

где £ш — гидравлическая шероховатость, мм.

При бесконечно малых значениях &ш формула (2.23) спра­ведлива для турбулентного режима в гладких трубах, при бес­конечно больших Ие — для вполне шероховатого трения (ква­дратичная область).

(2.24)

Учет гидравлических сопротивлений при движении глини­стого раствора и других структурных жидкостей в силу их рео­логических свойств существенно сложнее. Являясь вязкопла­стичной средой, такой раствор не подчиняется закону вязкости Ньютона, и гидродинамический режим его движения характе­ризуется приближенно с помощью обобщенного параметра Рей­нольдса

Ке*

Г)’

вычисляемого через эффективную вязкость т)’, которая, в свою очередь, определяется из выражения

(2.25)

где т] — структурная вязкость, Па-с; то — динамическое напря­жение сдвига, Па. При расчетах для нормальных глинистых растворов можно принимать

П = 5-10_3-=-2-10-а,*Па-с и]т„ = 2-^-10, Па.

При значениях Ие*<2000—3000 отмечается структурный ре­жим движения, и в этом случае коэффициент сопротивления оп­ределяется по формуле Стокса (2.22) через обобщенный пара­метр Ре*.

Влияние шероховатости при турбулентном режиме движе­ния структурной жидкости изучено очень мало, поэтому при Ре*>2000—3000 следует пользоваться приближенной формулой Р. И. Шищенко

(2.26)

Я = 0,075/^ Ие.

При Ие*^50000 коэффициент сопротивления для глинистого раствора рекомендуют принимать постоянным и равным А,= = 0,02.

При гидравлических расчетах бурящихся скважин в боль­шинстве случаев приходится иметь дело с турбулентным режи­мом. Следует учитывать, что дополнительную турбулизацию потока создают вращение и колебания бурильной колонны, ч не учитывается существующими формулами. Поэтому для оп­ределения К практически всегда можно пользоваться при про­мывке водой формулой (2.23), приводящейся для вполне глад­ких труб к формуле Блазиуса

(2.27)

а при промывке структурными жидкостями — приближенной формулой (2.26). Возможная ошибка в сторону завышения рас­четных значений потерь давления выразится в некотором за­пасе гидравлической мощности насоса.

Потери давления в бурильных и утяжеленных бурильных трубах (УБТ), в ведущей трубе, сальнике, шланге, поверхност­ной нагнетательной линии Могут быть в каждом случае опреде­лены по формуле (2.20), но для одновременного их определения удобнее воспользоваться выражением

(2.28)

Р,=^(/ + /э)>

где все величины относятся к внутреннему каналу бурильных труб йи а /э — эквивалентная длина бурильных труб, потери давления на которой равны суммарным потерям в УБТ, ведущей трубе и т. д.

Значение /э можно вычислить по формуле

(2.29)

где /убт. /в — длина УБТ, ведущей трубы и т. д., м; ^уБт йв, … — внутренний диаметр УБТ, ведущей трубы и т. д., м.

Потери давления в соединениях бурильной колонны опреде­ляются из выражения

2

(2.30)

где | — безразмерный коэффициент местного сопротивления; п — число соединений; V — скорость потока в канале буриль­ной колонны, м/с.

Значение | находят по формуле Б. С. Филатова

(2.31)

где — диаметр наименьшего проходного канала в соедине­нии, м; а — опытный коэффициент, принимаемый равным 2 для муфтово-замковых и 1,5 для ниппельных соединений.

Потери давления в кольцевом пространстве скважины определяются по формуле (2.20) при введении в нее, как и в со­ответствующую формулу для вычисления к, средней по кольце­вому сечению скорости потока V и Д,=£—В качестве диа­метра скважины Ь условно принимают наружный диаметр до­лота (коронки). В действительности ствол скважины может сильно разрабатываться по диаметру, включать многочислен­ные расширения и сужения, значительные каверны, пустоты. По этой причине, а также из-за вращения и вибрации бурильной колонны, эксцентричного ее положения в стволе, шерохова­тости породных стенок, наличия шлама или пузырьков газа

в восходящем потоке и достоверность расчетов потерь давления в кольцевом пространстве невелика.

