Вынос бурового шлама на поверхность

Качественная очистка ствола скважины от выбуренной породы (шлама) улучшает показатели работы долот и снижает вероятность осложнений и аварий.

Плотность выбуренной породы, как правило, больше плотности жидкости, на которой осуществляется бурение, и поэтому для выноса породы необходим поток бурового раствора, при котором его скорость превышала бы скорость погружения твердых частиц. Кроме того, при предусмотренных или вынужденных остановках потока, эти частицы оставались бы в покое или тонули с минимально возможной скоростью. Задача заключается в выборе скорости потока и реологических свойств бурового раствора для обеспечения заданной эффективности выноса шлама и его концентрации в потоке в зависимости от механической скорости проходки.

Между твердым телом, движущимся в жидкости, возникает сила взаимодействие. Эта сила рассматривается как перепад давления разности напряжений трения, возникающих при обтекании тела. Таким образом, в общем случае, величина сопротивления зависит от скорости, физических свойств жидкости и формы тела. В таком случаю, по Ньютону на основании теоремы о количестве движения (F-t-m-v) можно записать:

Для проекции шара(w_m = я • d² / 4) формула примет вид:

Формулу Ньютона можно считать общей формулой сопротивления при обтекании, если принять коэффициент обтекания С функцией гидродинамических условий обтекания и формы тела.

С другой стороны для определения скорости погружения шара в жидкости под воздействием силы тяжести:

Приравняем к силам сопротивления и получим формулу, которая известна под названием формулу Риттингера:

Значение коэффициента к определялось опытным путем многими исследователями. При значении параметра Re- vlg/p > 1000 оно становится почти постоянным и зависит лишь от формы обтекаемых тел. Так, если измерить длину в сантиметрах, а время в секундах, то для шаров к = 50, для кубиков к =30, для правильных многогранников (октаэдров, додекаэдров) к=40

При обтекании частицы в области структурного режима скорость её движения по результатам экспериментальных исследований Шищенко Р.И. получил:

где d₀ - диаметр не тонущей частицы.

Способность бурового раствора к удерживанию выбуренной породы определяется его плотностью и предельным напряжением сдвига. Диаметр самой крупной частицы, остающейся во взвешенном состоянии можно оценить зависимостью:

Аппроксимируя известные экспериментальные данные Шищенко Р.И., Гукасов Н.А. (6), получил следующее выражение коэффициента формы от диаметра не тонущей частицы:

Здесь значение d₀, определяемое по формуле (5.8), дано в метрах. И тогда:

Скорость падения частицы в области турбулентного обтекания все рекомендуют определять по формуле Риттингера:

где С₀ - коэффициент сопротивления.

Значение С₀ при турбулентном режиме потока (обтекании) определяется

так:

При падении частицы в режиме турбулентного обтекания:

Режим обтекания устанавливается в зависимости от отношения диаметра частицы d_t к d₀:

При d_t I d_Q< 3,0 наблюдается структурное обтекание;

3,0 < d_t / d₀ < 7,0 обтекание происходит в турбулентном режиме; d_t/d₀>7,0 обтекание происходит в области турбулентной автомодельности.

Предложено для случая обтекания частицы при /?е>1500 определять скорость осаждение по формуле:

Пример. Определить скорость осаждения твердых частиц плотностью р = 2450 кг/м³ и диаметром 0,01 м в растворе плотностью р= 1100 кг/м³, динамическим напряжением сдвига г = 2,0 Па и динамической вязкостью ij= 1510'³ Па с Решение.

1. Определим диаметр не тонущей частицы по формуле (5.9)

2. Определим С₀ для соотношения d₄/d₀ = 0,01/0,0024 = 4,2 по формуле (5.11, а):

3.Определим скорость осаждения частицы по формуле (5.10):

Для определения расчетного диаметра обломков породы, выбуренных шарошечным долотом, можно использовать зависимость:

где t - максимальный шаг зубьев шарошек,

Ъ - ширина зубьев в плоскости забоя,

I - высота зубьев.

