Разжижение бурового раствора при сдвиге

Еще одним свойством буровых растворов, требующим рассмотрения, является их способность к разжижению при сдвиге.

Благодаря способности бурового раствора разжижаться при сдвиге, его вязкость будет меньше у стенки скважины, где скорость сдвига имеет наибольшее значение, и будет больше в основном потоке, где скорость сдвига имеет наинизшее значение (рис. 7-28). При использовании буровых растворов, обладающих большей способностью к разжижению при сдвиге, скорость сдвига у стенки скважины обычно бывает больше, а центральная часть профиля скоростей бывает более плоской. Поэтому чем больше способность бурового раствора к разжижению при сдвиге, тем вероятнее развитие структурного течения.

Чем больше способность бурового раствора к разжижению при сдвиге, тем эффективнее будет очистка пространства под эксцентрично расположенной бурильной колонной.

При истечении бурового раствора через гидравлические насадки долота скорость сдвига очень высока, поэтому вязкость раствора уменьшается. Последние данные измерения давления во время бурения (PWD) свидетельствуют о том, что для восстановления вязкости некоторых буровых растворов после прохождения их через насадки долота требуется определенное время.

Рис. 7-28 Скорость сдвига

Это означает, что вязкость этих буровых растворов будет иметь самое низкое значение в кольцевом пространстве около долота и будет последовательно возрастать при движении вверх по стволу. Поэтому буровой раствор будет прекрасно разрыхлять слой шлама около долота, но эффективность этого процесса будет уменьшаться при удалении бурового раствора от долота. Таким образом, при подъеме инструмента не удается заметить большого сопротивления продольному перемещению колонны до тех пор, пока УБТ не войдут в слои шлама, не разрыхленные более вязким раствором.

При увеличении содержания твердой фазы способность бурового раствора к разжижению при сдвиге уменьшается. Таким образом, чем выше отношение УР/РУ, тем больше способность бурового раствора к разжижению при сдвиге. При ламинарном течении увеличение отношения УР/РУ приводит к повышению эффективности очистки скважины как в сильнонаклонных, так и в вертикальных скважинах.

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

Обычно считается, что скорость потока в кольцевом пространстве является фактором, в наибольшей степени влияющим на эффективность очистки наклонных скважин. Однако, как отмечалось выше, момент количества движения, передаваемый буровым раствором шламу, зависит от плотности бурового раствора. При использовании буровых растворов низкой плотности для качественной очистки скважины требуется более высокая скорость потока в кольцевом пространстве.

Для глубокого понимания процесса очистки наклонных скважин нужно различать расход и скорость потока в кольцевом пространстве. Часто эти два термина используют как синонимы, но между ними есть важное различие: скорость потока в кольцевом пространстве равна расходу деленному на площадь поперечного сечения кольцевого пространства. Фактическая скорость зависит и от площади поперечного сечения, и от удаления слоя бурового раствора от стенки.

v_а = скорость потока в кольцевом пространстве = расход/площадь поперечного сечения кольцевого пространства (7.10)

В вертикальной скважине площадь поперечного сечения кольцевого пространства остается относительно постоянной по отношению к расходу. Однако на сильнонаклонных участках площадь поперечного сечения изменяется в зависимости от расхода! Это обстоятельство обуславливает влияние расхода на скорость потока в кольцевом пространстве по всей длине ствола.

В вертикальной скважине средняя скорость потока в кольцевом пространстве зависит от расхода. В наклонной скважине, где присутствуют слои шлама, средняя скорость потока в кольцевом пространстве преимущественно постоянна, независимо от расхода! Это обусловлено тем, что слои шлама формируются до достижения равновесия между скоростями отложения шлама и эрозии слоя шлама.

Если скорость бурового раствора не достигает "пороговой", шлам оседает на нижней стенке скважины и образует слои. Пороговая скорость - это такая скорость, которой достаточно для прекращения отложения шлама. Обеспечить такую высокую скорость потока в кольцевом пространстве, при которой совсем не будет отлагаться шлам, часто невозможно из-за ограничений давления или объема. Однако по мере того как шлам оседает и образует слои, площадь кольцевого пространства уменьшается, и местная скорость потока в кольцевом пространстве возрастает. Со временем местная скорость потока достигает порогового значения, и устанавливается равновесие между отложением и эрозией слоя шлама (рис. 7-29). При отсутствии вращения бурильной колонны установится равновесная толщина слоя шлама, не зависящая от количества шлама или расхода бурового раствора!

