Факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин

На качество очистки влияет следующее:

• Наклон скважины • Расход бурового раствора

• Характеристики и режим течения • Слои шлама бурового раствора

• Скорость проходки • Вращение и эксцентричное

расположение в скважине бурильной колонны

• Время

З енитный угол (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

В наклонно-направленной скважине можно выделить три четко различимых участка (рис. 7-19):

• От примерно нуля до 30°

• От 30° до 65°

• От 65° до 90°

Иногда их называют вертикальным, переходным и горизонтальным участками.

Природа слоев шлама и механизмы очистки скважин на разных участках отчетливо различаются. На вертикальном участке все, что уменьшает конечную скорость оседания, улучшает очистку. Фактически, на качество очистки влияет только осевая составляющая конечной скорости оседания. На вертикальном участке осевая составляющая направлена практически по вертикали. При увеличении зенитного угла вертикальное перемещение шлама под действием силы тяжести и выталкивающей силы дополняется смещением вдоль наклонной оси скважины (рис. 7-18).

Рис. 7-20 Концентрация шлама быстро возрастает после 30 °

Когда скважина начинает отклоняться от вертикали, шлам перемещается к нижней стенке. При приближении зенитного угла к 30° частицы шлама начинает дольше задерживаться у стенки перед возвращением обратно в основной поток. Когда зенитный угол превышает 30°, проблема циркуляции шлама усугубляется еще больше. При увеличении зенитного угла от 30° до 45° продолжительность пребывания шлама у стенки резко возрастает. Как видно из рис. 7-20, объемная концентрация шлама резко увеличивается в интервале 30° - 45° и остается относительно постоянной при больших углах.³

Формирование слоев шлама начинается при углах больше 30 °. При углах менее 45 ° эти слои шлама рыхлые и сильно ожижены. Поэтому они неустойчивы и легко соскальзывают. При углах менее 45 ° эти слои шлама всегда соскальзывают вниз по стволу при прекращении циркуляции.¹¹ При углах до 65 ° слои шлама постоянно соскальзывают и опрокидываются, даже при наличии циркуляции (это соскальзывание происходит интенсивнее при бурении на РУО, чем при бурении на РВО).

При углах более 65° слои шлама становятся более устойчивыми. Кроме того, они становятся лучше упакованными, поэтому их труднее разрушить.

Шлам имеет тенденцию оседать в интервале 40 ° - 55 ° быстрее, чем во всех других, благодаря так называемому эффекту Бойкотта.

Эффект Бойкотта

Эффект Бойкотта назван так по имени д-ра А. Е. Бойкотта (А. Е. Boycott), который изучал пробы крови в первую мировую войну. Он случайно установил, что кровь оседает быстрее, когда пробирки установлены с наклоном 45 °. Позднее он написал статью, в которой объяснил этот феномен.

Перефразируя д-ра Бойкотта, "взвесь мелких частиц ведет себя как отдельное жидкое тело. Для того чтобы шламовый массив осел, он должен вытеснить расположенную под ним жидкость. Вытесняемая жидкость должна пройти через шламовый массив по извилистому пути, испытывая сопротивление трения при взаимодействии с частицами шлама" (рис. 7-21).

При угле 45 ° частицы должны осесть лишь на небольшое расстояние, чтобы открылся канал вдоль верхней стенки скважины. После этого чистая жидкость может быстро прорваться вверх вдоль верхней стенки скважины, в то время как более плотная жидкость, содержащая твердую фазу, может быстрее опускаться вдоль нижней стенки в форме рыхлого слоя шлама (рис. 7-22).

Механизмы транспортирования шлама

Механизмы транспортирования шлама на разных участках отличаются друг от друга. Это объясняется различиями в природе слоев шлама. Используются две широкие классификации механизмов транспортирования шлама - движение в суспензии и перемещение в движущемся слое. Они подробно рассмотрены в разделе "Слои шлама".

В вертикальном интервале шлам имеет тенденцию равномерно распределяться в буровом растворе и двигаться в суспензии с постоянной концентрацией. При увеличении зенитного угла более крупные частицы перемещаются к нижней стенке и движутся вверх по стволу в суспензии с изменяющейся концентрацией (рис. 7-23). При больших зенитных углах шлам имеет тенденцию формировать слой и скатываться по нижней стенке. При углах больше 65 ° слой становится устойчивым, если не испытывает возмущений от перемещений бурильной колонны. Однако если расход бурового раствора достаточно высок, может образоваться суспензия с постоянной концентрацией даже при большом наклоне скважины.

В скважине действуют различные механизмы транспортирования шлама, от движения в суспензии с постоянной концентрацией на вертикальном участке до сочетания движения в суспензии с изменяющейся концентрацией и движения в слое шлама на наклонных участках.

В сильнонаклонных участках почти всегда присутствует устойчивый слой шлама.

Шлам движется над этим слоем в суспензии с изменяющейся концентрацией.

Движение в суспензии с постоянной концентрацией является наиболее эффективным механизмом транспортирования шлама. Поэтому вертикальные участки очищать проще всего.

Перекатывание или движение шлама в слое является наименее эффективным механизмом транспортирования шлама. Исходя из этого можно подумать, что очищать горизонтальные участки труднее всего. Однако шлам будет транспортироваться в суспензии с изменяющейся концентрацией над слоем шлама, и при углах больше 65 ⁰ никогда не будет соскальзывать вниз по стволу как это происходит на участке 30 ⁰ - 65 °.

Из-за сочетания таких факторов как соскальзывание слоев, эффект Бойкотта и асимметричный профиль скоростей потока, труднее всего очищать участки средних зенитных углов.

Одна из проблем при проводке наклонно-направленных скважин заключается в том, что эксцентричное расположение колонны в скважине и повышенная концентрация шлама у нижней стенки скважины приводят к искажению профиля скоростей потока. Жидкость протекает вдоль верхней стенки с намного большей скоростью, чем в затрудненном потоке вдоль нижней стенки (рис. 7-24). Поэтому передача буровым раствором энергии, требуемой для перемещения шлама, затруднена. Ламинарный поток с более вытянутым профилем скоростей намного менее эффективен с точки зрения предотвращения формирования или разрушения слоев шлама в сильнонаклонных скважинах, чем турбулентный поток с его более плоским профилем.

Рис. 7-24 Асимметричный профиль скоростей потока

Природа слоев шлама и эксцентричное расположение колонны в скважине диктуют необходимость использования различных режимов течения для очистки участков ствола, имеющих разный наклон.