книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами
..pdf2. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ.
__________________СОПРОВОЖДАЮЩИХ РАБОТУ ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ_________________
Таблица 2.2.3.
Результаты аппроксимации опытных зависимостей 3 ( g ) и v j g )
Плошадь
Скважина
31-В Возейю
50-В.Уса
31-В. Возейю
31-В. Возейю
31-В Возейю
31-В. Возейю
27-Кудинов
65-Правобе- режная 47-Кудинов.
65-Правобе- режная 47-Кудинов.
Глубина |
Номер |
Вид за |
|
сква |
опыта |
вися- |
|
жины |
|
мости |
|
1763 |
1 |
S(g) |
|
|
2 |
Ы я ) |
|
|
#(g) |
||
|
|
||
|
3 |
Ы я ) |
|
|
8 (я) |
||
|
|
||
1378 |
1 |
Ы я ) |
|
М я) |
|||
|
|
||
1738 |
1 |
VJ R ) |
|
S(R ) |
|||
|
|
||
1650 |
1 |
Ы я ) |
|
3(g) |
|||
|
2 |
Ы я ) |
|
|
3(R ) |
||
|
|
||
1590 |
1 |
Ы я ) |
|
S(g) |
|||
|
|
||
1373 |
1 |
Ы я ) |
|
&(g) |
|||
|
|
||
1276 |
1 |
Ы я ) |
|
S(R ) |
|||
|
|
||
2790 |
1 |
Ы я ) |
|
S(g) |
|||
|
|
||
1825 |
1 |
Ы я ) |
|
S(R ) |
|||
|
|
||
|
2 |
Ы я ) |
|
|
д(я) |
||
|
|
||
2054 |
1 |
Ы я ) |
|
S(g) |
|||
|
|
||
|
1 |
Ы я ) |
|
|
д(я) |
||
|
|
||
2236 |
1 |
Ы я ) |
|
й(я) |
|||
|
|
Ы я )
2 |
Ъ(я) |
|
|
|
Ы я ) |
Коэффициент |
Долото |
|
вариации |
|
|
линейная |
степенная |
|
функция |
функция |
|
7,07 |
3,84 |
215,913-ГМУ |
21,88 |
5,06 |
|
5,21 |
5,25 |
|
13,92 |
15,15 |
|
4,80 |
3,37 |
|
7,08 |
6,70 |
|
1,37 |
2,89 |
295,3М-ГВШ |
3,92 |
5,85 |
|
1,22 |
1,82 |
295.3М-ГНУ |
3,89 |
3,9 |
|
3.95 |
2,86 |
СЗ-ГНУ |
8,28 |
6,41 |
|
4.663,17
5,70 |
4,23 |
|
2,47 |
3,23 |
295,3М-1 В |
7,24 |
5,21 |
|
5,90 |
4,79 |
|
11,09 |
10,94 |
|
1.79 |
12,53 |
2K2I4-CT |
2,22 |
12,13 |
|
25,01 |
28,74 |
|
25,01 |
28,74 |
|
11.94 |
8,22 |
2К214-СТ |
11,81 |
8,03 |
|
9,35 |
9,31 |
|
8,05 |
6,93 |
|
18,45 |
16,11 |
|
21,02 |
18,77 |
|
4,78 |
5,76 |
2К214-СТ |
4,78 |
5,76 |
|
22,51 |
21,45 |
|
24,66 |
24,06 |
|
14,78 |
13,75 |
|
16,18 |
13,79 |
|
Стендовое |
мало опытных точек для аппроксимации по линейной зависимости |
81
2НАУЧНОМЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ РАБОТУ ДОЛОТА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ
Плошаль |
Глубина |
Номер |
Вид за |
Коэффициент |
Долото |
|
Скважина |
сква |
опыта |
виси |
вариации |
|
|
|
жины |
|
мости |
линейная |
степенная |
|
|
|
|
|
функция |
функция |
|
бурение |
|
м - 60 |
M g ) |
|
13,82 |
долото 4 3/4’’ |
(Роули и др.) |
|
мин1 |
|
|
||
|
|
|
9,07 |
|
||
|
|
п = 120 |
M g ) |
|
|
|
|
|
мин'1 |
|
|
|
|
Стендовое |
|
|
|
6,14 |
|
|
|
п —67 |
M g) |
|
4В-140С |
||
бурение |
|
мин'1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
||
(Зубарев и |
|
«=128; |
|
|
7,09 |
|
др) |
|
M g ) |
|
|
||
|
|
и=346 |
|
|
|
|
|
|
мин'1 |
|
|
9,09 |
|
|
|
«=238 |
M g) |
|
|
|
мин'1
82
3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ
3.1.Фильтрационные потоки в разрушаемой породе, возникающие при воздействии на нее подвижной гидромониторной струи
Особенности фильтрации жидкости в полупространстве породы на за бое под воздействием дифференциального давления изучались Р.М.Эйгелесом и А.Ф. Элькиндом [185, 186], а под под воздействием не подвижной (относительно забоя) струи - Ю.И. Коваленко [59], А.М. Сваловым и С.А. Ширинзаде [146], которые отвергли задачу изучения фильт рационных потоков в проницаемой породе под воздействием перемещаю щейся (вращающейся относительно забоя) струи, считая, что время дейст вия струи слишком мало и по этой причине она (задача) интереса не пред ставляет.
