книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

го цикла циркуляции утяжеляемого бурового раствора. Точки пересечения с прямыми /', 2', 3\ 4' и 5' на графике будут соот­ ветствовать тем режимам, при которых будет обеспечиваться необходимая подача БПР, В нашем примере прямая, проведен­ ная из точки с, пересекла ось С в точке, соответствующей про­ изводительности 30 т/ч, а также прямые 3’, 4', 5‘ в точках е, f, g. Таким образом, для выполнения данной задачи необходимо, чтобы была обеспечена подача БПР, равная 30 т/ч.

Спроектировав точки пересечения е, f, g на ось d, получим значение диаметров сменных диафрагм, соответствующих оп­ ределенной величине давления перед эжекторным смесителем, при которых обеспечивается заданный режим утяжеления бу­ рового раствора.

2.3.2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ УТЯЖЕЛЕННЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

(Preparing of weighted drilling muds)

При приготовлении утяжеленных буровых ра­ створов с заданной вязкостью требуется рассчитать массу гли­ ны, химического реагента и баритового утяжелителя. Требуемая масса глины для приготовления заданного объема V утяжелен­ ного бурового раствора с заданной вязкостью определится из зависимости:

ИЛИ

„, и1пп/По\

Ру ~Ра

где Г, —объемное содержание глины, %;

Pei Ррг рг. Ру —плотность воды, раствора, глины и утяжели­ теля, г/см3.

В табл. 2.7 приведены данные лабораторных работ по при­ готовлению буровых растворов с заданными значениями пла­ стической вязкости и плотности. Компонентный состав этих растворов был рассчитан по разработанной методике. Анализ полученных данных показывает, что относительная погреш­ ность расчетов по сравнению с фактическими данными состав­ ляет не более 13%, что вполне допустимо.

121

Т а б л и ц а 2.7

Соотношение компонентов буровых растворов

2.3.3. УПРОЩЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА

КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

(Simplificate calculation of drilling mud composition)

С достаточной для практики точностью требу­ емый компонентный состав буровых растворов можно рассчи­ тать по упрощенным зависимостям. Так, зная величину Кг для глинопорошков, можно определить количество глины для при­ готовления глинистой суспензии с приемлемыми технологиче­ скими свойствами:

где Ск = 2+3 % —содержание коллоидного глинистого ком­ плекса; рг = 2,6 г/см3 — плотность глины; Кг — коэффициент коллоидальности глины.

Для заданных значений вязкости Скрр = const, то можно по­ лучить простое уравнение для определения требуемой массы

122

глины для приготовления заданного объема утяжеленного буро­ вого раствора с заданной величиной произведения Скрр = Р:

где V — объем приготовляемого раствора, м3; / — коэффи­ циент, учитывающий влияние химических реагентов на изме­ нение Кг.

Количество утяжелителя, необходимое для приготовления 1 м3 бурового раствора, можно вычислить по формуле (2.35), а массу химического реагента для приготовления требуемого объема бурового раствора —из уравнения (2.32).

Выход раствора (в м3/т) при заданном значении Ск опреде­

В табл. 2.8 приведены результаты расчета количества саригюхского бентонита, необходимого для приготовления 1 м3 соленасыщенного раствора, обработанного КМЦ-600. Для срав­ нения в этой же таблице приведены данные лабораторных ис­ следований по определению необходимого количества глин для приготовления соленасыщенного бурового раствора. Ана­ лиз полученных результатов показывает, что расчетные дан­ ные близки к фактическим.

Для приготовления буровых растворов в лабораторных ус­ ловиях (а также на буровой) часто применяют концентриро­ ванные, предварительно диспергированные глинистые пасты и жидкие химические реагенты. В этих условиях важно пра­ вильно определить объем или массу пасты и жидких химичес­ ких реагентов для приготовления раствора.

Необходимую массу и объем глинистой пасты (в г и т) мож­ но вычислить по формулам:

123

где Cr — требуемое объемное содержание глины в приго­ товляемом растворе, %; Т —содержание твердой фазы в пасте, %; V — объем приготовляемого раствора, м , Qn — объем гли­ нистой пасты, м3.

где Ср —требуемая концентрация сухого химического реа­

гента в приготовляемом растворе, %; Ср' —концентрация жид­ кого химического реагента, %.

Если в баритовом утяжелителе имеется глина, содержание которой определено по величине адсорбции метиленовой си­ ни, то следует в расчет вносить поправку на содержание гли­ ны в барите.

Объем глины (коллоидной составляющей), вносимый в раст­

где т —величина адсорбции метиленовой сини 1 г барита, см3; Y, —объемное содержание барита в буровом растворе, %.

Для ускорения расчетов разработаны номограммы, пользу­ ясь которыми можно легко и быстро получить данные о соста­ ве и свойствах глинистых суспензий.

2.3.4.НОМОГРАММА ДЛЯ РАСЧЕТА СОСТАВА

ИСВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ

(Clay suspension calculation and properties nomogram)

Номограмма (рис. 2.5) состоит из трех взаимосвязанных гра­ фиков для определения отдельных показателей. По номограмме а определяется объемное содержание твердой фазы в зависимо­ сти от требуемых структурно-механических показателей глини­ стой суспензии и коэффициента коллоидальности глины.

