Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор условий и расчётов промывки при бурении скважин на месторождениях Ирака 8
1.1. Общая характеристика месторождений юга Ирака 8
1.2. Месторождения юга Ирака 12
1.3. Влияние термо-барических условий в разрезе на свойства бурового раствора 16
1.4. Потери давления в элементах циркуляционных систем
1.4.1. Точная формула Букингама 28
1.4.2. Уравнение Хагена- Пуазейля 30
1.4.3. Уравнение Дарси - Вейсбаха 31
1.5. Постановка основных задач исследования 36
2. Основные типы водных буровых растворов на месторождениях Ирака. Влияние температуры на их реологию и фильтратоотдачу .37
2.1. Методики экспериментальных исследовании реологических свойств растворов 37
2.2. Фильтратоотдача растворов 44
3. Установившиеся течения жидкостей в элементах циркуляционной системы скважины 50
3.1.Уравнения установившихся течений однородных несжимаемых жидкостей 50
3.2.Расчет давлений при ламинарных течениях вязких несжимаемых жидкостей в трубах и концентричных кольцевых каналах 50
3.3. Расчет давлений при ламинарных течениях вязкопластических жидкостей в трубах и концентричных кольцевых каналах 54
3.4.Расчет давлений при турбулентных течениях в трубах и концентричных кольцевых каналах 85
3.4.1. Турбулентное течение 88
3.5. Переход от ламинарного режима течения к турбулентному...96
3.5.1. Переход от ламинарного режима течения к турбулентному в трубах 96
3.6. Потери давления в местных сопротивлениях 100
3.6.1. Замковые соединения 103
3.6.2. Насадки долота 104
3.7.Гидравлический расчет при бурении с промывкой несжимаемыми жидкостями 107
3.7.1. Определение расхода промывочной жидкости, обеспечивающего очистку забоя и транспорт шлама в кольцевом пространстве 108
3.8. Расчёт потерь давления в элементах циркуляционной системы 109
3.9. Основные выводы и рекомендации 139
Список литературы
- Месторождения юга Ирака
- Постановка основных задач исследования
- Фильтратоотдача растворов
- Расчет давлений при ламинарных течениях вязкопластических жидкостей в трубах и концентричных кольцевых каналах
Месторождения юга Ирака
Для описания реологических свойств конкретных буровых растворов используются различные математические модели, с той или иной степенью точности, описывающие их реологическое поведение. В практике буровых работ Ирака чаще используется модель Шведова- Бингама, а для определения реологических характеристик этой модели: пластической (структурной) вязкости -ли динамического напряжение сдвега — т0 применяется вискозиметр Fann VG meter.
Совершенствованию буровых растворов, гидравлики и технологии их применения посвящены работы А. Г. Аветисова,0. К. Ангелопуло, Э. Г. Агабальянца, А. И. Булатова, В. Д. Городнова, Б.И. Есьмана,Э. Г. Кистера, Е. Г. Леонова, М. И. Липкеса, А. X. Мирзаджанзаде, Н. А. Мариампольского, А. И. Пенькова, Р. И. Шищенко, Дж. Р. Грея, Г. С. Г. Дарли, Дж. Л. Луммуса, Н. Маковея, Ф. Роджерса, Р. Э. Уокера и др.
Температура довольно существенно влияет на вязкость. При этом можно считать установленным, что в общем случае структурная вязкость л. буровых растворов, приготовленных любым способом, так же как и вязкость чистой воды, с увеличением температуры уменьшается. При этом вязкость раствора в сравнении с вязкостью воды может изменяться по-разному: снижаться несколько быстрее или медленнее [11,53].
