Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ теории и практики бурения горизонтально- направленных скважин при разработке нефтяных и газовых месторождений 12
1.1. Особенности и состояние разработки месторождений углеводородов горизонтально-направленными скважинами 12
1.2. Анализ осложнений и методов их предотвращения при бурении горизонтально-направленных скважин 17
1.3. Направления и перспективы совершенствования гидродинамических
процессов при бурении горизонтально-направленных скважин 22
Выводы и постановка задач исследований 27
ГЛАВА 2. Теоретический анализ гидродинамики вращательно-поступательных течений жидкости 29
2.1. Общие сведения о гидродинамических процессах при вращательно-поступательном течении 29
2.2. Теория устойчивости двухмерных вращающихся потоков. Основные гидродинамические закономерности 31
2.3. Принципы проектирования установок с регулируемыми гидродинамическими параметрами вращательно-поступательного течения жидкости в кольцевом канале 42
Выводы по главе 2 50
ГЛАВА 3. Методика исследований 52
3.1. Исследования реологических свойств растворов 53
3.2. Исследование условий формирования и технологических свойств вращательно-поступательного течения в кольцевом горизонтальном канале ...55
3.2.1. Экспериментальный стенд. Порядок работы на стенде 56
3.2.2. Моделирование процессов и их подобие 60
ГЛАВА 4. Исследование условий формирования, гидродинамических процессов и технологических свойств вращательно-поступательного течения жидкости в кольцевых горизонтальных каналах 62
4.1. Исследование реологических свойств промывочных жидкостей 62
4.2. Исследование транспортирующих свойств промывочных жидкостей в кольцевом горизонтальном канале при осевом течении (без вращения) 64
4.3. Изучение гидродинамических процессов при формировании устойчивых вращательно-поступательных течений в горизонтальных кольцевых каналах..67
4.4. Исследование транспортирующих свойств вращательно-поступательного течения ..81
4.5. Основы проектирования и расчета гидродинамических элементов для формирования вращательно-поступательного течения промывочной жидкости 82
Выводы по главе 4 90
Общие выводы и рекомендации 92
Список литературы
- Особенности и состояние разработки месторождений углеводородов горизонтально-направленными скважинами
- Общие сведения о гидродинамических процессах при вращательно-поступательном течении
- Исследование условий формирования и технологических свойств вращательно-поступательного течения в кольцевом горизонтальном канале
- Исследование реологических свойств промывочных жидкостей
Введение к работе
Актуальность темы. Новые технологии, основанные на применении горизонтальных и горизонтально-разветвленных скважин, внесли существенный вклад в развитие теории и практики мировой добычи углеводородов. Диапазон показателей эффективности применения «горизонтальных технологий» достаточно широк. Прежде всего, значительно возрастают дебиты скважин, за счет снижения депрессии увеличивается продолжительность безводного периода эксплуатации. Перспективным направлением повышения эффективности извлечения углеводородов из недр, особенно на поздней и завершающей стадиях, при вовлечении в активную разработку недренируемых и слабодренируемых запасов, являются технологии на основе систем или отдельных скважин с горизонтальным окончанием ствола. В области бурения горизонтальных скважин основным направлением работ стало создание технических средств, технологий вскрытия и освоения продуктивных пластов. Сдерживающим фактором в этой области является отсутствие методических рекомендаций, учитывающих специфику гидродинамических процессов при бурении горизонтальных стволов. Анализ показывает, что вследствие неэффективной очистки горизонтального ствола скважин происходят различного рода не только осложнения, но и аварии, при этом дополнительные затраты могут достигать от 10 до 60% общих расходов на строительство скважин. Решение проблемы снижения капитальных затрат на строительство горизонтально-направленных скважин, за счет совершенствования гидродинамических процессов при бурении, является одной из актуальных задач.
