Вязкость пены

Пузырьки подобны воздушным шарикам, которые стремятся принять сферическую форму. Если комната частично заполнена воздушными шариками, то для того чтобы пройти, нужно расталкивать их. Таким же образом частица шлама проходит через пену качеством ниже 55 % (рис. 7-53А).

Если попытаться заполнить комнату дополнительными шариками, то шарики начнут деформироваться. В этом случае пройти через комнату трудно (рис. 7-53В). Когда мы пытается оттолкнуть шарики с нашего пути, они деформируются еще больше. Постепенно можно поместить в комнату столько шариков, что пройти через нее станет невозможно (рис. 7-53С).

С увеличением качества пены вязкость ее повышается (рис. 7-54). На забое скважины, где самое большое давление, пена будет иметь самое низкое качество. При движении пены вверх по стволу давление уменьшается, а объем воздуха увеличивается. Объем жидкости остается постоянным, п оэтому с уменьшением давления качество пены возрастает. Если воздух расширяется слишком сильно, пена может разрушиться с образованием тумана. В этом случае воздух становится дисперсионной средой, окружающей капельки воды (рис. 7-54).

Вязкость пены может превышать вязкость бурового раствора в несколько раз (до десяти). При относительно небольшой скорости потока в кольцевом пространстве устойчивая пена может вынести из скважины диаметром 30" куски породы размером с кулак. Устойчивая пена может также выносить из скважины в большом объеме жидкость, поступающую из вскрытых пластов.

Если пена переходит в туман до того, как она достигнет поверхности, она теряет свою вязкость и способность выносить шлам. Одно из средств, позволяющих избежать этого - закачка большего количества жидкости в пену. Однако если качество пены у долота будет ниже 55 %, то вынос шлама с забоя будет невозможен. Нужно отрегулировать качество пены таким образом, чтобы оно было не ниже 60% у долота и не выше 98 % на устье.

Для этого следует ограничить расширение пузырьков, увеличив устьевое давление.

Проблема заключается в том, что из-за чрезмерных гидравлических потерь в кольцевом пространстве и большого гидростатического давления качество пены, равное 98 % на устье, может снизиться до менее чем 55 % у долота. При избыточном устьевом давлении пузырьки сжимаются у забоя даже больше. Для предотвращения чрезмерного сжатия газа из-за больших гидравлических потерь и гидростатического давления нужно закачивать больше газа. Применяя совместно регулирование расхода воздуха и жидкости и регулирование устьевого давления можно обеспечить требуемое качество пены во всей скважине.

Влияние устьевого давления на процесс бурения с продувкой воздухом иллюстрирует рис. 7-55. На рис. 7-55А забойное давление равно 500 фунт/дюйм², а устьевое давление - 20 фунт/дюйм². Единичный объем воздуха будет занимать на поверхности в 25 раз больший объем, чем на забое. Поэтому скорость потока в кольцевом пространстве будет на поверхности в 25 больше, чем у долота. На рис. 7-55В забойное давление равно 1000 фунт/дюйм², а устьевое давление - 500 фунт/дюйм². Единичный объем воздуха будет занимать на поверхности в 2 раза больший объем, чем на забое, поэтому скорость потока в кольцевом пространстве увеличится лишь вдвое.

Если увеличить устьевое давление до значения, при котором забойное давление возрастет в два раза, то для обеспечения такой же скорости потока на забое, какая была при отсутствии противодавления на устье, нужно вдвое увеличить расход закачиваемого воздуха. Нужно давать расход воздуха, обеспечивающий скорость потока в кольцевом пространстве, достаточную для выноса шлама с забоя, с учетом сжатия воздуха под действием гидравлических потерь и давления на устье.

Эти рассуждения справедливы и для пены, хотя здесь есть и важное отличие. Оно заключается в том, что пена имеет большую плотность, чем воздух. При бурении с пеной нужно учитывать плотность пены. Вследствие присутствия в пене жидкой фазы забойное давление в гораздо большей степени обусловлено гидростатическим давлением. Кроме того, скорость потока в кольцевом пространстве при использовании пены также будет намного ниже. Поэтому доля гидравлических потерь в величине забойного давления также будет меньше. При использовании пены график изменения давления в скважине отклоняется от линейного, характерного для воздуха, из-за изменения характеристик пены с глубиной (рис. 7-56).

