Давление страгивания (инициирования течения)

Для того чтобы началась циркуляция БР, необходимо создать некоторое избыточное давление, которое называется давлением страгивания Р_стр. Его величина может быть определена по формуле

,

где – предельное статическое напряжение сдвига (СНС), Па;

L – глубина спуска бурильных труб, м;

d_r – гидравлический диаметр, м;

Для уменьшения величины давления страгивания необходимо перед плавным запуском насосов производить расхаживание и вращение инструмента, что приведет к уменьшению СНС.

Динамическое давление

В процессе спуска инструмента под долотом создается избыточное давление – репрессия, а при подъеме – разряжение (депрессия), так как скважину и движущийся в ней инструмент можно рассматривать как цилиндр и поршень. Поэтому этот процесс называется поршневанием. Абсолютная величина этого давления, называемого динамическим, Р_д, может быть найдена как сумма давления страгивания и составляющей, зависящей от скорости движения труб:

 

 

где v –скорость движения колонны, м/с;

р – плотность промывочной жидкости, кг/м³;

λ –коэффициент гидравлических сопротивлений, - .

При структурном режиме течения . Здесь R_e –число Рейнольдса.

Для глинистого раствора структурное течение наблюдается при условии 2000 < R_е > 5400. В большинстве случаев λ = 0,03–0,035.

Для снижения динамического давления необходимо ограничивать скорость СПО и предотвращать сальникообразование, производить долив труб при подъеме и строго контролировать доливаемый объем.

Эффект поршневания имеет место и в тех случаях, когда скважина заполнена водой, а поднимаются трубы со «свободным концом».

Количество труб (свечей), n, после подъема которых должен производиться долив, рассчитывается по формуле

,

где п –количество труб (свечей), послеподъема которых производится долив;

D –внутренний диаметр ствола скважины на устье;

d_н – наружный диаметр поднимаемых труб;

d_вн –внутренний диаметр поднимаемых труб;

h –длина трубы (свечи);

h_без –допустимое снижение уровня жидкости в скважине при подъеме труб h_без, после которого должен производиться долив, согласно РД 39-0147009-544-87, определяется:

при Н до 1200 м h_{бе з} = 0,03 Н; при Н до 2500 м h_без =0,02 Н; при Н свыше 2500 м h_без = 0,01 Н.

При спуске каждой свечи бурильного инструмента под долото возникают знакопеременные гидродинамические давления. В начале спуска свечи с ростом скорости спуска нарастает и репрессия под долотом. После того как скорость выровнялась, репрессия достигает максимума и остается постоянной до момента начала торможения. При резком торможении репрессия снижается до нуля и переходит в депрессию.

Величина депрессии DР_дс при скорости спуска меньше 1м/с составляет 0,01qgL, при скорости спуска больше 1м/с – 0,02–0,05 rgL.

Гидродинамическое давление

Гидродинамическое давление – это давление, которое надо приложить к некоторому объему жидкости для его перемещения по циркуляционной системе. В бурении это давление создается буровыми насосами и прилагается к БР для прокачки его по системе наземной обвязки: бурильные трубы, УБТ, долото, затрубное кольцевое пространство. Величина гидродинамического давления максимальна в начальном сечении системы, в нашем случае это выход бурового насоса. В конечном сечении системы (выход в желоб) гидродинамическое давление имеет нулевое значение. Энергия гидродинамического давления расходуется на преодоление сил трения в трубопроводной системе. В каждом последующем сечении системы гидродинамическое давление меньше, чем в предыдущем, разница между ними и называется перепадом давления на участке между сечениями, физический смысл которого на конкретных участках гидравлической системы состоит в постепенном поглощении исходной гидравлической энергии буровых насосов на каждом из этих участков.

Величина перепадов гидродинамического давления прямо пропорциональна: плотности БР, квадрату расхода БР, глубине скважины; и обратно пропорциональна пятой степени размера сечения канала. Закон гидродинамики гласит: любое изменение давления в данном сечении циркуляционной системы (закупорка насадки долота, изменение размера отверстия дросселя и т. д.) влечет за собой идентичное изменение давлений до этого сечения и оставляет неизменным давление после него.

Таким образом, при циркуляции изменение отверстия дросселя на штуцерном манифольде определит давление в любой точке системы, в частности, на забое и в устье бурильных труб, потому что дроссель находится в самом конце гидравлической системы. А закупорка насадок долота при сохранении производительности бурового насоса вызовет увеличение давлений в трубном пространстве, но никак не отразится на давлении перед дросселем штуцерного манифольда.