Высокая температура может существенно влиять на буровые растворы и часто оказывается определяющим фактором, препятствующим применению той или иной рецептуры. Разнообразие растворов, а также процессов, которые могут проходить в них при нагревании, значительно снижает достоверность прогнозирования возможных изменений их технологических свойств. При нагревании обычно наблюдается диспергирование твердой фазы, физико-химические превращения минералов глин и реагентов, изменение растворимости солей и условий взаимодействия между компонентами системы, уменьшение вязкости дисперсионной среды[ 14,15,17,22,23,41 и ДР-] В настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин в Ираке применяют различные промывочные жидкости, отличающиеся как по составу основных материалов, так и по характеру химических реагентов, используемых для регулирования их свойств. Поэтому влияние температуры на свойства промывочных жидкостей следует рассматривать индивидуально для раствора каждого типа [16]. Влияние температуры на реологические свойства глинистых суспензий изучал М. Р. Мавлютов, который подтвердил полученные ранее данные об уменьшении пластической (структурной) вязкости с повышением температуры [31]. По данным К. Г. Гродде [82], вязкость глинистых растворов снижается при возрастании температуры почти пропорционально вязкости дисперсионной среды.
Авторы [16]определяли пластическую (структурную) вязкость растворов из различных глин на пресной и морской воде до и после воздействия температуры. Для некоторых из исследованных растворов наблюдалось снижение л после термостатирования при 180 С. Было установлено, что снижение пластической (структурной) вязкости при высоких температурах в отдельных случаях носит необратимый характер. Изменение динамического напряжения сдвига То суспензий каолина в пределах температур от 10 до 57С изучали М. П. Воларович и А. А. Леонтьева [8]. Они отметили, что в указанных температурных пределах т0 оставалось почти неизменным.
М.Р. Мавлютов [31], исследуя растворы с различными реологическими свойствами, показал, что с повышением температуры от 15 до 75 С несколько повышается динамическое напряжение сдвига т0. По данным Л. Д. Гурджиняна [14], точки перегиба кривой т0= f (Т) в интервале температур Т =10...100оС расположены в различных температурных пределах в зависимости от качества глины, концентрации дисперсной фазы, наличия электролитов и др.
Б. И. Есьманом и др. [16], было определено динамическое напряжена сдвига растворов из различных глин на пресной и морской воде после термостатированияпри 180 С. Из полученных результатов видно, что т0 естественных растворов изменяется значительно после термообработки. (Работу проводили с выдержанными растворами, в которых процессы диспергирования практически завершились).
Таким образом, на основании рассмотрения приведенных выше данных исследований глинистых растворов при высоких температурах и после воздействия на них высоких температур можно предполагать, что при высоких температурах свойства этих растворов изменяются в основном вследствие уменьшения гидратации глинистых частиц и в меньшей мере в результате структурных изменений самих глин.
Изменение свойств химически обработанных глинистых растворов под действием высоких температур прежде всего зависит от термостойкости используемого для обработки реагента.
Реагент из угля и щелочи (УЩР), широко применяемый в бурении для регулирования свойств глинистых растворов, относится к термостойким [1,14]. Известно, что при повышенных температурах увеличивается количество гуминовых веществ, извлекаемых из бурого угля, и ускоряется процесс экстрагирования. Т. А. Кухаренко и С. А. Шапиро [23] считают, что оптимальными условиями извлечения гуминовых веществ является варка сырья в кипящем щелочном растворе.
Постановка основных задач исследования
Процедура измерений на фильтропрессе включала следующие основные операции: 1. На. сетчатое дно 11 цилиндрической камеры 5 диаметром d =83мм. и высотой Lj =152мм. укладывали фильтровальную бумагу № 50. 2. Камеру 5 наполняли изучаемым раствором,чтобы уровень раствора располагался ниже крышки камеры на расстоянии L2 19мм . 3. Камеру помещали в обогревающий элемент 6. 4. При закрытых клапанах 8 устанавливали верхний и нижний регуляторы 9 на давления Pi = Р2 = 0,7МПа . 5. Открывали верхний клапан 8. Газом из верхного баллон 10 создавали на раствор давление Pi = 0,7МПа. Это давление поддерживали до стабилизации желаемой температуры,измеряемой термометром 7 . Время нагревания составляло 1 час. 6. Когда температура раствора поднималась до 422К, с помощью верхних регулятора 9 и клапана 8, поднимали давление на раствор до Pi = 4,2 МПа . 7.В течение 30 мин. собирали фильтрат в накопитель 3 ,поддерживая перепад давления, Ар = Pi - Р2 = 4,2 106 - 0,7 106 = 3,5 МПа и выбранную температуру с точностью ± 3 К . Если во время опыта давление в накопителе 3 несколько повышалось, то его снижали до Р2 = 0,7 МПа, приоткрывая нижний кран 2 и сливая некоторое количество фильтрата в мерный цилиндр 1. 8. В конце опыта сначала сбрасывали давление Pj на раствор до 0,7 МПа ,а затем синхронно уменьшали оба давления Pj и Р2 до атмосферного. Открывали выпускной кран 2 для слива остатков фильтрата в отградуированный мерный цилиндр 1.