Осложнения, которые связаны с неудовлетворительным выносом шлама, возникают при бурении глинистых и глинисто-песчаных отложений большой мощности. Поскольку в этих отложениях имеют место большие скорости бурения, которые не согласуются с принятой подачей буровых насосов, что приводит к увеличению концентрации выбуренной породы и не эффективному ее выносу на поверхность.

Большие скорости бурения обуславливают разрушение породы большими кусками, которые требуют соответствующей подъемной силы и высокой скорости потока. Размер выбуренной породы зависит от глубины внедрения зуба в породу; этот кусок породы выносится немедленно на периферию долота и далее в затрубное пространство. Этот достаточно больших размеров кусок породы надо поднять на какую-то высоту от долота, чтобы он не попал снова под зубья долота, и продолжал движение вверх. Но он продолжит разрушаться под воздействием потока и вращения бурильной колонны. Разрушаясь в буровом растворе, он меняет свойства последнего. Создаются условия для образования сальников на переходных размерах компоновки низа бурильной колонны и на замках самой колонны.

Несоответствие объема выбуренной породы к расходу насосов чаще всего выражается в виде полного загрязнения бурового раствора выбуренной породой, которую не удается удалить современными очистными установками. И, поэтому приходится останавливать процесс углубления скважины. А при отсутствии циркуляции из-за различных обстоятельств (ремонт насосов, промоина в бурильной колонне, порыв в манифольдной линии и, наконец, нарушение технологического режима) может иметь место прихват бурильной колонны из- за осевшего шлама.

Размер выбуриваемых кусков породы (частиц) связывают с механической скоростью бурения. Рассматривая частицу в виде формы диска, в таблице 5.1 представлены значения ее диаметра и толщины в зависимости от механической скорости бурения.

Таблица 5.1

Зависимость размеров выбуренных частиц породы от механической скорости

При использовании долот истирающего типа частицы выбуренной породы имеют более мелкие размеры.

На экспериментальной установке Уолкером Р.И. и Мейз Т.М. наблюдали как частицы, имеющие форму дисков, при их падении фиксировались два направления ориентации плоскостью (ось симметрии параллельно направлению осаждения) и ребром (ось симметрии перпендикулярно к направлению осаждения). Наиболее представительны были данные по осаждению частиц плоскостью. Раннее в других опытах было показано, что в турбулентном потоке дископодобные частицы ориентируются плоскостью.

Уолкер и Мейз [8] моделируя частицы шлама диском толщиной h₄ равной 2/3 диаметра равнозначной сферы установили следующие соотношения:

Методом последовательных приближений они нашли выражение для напряжения сдвига, создаваемого опускающейся частицей:

где т_ч выражается в Па;

р - в кг/м³, h - в см.

Применительно к переходному режиму, если подставить соотношение (5.14, б) в уравнение (5.10), а г заменить параметром т_ч/у (где у - скорость сдвига) получим:

Подобное соотношение пригодно и для ламинарного режима.

Для турбулентного режима с учетом выражений (5.14, в) и (5.15) соотношение (5.10) можно записать в виде:

Критическая скорость сдвига в окрестности частицы с учетом Re = 1000 и с= 1,12:

Скорость сдвига при ламинарном обтекании частицы:

Скорость сдвига при обтекании частицы буровым раствором для констант степенного закона рассчитывается по формуле:

Если у < у_чл, то поток ламинарный и Re < 1 скорость осаждения частиц оценивается по формуле (6.1), но если у > у^, то поток турбулентный и скорость рассчитывается по формуле (6.18).

Необходимо указать, что реологические характеристики должны определяться по показаниям взоо и 63 по следующим формулам:

Экспериментальные исследования (8) показали, что предложенные зависимости (5.15 - 5.19), выведенные для частиц выбуренной породы имеющих форму диска, могут применяться и для других форм частиц, которые могут иметь место в условиях бурения.

Скорость оседания частиц по результатам экспериментальных исследований может быть оценена также по формуле:

Эффективная вязкость в данном случае определяется из выражения:

где п - показатель степенного закона,

V3 - скорость потока в затрубном пространстве,

К - показатель консистенции бурового раствора.