Режим течения

В вертикальных скважинах предпочтительно поддерживать ламинарный режим. При ламинарном режиме скорость оседания шлама меньше, и можно легко регулировать характеристики бурового раствора и скорость потока в кольцевом пространстве для обеспечения качественной очистки ствола. Однако при больших зенитных углах преимущества ламинарного течения сводятся к нулю из-за формирования слоев шлама.

Ламинарный поток менее эффективен для разрыхления и разрушения слоев шлама, чем турбулентный. Кроме того, вязкие жидкости не могут глубоко проникать в плотно упакованные слои шлама, формирующиеся в сильнонаклонных скважинах.

Исследования Sifferman¹¹ и Kenny⁶ привели к следующим выводам в отношении режимов течения при различных зенитных углах:

• При зенитных углах меньше 45 "желателен ламинарный режим, поскольку в вертикальных скважинах доминирующим фактором является уменьшение конечной скорости оседания частиц шлама.

• При зенитных углах больше 55 "желателен турбулентный режим, поскольку в сильнонаклонных скважинах доминирующим фактором является глубокое проникновение бурового раствора в слои шлама и максимально возможное увеличение скорости потока около слоев шлама. В сильнонаклонных скважинах ламинарный поток не обеспечивает касательных напряжений, достаточных для разрыхления слоев шлама. Исключение составляют случаи, когда жидкость достаточно вязкая для образования структурного течения. При зенитных углах больше 55 ⁰ турбулентный поток намного более эффективен для разрушения слоев шлама (рис. 7-26).

• При зенитных углах от 450 до 55" эффективность ламинарного и турбулентного потока примерно одинакова. Здесь нужно найти компромисс между ограничением скорости оседания шлама у стенки и максимально возможным увеличением скорости потока у стенки.

Труднее всего обеспечить качественную очистку при зенитных углах от 45 ⁰ до 55 °. Шлам и бурильная колонна лежат на нижней стенке скважины. Эксцентричное расположение бурильной колонны приводит к тому, что скорость потока, обтекающего оседающий шлам и слои шлама очень низка. Поэтому нужно использовать буровой раствор, способный эффективно очищать скважину под эксцентрично расположенной бурильной колонной. Для этого необходим такой профиль скоростей этого бурового раствора, при котором скорость потока под эксцентрично расположенной бурильной колонной была бы максимально высокой, а конечная скорость оседания шлама была бы как можно более низкой⁶.

При таких умеренных зенитных углах возникает также опасность соскальзывания слоев шлама. Поэтому важно обеспечить минимальную скорость потока в кольцевом пространстве, при которой такая опасность устраняется. Это минимальная скорость транспортирования (MTV), при которой начинается движение шлама в слое. Ford et al. сделали следующие выводы в отношении MTV, при которой начинается движение шлама в слое,¹⁰ при различных зенитных углах:

• MTV, при которой начинается движение шлама в слое, возрастает с увеличением зенитного угла.

• По мере увеличения зенитного угла MTV достигает максимального значения, затем уменьшается. Значение зенитного угла, при котором это происходит, будет разным для различных буровых растворов, но приблизительно оно равно 65°.

• MTV в меньшей степени зависит от зенитного угла при углах больше 40° , чем при углах меньше 40°.

• При увеличении зенитного угла скорость потока в кольцевом пространстве должна возрастать, чтобы ограничить формирование слоев шлама.

Характеристики бурового раствора (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

Как и в вертикальных скважинах, концентрация шлама всегда уменьшается при увеличении плотности бурового раствора.. Однако при увеличении зенитного угла плавучесть замедляет перемещение шлама по оси скважины. При больших зенитных углах увеличение плотности бурового раствора способствует повышению качества очистки скважины благодаря ослаблению эффекта Бойкотта и благодаря тому, что слои шлама более ожижены и менее плотно упакованы. Роль плотности бурового раствора в передаче момента количества движения от бурового раствора к шламу остается неизменной при любом значении зенитного угла.

Работы Becker и Azar в университете г. Талса продемонстрировали влияние плотности бурового раствора на формирование слоев шлама³. Ниже вкратце перечислены итоги этих исследований.

• Концентрация шлама резко возрастала в интервале зенитных углов 35° - 45 ⁰ при низкой плотности бурового раствора, но не так резко при большей плотности бурового раствора (рис. 7-25).

• Толщина слоя шлама значительно уменьшалась при небольших увеличениях плотности бурового раствора при любых значениях зенитного угла.

• При большей плотности бурового раствора соскальзывание и лавинообразное движение шлама в слое происходило реже.

• При большей плотности бурового раствора слои бурового раствора ожижены в большей степени, и поэтому их легче разрушить.

• При большей плотности бурового раствора меньше минимальная скорость, при которой начинается движение шлама в слое.

В общем, увеличение плотности бурового раствора облегчает разрушение слоев шлама. Это значит, что при большей плотности бурового раствора пороговая скорость, ограничивающая рост слоев шлама, будет меньше. Таким образом, при одном и том же расходе бурового раствора площадь сечения кольцевого пространства будет больше, а толщина слоя шлама будет меньше.

При большей плотности бурового раствора толщина слоя шлама будет меньше.

Рис. 7-25 Влияние плотности бурового раствора на толщину слоя шлама