При простоте физического смысла гидродинамического давления математический аппарат законов гидроаэромеханики весьма сложен. Если на буровой установлена станция ГТИ, укомплектованная компьютерами с соответствующим программным обеспечением, расчеты режимов глушения можно вести с использованием любых формул и с учетом всех параметров. Для практической работы достаточно понять и запомнить несколько положений.

Перепады давления при циркуляции в скважине. Принимаем давление на стояке за 100 %. Тогда ориентировочные процентные составляющие перепадов давления, полученные как расчетным, так и опытным путем, на основных участках скважины составят:

· трубное пространство (наземная обвязка, бурильные трубы, утяжеленные бурильные трубы, долото) – 90 %; причем основные потери давления (50–70 %) приходятся на долото;

· затрубное (кольцевое) пространство – 10 %.

Давление на стояке БР, Р_ст, выражается как

Р_ст =(DР_БТ + DР_Д + DР_УБТ) + (DР_КП-УБТ + DР_КП-БТ),

где DР – перепад давления;

DР_БТ –внутри бурильных труб;

DР_УБТ – внутри УБТ;

DР_Д – в промывочных отверстиях долота;

DР_КП-УБТ –в кольцевом пространстве УБТ – скважина;

DР_КП-БТ –в кольцевом пространстве бурильная колонна – скважина.

Объединив выражения в скобках, получим

Р_ст = DР_{ТР.П .} + DР_КП = 0,9 Р_ст + 0,1 Р_ст .

Для морской скважины с подводным расположением устья (блока превенторов) следует учитывать большую длину линий глушения и дросселирования между дном моря и штуцерным манифольдом на поверхности. В открытой морской скважине процентное соотношение перепадов давления в трубном и затрубном пространствах близко к отмеченному выше (90 и 10 %). В закрытой морской скважине при циркуляции через линию дросселирования возникнут довольно большие потери давления в линии, и в соотношении будут повышаться гидравлические перепады в затрубье с увеличением глубины моря.

Оценим величину забойного давления в случаях прямой и обратной циркуляции БР. При прямой циркуляции к гидростатическому давлению столба БР на забой добавляется гидродинамическая составляющая, равная перепаду давления в кольцевом пространстве скважины. Значение этой составляющей» 10 % от давления на стояке:

Р_заб.1 = Р_гдст + DР_К.П. = Р_гдст + 0,1 ∙ Р_ст .

При перемене направления циркуляции на обратное забойное давление увеличится, поскольку его гидростатическая составляющая теперь будет равна потерям давления в трубном пространстве:

Р_заб.2 = Р_гдст + DР_Т.П. = Р_гдст + 0,9 ∙ Р_ст.

При давлении на стояке, равном, например, 150 бар, изменение направления циркуляции БР на обратное, при сохранении режима промывки, вызовет повышение забойного давления на 120 бар, и тогда гидроразрыв какого-нибудь пласта неизбежен.

Отсюда следуют простые практические выводы для успешного проведения операции глушения:

· изменять расход БР и степень открытия дросселя следует как можно более плавно, так как эти изменения вызывают степенные изменения давления, и ни в коем случае нельзя это делать одновременно;

· изменение направления циркуляции в скважине с прямой промывки на обратную вызывает увеличение гидродинамической составляющей давления на забое приблизительно в 9 раз и чревато поглощением;

· довольно безопасно обратную промывку осуществлять при снятых долотных насадках или без долота (через открытый конец бурильного инструмента), или при пониженной производительности насосов;

· если необходимо изменить на какую-то величину давление на устье в бурильных трубах, то достаточно изменить на ту же величину давление перед штуцером, приоткрыв или прикрыв отверстие дросселя и контролируя изменение давления по манометру штуцерного манифольда.

Следует помнить, что гидравлический импульс давления распространяется не мгновенно, а с некоторой скоростью. Эта скорость равна:

– 1350 м/с – для обсаженного ствола, заполненного водой;

– 1100 м/с – для обсаженного ствола, заполненного БР;

– 800 м/с – для необсаженного ствола, заполненного БР.

Пример. Закрыта скважина глубиной Н = 3700 м; башмак обсадной колонны на глубине Нб = 2900 м; бурильный инструмент на забое.

Рассчитать время прохождения импульса давления от штуцерного манифольда до манометра стояка БР.