В своих исследованиях автор опирался на труды известных отечественных и зарубежных специалистов в области термогидравлических процессов, как Аветисов А.Г., Акзамов Ф.А., Акопов Э.А., Булатов А.И., Варламов Е.П., Горшков Л.К., Гольдштик М.А., Григорян Н.А., Калинин А.Г., Кафаров В.В., Кудряшов Б.Б., Леонов Е.Г., Мирзаджанзаде А.Х., Мавлютов М.Р., Николаев Н.И., Прокопенко B.C., Рейнер М., Рейнольде О., Рябченко В.И., Санников Р.Х., Седов Л.И., Слюсарев Н.И., Тейлор Г., Устименко Б.П., Шищенко Р.И., Щукин В.И., и др.
Рассмотренные положения позволяют заключить, что вопрос влияния вращения на гидродинамические процессы для повышения транспортирующих свойств промывочной жидкости, особенно при бурении горизонтальных скважин, является актуальным.
Цель работы - повышение эффективности бурения горизонтально-направленных скважин за счет совершенствования гидродинамических циркуляционных процессов, предотвращающих осложнения, связанные с нарушением устойчивости стенок скважины, образованием застойных зон, сепарацией шлама при значительном снижении энергозатрат.
Идея работы заключается в формировании устойчивого вращательно-поступателыюго движения промывочной жидкости в кольцевом канале горизонтальной скважины непосредственно энергией потока и обосновании методов регулирования гидродинамических параметров и структуры потока по степенному закону с учетом конкретных геолого-технических условий.
Задачи исследований:
• анализ тенденций и основных проблем технологий бурения горизонтально-направленных скважин;
• исследование факторов, вызывающих осложнения в процессе бурения горизонтальных скважин;
• установление условий формирования устойчивого вращательно-поступательного течения ньютоновских и неныотоновских жидкостей, непосредственно энергией потока в кольцевом канале;
• оценка влияющих факторов на транспортирующую способность промывочной жидкости с различными реологическими свойствами при вращательно-поступательном течении в горизонтальном кольцевом канале;
• исследование процессов преобразования структуры вращательно-поступательного течения потока, установление допустимых значений определяющих параметров для регулирования технологических процессов;
• установление закономерностей и обоснование физических и математических моделей для проектирования процесса промывки горизонтально-направленных скважин;
• обоснование принципов проектирования и расчета специальных гидродинамических элементов в комплексе с компоновкой низа бурильной колонны, обеспечивающих управление технологическими процессами бурения.
Методика исследований.
Исследования проводились по следующей общей схеме:
• анализ и обобщение отечественных и зарубежных литературных данных;
• разработка методик исследования на основании теории подобия, размерностей и планирования экспериментов;
• аналитические, лабораторные, экспериментальные исследования на специальных стендах, обеспечивающих вращательно-поступательное течение потока, запись осциллограмм, визуализацию процессов;
• математическая статистика, разработка программ для обработки результатов исследований на ЭВМ;
• разработка рекомендаций и технологии промывки горизонтально-направленных скважин вращательно-поступательным течением промывочной жидкости в кольцевом канале для внедрения в практику бурения при различных геолого-промысловых условиях.
Научная новизна работы заключается в установлении и экспериментальном подтверждении возможности формирования устойчивого вращательно-поступательного течения, промывочной жидкости в кольцевом канале при бурении горизонтально-направленных скважин и регулирования гидродинамических параметров в режиме постоянства циркуляции или по закону «твердого тела».
Защищаемые научные положения:
1. Высокими транспортирующими свойствами обладают потоки устойчивого вращательно-поступательного течения, которое обеспечивается как для ньютоновских, так и неньютоновских жидкостей начиная от минимального значения числа Фруда равного 1 (Frep l), при этом, силы вязкости оказывают стабилизирующую роль и для ньютоновской жидкости минимальное значение критерия Рейнольдса составляет 45 (Reep 45) при прямо пропорциональной его связи с окружной скоростью ( евр - и ), а для неньютоновских Reep 20, при функциональной связи по параболическому закону вр а .
2. Переход структуры вращательно-поступательного течения жидкости к структуре, приобретающей свойство «твердого тела», достигается при параболическом распределении осевой скорости потока на входе в лопастной завихритель, а на выходе создаются условия, когда окружная составляющая скорости больше осевой при степенном законе распределения VV = COYlSt, если и= - /, при этом инерционные силы должны преобладать над силами вязкости, а массовые силы консервативно влиять на поток.