На оси ординат отложены значения СНС за 1 мин. покоя, пла­ стической и эффективной вязкости и динамического напряжения сдвига, а на оси абсцисс —объемное содержание твердой фазы. Номограмма б служит для определения плотности глинистой су­ спензии в зависимости от содержания твердой фазы, а номограм­ ма в —для оценки выхода глинистого раствора (в м3/т) и количе­ ства глины для приготовления 1 м3 глинистого раствора.

Пример пользования номограммой (рис. 2.5). Требуется при­ готовить глинистую суспензию, имеющую СНС, = 2,5 Па из глины с коэффициентом коллоидальности К = 0,8.

124

Рис. 2.5. Номограмма для расчета состава и свойств глинистых суспензий.

Из точки А, соответствующей СНС, = 2,5 Па, проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с лини­ ей, соответствующей К = 0,8 (точка В). Из точки В прово­ дим вертикальную прямую до пересечения с осью абсцисс и получаем точку С, соответствующую необходимой объ­ емной концентрации глины в суспензии (Г = 4,6%). Далее находим плотность суспензии рр = 1,075 г/см3 (точка Е), вы­ ход глинистого раствора QB= 8,2 м3/т (точка L) и требуемое количество глины для приготовления 1 м3 глинистого раство­ ра Г = 0,122 т/м3 (точка М).

Для данной суспензии можно определить пластическую вяз­ кость г) = 0,0067 Па ■с (точка N), предельное динамическое на­

125

пряжение сдвига т0 = 6,0 Па • с (точка О) и эффективную вяз­ кость Т1эф = 0,0127 Па ■с (точка Р).

С помощью номограммы можно производить различные про­ межуточные определения. Например, зная плотность глинис­ той суспензии и определив содержание коллоидного комплек­ са, можно рассчитать коэффициент коллоидальности и найти структурно-механические показатели. Или, зная выход глинис­ того раствора из 1 т глины и оценив К, можно прогнозировать свойства раствора и т.д.

В табл. 2.9 приведены фактические и расчетные структур­ но-механические показатели глинистых суспензий, приготов­ ленных в лабораторных условиях из глин различной коллои­ дальности.

П р и м е ч а н и е . В числителе приведены ф актические данные, в зна­ менателе — рассчитанные по номограмме.

В табл. 2.10 показаны фактические и рассчитанные по но­ мограмме данные по глинистым растворам (необработанным или с небольшими добавками химических реагентов), применя­ емым при бурении скважин на Самотлорском месторождении Тюменской области. Анализ показывает удовлетворительную сходимость фактических и расчетных данных как для промыс­ ловых растворов, так и для растворов, приготовленных в лабо­ раторных условиях.

Разработанная номограмма может применяться для опре­ деления состава исходных глинистых растворов с заданными технологическими свойствами в лабораторных условиях и для расчетов с целью оптимизации технологии приготовления и управления свойствами буровых растворов в процессе буре­ ния нефтяных и газовых скважин.

126

рассчитанные по номограмме.

2. Пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига замерены на приборе ВСН-3,

2.3.5. НОМОГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ И СОСТАВА ТВЕРДОЙ ФАЗЫ И СЩЕНКИ КАЧЕСТВА БУРОВОГО РАСТВОРА

(Solid co n ten t a n d evolution o f d rillin g m u d nom ogram )

Для определения содержания и состава твердой фазы, оценки качества буровых растворов по показателю Сцрр и коэффициенту коллоидальности К разработана номограмма (рис. 2.6), состоящая из двух взаимосвязанных графиков а и б. График а выполнен в координатах: плотность бурового рас­ твора —содержание твердой фазы в растворе. Для построения этого графика использовали расчетные составы буровых рас­ творов (при Скрр = 4,04-4,4). Граничные линии соответствуют суспензиям, приготовленным только из утяжелителя или гли­ ны, промежуточные линии — растворам, содержащим глину с различным коэффициентом коллоидальности от 1 (высоко­ качественный бентонит) до 0,2 (низкоколлоидальная выбурен­ ная порода). На графике а нанесена область АВСД, соответ­ ствующая оптимальному содержанию твердой фазы бурового раствора. В этой области требуемые значения структурно-ме­ ханических и фильтрационных показателей бурового раство­ ра поддерживаются путем добавки небольшого количества хи-

127

Рис. 2.5. Номограмма для определения содержания и состава твердой фазы и оценки качества бурового раствора.

мических реагентов. При необходимости такой раствор может быть значительно утяжелен без особых изменений структур­ но-механических и фильтрационных свойств.

Если по данным плотности и общего содержания твердой фазы бурового раствора окажется, что точка пересечения нахо­ дится левее линии АВ, то это свидетельствует о слишком низ­ кой концентрации глинистой составляющей. В этом случае, осо­ бенно при высокой плотности, возможны потеря стабильности бурового раствора и выпадение из него утяжелителя. Раствор с аномально высокой концентрацией фазы (область правее ли­ нии СД) может иметь неудовлетворительные структурно-ме­ ханические и фильтрационные показатели. Такие растворы, как правило, приводятся в норму при значительных добавках химических реагентов или удалением избытка глинистой со­ ставляющей.

