4.5.1 Основы создания забойного давления рзаб

Общие сведения:

При циркуляции (с дросселем “на выходе” или без него) любое давление в скважине создается и изменяется в зависимости от “последующих” давлений (кольцевое пространство в случае прямой циркуляции).

Таким образом, р_заб является суммой 3 членов динамического происхождения (р_кп, и р_штуц полученное на дросселе, и величины р_кп) и одного члена гидростатического происхождения (гидростатическое давление в кольцевом пространстве).

р_заб = р_{гдст кп} + р_кп + р_штуц + р_кп

Вывод:

При движении пачки пластового флюида в любой момент давление в кольцевом пространстве, созданное в дросселе, должно компенсировать изменения гидростатического давления в кольцевом пространстве.

С точки зрения качественной картины возможны только три случая ...

 р_{гдст кп} постоянно  поддерживать то же давление в кольцевом пространстве на устье

 р_{гдст кп} уменьшается  увеличить давление в кольцевом пространстве

 р_{гдст кп} увеличивается  уменьшить давление в кольцевом пространстве

4.5.2 Основы управления забойным давлением рзаб

Общие сведения:

При циркуляции (с дросселем “на выходе” или без него) любое давление в скважине контролируется или рассчитывается в зависимости от последующего давления (когда гидростатическое давление в кольцевом пространстве постоянно) или от давления на входе (манометр на стояке).

Вывод:

Это значит, что любое изменение гидростатического давления в кольцевом пространстве (присутствие газа или флюидов различной плотности) не позволяет использовать Ркп в качестве индикатора “точного” управления забойным давлением. Единственный случай применения p_кп при циркуляции возможен, когда кольцевое пространство заполнено известным однородным буровым раствором.

Чтобы обойти проблему, в качестве “средства управления” забойным давлением р_заб используется манометр насоса. При этом формула будет такой:

р_заб = P_бк + р_{гдст 1} - р₁

Хотя такое управление с помощью давления нагнетания не ставит проблем в случае присутствия в колонне труб бурового раствора одной плотности, он становится сложнее при перекачивании флюида иной плотности (в этом случае он требует диаграммы) или в случае осложнений, вызывающих резкое изменение потерь давления в колонне труб (например, забивание насадки долота).

Следует отметить, что для облегчения управления забойным давлением р_заб потери давления в колонне труб должны или оставаться постоянными (прокачивание одного флюида), или изменяться в зависимости от новой плотности (прокачивание раствора плотностью _{ут бр}), что предполагает постоянный расход и, следовательно, постоянную скорость насоса.

4.5.3 Приемы управления флюидопроявлением

Рассмотрим три базовые ситуации методов управления при циркуляции :

а возобновление циркуляции

б циркуляция при установившемся режиме работы насоса

в остановка циркуляции

а) возобновление циркуляции

Примечание: Для легкости изложения мы вначале рассмотрим случай, когда нужно уравновесить пластовое давление р_пласт забойным давлением р_заб, то есть случай нулевого запаса безопасности, а затем укажем отличия, если понадобится создание избыточного давления р_репрес по формуле р_заб = р_пласт + р_репрес.

Ситуация с закрытой скважиной обычно дает нам два гидростатических по происхождению давления, считываемых на поверхности: р_бк1, р_кп1; при известном р_бк1 из него выводится р_пласт.

Для получения на забое скважины р_заб = р_пласт достаточно получения в динамических условиях при помощи штуцера одного и того же давления р_кп1 (это предполагает р_кп = 0 и р_штуц = 0).

При этом давление нагнетания, установившееся ранее на уровне p_{бк1 ,} начинает расти на величину давления прокачки до тех пор, пока не установится производительность прокачки.

В этот момент: р_нач = р_бк1 + р₁ (теоретически).

Если принимается решение о применении запаса безопасности р_репрес, или избыточного давления относительно р_пласт , необходимо начинать с более значительного давления в КП, увеличенного на р_репрес, то есть : р_кп1 + р_репрес.

Этот запас безопасности (см. рисунок 4.9.) отражается на р_заб и на давлении нагнетания, которое принимает значение: р_нач = р₁ + р_бк1 + р_репрес (в теории)

Рис. 4.8

Рис. 4.9

При более детальном ознакомлении с гидродинамической системой и с базовыми теоретическими формулами следует отметить три обстоятельства.