Потери давления в долоте или колонковом наборе неодно­кратно определялись опытным путем при прокачивании через них жидкости на поверхности. В колонковом наборе в зависи­мости от наличия керна перепад давления р4=0,05-^0,12 МПа. При нефтяном бурении в долотах режущего и дробящего типов, перепад рл может достигать 0,5 МПа, а в гидромониторных до­лотах больше. Перепад давления в долотах, особенно гидро­мониторных, является полезной нагрузкой насоса, так как вы­сокая скорость истечения промывочной жидкости способствует разрушению породы, улучшает очистку забоя и охлаждение до­лота.

Потери давления в турбобуре зависят от его технической характеристики и необходимой в конкретных условиях мощ­ности на валу. Значение р& может быть принято на основе тех­нологических соображений.

(2.32)

В практике гидравлических расчетов, связанных с анализом и проектированием технологических режимов турбинного бу­рения, принято выражать потери давления в турбобуре фор­мулой

рт = рн—а02,

где рн— давление на выкиде насосов, МПа; С— расход про­мывочной жидкости, л/с; а — суммарный коэффициент сопро­тивления в гидравлическом тракте, МПа • с2/л2.

При определенной глубине скважины и прочих неизменных условиях а не зависит от (?2. Определив на основе гидравличе­ских расчетов по формуле (2.19) при р5=0 и &=1 величину суммарных потерь давления в гидравлическом тракте р при ка­ком-либо одном определенном расходе жидкости, можно найти постоянное значение а из выражения

(2.33)

а = pH2а.

В дальнейшем, используя полученное значение а, можно с помощью формулы (2.32) проследить влияние расхода жид­кости на гидравлическую мощность турбобура.

Для современного алмазного бурения в связи с тенденцией к уменьшению диаметра скважины, повышению частоты вра­щения инструмента, внедрением снарядов ССК и бурильных труб новой отраслевой нормали ОН-41-1—68 характерны узкие кольцевые каналы между колонной и стенками скважины, кер­ном и керноприемной трубой, между трубами двойных колонко­вых наборов и пр., а также высокие окружные скорости одной или обеих стенок круглых и кольцевых каналов. За счет нало­жения на осевое движение вращательного поток жидкости дви­жется по винтовой линии, угол подъема которой зависит от частоты вращения колонны. В винтообразном потоке возникает
поле центробежных массовых сил. Их активное воздействие (при вращении внутренней границы канала) выражается в по­вышении гидродинамических потерь давления, консервативное (при вращении наружной границы) — в снижении потерь. В обоих случаях изменения потерь давления пропорциональны отношению окружной скорости стенки канала к усредненной осевой скорости потока V. Кроме того, гидравлические потери в узких кольцевых каналах снижаются с увеличением эксцент­риситета пропорционально отношению внутреннего диаметра канала к внешнему й^Г). Детальный учет этих явлений при различных режимах движения ньютоновских и вязкопластич* ных жидкостей сложен. При высоких частотах вращения ССК или новых бурильных труб, по диаметру приближенных к диа­метру скважины, ‘гидравлические потери восходящего потока в затрубном пространстве на 1—2 порядка выше потерь в бу­рильной колонне. Особенно сильно возрастают потери давления при использовании даже малоглинистых и других структуриро­ванных промывочных жидкостей, в связи с чем их применение при бурении ССК нерационально.