Т = 2900/1100 + (3700 – 2900)/800 + 3700/1100 = 7 с.

Практически достаточно удвоить глубину скважины в километрах, чтобы получить время прохождения импульса давления в секундах.

При прокачивании БР по скважине в результате потерь напора в кольцевом пространстве на забое возникает некоторое избыточное давление:

· в бурильных трубах и УБТ, Па:

,

где L –длина колонны труб, м;

Dv –внутренний диаметр труб, м;

·
в кольцевом пространстве, Па –

где D – диаметр скважины, м;

d –наружный диаметр бурильных или обсадных труб, м;

DG –разница в собственном весе бурильной колонны без промывки и с промывкой;

–потери давления циркуляции по кольцевому пространству.

Ориентировочно для неглубоких скважин:

где –полные гидравлические потери при роторном способе бурения.

Для определения потерь давления в кольцевом пространстве в практических расчетах используется формула Дарси-Вейсбаха:

где λ – коэффициент гидравлических сопротивлений;

H –глубина скважины;

–скорость течения жидкости;

–плотность бурового раствора;

D, d –соответственно диаметр скважины, диаметр бурильных труб.

Гидравлические потери в кольцевом пространстве можно определить по изменению веса свободно подвешенной колонны при отсутствии промывки и после восстановления циркуляции по формуле

где –разница в весе колонны до и после восстановления циркуляции, кг;

D, d –соответственно диаметр скважины и наружный диаметр труб, м.

Дифференциальное давление

Разница между давлением в скважине в процессе бурения и пластовым давлением называется дифференциальным давлением, ΔР, и рассчитывается по формуле

ΔР=Р_гс+Р_гд-Р_пл .

Уменьшение дифференциального давления приводит к росту механической скорости бурения. Если дифференциальное давление близко к нулю, то такой процесс называется бурением при сбалансированном давлении. Однако в этом случае при остановке процесса бурения давление в скважине становится меньше пластового, так как при отсутствии циркуляции гидродинамическая составляющая равна нулю. Поэтому возможно проявление и необходим тщательный контроль над всеми его признаками.

Давление поглощения

В процессе бурения при определенном соотношении давлений в скважине, Р_с, и пласте возможно поглощение БР. Для поглощения необходим некоторый перепад давления, ΔР_n, т. е. должно выполняться условие:

Р_с=Р_пл + ΔР_n.

Сумма Р_пл+ΔР_n=Р_n и является давлением поглощения. Величина перепада давления ΔР_n зависит от размеров каналов ухода БР, его качества (вязкость, СНС), характеристики глинистой корки, мощности пласта и степени его кольматации, свойств флюида (высоковязкая нефть, газ). Давление поглощения может быть определено так же, как и давление гидроразрыва, т. е. при нагнетании БР в скважину при загерметизированном устье. При этом строится график зависимости давления от объема закачанной жидкости (рис. 1.5). В отличие от такого же графика при гидроразрыве пласта резкого падения давления нет, а стабильное давление при постоянном росте расхода бурового раствора и является давлением поглощения. По виду построенного графика можно определить некоторые характеристики поглощающего горизонта.

Индексом давления поглощения называют отношение давления Р_п на стенки скважины, при котором возникает поглощение БР, к давлению столба воды высотой от рассматриваемого объекта до устья:

.

Под модулем градиента пластового давления и модулем градиента давления поглощения понимают отношение соответствующего давления к глубине залегания рассматриваемого пласта:

; .

Если принять К_г = 2,5 и m = 0,25, то К_п = 0,83 + 0,66× К_а. При отсутствии данных о давлениях поглощения для прогнозирования значений К_п можно пользоваться формулами:

· для проницаемых пород –

(эмпирическая формула Б.А. Итона);

;

;

· для глинистых пород –

;

· для непроницаемых пород –

;

· для трещиноватых пород –

.

Коэффициент Пуассона (табл. 1.2) характеризует отношение относительной поперечной деформации к относительной продольной деформации при растяжении или сжатии. Применяется для вычисления горизонтального сжимающего горного давления.

Боковое давление р_б (в Па) определяется по формуле

; .

При ξ = 1 величина р_б имеет максимальное значение. Величина ξ приближается к 1 в толщах глинистых и других высокопластичных пород на сравнительно небольшой глубине.

При отсутствии таких данных ориентировочно давление поглощения можно определить по формуле

P_an= 0,75 P_гр .

Таблица 1.2