• Как мы уже видели, точная формула забойного давления при циркуляции с применением дросселя будет: р_заб=р_{гдст кп}+р_кп + р_{штуц лин} + р_кп. Таким образом, мы располагаем в качестве естественного запаса безопасности по р_пласт величинами р_кп и р_{штуц лин.}

Из разных соображений, в том числе для уменьшения р_кп, которое может вызвать проблемы в слабой зоне, решено вести циркуляцию с пониженным расходом (см. главу ниже), и это позволяет считать в расчете, что потери давления в кольцевом пространстве ничтожны.

• Формула р_нач = р_бк1 + р_бк получается при помощи базовой формулы гидродинамики p_бк = р_бк + р_заб - р_гдст1, прямо связывающей давление нагнетания и забойное давление.

В теории р_заб = р_пласт + р_{штуц лин} + р_кп ; следовательно, разность р_заб - р_гдст1 равняется р_бк1 + р_кп + р_{штуц лин} и формула принимает вид :

р_нач = р₁ + р_кп + р_{штуц лин} + р_бк1

Поскольку полные потери давления в системе обозначаются р₁, получим:

р_нач = р_бр + р_бк1

 Считывание давления в бурильных трубах на устье при закрытой скважине p_бк1, необходимого для расчета плотности утяжеленного бурового раствора _{ут бр}, может оказаться невозможным в случае присутствия обратного клапана в колонне труб. Приблизительную величину этого давления можно определить за счет считывания р_нач (установленного при стабильном расходе после начала циркуляции при р_кп1 + р_репрес на устье в кольцевом пространстве) и благодаря предварительному знанию потерь давления p_нач при используемом пониженном расходе.

Действительно:

р_бк1 = р_нач (зарегистрировано) - р_бр (известно) - р_репрес (выбрано)

Примечание: Напомним, что р_бк1 можно установить при закрытой скважине, осуществляя нагнетание в очень медленном режиме с поэтапным изменением давления до появления отклонения давления на устье в кольцевом пространстве, указывающего на открытие клапана. В этом случае следует считывать давление в бурильных трубах на устье, представляющее величину р_бк1 .

б) циркуляция при установившемся режиме работы насосов

В случаях, когда гидростатическое давление в кольцевом пространстве меняется (присутствие газа или утяжеленного бурового раствора), основное правило состоит в том, чтобы использовать давление нагнетания в качестве манометра для управления забойным давлением р_заб.

 Если колонна труб находится в однородном буровом растворе, давление нагнетания должно оставаться постоянным.

 Если флюид иной плотности поступает в колонну труб, давление нагнетания должно теоретически линейно меняться до достижения флюидом долота.

Важное примечание: Когда указывается, что давление нагнетания должно оставаться постоянным, подразумевается, разумеется, что производительность насоса также должна быть постоянной!

В параграфе “Осложнения” мы ознакомимся с отклонениями забойного давления в результате отсутствия постоянного расхода на “входе”.

Поскольку в процессе управления скважиной циркуляция осуществляется с двумя плотностями раствора (_бр и _{ут бр}), рассмотрим давления нагнетания, соответствующие вышеописанным случаям.

Закачивание бурового раствора исходной плотности _бр:

При заполнении колонны труб буровым раствором с исходной плотностью _бр, как мы видели в предыдущем параграфе, получается:

если р_заб = р_пласт р_нач = р_шт.л + р_бк1

если р_заб = р_пласт + р_репрес р_нач =  р_шт.л + р_бк1 + р_репрес

Рис. 4.10

Закачивание бурового раствора требуемой плотности _{ут бр}:

При заполнении колонны труб буровым раствором требуемой плотности _{ут бр} тот же подход дает: р_кон = р_{у бр}

Действительно:

p_нагн = р_{штуц лин} + р_заб – p_гидр1

В теории р_заб = р_пласт + р_кп, следовательно:

P_ref = р_{штуц лин} + р_кп + p_пласт- p_гидр1

Поскольку утяжеленный буровой раствор должен обеспечить получение гидростатического давления, равного р_пласт, выражение р_пласт - р_гдстI становится нулевым и формула принимает вид:

р_кон = р_{штуц лин} + р_кп

Поскольку полные потери давления р_{у бр} в системе бурового раствора с плотностью _{ут бр}, по аналогии с р_{штуц лин} и р_кп , ничтожны, мы можем записать, что р_кон = р_{у бр}

Зная прежние величины р_{штуц лин}, _бр и _{ут бр} получим:

р_кон = р_{у бр} = р_бр  _{ут бр} / _бр

Описание может быть более общим для возможного состояния закрытия скважины с утяжеленным буровым раствором до забоя ...