Наряду с определением фильтратоотдачи при высоком давлении и температуре,её измеряли при нормальных условиях на модификации фильтропресса, который в основном отличается размерами камеры 5 на рис.
Камера имела d = 76 мм. и высоту Lj = 127 мм. Расстояние между крышкой и уровнем жидкости в камере брали L2 4 мм . Процедура опытов предусматривала следующие операции : 1 .Заполняли камеру 5 раствором . 2.При закрытых клапанах 8 устанавливали верхний регулятор 9 на давление Pi = 0,7 МПа. 3.Открыв нижний кран 2 создавали под сеткой 11 и в накопителе 3 атмосферное давление (Р2 = 0). 4.0ткрывая верхний клапан 8, создавали на раствор давление Pi = 0,7 МПа . 5.Под перепадом давлениея Ар = Pi — Р2 = 0,7 МПа собирали фильтрат в объёме V7,5 в мерный цилиндр 1 в течение времени t7;5 — 7,5 мин. б.Объём фильтрата, который можно собрать в течение t3o = 30 мин., рассчитывали по формуле 2.6 [ 59,92 , и др.]. Ф30= 7,5 (t30 / 7,5) 5 , (2.6) где фзо - объем фильтрата при 30 мин; ф7 5 - объем фильтрата при 7,5 мин; t3o-30 мин; t7j5-7,5 мин.
Если предположить, что закон Дарси справедлив, можно вывести основное дифференциальное уравнение, описывающее процесс водоотдачи через плоский фильтр, приняв, что скорость водоотдачи во времени изменяется прямо пропорционально перепаду давлений и обратно пропорционально вязкости жидкой фазы и толщине отложившейся корки [46]: где ф№ — объем отфильтровавшейся жидкой фазы; t — время; р — перепад давлений; п. — вязкость; ф5 — объем твердой фазы в фильтрационной корке; к — константа. Так как ф5 пропорционален фзд, ибо твердая фаза остается на фильтре, а чистая жидкость проходит через него, положим
Анализ приведенных опытных данных позволил сделать следующие выводы. 1.Повышение температуры и давления в изучаемых растворах (см. табл.2.1, рис. 2.2 и 2.3) приводит к снижению их реологических свойств (то иг]), т.е. к улучшению их прокачиваемости.
Насмотря на то,что при нагревании интенсифицируются процессы диспергирования твёрдой фазы,физико—химические превращения минералов глин и реагентов, растворимость солей и взаимодействие между компонентами системы, видимо,решающим является уменьшение вязкости дисперсной среды,также как имеет место в чистой воде.
Примерно двухкратный рост фильтратоотдачи при повышенной температуре и давлении (см. табл. 2.3) не вызывает существенного изменения термостабильности растворов и как показывают промысловые данные не сказывается на устойчивости пород в стенках открытого ствола скважин. 4. Изученные составы растворов удовлетворяют термо — барическим условиям промывки при бурении скважин до глубин 5000 м. на месторождениях Ирака.
Влияние температуры в формуле (2.11) непосредственно не учитывается. Однако температура играет важную роль. Влияние повышения температуры проявляется в изменении вязкости водной фазы и в ускорении химических реакций в промывочной жидкости. Последнее может привести к усилению диспергирования или к флокуляции глинистых частиц и соответствующему уменьшению или увеличению водоотдачи. Изменение вязкости воды при разных температурах показано в табл.2.4 для широкого диапазона температур [36].
Фильтратоотдача растворов
Если скорость потока в трубе относительно мала, то частицы жидкости перемещаются прямолинейно и их траектории параллельны оси трубы. Когда скорость превышает определенное значение, на это движение накладываются флуктуации (возмущения), которые привносят в поток некоторый беспорядок и приводят к смешению частиц раствора. Ламинарное течение сменяется турбулентным[5,6,32,46,56 и др.].
