4.6.7 Изменение pбк в процессе нагнетания бурового раствора требуемой плотности ут.Бр в бурильные трубы

Напомним:

В любой момент давление нагнетания насоса выражается общей формулой:

p_бк = р_бр + р_заб - р_гдст1 , которая принимает вид (см. параграф 4.5.3):

 р_нач1 = р_бр + р_{стаб бк} + р_репрес для бурового раствора плотностью _бр в бурильных трубах и

 р_кон = р_{у бр} = р_бр  _{ут бр}/_бр для бурового раствора плотностью _{ут бр} в бурильных трубах.

Мы уже видели, что при нагнетании утяжеленного бурового раствора в бурильные трубы давление нагнетания естественно снижается от р_нач1 до р_кон, так как буровой раствор _{ут бр} должен “компенсировать” гидростатический дефицит р_{стаб бк} + р_репрес. Хотя в первом приближении считается, что это падение давления линейно, действительность гораздо сложнее, так как давление меняется, как показывает общая формула, в зависимости от двух членов:

 внутренние потери давления, член “динамического” происхождения, с обозначением р_бр,

 разность между р_заб и внутренним гидростатическим давлением р_гдст1, член “гидростатического” происхождения, с обозначением р_заб - р_гдст1.

Для линейного снижения гидростатического давления необходимо, таким образом, чтобы оба члена изменялись также линейно, что в теории редко случается!

Действительно, чтобы потери давления р_бр менялись линейно в зависимости от требуемой плотности, необходимо, чтобы внутренний диаметр бурильной колонны был постоянным, что не соответствует действительности, если учесть наличие насадок на “долоте”, на которые приходится около 70% потерь давления, и утяжеленных бурильных труб.

Для равномерного уменьшения разности р_заб - р_гдст1, нужно, чтобы поверхность раздела бурового раствора плотностью _{ут бр} и _бр опускалась с постоянной вертикальной скоростью.

Ограничиваясь упрощенным примером, можно сказать, что падение р_нач1 до р_кон может линейно произойти только в вертикальной колонне труб типа НКТ (см. нижеприведенный рисунок).

При прокачивании половины объема компенсируется половина разности давления р_нач1-р_кон

Рис. 4.23

Случай вертикальной бурильной колонны:

Поскольку потери давления в основном концентрируются на долоте, они будут незначительно повышаться по мере продвижения вниз бурового раствора плотностью _{ут бр}, чтобы, теоретически, “внезапно” перейти к р_{у бр} когда буровой раствор плотностью _{ут бр} пройдет через насадки долота.

Считая, что 2-й член (р_заб - р_гдст1) равномерно уменьшается в условиях вертикальной бурильной колонны, сумма двух параметров может быть представлена, как показано ниже на рисунке.

Примечание: При незначительной производительности насоса последнее повышение давления, когда буровой раствор плотностью _{ут бр} проходит через насадки долота, на практике обнаруживается с трудом и обычно им пренебрегают.

Рис. 4.24. Нагнетание бурового раствора плотностью _{ут бр}

в колонне труб постоянного диаметра

Рис. 4.25. Нагнетание бурового раствора плотностью _{ут бр} в бурильной колонне

Случай составной бурильной колонны:

В этом случае к нарушению вследствие нелинейности изменений внутренних перепадов давления добавляется 2-е нарушение, вызванное изменением внутреннего сечения, которое потребует другой скорости продвижения вниз бурового раствора плотностью _{ут бр} между двумя участками бурильной колонны.

При постоянной производительности насоса скорость меньше в “верхнем” участке бурильной колонны. Поверхность раздела движется медленнее и давление нагнетания снижается не так быстро по сравнению с продвижением раствора плотностью _{ут бр} в “нижнем” участке бурильной колонны.

Рис. 4.26

Случай наклонной бурильной колонны:

Здесь также нарушение вызывается изменением скорости продвижения вниз бурового раствора плотностью _{ут бр} вследствие искривления скважины. Действительно, поскольку поверхность раздела утяжеленного бурового раствора и исходного раствора движется быстрее в вертикальном участке, это приведет, при постоянном режиме работы насоса, к более значительному падению давления по сравнению с продвижением вниз (имеется в виду вертикальная составляющая скорости) бурового раствора плотностью _{ут бр} в более наклонном “нижнем” участке бурильной колонны.

Рис. 4.27

Метод расчета:

Для точности рисунка диаграммы расчет давления нагнетания должен осуществляться с помощью поэтапного развертывания базовой формулы: P_ref = р_бр + р_заб - р_гдст1.

 внутренние потери давления р_бр следует разделить на

- потери давления “в наземной обвязке”,

- потери давления в “бурильных трубах” с внутренним диаметром 1,

- потери давления в “бурильных трубах” с внутренним диаметром 2 и т.д.,

- потери давления в “утяжеленных бурильных трубах”,

- потери давления “в насадках долота”.

Примечание: На практике режим потока считается турбулентным с учетом модели Бингэма для бурового раствора, чтобы можно было пользоваться Справочником буровика.

В действительности, необходимо пройти через расчет критического режима, определение числа Рейнольдса и точные теоретические формулы, но это возможно только при наличии компьютерной программы расчета.

 член р_заб - р_гдст1 рассчитывается из условия р_заб = р_пласт + р_репрес (или р_заб = р_пласт), с учетом глубин по вертикали для различных гидростатических давлений.

В случае наклонного бурения необходимо пользоваться формулами координаты Z в зависимости от глубины по стволу скважины, зенитного угла, азимута и интенсивности набора зенитного угла и т.д.