При бурении ССК с промывкой водой и водомасляными эмульсиями потери давления в восходящем винтообразном по­токе при турбулентном режиме приближенно можно определить по формуле Дарси — Вейсбаха (2.20), но увеличенный за счет быстрого вращения колонны коэффициент сопротивления % в этом случае вычисляется с помощью эмпирической формулы

к = * [1 + 0.45;(-^У]1/2, (2.34)

где % — коэффициент сопротивления при осевом турбулентном движении жидкости; V— средняя по сечению канала расходная скорость восходящего потока, м/с; со — окружная частота вра­щения колонны, определяемая из выражения

® = м/с, (2.35)

60

где п — частота вращения, об/мин; с?2 — наружный диаметр бу­рильной колонны, м.

Поскольку влияние вращения колонны на нисходящий поток в бурильных трубах незначительно, потери давления в них в пер­вом приближении можно определять обычными приемами.

Гидравлические потери давления в скважине возрастают из-за наличия шлама в восходящем потоке. Увеличение потерь давления зависит от количества шла’ма, образующегося в еди­ницу времени, плотности породы и средней массовой скорости движения шлама, зависящей, в свою очередь, от его грануло­метрического состава и формы частиц. В специальных руко­водствах изложены методы расчета, учитывающие совместное проявление этих факторов. Необходимость учета влияния шлама на потери давления возникает при высоких скоростях бурения, в особенности сплошным забоем.

Гидродинамическая обстановка в скважине резко меняется при выполнении спуско-подъемных операций. При подъеме сна­ряда снижается давление в стволе, что может вызвать водопро- явления, обвалы и обрушения породы, выбросы нефти и газа. При спуске снаряда давление сильно возрастает, что может привести к потерям циркуляции, к гидравлическому разрыву пласта. Перепады давления при спуско-подъемных операциях зависят от скорости их выполнения и возрастают с уменьше­нием зазоров между стенками скважины и снаряда, с увеличе­нием статического напряжения сдвига заполняющей скважину жидкости. Как показали специально проведенные измерения, в разведочных скважинах диаметром 76 мм, заполненных гли­нистым раствором, перепады давления при спуско-подъемных операциях достигали 5,8—6,7 МПа. Гидравлические расчеты колебаний давления при спуско-подъемных операциях сква­жины сложны. Они имеют целью разработку мер борьбы с ос­ложнениями из-за резких колебаний давления. Хорошим сред­ством их предупреждения является применение аэрированных жидкостей и пены, выравнивающих колебания давления за счет сжимаемости.

Затраты энергии на прокачивание промывочной жидкости по циркуляционной системе скважины возрастают с глубиной и многократно превышают затраты энергии на вращение ко­лонны и полезную работу разрушения породы забоя. Актуаль­ной задачей является всемерное снижение гидравлических со­противлений в скважине и утечек жидкости через неплотности соединений бурового снаряда. Например, за счет придания удобной обтекаемой формы местным сужениям канала в соеди­нениях снаряда удавалось снизить суммарные потери давления на 30—40%. Во многих случаях перспективно использование эффекта Томса, заключающегося в ламиниризации и снижении потерь давления потока за счет добавок к жидкости ничтож­ного количества водорастворимых полимеров с длинноцепочной структурой макромолекулы (типа полиоксиэтилена, гуаровой смолы и др.) модифицированного крахмала, метилкарбоксиме- тилцеллюлозы, окзила и других пластифицирующих веществ. Добавкой к воде 0,3 % полиглицерина удается снизить потери давления на 15—20%.

Мощность на привод насоса. Необходимую для привода на­соса мощность двигателя определяют по формуле

N = 10*—, кВт, (2.36)

Г)

где (} — расход промывочной жидкости, м3/с; р — рабочее дав­ление, МПа; г) — к. п. д. насоса и привода (г1 = 0,8-^0,75).

Современные насосы для бурения изготовляются со смен­ными втулками цилиндров, что позволяет путем уменьшения подачи насоса повышать его максимальное рабочее давление при неизменной мощности на, привод. При гидравлических рас­четах максимальную потребную подачу насоса для выноса шлама следует, как правило, определять при наибольшем диа­метре бурения (начальном), а максимальное рабочее давле­ние— при наибольшей глубине скважины.

Комментарии запрещены.