3. Одним из основных направлений повышения эффективности технологии бурения горизонтально-направленных скважин, является формирование процессов движения в кольцевых каналах промывочной жидкости с устойчивым вращательно-поступательным течением с заданными свойствами, которые возможно осуществлять за счет включения в компоновку низа бурильной колонны специальных гидродинамических элементов, обеспечивающих степенной закон закрутки VY — COYlSt .
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с использованием контрольно-измерительной аппаратуры высокого класса, современных компьютерных технологий. Степень точности полученных экспериментальных данных оценивалась с вероятностью 0,9-0,95. Достоверность подтверждается высокой сходимостью расчетных величин с опытными данными.
Практическая значимость работы.
• Доказана принципиальная осуществимость, потенциальные возможности и эффективность технологии бурения горизонтально-направленных скважин без осложнений, за счет формирования и регулирования энергией потока устойчивого вращательно-поступательного течения промывочной жидкости в кольцевом канале.
• Определены критериальные параметры, при которых обеспечивается устойчивое вращательно-поступательное течение промывочной жидкости с различными реологическими свойствами, в соответствии с законом иг" = const.
• Получены закономерности перехода устойчивого вращательно-поступательного течения потока к структуре вращения по закону «твердого тела» при различной концентрации твердых частиц.
• Обоснован принцип проектирования и расчета специальных гидродинамических элементов в комплексе с компоновкой низа бурильной колонны, обеспечивающих регулирование дифференциального давления в режиме: компрессия, равновесие, декомпрессия.
• Технические решения, обоснованные теоретическими и экспериментальными исследованиями защищены Патентами РФ № 2160818, № 2270159.
Апробация работы. Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2004, 2005); VII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, Московский государственный геолого-разведочный университет МГГРУ, 2005); Международной конференции «Второй международный симпозиум «Геотехнология: скважинные способы освоения месторождений полезных ископаемых»» (Москва, Российский университет дружбы народов РУДН, 2005); Международной конференции «Повышение качества строительства скважин» (Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет УГНТУ, 2005); Международной конференции «Drilling oil & gas» (Poland, Cracow, AGH University of Science and Technology, 2006); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы нефтегазового дела» (Октябрьский, филиал Уфимского государственного нефтяного университета ОФУГНТУ, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ и получено 2 патента РФ.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц, 24 иллюстрации, списка литературы, включающего 97 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется основная идея, научная новизна, приводятся данные о ее структуре.
В первой главе дан анализ, научное обобщение и оценка состояния технологии и особенностей гидродинамических процессов при бурении горизонтально-направленных скважин, указаны сдерживающие факторы их эффективной проводки, сформулированы задачи исследования.
Вторая глава содержит теоретическое обоснование условий устойчивости циркуляционного течения жидкостей и выбор критериальных зависимостей для установления закономерностей процессов, связанных с вращательно-поступательным движением в кольцевых горизонтальных каналах. Показано, что существующие полуэмпирические модели на основании уравнения Навье-Стокса позволяют только в упрощенной форме, качественно проанализировать механизм формирования вращательно-поступательного течения. Обосновано, что сложное распределение поля скоростей вращательно-поступательного течения и установление закономерностей перехода к структуре по закону «твердого тела» можно оценить только экспериментальным методом, применительно к определенным условиям протекания процесса.
В третьей главе изложена методика исследований, требования к конструкции стенда и визуализации процессов, средствам контроля для оценки основных факторов и закономерностей, методологические вопросы планирования и проведения эксперимента, обработка опытных данных моделированием на основе критериальных параметров.
Четвертая глава посвящена исследованию транспортирующих свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей в кольцевых горизонтальных каналах, как при осевом, так и при вращательно-поступательном течении, условиям формирования устойчивого вращательно-поступательного течения, обоснованию закономерностей перехода течения потока к структуре по закону «твердого тела», установлению критериальных зависимостей для определения границ области их существования, проектированию и расчету специальных гидродинамических элементов в комплексе с компоновкой низа бурильной колонны и условиям регулирования значения дифференциального давления в режиме компрессия, равновесия, декомпресии.