Впервые фильтрацию жидкости под воздействием подвижной (пере мещающейся) струи исследовали П.Ф. Осипов и В.И. Зелепукин. Предва рительные результаты этих исследований опубликованы ими в работах [123, 124].
При отсутствии вращения долота фильтрация жидкости в “пятне по ражения” забоя гидромониторной струей осуществляется под действием статического дифференциального давления рЛаф(статической репрессии) и ударного давления струи р ^ , величина которого зависит от характеристи ки “волны” давления. В пределах пятна жидкость фильтруется только в сторону породы (прямая фильтрация), а в кольцевой зоне, непосредственно примыкающей к пятну поражения снаружи, образуются, как показал Ю.И. Коваленко, фильтрационные потоки, направленные в сторону скважины. Такие потоки можно назвать “обратными”. Последние способствуют отры ву частиц породы от забоя или, при благоприятных условиях, даже его разрушению.
Вращение гидромониторного долота вносит существенные изменения в картину фильтрационных потоков на забое скважины. Вызванные дейст виями струй волны давления (рис. 3.1.1), двигаясь вдоль забоя по окруж ности, приводят к тому, что на любой площадке забоя, оказавшейся в зоне их действия (в кольцевой полосе поражения), действующее на забой дав ление p W6 становится величиной переменной во времени и меняется от р, до рс + ру0, а затем снова уменьшается до рс. Воздействие носит импульс ный характер с паузами между импульсами (количество импульсов за один оборот равно числу установленных в долоте насадок), причем продолжи тельность пауз, как правило, больше продолжительности воздействия.
V ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ
_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________
Рис. 3.1.1. Изменение избыточного (над пластовым) давления на окруж ности, описываемой на забое скважины центрами гидромонитор ных струй, в зависимости от угла поворота долота (в долях от пол ного оборота): п =60 мин'1, d„ = 10 мм, 1С= 150 мм.
Из полосы воздействия выберем узкую полосу, центр которой распо ложен на линии, описываемой точкой пересечения оси струи с забоем скважины на радиусе где ударное давление равно гидродинамиче скому давлению в центре струи. Упростим задачу предположив, что струя создает не осесимметричную, а симметричную относительно вертикальной плоскости волну давления. Ширину волны (вдоль радиуса скважины) при мем равной диаметру струи, что позволит (в первом приближении) пре небречь влиянием крайних участков “полосы поражения” (на радиусах Rt +d/2 и Rc-d/2) на результаты расчетов на радиусе Rc. В итоге задача из зрехмерной (с переменными вдоль радиуса параметрами волны давления) в плоскую, и процесс фильтации вязкой жидкости в породу может быть описан известным уравнением [181, 12] плоско-параллельной фильтрации упругой жидкости в упругой среде, называемым уравнением пьезопровод ности:
|
д *Р _ |
1 |
дР |
, |
(3.1.1) |
|
д х 1 |
к |
dt |
|
|
где р - |
давление в массиве породы на некотором расстоянии |
х от за |
|||
боя, |
= kjpfiy - коэффициент пьезопроводности, |
|
|||
к |
|
||||
84
3 . ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ
_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________
к„ - |
проницаемость породы, |
р - |
динамическая вязкость жидкости, |
Р у = |
+ Р „ - коэффициент упругоемкости породы, |
т - пористость породы, Рж, Рп - коэффициенты сжимаемости (коэффициенты объемной
упругости) соответственно жидкости и породы. Предположим, что бурение породы осуществляется со скоростью, ко
гда на забое не успевает сформироваться градиентный слой, и давление на всем полупространстве массива породы равно пластовому. Допустим, что не прерывая вращения долота, прекращена подача инструмента, прервано углубление скважины. Этот момент примем за начало отсчета времени (/ = 0). Условимся, что при t = 0 “точка наблюдения”, расположенная на окружности с радиусом Rc, находится под шарошкой долота и действую щее на нее давление равно рмй = рс = р„, + рл„ф, как показано на рис 3.1.1.