Изменение расхода не приведет к изменению пороговой местной скорости. Толщина слоя шлама изменится таким образом, чтобы площадь кольцевого пространства была достаточно велика для обеспечения этой пороговой скорости.^7,8

Для каждого типа бурового раствора существует своя критическая пороговая скорость, достаточно высокая для предотвращения дальнейшего формирования слоев шлама. Когда площадь поперечного сечения кольцевого пространства уменьшается из-за формирования слоев шлама, скорость должна возрасти. При достижении пороговой скорости, отложение шлама прекращается. Если расход будет возрастать, начнется разрушение слоя, и этот процесс продолжится до восстановления пороговой скорости. Пороговая скорость изменяется в зависимости от зенитного угла, характеристик бурового раствора и типа образующегося шлама.

Если существует слой шлама, местная скорость потока в кольцевом пространстве не изменяется. При увеличении расхода слой разрушается, и площадь поперечного сечения потока возрастает. В результате скорость потока снижается и возвращается к равновесному значению.

Скорость потока = расход / площадь поперечного сечения

Очевидно, что при более высоких расходах пороговая скорость будет достигаться при более тонких слоях шлама. Толщина слоя шлама уменьшается линейно с увеличением расхода (рис. 7-30А). Показатель качества очистки скважины⁸ Н/Н_crit, также увеличивается линейно с увеличением расхода (рис. 7-30В).

Рис. 7-30 Влияние скорости на толщину слоя шлама

Пороговая скорость, при которой прекращается дальнейшее отложение шлама и формирование слоя, представляет собой минимальную скорость транспортирования (MTV)¹⁰, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Как было указано выше, в общем случае MTV определяется как скорость, при которой начинается транспортирование шлама. Или, в отношении пороговой скорости, MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, является скоростью, при которой начинается разрушение слоя шлама.

Ниже даны выводы в отношении MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, сделанные в работе Ford, Peden, Oyeneyin, Gao и Zarrough:

• MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, возрастает по мере увеличения размера частиц шлама и уменьшается по мере увеличения плотности бурового раствора.

• Вращение бурильной колонны способствует уменьшению MTV при использовании вязких буровых растворов, но не влияет на MTV при использовании воды (это объясняется отсутствием слоя шлама в воде при турбулентном режиме течения).

• MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, зависит от реологии в меньшей степени, чем MTV, при которой начинается движение шлама в слое.

• MTV имеет самые высокие значения при использовании буровых растворов средней вязкости и самые низкие значения использовании высоковязких буровых растворов. При использовании воды MTV имеет промежуточные значения.

• MTV уменьшается с увеличении вязкости при действии обоих механизмов транспортирования шлама. Однако она имеет меньшие значения, если используется вода, -при действии обоих механизмов транспортирования шлама.

Ниже даны некоторые выводы в отношении скорости потока в кольцевом пространстве, приведенные в работе Ford и Sifferman:

• Скорость потока в кольцевом пространстве и плотность бурового раствора оказывают значительное влияние на толщину слоя шлама. Реологические характеристики бурового раствора и эксцентричное расположение бурильной колонны в скважине влияют меньше.

• При зенитных углах меньше 45 ° частицы шлама соскальзывают вниз по слою при низких значениях скорости потока в кольцевом пространстве.

• Повышение скорости потока в кольцевом пространстве менее эффективно при ламинарном течении, чем при турбулентном, поскольку более быстрое оседание шлама вследствие разжижения бурового раствора при сдвиге компенсируется более высокой скоростью транспортирования шлама.

Шлам и слой шлама (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

С лой шлама формируется при недостаточном вращении или отсутствии вращения бурильной колонны, что часто наблюдается при бурении наклонно-направленных скважин (рис. 7-31).

Рис. 7-31 Равновесная толщина слоя шлама

При протаскивании КНБК через этот слой шлама последний деформируется и образует "шламовую горку ", возвышающуюся перед долотом и стабилизаторами. Когда толщина слоя невелика, эта "шламовая горка" достигает стабильной высоты, и при протаскивании через нее КНБК постоянно происходят затяжки (рис. 7-32). Когда толщина слоя шлама слишком велика, шламовая горка развивается в пробку, в результате чего происходит закупоривание кольцевого пространства и резкое увеличение усилия на крюке при подъеме колонны.

При протаскивании долота через слой шлама образуется шламовая горка.

Когда толщина слоя шлама слишком велика, шламовая горка развивается в пробку, в результате чего происходит закупоривание кольцевого пространства и резкое увеличение усилия на крюке при подъеме колонны.