Вязкие жидкости. На поставленные вопросы для этого типа жидкостей ответ дал Осборн Рейнольде еще в 1883 г.
Хотя существование числа Рейнольдса было установлено эмпирическим путем, впоследствии посредством анализа размерностей было доказано, что он характеризует величину отношения сил инерции к силам вязкости, которые возникают в жидкости при течении. Экспериментальным путем было показано, что в трубах при Re 2100 имеет место только ламинарное течение. Если и возникают отдельные возмущения, при их исчезновении наведенная турбулентность иссякает. При значениях Re, превышающих 4000, течение, как правило, является турбулентным. Между этими двумя значениями существует переходная область течения, где характер движения зависит от его «предыстории», от входных условий, наличия источника возмущения и т. п. В условиях полного отсутствия вибраций (при надлежащем обустройстве входного участка трубопровода) ламинарное течение сохранялось и при гораздо больших значениях Re (до 100000). Однако такое течение, как правило, неустойчиво — при любом возмущении оно необратимо переходит в турбулентное.
Для практических расчетов принимается, что при Re 2100 течение всегда остается турбулентным [32,46,56 и др.].
Вязкопластические жидкости. Для неньютоновских жидкостей были предложены различные критерии определения характера движения. Некоторые из них представляют собою лишь обобщения (с учетом характерных свойств каждого типа жидкостей) числа Рейнольдса, тогда как другие являются новыми критериями устойчивости. Естественно, что для жидкости, характеризуемой несколькими реологическими параметрами, одного числа Рейнольдса недостаточно; необходимо иметь несколько безразмерных величин для определения характера режима течения[32 и др.]. К первой категории критериев относится обобщенное число Re , предложенное Колдуэллом и Бэббитом в 1941 г. Оно широко используется в многочисленных расчетах, касающихся течения буровых растворов [33,34,43,44,52,114]. Это число определяется путем замены в уравнении (3.4.8) вязкости ньютоновской жидкости приближенной эффективной вязкостью 4cf,a из выражения (3.5.2) для ненютоновской жидкости: Re = = /dp N, (3.5.1)
Следует отметить, что Tjef,a зависит не только от л и т0, но и от средней скорости v и диаметра трубы d. Предполагается, что переход от ламинарного режима к турбулентному происходит при Re = 2100. Если второй член в скобках намного превышает единицу, то из уравнения (3.5.1) легко определить критическую скорость, весьма удобную для ориентировочных расчетов. [6,46,32 и др.]: vK1,=\9J . (3.5.3) Для условий бурения более близкое к теоретическому значение достигается при использовании в уравнении (3.5.3) константы, равной 25.
О том, в какой мере приемлемо упрощение, введенное уравнением (3.5.1), говорилось в пункте 3.4.1.1. Лишним доказательством невозможности полностью охарактеризовать течение вязкопластических жидкостей одним числом Re является и то, что многочисленные опыты, проведенные в различных условиях, свидетельствуют о варьировании критического значения числа ReKp в довольно широком диапазоне — от 2000 до 8000.
На рис. 3.4.1 ламинарный режим характеризуется семейством прямых Х= l(Re) с числом Se в качестве независимого — это графическое представление параметра уравнения Букингема, а турбулентному режиму соответствует кривая А= X(Re), не зависящая от критерия Se или Не, т. е. от То. Переход от одного режима к другому происходит в окрестности пересечения линий, определяющих ламинарное течение, с кривой для турбу 99 лентного течения. Следовательно, число ReKp растет с увеличением критерия Se или Не: сплошная линия на рис. 3.5.1 определяется пересечением пучка прямых, соответствующих решению уравнения (3.4.6), с кривой турбулентного режима.
Этот метод определения перехода от ламинарного течения к турбулентному, введенный Хедстремом, получил широкое распространение [64,74,90,100,114].
В 1963 г. Хэнке [85] разработал общий критерий устойчивости ламинарного течения, который можно применять для жидкостей многих типов при различной конфигурации каналов.