На основе изложенного можно определиться с начальными и гранич
ными условиями для решения уравнения (3.1.1): |
|
|||||
p(x,t) = р„, |
|
при |
t =0; |
|
(3.1.2) |
|
p(x,t) = p ^ (t) |
при JC = 0 |
и ?>0, |
(3.1.3) |
|||
p(x,t) = р„,п |
|
при |
JC = оо, |
t >0. |
(3.1.4) |
|
Скорость фильтрации определяем согласно закону Дарси: |
|
|||||
v |
/ |
Э р \ |
|
|
(3.1.5) |
|
Р |
\ |
д Х |
) |
|
|
|
По А.К. Козодою [65] эпюра ударных гидродинамических давлений на забой в сечении основного участка струи описывается зависимостью
Р* = Рог еХР р |
(3.1.6) |
■ ( f ) |
|
где у - расстояние от оси струи (если ось х совпадает с осью струи); |
|
г - радиус струи в избранном сечении; |
|
Д. - коэффициент, управляющий интенсивностью изменения |
давления |
при 0 < у < г; |
|
р„с - гидродинамическое давление на оси струи, величина которого за висит от расхода жидкости, диаметра насадок, расстояния до забоя и т.д.
На рис. 3.1.1 показаны график изменения ударного давления, рассчитанные по формуле (3.1.6) для симметричной и асимметричной струй, у которых кривые изменения на участках роста давления (фазах нагнетания давления) совпадают (Д = 3,5), а на участках уменьшения давления (над точкой наблюдения проходит тыльная часть волны давле ния) - отличаются существенно величиной градиента изменения давления: у асимметричной струи он больше (Д. = 15).
За время, в течение которого центр (вершина) I-й волны давления ока зывается над точкой наблюдения (рис. 3.1.1), долото сделает 1/6 оборота, а центр струи пройдет путь 2лЛ£(1/6). В общем случае, через некоторое вре
85
V ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НЛ РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ
_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________
мя t , когда центр струи пройдет расстояние 2nRc(nt) на забое будет давле ние р,„й = р„, + р,,„ф + рул , . Величина последнего слагаемого определяется текущей координатой у, равной:
у= 2nRc(nt) - 2яйс.(1/6) = 2nRc(nt - 1/6).
Взависимости от t (при выбранном п) величина у может быть и отри цательной (фаза нагнетания) и положительной (фаза падения давления).
Еще через 1/3 оборота, при nt = 0,5, над изучаемой площадкой ока жется вершина второй волны и т. д. Вычисление параметров волны давле ния в окрестностях вершины волны осуществляется по тому же алгоритму.
Из сказанного можно заключить, что граничное условие (3.1.3) может
быть записано в виде |
|
||
|
|
Р.а/, = Pgl + РуЛ, |
(3.1.2) |
|
|
2лтЛЛ м -1 |
+ |
|
“ Рш еХ1} |
(3.1.3) |
|
где р,„ |
- гидродинамическое давление струи на расстоянии от насадки, |
||
|
|
соответствущем забою; |
|
и - |
скорость вращения долота, с 1; |
||
г |
- |
радиус струи; |
|
р |
- |
плотность жидкости; |
|
/ |
- |
глубина скважины; |
|
N - порядковый номер очередной волны давления.