Действительно, поскольку утяжеленный буровой раствор должен обеспечить получение гидростатического давления, равного р_пласт, если скважина закрыта с утяжеленным буровым раствором до долота, давление в “бурильных трубах” будет нулевым, и, следовательно, насос должен преодолевать только потери давления р_{у бр}.

Рис. 4.11

Следует отметить два особых момента:

а) Потери давления р_{у бр} будут различными, так как _{ут бр} будет отличаться в зависимости от того, что желательно получить р_заб = р_пласт или р_заб = р_пласт + р_репрес.

б) Возможность указания на то, что давление нагнетания р_кон равно р_{у бр}, когда утяжеленный буровой раствор находится у долота, на практике удовлетворяет и повсеместно применяется, так как потери давления в кольцевом пространстве (скважины и дроссельной линии) считаются ничтожными при пониженном расходе. Однако, это не совсем точно и в некоторых случаях требуется серьезный пересмотр (подводные ПВО, скважины малого диаметра ...).

Действительно:

 буровой раствор _{ут бр} у долота: р_кон = р_{бр “при} _{ут бр “} + р_кп + р_{штуц лин “при} _{бр “}

и

 буровой раствор _{ут бр} у поверхности : р_кон = р_{бр “при} _{ут бр} “ + р_кп + р_{штуц лин “при} _{ут бр “}, следовательно, суммарные р “при _{ут бр} “

Отметим, что разница между двумя величинами вызвана изменением потерь давления в кольцевом пространстве и дроссельной линии от (р_кп + р_{штуц лин}) до

(р_кп + р_{штуц лин})_{ут бр}/_бр

Для подводных ПВО, как указывалось в параграфе “Гидродинамика”, потери давления в кольцевом пространстве включают в себя р_кп скважины плюс потери давления в штуцерной линии р_бр. Последние, если глубина моря составляет несколько сот метров, могут превышать 10 бар и должны учитываться.

В некоторых случаях управления скважиной отсутствует постоянное гидростатическое давление в кольцевом пространстве при подаче утяжеленного бурового раствора в бурильные трубы и, следовательно, никакую величину не требуется поддерживать постоянной.

Правило состоит в использовании манометра на стояке для бурильных труб, который покажет падение от величины р_нач до величины р_кон по мере заполнения колонны труб раствором с плотностью _{ут бр}...

Поскольку величины р_нач и р_кон , и то же касается объема колонны труб, легко рассчитываются, можно вычертить диаграмму давлениеобъем колонны труб, которая покажет снижение давления нагнетания. Упрощенно говоря, можно в первом приближении предположить, что это снижение давления будет линейным в зависимости от заполнения колонны труб раствором с плотностью _{ут бр} , то есть от закачиваемого объема раствора.

Рис. 4.12

Действительность гораздо сложнее, так как давление нагнетания, описываемое формулой p_бк = р_{штуц лин} + р_заб - р_гдстI , меняется, в зависимости от потерь давления внутри бурильных труб и изменения внутреннего гидростатического давления р_гдстI при постоянном забойном давлении.

Поскольку потери давления в колонне труб не линейны (особенно, на уровне насадок долота) и то же касается внутренней геометрии колонны труб (составная колонна труб и наклонное бурение), рисунок диаграммы становится сложным, если нужно учесть все реальные параметры скважины.

Эта тема рассматривается в параграфе “Осложнения”.

в) остановка циркуляции

В некоторых случаях может понадобиться закрытие скважины при одновременной остановке циркуляции (случай аварий, корректировки давления, замены бурового раствора). Необходимая процедура основана на том же принципе, что и при возобновлении циркуляции, с точки зрения предупредительных мер и использования манометров.

Для сохранения забойного давления на имеющемся уровне достаточно, при снижении скорости работы насоса, поддерживать постоянное давление в кольцевом пространстве, так как в любом случае можно предположить, что гидростатическое давление в кольцевом пространстве не изменится в течение нескольких минут, когда циркуляции не будет и скважина будет закрыта.

Давление в “бурильных трубах” автоматически снизится на величину потерь давления, соответствующих производительности насоса. При закрытой скважине возможны два случая:

 Если колонна труб заполнена буровым раствором исходной плотности _бр, оно будет р_бк1 (если нужно р_заб = р_пласт) или р_бк1 + р_репрес (если нужно сохранить избыточное давление на пласт).

 Если колонна труб заполнена буровым раствором требуемой плотности _{ут бр}, оно будет просто равняться 0.

Все это справедливо при условии обеспечения “идеального” закрытия без ущерба для “безопасности” или избыточного давления во время закрытия.