Особенности и состояние разработки месторождений углеводородов горизонтально-направленными скважинами
Возникновению идеи применения горизонтальных скважин (ГС), для повышения нефтеотдачи пластов и темпов разработки месторождений, насчитывается более 70 лет. Однако технологии разработки нефтяных и газовых месторождений с применением горизонтальных скважин стали бурно развиваться, как за рубежом, так и в России, с конца 70-х годов прошлого века.
Новые технологии, основанные на применении ГС, по мнению Н.К. Байбакова [6], коренным образом изменили практику и теорию мировой добычи углеводородов. Дебиты скважин, имеющих горизонтальное окончание большой протяженности, значительно возросли. Появилась возможность эксплуатировать месторождения раздельными сетками скважин, снижать депрессии, увеличивать продолжительность безводного периода эксплуатации скважин. На некоторых месторождениях запасы нефти, ранее считавшиеся неизвлекаемыми, в настоящее время вырабатываются в промышленных масштабах, повысилась эффективность методов повышения нефтеотдачи, и значительно улучшились основные показатели разработки [2, 3,4].
В последние десятилетия, технология разработки месторождений с применением ГС осваивается во многих нефтегазодобывающих регионах РФ. Начиная с 1988 года разработка нефтяных месторождений в Башкирии, осуществляется с применением бурения горизонтальных скважин. Практически все ГС, пробуренные на Михайловском, Татышлинском, Лемезинском, Усень-Ивановском, Старцевском, Балкановском и на опытном участке Арланского месторождения, показали эффективность их применения. Несмотря на то, что стоимость ГС превышала стоимость вертикальных в 1,4 - 2,5 раза, их продуктивность повысилась в 1,5-6 раз [20].
Освоение горизонтальных технологий в республике Татарстан было начато в 1978 году и к концу 90-х годов применение ГС составило свыше 40% от общего числа скважин. Их применение дает высокий экономический эффект [64,65, 87, 90]. В ПО Саратовнефтегаз накоплен богатый опыт бурения ГС. При этом средний дебит, по сравнению с вертикальными скважинами, увеличивается в 6 -8 раз [39].
В работе [19] дается обоснование применения ГС на месторождениях Республики Саха (Якутия). По результатам технико-экономических проработок доказывается, что ГС могут использоваться как на стадии разведки, так и на стадии разработки месторождения.
Технологии разработки нефтяных месторождений ГС нашли применение и на месторождениях Западной Сибири. Реализуются проекты разработки с использованием ГС Ем-Егоровского и Мало-Балыкского месторождений, а так же Федоровского месторождения. На опытном участке Самотлорского месторождения, дебиты горизонтальных скважин в 3-11 раз превысили дебиты вертикальных и наклонно-направленных скважин [70, 79, 81].
Успешно ведется освоение технологии разработки залежей углеводородов на нефтегазоконденсатных месторождениях. На Оренбургском месторождении пробуренная в 1990 году ГС дала 2,5 кратное увеличение продуктивности, по сравнению с вертикальной скважиной.
На Восточно-Таркосалинском нефтегазоконденсатном месторождении введены в эксплуатацию три ГС, продуктивность которых выше продуктивности вертикальных скважин в 5 раз [40,41].
За рубежом многие подрядные и сервисные организации провели реорганизацию своих структур, с целью создания отдельных подразделений для изучения и применения новых технологий, связанных с бурением ГС.
Высокая эффективность технологии разработки нефтяных месторождений ГС достигнута на уникальных месторождениях Ближневосточного региона.