Формула (3.1.3) предназначена для определения параметров волны давления, и предполагает, что ее применению предшествует идентифика ция номера очередной волны давления, ее стороны (передней или тыль ной) и определение границ между действиями струй (пауз), когда />>т, =0.
При численном решении уравнения (3.1.1) на ПЭВМ функция (3.1.3) задается в табулированном виде для любой продолжительности и любого заданного шага по времени, продиктованного желаемой точностью расчета.
Правомерность применения вязкой жидкости (в численном экспери менте - воды) в качестве фильтрующейся жидкости и уравнения (3.1.1) при указанных начальных и граничных условиях основывается на следующем;
1) проницаемость образующейся на забое в процессе бурения глини стой корки несоизмеримо велика по сравнению с проницаемостью породы в связи с тем, что забой постоянно обновляется и происходит удаление корки вместе с породой и смыв ее отраженной от забоя струей; иначе го воря, влиянием корки на процесс фильтрации можно пренебречь;
2) пластовая жидкость и фильтрат бурового раствора в основном представлены водными растворами солей, вязкости которых можно при нимать практически равными и рассматривать их как одну жидкость;
8 6
3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ
_____ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________
3)физико-химическим взаимодействием жидкости с горной породой
впроцессе фильтрации можно пренебречь.
П.Ф. Осиповым, В.И. Зелепукиным и Ю.Л. Логачевым для решения уравнения (3.1.1) разработана специальная компьютерная программа, в ко торой использованы известные методы численного решения уравнений па раболического типа. Программа предоставляет пользователю возмож ность:
-получать графики изменения давления и скорости фильтрации в массиве породы на расстоянии до 0,25 м;
-проследить за изменением параметров фильтрации для любого ин тервала времени с любой частотой фиксации промежуточных “кадров”;
-задавать любые параметры струи (как симметричные, так и асим метричные) и скорости вращения долота.
Сиспользованием программы проведены численные эксперименты с целью установления или уточнения влияния различных факторов на фильтрацию жидкости в породе.
Расчеты полностью подтвердили результаты, изложенные в работах [123, 124], и показали, что под воздействием струи в массиве породы, при легающем непосредственно к забою, изменяется не только давление, но и скорость и направление фильтрации. С технологической точки зрения ин терес представляют скорости и градиенты давления на расстоянии не бо лее 10-15 мм от плоскости забоя, поскольку именно такие размеры имеет зона предразрушения, где формируется система трещин при работе шаро шечного долота. Анализ показал, что критерием оценки фильтрационной картины в любой момент времени должна быть скорость фильтрации через поверхность забоя уф. Влияние же того или иного фактора промыв ки на процесс очистки или разрушение забоя следует оценивать на основе зависимости \ ф от поворота долота <р = nl.
Вначале был решен методический вопрос о минимально необходимом числе импульсов (от воздействия на наблюдаемую точку забоя гидромони торной струи), после которых фильтрационная картина становится практи чески идентичной. Было установлено, что при всех численных экспери ментах, когда частота вращения долота п остается неизменной, достаточно трехкратного воздействия струи, что соответствует <р = 0,8333 (момент “прохождения” центра 3-й струи над точкой). И только при исследовании влияния п на фильтрацию (при постоянстве других параметров) необхо димо соблюдения условия t = const. Это означает, что по мере увеличе ния п следует пропорционально увеличивать <р.
87
3. ВОЧДГ.ЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ
_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ
На рис. 3.1.2 показан пример зависимости v^/ip), начиная с момента на чала воздействия 3-й струи (<р = 0,78), до “прихода” четвертой. Для удоб ства направление фильтрации в сторону породы принято за отрицательное (вниз), а в сторону скважины - за положительное (вверх). Видно, что после прохождения центра струи (тыльная сторона волны давления) происходит резкое, почти ударное, изменение направления фильтрации на положи тельное, возникает обратная фильтрация, которая продолжается, затухая относительно медленно, даже после “ухода” струи. К моменту “прихода” в точку наблюдения движущейся следом за струей шарошки (<р = 1) фильт
рация снова становится отрицательной, правда, при уменьшенном значе нии призабойной репрессии (скорость фильтрации явно меньше скорости фоновой фильтрации в промежутке между импульсами). На рис. 3.1.2, кроме того, приведен график изменения толщины депрессионного слоя. В данном конкретном случае максимальная толщина этого слоя достигает 16 мм, причем в момент, когда v,/, максимально, она не превышает 10 мм.