Следует обратить внимание на то, что для небольших зна­ чений плотности бурового раствора (до 1,3—1,4 г/см3) оптималь­ ная область имеет сравнительно большой диапазон содержания

128

твердой фазы. Для растворов высокой плотности (1,8—2,0 г/см3) оптимальная область находится в очень узком диапазоне, где допустимые отклонения содержания твердой фазы составля­ ют около 1%. В этих условиях требуется особая тщательность при определении общего содержания твердой фазы и колло­ идальной составляющей бурового раствора, так как даже не­ большая ошибка в определении может быть причиной непра­ вильной оценки состояния системы.

График б предназначен для определения содержания гли­ ны в буровом растворе по общему содержанию и плотности твердой фазы.

П р и м е р 1. Плотность бурового раствора 1,9 г/см3, общее содержание твердой фазы 30,7%, содержание коллоидного ком­ плекса 2,3%, Скрр = 4,3. Следует оценить качество этого рас­ твора по компонентному составу твердой фазы и определить состав.

Для этого на оси абсцисс графика а находим точку, соот­ ветствующую объемному содержанию твердой фазы, равно­ му 30,7%. Из этой точки проводим вертикальную прямую до пересечения с прямой (точка К), проведенной из точки на оси ординат, соответствующей плотности бурового раствора рр = 1,9 г/см3.

Точка К находится в зоне оптимальных концентраций твер­ дой фазы, следовательно, данный раствор является качествен­ ным и удовлетворяет условиям бурения.

Для определения содержания глины и утяжелителя в ис­ следуемом растворе предварительно найдем плотность твер­ дой фазы. Для этого из начала координат графика а через точ­ ку К проводим прямую до пересечения с осью ординат графика б (точка L), получим плотность твердой фазы ртв = 3,93 г/см3. Из точки L проводим прямую, параллельную оси абсцисс графи­ ка б, до пересечения с наклонной прямой, соответствующей общему содержанию твердой фазы 30,7% (точка М) и опуска­ ем перпендикуляр на ось абсцисс (точка N). Точка N соот­ ветствует объемному содержанию глины в буровом растворе Г = 3,5%. Содержание утяжелителя в растворе определяется разностью 30,7 — 3,5 = 27,2%.

Коэффициент коллоидальности глины можно найти по но­ мограмме или расчетным путем К = 2,30/3,50 = 0,65.

П р и м е р 2. Плотность бурового раствора 1,9 г/см3, об­ щее содержание твердой фазы 34%, содержание коллоидных частиц 2,3%.

Данному раствору (точка К') соответствуют следующие по­

казатели по номограмме: р‘“= 3,64 г/см3 ; содержание глины в растворе (точка N') — 10,4%; коэффициент коллоидальности глины К = 0,22.

Следовательно, несмотря на оптимальное значение Р = 4,3, данный раствор не может удовлетворять условиям бурения, так как точка К' находится за пределами зоны оптимальных концентраций твердой фазы. Такой буровой раствор содер­ жит слишком много неактивной выбуренной породы в составе твердой фазы, что может явиться причиной высокой водоотда­ чи в забойных условиях и различных осложнений в процес­ се бурения.

Чтобы привести этот раствор в норму, необходимо удалить избыток выбуренной породы с помощью очистных устройств или заменить часть раствора вновь приготовленным из высо­ кокачественного бентонитового порошка (коэффициент колло­ идальности бентонита К = 0,8-5-0,95).

Данная номограмма может быть использована также для рас­ чета различных технологических операций, связанных с при­ готовлением, утяжелением и очисткой бурового раствора.

Пр и мер 3. Требуется определить расход глины, утяже­

На оси ординат находим точку, соответствующую плотно­ сти раствора 1,9 г/см3. Из этой точки проводим прямую, парал­ лельную оси абсцисс, до пересечения с кривой, соответству­ ющей коэффициенту коллоидальности глины К = 0,65 (точка К), Из точки К опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и на­ ходим точку, соответствующую общему содержанию твердой фазы в приготовляемом растворе — 30,7%.

Перед определением требуемого количества глины и утяже­ лителя находим значение плотности твердой фазы. Для этого из начала координат графика а через точку К проводим прямую до пересечения с осью ординат графика б (точка L), плотность твердой фазы ртв = 3,93 r/см3. Из точки L проводим прямую, параллельную оси абсцисс графика б до пересечения с наклон­ ной прямой, соответствующей общему содержанию твердой фа­ зы 30,7% (точка М) и опускаем перпендикуляр на ось абсцисс (точка N). Точка N соответствует объемному содержанию гли­ ны в приготовляемом буровом растворе (Г = 3,5%). Необходи­ мое содержание утяжелителя в буровом растворе определяет­ ся разностью 30,7 — 3,5 = 27,2%.

130