Пробуренные в Саудовской Аравии, Омане и Египте ГС дают дебиты в 2-10 раз выше, чем вертикальные скважины. Руководство фирмы Aramco считает, что усовершенствование технологий горизонтальной проводки стволов может увеличить нефтеотдачу на 5-10%, что приведет к увеличению запасов на 1,7-3,5 млрд.т. Экономическая эффективность применения горизонтальной технологии в Саудовской Аравии, достигается за счет увеличения производительности скважин на 150-400%, снижения общего числа скважин на 70%, что приводит к снижению расходов на бурение, сокращению расходов на обработку воды и газа на 50%, увеличению извлекаемых геологических запасов нефти на 5-10%), продлению срока фонтанной эксплуатации [91, 92, 93, 95].
Общие сведения о гидродинамических процессах при вращательно-поступательном течении
Вращательно-поступательное течение широко используется в многочисленных областях - энергетике, химической промышленности, трубопроводном транспорте и пр. Такое течение существует в целом ряде промышленных установок. Число областей использования вращательно-поступательных течений постоянно растет. В классических типах плазмотронов хорошо зарекомендовала себя термоизоляция стенок камеры вращающимся потоком холодного газа [27, 28].
Рассматривая физико-химическую природу гидродинамических процессов, можно выделить несколько явлений, которые непосредственно связаны с условиями таких течений: распределение взвешенных частиц в объеме жидкости или предотвращение их оседания; массообмен; теплообмен и др. [43].
Циркуляционные зоны в закрученных потоках могут иметь различную природу - инерционную, вихревую, вязкую, что требует для разных случаев соответственно различные математические рассмотрения. Например, при обтекании твердого тела в закрученных потоках может образовываться циркуляционный «мешок», расположенный в приосевой области и полностью изолированный от стенок [21]. Интенсивное вращение потока, играет положительную роль не только для создания непроточной зоны и для увеличения длины этой зоны, но и для повышения устойчивости потока за счет плотности стратификации в поле центробежных сил.
Основой многих технических применений вращающихся потоков, служит поле центробежных ускорений, которые могут достигать значений в сотни и тысячи раз превышающих ускорение свободного падения [17, 36].
Движение частиц относительно жидкости под действием центробежной силы определяется теми же закономерностями, что и осаждение под действием силы тяжести. Различие заключается в том, что в данном случае роль ускорения свободного падения g выполняет центростремительное ускорение J ц Iг , и в связи с этим скорость движения крупных частиц в радиальном направлении может быть выражена, как: ц=а оси14ёГ , (2.1) где соц - локальное значение скорости радиального движения крупных частиц на радиусе г, м/с; 0)ос - скорость осаждения частиц под действием силы тяжести, м/с; U - окружная скорость жидкости по радиусу, м/с.
Изменение окружной скорости по радиусу г чаще всего описывают, на основе модели «комбинированного вихря» [15].
Основой расчета скорости при использовании модели «комбинированного вихря», служат эмпирические соотношения связывающие угловую скорость вынужденного движения о и его радиус с характеристиками гидродинамических элементов и со свойствами среды (рис.2.1).
Впервые работы по устойчивости вращающихся жидкостей были выполнены Релеєм [42]. Его теория основывается на аналогии между вращающейся жидкостью и горизонтальным слоем неоднородной по плотности жидкости в поле сил тяжести. Аналог постоянства плотности - постоянство циркуляции 2лГ рассматриваемой частицы жидкости. Для каждого элемента Л _ г-2 жидкости центробежная сила ро рГ з . Следовательно с каждым таким Ell элементом можно связать «потенциальную энергию» 2 . Для устойчивости вращения величина Ґ должна монотонно возрастать с ростом радиуса.