На рис. 3.1.3 показан пример промежуточного “кадра” фильтрации, со ответствующего моменту достижения максимума скорости обратной (по
ложительной) фильтрации.
Из примера расчета (рис. 3.1.2) можно заключить, что зависимость vф(</>) дает возможность получить четкое представление о фильтрационных процессах, происходящих на забое скважины под влиянием подвижных
гидромониторных струй.
График на рис. 3.1.2 получен при перепаде давления рЛа, = 11,4 МПа, диаметре насадок d„M= 10,2 мм, плотности бурового раствора 1150 кг/м3 ,
при р,,„ф =3,2 |
МПа и расстоянии от насадки до |
забоя |
1ШС = 120 мм. |
Коэффициент |
пьезопроводности к = 0,01 м2/с . |
Эти |
перечисленные |
условия примерно соответствуют случаю бурения на глубине 3000 м при индексе пластового давления не более 1,05, что типично, например, для многих площадей Урало-Поволжья и Республики Коми.
В дальнейшем данные условия промывки приняты в качестве “стандартных” (базовых).
Вызываемая струей фильтрация на забое, как будет показано в даль нейшем, хорошо объясняет особенности и противоречия в результатах применения гидромониторных долот, в частности, обратную зависимость между механической скоростью и стойкостью долот (см. разд. 1, рис. 1.2.1 н 1.2.2). С точки зрения поиска путей более эффективного применения ша рошечных гидромониторных долот необходимо определить основные фак
8 8
3 . ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_______________
торы, влияние которых имеет практическое значение, и дать количествен
ную оценку их влиянию.
5
2
X
О
с,
о
о
0
1 I
о
S
о
о
й>
о.
с
й>
СГ
со
X X
в
ц
о
Рис. 3.1.2. Изменение |
скорости и направления фильтрации жидкости |
через плоскость забоя при вращении долота ( РЛк1=11,4 МПа; |
|
dHM~\Q^2 мм; |
/,=3000 м; п - 1 с"1; Q = 22 л/с ): |
1 - скорость фильтрации;
2 - толщина депрессионного слоя
В следующих подразделах приведены результаты исследования влия ния технологических (перепада давления на долоте, скорости его враще
ния, дифференциального давления), технических (приближения насадок к
забою, применения насадок, формирующих асимметричные струи, или
специальных средств для создания кавитации) на интенсивность и про
должительность фильтрации.
89
Д. ВОЗДЕЙСТВИИ ГИДРОМОНИТОРНЫХ СТРУЙ НА РАЗРУШАЕМУЮ ДОЛОТОМ ПОРОДУ
_________________ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ_________________
Рис. 3.1,3. Распределение давления и скорости фильтрации в массиве породы (условия расчета те же, что на рис. 3.1.2):
1 - давление; 2 - скорость фильтрации.
3.2. Исследование влияния природных и технологических факторов на характеристики фильтрационных потоков на забое скважины
Ниже приводятся результаты численных экспериментов по определе нию влияния отдельных факторов на явление забойной фильтрации, В экс перименте выдерживался принцип изменения только одного параметра при сохранении неизменными других, что позволило избежать элемента иска жения на влияние исследуемого параметра. В реальной практике так не бывает. Например, увеличение рл невозможно без изменения других пара метров: расхода жидкости, диаметра насадок. Даже такой параметр, как /?,),„/„ зависит от расхода раствора, поскольку связан с потерями давления в заколонном пространстве.
Влияние дифференциального давления р л„ф на фильтрацию жидкости.
На рис. 3.2.1 приведены результаты расчетов г,/, при различных значе ниях дифференциального давления (от 0 до 22,5 МПа). Оказалось, что да же при весьма высоких значениях рЛшф не может “подавить” обратную
90