Проведя теоретический анализ, Хэнке и Дадиа [86,87] смогли аналитически определить коэффициент гидравлического сопротивления А, в виде непрерывной функции критерия Re, как в переходном диапазоне, так и при турбулентном режиме.
Расчет давлений при ламинарных течениях вязкопластических жидкостей в трубах и концентричных кольцевых каналах
Эти результаты приведены в табл. 3.8.8 в единой системе единиц (Па) и нарис. 3.8.8. Расчёт потерь давления при турбулентном режиме течения буровых растворов при числах Рейнольдса от 2100 до 30000 по методикам распространенным в Ираке и России показывает близкие результаты, а при числах рейнольдса более 30000 потери давления по российской методике получаются несколько больше.
Результаты расчёта перепада давления в насадках долота приведены в табл. 3.8.9 в международной системе единиц и на рис. 3.8.9.
Расчёти потерь давления в долоте по российской методике и методике АНИ, которая используется в Ираке, несколько отличаются, так как по российской методике коэффициент расхода насадок ji принимается равным 0,95 при скоростях истечения более 80 м/с применаются гидромониторные насадки, а при скоростеях истечения менее 80 м/с цилиндрические насадки и коэффициент расхода принимается равным 0,64. По методике АНИ для всего диапазона скоростей истечения коэффициент расхода принимается равным 0,95.
Зависимость отношения АРд,ир /АРдросОт числа pv при истечении жидкости из долот. АРдрос - расчёт потерь давления по российской методике; ДРд,ир по иракской методике.
Рассмотренные в работе методы расчёта гидравлических потерь в циркуляционной системе бурящейся скважины в отдельных случаях могут давать результаты достаточно близкие к точным теоретическим решениям. Предлагаемая же нами методика расчёта гидравлических потерь, будучи достаточно простой дает возможность получать результаты с минимальной погрешностью относительно точных решений во всем диапазоне задач, связанных с течением жидкостей и встречающихся в практике бурения скважин.
В наибольшей мере предлагаемая методика гидравлического расчёта эффективна при осуществлении промывки скважины перед цементированием обсадной колонны, когда буровой раствор течёт как в трубном, так и затрубном пространстве при ламинарном режиме и излишнее гидродинамическое давление промывочной жидкости может ухудшать состояние продуктивного пласта. В этом случае необходимо как можно точнее рассчитывать величины давления по всему каналу от цементировочной головки на обсадной колонне до выхода промывочной жидкости на устье скважины.
Тестовой числовой пример для такого случая выполнен нами для типовой скважины нефтяного месторождения Сев. Румейла.
Исходные данные, представленные в системе СИ и английских единицах измерения , следующие : глубина скважины Lc = 2024 м = =6640.7ft; внутренний диаметр второй обсадной колонны dB = 0,223 м = 8.78in; наружный диаметр второй обсадной колонны 1н = 0,2445 м - 9,625in; внутренний диаметр первой обсадной колонны dB = 0,32 м = 12,5 in; наружный диаметр первой обсадной колонны dH — 0,3397 м = 13,375in; глубина спуска обсадной колонны LoGc.=724 м =2375.4 ft; диаметр долота dд= 0,2953 м = 1 l,626in; расход жидкости q = 0,033 м/с =514 gal/min; плотность промывочной жидкости р =1200 кг/м =10 lb/gal ;динамическое напряжение сдвига т0= 6,13 Па = 12,8 lb/(100ft ); пластическая вязкость л = 0,014 Па-с = =14 сР.
Вычисляем перепад давления по формуле (3.3.27): АРП. =АРН0В. = 4-9,58-1000/(0,108-рнов) Па.
Из проделанных выкладок ведно, что перепад давления по соответствующей методике определяется значением числа р. Все результаты вычислений сведены в табл. 3.8.7 и показаны на рис. 3.8.4 - 3.8.7.
При числах Сен - Венана от 0,081 до 13 результаты расчёта потерь давления в трубах по новой методике и методике, используемой до последнего времени в Ираке (методика АНИ), совпадают . Потери давления при больших числах Сен - Венана с меньшей погрешностью можно рассчитывать по новой методике, допустимо в этом случае и воспользоваться достаточно распространенной методикой Гродде.