Более точная интерпретация этого результата была, выполнена Т.Карманом. Он установил, что условием равновесия является математическая связь:
Если для некоторой частицы равновесие нарушено и Т , то она движется к оси вращения. Если частица, находящаяся на расстоянии г от оси, имеет циркуляцию Г], то при ее смещении на расстояние г, будет действовать центробежная сила. Следовательно, условием устойчивости одномерно вращающегося потока по отношению к одномерным возмущениям, является неравенство - критерий Релея. dr2 dr Р-3 Для осесимметрических возмущений в 1923 году Тейлор установил, что невыполнение условия (2.3) приводит к возникновению в потоке вторичного течения с правильным чередованием вихрей с правым и левым вращением. Достаточно полный обзор этих процессов дается в работах С.Чандрасекара, где дается утверждение, что условие (2.3) сохраняет силу и для двухмерных возмущений во вращательно-поступательном потоке с произвольно установившимися профилями скоростей V — V I Г и О — VV \Г) , pu2 _ РГ2
Принимая во внимание условия равновесия по Т.Карману - параметр циркуляции Ґ соответствует значению Г — V Т ,
Следовательно, условие устойчивости вращательно-поступательного потока может характеризоваться зависимостью: dr U, (2.4)
Для теоретического обоснования явления нарушения устойчивости потоков в кольцевом канале, проанализируем физическую картину сохранения устойчивости. С этой целью рассмотрим, какой-нибудь произвольный элемент жидкости и предположим, что под действием возмущающих факторов он смещается с траектории своего движения. При этом появляются силы, действующие на смещенный элемент. Для устойчивости основного движения, необходимо чтобы эти силы стремились вернуть смещенный элемент в исходное положение. Предположим, что элемент жидкости с массой m движется в невозмущенном потоке по окружности о = COVISI (рис.2.2).
Исследование условий формирования и технологических свойств вращательно-поступательного течения в кольцевом горизонтальном канале
Наиболее важной характеристикой вращательно-поступательного потока является угол (р между вектором скорости потока и осью трубы. Этот угол может изменяться по радиусу и длине трубы. Устойчивость вращательно-поступательного потока оценивалась визуализацией прозрачного потока (минерализованная вода, раствор полиакриламида) с помощью шелковых нитей закрепленных на расстоянии 1 мм от внутренней поверхности наружной трубы и внешней поверхности внутренней трубы. По шелковой нити закрепленной к поверхности внутренней трубы качественно оценивалось условие течения в противоположную сторону. При визуализации вводились специальные красители. Более точные значения характеристик потока определялись с помощью осциллограмм, зарегистрированными датчиками при вводе магнитного порошка, а также по магнитному шарику, закрепленному на шелковой нити к внутренней трубе.
Изменение скорости потока по радиусу при вращательно-поступательном течении осуществлялось косвенным методом по диапазону изменения динамического давления в поперечном сечении кольцевого канала. С этой целью применялись датчики давления установленные в трех местах по длине и в кольцевом сечении у внутренней поверхности наружной трубы и в кольцевом сечении у внутренней поверхности наружной трубы и на половине расстояния от внутренней до наружной трубы. Радиальный градиент динамического давления зависит от скорости движения жидкости и ее плотности.
При исследовании вместо условий неразрывности потока, использовались условия постоянного расхода жидкости в трубе.
Стенд представляет собой модель скважины с кольцевым каналом (внешняя труба стеклянная іївн=0,07м, внутренняя буровая deHeiu=0,042). Вращательно-поступательное движение в кольцевом канале обеспечивалось лопастным завихрителем с радиусом лопасти, практически равным радиусу трубы при осевом параболическом подводе промывочной жидкости на лопасти.
Принципиальная схема стенда, приведена на рис.3.1. Конструкция экспериментального стенда позволяет изучать выносные свойства различных потоков, визуально наблюдать за условиями формирования и устойчивостью вращательно-поступательного течения жидкости в кольцевом канале, подавать в кольцевой канал твердые частицы, магнитные порошки, красители и изучать изменения выносных характеристик в зависимости от степени закручивания жидкости.
Для измерения скорости вращения турбинки и степени закрутки потока использовался осциллограф Н-115. С этой целью на одной из лопастей колеса было сделано магнитное напыление, а в поток вводился магнитный материал yF Oj. Кроме того, вращение потока оценивалось стробоскопическим и тахометрическим методами и специальными шелковыми нитями закрепленными на трубах образующих кольцевой канал. Твердые частицы заданной плотности, диаметра и концентрации подавались в поток на входе в центратор с направляющими пазами под углом 30-60 специальным устройством, которое защищено патентом РФ №2270159 [72, 73, 74, 75].
