Критическая толщина слоя шлама и показатель качества очистки скважины

Показатель качества очистки скважины (HCR), предложенный Marco Rasi⁸, служит для оценки качества очистки с учетом толщины слоя шлама. Rasi исходит из того, что существует максимально допустимая толщина слоя шлама, при которой КНБК может пройти по стволу без прихвата. Эта толщина называется критической толщиной слоя (H_crit). Высота кольцевого пространства над слоем шлама называется высотой свободной области (Н) (рис. 7-33). Эта высота определяет площадь поперечного сечения кольцевого пространства, от которой зависит пороговая скорость потока, при которой устанавливается равновесная толщина слоя шлама. Высота свободной области изменяется в зависимости от расхода и характеристик бурового раствора. H_crit зависит только от площади поперечного сечения элемента КБНК, имеющего самый большой диаметр. Обычно это долото (рис. 7-33).

Р ис. 7-33 Критическая толщина слоя шлама

Вокруг КНБК и долота должен быть достаточный кольцевой зазор, чтобы они смогли пройти слои шлама при подъеме инструмента. Если площадь поперечного сечения долота больше площади открытого пространства над слоем шлама, то колонна не может двигаться в осевом направлении. Отношение А_bit/А_open должно быть меньше единицы, иначе долото не пройдет слой шлама (рис. 7-34).

Рис. 7-34 Критическая толщина слоя шлама

Рис. 7-34 Критическая толщина слоя шлама

Показатель качества очистки скважины представляет собой отношение высоты кольцевого пространства над слоем шлама к критической толщине слоя шлама.

HCR = H/H_crit (7.11)

Marco Rasi считает, что если высота свободной области превышает критическую толщину слоя шлама, то можно провести колонну через слой шлама в отсутствие циркуляции. Если H/H_crit > 1, осложнений не будет. Если же Н/Н_crit, < 1, то можно ожидать осложнений.

Изучая данные исследований, проведенных на 50 наклонных скважинах большого диаметра в Северном море,⁸ Marco заметил, что если HCR больше 1,1, то прихватов не было. При HCR меньше 0,5 всегда происходили прихваты.

При уменьшении HCR усиливается тенденция к возникновению прихватов.

При увеличении толщины слоя шлама кольцевое пространство на этим слоем уменьшается. Чем больше диаметр КНБК, тем меньше толщина слоя шлама, при которой возможно прохождение колонны. В общем, при увеличении диаметра КНБК или уменьшении диаметра бурильной колонны усиливаются затяжки. При выборе диаметра бурильной колонны, долота и стабилизаторов нужно \читывать это обстоятельство.

Оценка толщины слоя шлама

Для оценки толщины слоя шлама можно использовать алгоритм последовательных приближений, предложенный Rasi. Однако точность этого итерационного алгоритма вызывает сомнения.

Более точно можно оценить толщину слоя измерением общего количества шлама, вынесенного из скважины. Кроме того, оценить толщину слоя можно путем контроля общего объема бурового раствора - принимая, что поглощений нет.⁹

Ствол бурящейся скважины должен заполняться буровым раствором. Формирование слоя шлама приводит к тому, что уровень бурового раствора в приемной емкости уменьшается медленнее, чем ожидалось. Когда слой шлама разрушается из-за периодического вращения бурильной колонны, уровень бурового раствора в приемной емкости обычно заметно снижается (рис. 7-35).

К огда слой шлама разрушается из-за вращения бурильной колонны, уровень бурового раствора в приемной емкости снижается при выходе шлама из скважины.

Члены буровой бригады должны также следить за динамикой сопротивления продольному перемещению бурильной колонны в ходе СПО для оценки толщины слоев шлама. Если затяжки усиливаются, или натяжение колонны возрастает резко, то это указывают на чрезмерное увеличение толщины слоев шлама. Динамика крутящего момента при бурении также позволяет судить о толщине слоев шлама.

Три области формирования слоев шлама

Е сть три области формирования слоев шлама (рис. 7-36). При очень небольших зенитных углах шлам циркулирует вдоль нижней стенки скважины. Концентрация шлама у нижней стенки очень велика, но шлам находится здесь в составе суспензии с изменяющейся концентрацией и не образует слоев.

При умеренных зенитных углах шлам образует слои на нижней стенке, но эти слои сильно ожижены и легко разрушаются. При прекращении циркуляции эти слои соскальзывают вниз по стволу. Фактически, при низких расходах бурового раствора слои шлама могут постоянно скользить и лавинообразно двигаться вниз по стволу даже при наличии циркуляции.

При больших зенитных углах слои шлама плотно упакованы и проявляют тенденцию к устойчивости.

Ford et al.¹⁰ идентифицировали семь различных режимов транспортирования шлама на сильнонаклонных участках, которые описаны ниже. Каждый из этих семи режимов обеспечивается одним из двух упомянутых выше механизмов транспортирования, в суспензии или в движущемся слое. В суспензии твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, движутся в буровом растворе вдоль стенки скважины. Перемещаясь в движущемся слое, шлам находится в контакте с нижней стенкой скважины. Находясь в составе суспензии, шлам движется вдоль стенки скважины намного быстрее, Поэтому данный механизм является желательным, но его трудно обеспечить при больших зенитных углах.