При бурении с пеной скорость потока в кольцевом пространстве намного ниже, чем при использовании воздуха или даже бурового раствора. Обычно скорость потока в кольцевом пространстве около долота бывает порядка 3 тыс. фут/мин для воздуха, примерно 300 фут/мин для бурового раствора, и всего лишь 100 фут/мин для пены. Как было указано выше, для получения качества пены и скорости потока в кольцевом пространстве, требуемых для эффективной очистки скважины, нужно использовать совместно регулирование расхода воздуха и жидкости и регулирование устьевого давления.

Сейчас есть сложные компьютерные программы для расчета забойного давления, скорости потока и качества пены по данным измерений на поверхности.¹⁹'²⁰ Компании, осуществляющие бурение с использованием воздуха и пены, обычно предоставляют такие программы.

Общее правило таково, что по мере увеличения глубины или скорости проходки нужно увеличивать расход воздуха и жидкости. Потребуется также увеличить противодавления на устье.

Из-за большего градиента гидростатического давления при использовании пены снижение давления по стволу будет больше, чем при использовании воздуха. При использовании пены давление будет выше по всему стволу. И хотя давление воздуха будет выше, потребность в воздухе при использовании пены будет меньше. Поэтому расход топлива для компрессора при бурении с пеной будет значительно ниже, чем при бурении с продувкой воздухом. Чтобы по возможности сократить расход топлива, обычно стараются иметь как можно более низкое устьевое давление при условии, что обеспечивается качество пены 65 % у долота и 95% у поверхности.

Более высокое давление, действующее при бурении с пеной, в некоторой степени способствует сохранению устойчивости стенок ствола. Водная фаза пены и тумана может немного уменьшить устойчивость стенок, поэтому воду, используемую для получения пены, нужно подвергнуть специальной обработке. Следует отметить также, что жидкие компоненты пены должны быть совместимы с разбуриваемой породой.

Приток пластовых флюидов

В общем, бурение с использованием воздуха и пены проводится на депрессии. При этом существуют условия для притока в скважину в процессе бурения пластовых флюидов. Такие притоки усложняют работу. Газопроявления могут увеличить качество пены, вплоть до ее разрушения с образованием тумана. Приток жидкости может уменьшить качество пены и увеличить забойное давление. Приток газа может привести либо к увеличению, либо к уменьшению забойного давления.

Если забойное давление обусловлено в большей степени гидростатическим давлением жидкости, входящей в состав пены, приток газа приведет к уменьшению забойного давления и увеличению качества пены около долота. Если забойное давление обусловлено в большей степени гидравлическими потерями, приток газа может привести к увеличению забойного давления и уменьшению качества пены около долота, в то время как на поверхности качество пены будет увеличиваться.

Приток воды или газа можно обнаружить на поверхности, осуществляя контроль за параметрами потока в выкидной линии, по изменению качества пены и появлению пробок в потоке.

Если происходит приток газа, нужно увеличить расход жидкости. Возможно, понадобится увеличить и расход воздуха, чтобы сохранить качество пены у долота. Если происходит приток нефти или воды, нужно увеличить расход воздуха и ПАВ.

Пена с твердой фазой

Добавив бентонит или полимер в мыльный раствор можно получить пену с твердой фазой. Она имеет более высокую вязкость и движется в кольцевом пространстве в пробковом режиме. Пены с твердой фазой наиболее эффективны там, где качество пены невысоко, например, непосредственно над долотом.

Аэрированные буровые растворы

Аэрированные буровые растворы используются тогда, когда нужно уменьшить давление в скважине. Для этого вводят воздух либо в циркулирующую жидкость, либо в кольцевое пространство между колоннами. Как и при бурении с использованием пены и воздуха, высокая сжимаемость воздуха приводит к колебаниям скорости потока в кольцевом пространстве. В отличие от бурения с использованием пены и воздуха, механизм транспортирования шлама такой же, как и использовании бурового раствора - по меньшей мере, пока объемное содержание воздуха не превысит 55 %.

В некотором месте кольцевого пространства аэрированный буровой раствор может вспениться. Поскольку транспортирующая способность аэрированного раствора была достаточна для выноса шлама, пена также справится с этой задачей. Однако при этом остается опасность разрушения пены с образованием тумана около поверхности. Если это произойдет, то около поверхности разовьется пробковый режим течения, и транспортирующая способность потока станет недостаточной.