Длина каждого центратора больше его диаметра. Число пазов в центраторе на одно превышает число лопастей мешалки.
Для измерения давления в кольцевом канале использовались датчики давления ДЕМ-105 с диапазоном измерения (20-1000 кПа).
Исследование реологических свойств промывочных жидкостей
Большая часть осложнений при бурении горизонтальных скважин с применением забойных двигателей обусловлена не эффективным удалением шлама, это приводит к прихвату невращающейся колонны бурильных труб, особенно в области близкой к центраторам.
Разработанный стенд с прозрачной трубой позволяет визуально наблюдать за процессом выноса твердых частиц эквивалентных буровому шламу. Характерная особенность выноса частиц заключалась в том, что твердые частицы движутся по криволинейной траектории, то поднимаясь, то опускаясь на «лежачую» стенку кольцевого канала. По существу, частица совершает скачкообразные движения вдоль оси трубы. Очевидно, это связано с тем, что подъемная сила, действующая на частицу, может быть только следствием вертикальных составляющих скоростей потока. Влияние силы тяжести частиц обусловливает неравномерное по высоте сечение горизонтального потока распределение твердых частиц. Процесс движения твердых частиц в горизонтальном направлении объясняется возникновением под воздействием потока подъемной силы, действующей на твердую частицу. Скорость витания твердых частиц в горизонтальном потоке вследствие снижения сил обтекания относительно сил гравитации, больше чем в вертикальных потоках. Было замечено, что движение твердых частиц в горизонтальной трубе может осуществляться при скоростях меньших скорости витания, вследствие перекатывания и волочения. Для этого необходимо преодолеть силы трения между частицами и стенкой. Известно, что сила трения равна произведению веса частиц на коэффициент трения, который меньше единицы. Поэтому для волочения и перекатывания частиц в горизонтальном направлении сила воздействия потока может быть меньше сил их тяжести.
Распределение твердых частиц в потоке, зависит от скорости транспортирующего потока. При высоких скоростях, твердые частицы равномерно распределяются по поперечному сечению трубы. Снижение скорости приводит к увеличению неравномерности распределения твердых частиц и даже выпадению отдельных частиц на дне трубопровода. При дальнейшем снижении скорости, неравномерность распределения еще больше возрастает. При этом частицы в нижней части трубы остаются неподвижными и частичное транспортирование твердых частиц осуществляется лишь в верхней части поперечного сечения трубы. Скорость, необходимая для транспортирования частиц в горизонтальном направлении без перекатывания и волочения, с относительно равномерным заполнением объема трубы, всегда должна быть выше их скорости витания в вертикальном потоке.
Режим течения бурового раствора в кольцевом вертикальном канале определяется в первую очередь необходимостью гидротранспорта на поверхность. Шлам выносится на поверхность, если скорость восходящего потока больше скорости осаждения частиц шлама. Поэтому интенсифицировать очистку ствола скважины от шлама, можно либо путем увеличения скорости восходящего потока, либо путем уменьшения скорости осаждения частиц за счет увеличения показателей реологических свойств.
Экспериментально установлено, что при транспортировании твердых частиц при равной допустимой концентрации в горизонтальном кольцевом канале, при невращающейся бурильной колонне, необходимая скорость потока в 2-2,5 раза превышает скорость потока в вертикальном канале, определяемую по общепринятой методике скорости витания (рис.4.2).
Формирование поля скоростей при вращательно-поступательном течении жидкости определяется, прежде всего, движущими силами, приложенными к жидкости извне и являющимися причинами заданного течения, а также уравновешивающим гидравлическим сопротивлением на неподвижных поверхностях, ограничивающих поток, при сопровождающемся процессе обмена энергии между соседними слоями жидкости. Рассматривать характеристики такого течения необходимо с позиции общих физических закономерностей. В инженерной практике для установления закономерностей, широко применяется графоаналитический метод с использованием результатов экспериментальных (опытных) данных. В теоретической части работы обоснован принцип формирования вращательно-поступательного движения потока местным лопастным завихрителем с использованием энергии циркуляционной жидкости.
