книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Р а з д е л 4

ОБОСНОВАНИЕ РАБОЧЕГО ИНТЕРВАЛА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУРОВЫХ НАСОСОВ, ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

(HYDRODYNAMIC CALCULATION WHILE DRILLING)

Задача выбора рабочего интервала производи­ тельности буровых насосов сводится к следующему алгоритму.

1.Определяют минимально необходимый расход бурово­ го раствора для транспортирования шлама от забоя на днев­ ную поверхность.

2.Определяют минимально необходимый расход бурово­ го раствора для очистки забоя от сколотых долотом частиц по­ роды.

3.Определяют верхнее ограничение на производитель­ ность буровых насосов с позиции недопущения гидравличе­ ского разрыва пласта или катастрофического поглощения бу­ рового раствора.

4.Оценивают возможность использования гидромониторно­ го эффекта при работе на забое скважины. Если этот эффект возможен, то рабочую производительность бурового раствора приближают к верхней границе. В противном случае её уста­ навливают в соответствии с рабочей характеристикой забой­ ного двигателя, а при его отсутствии приближают к наиболь­ шему из минимальных оценок.

Для выполнения 1 и 2 пунктов алгоритма используют фор­ мулы (3.28), (3.29) и (3.30). Пункты 3 и 4 требуют комплексного гидродинамического расчёта. Смысл пункта 3 алгоритма сво­ дится к выполнению условия:

где Ркр— критическая плотность бурового раствора, экви­ валентная градиенту гидроразрыва пласта, кг/м3;

Рг —давление гидроразрыва (поглощения) пласта, Па; S(APRH) ~ потери давления при движении промывочной

жидкости в затрубном пространстве на пути от подошвы рас­ сматриваемого пласта до устья скважины, Па;

In — глубина залегания подошвы рассматриваемого плас­ та от устья, м.

Ф —содержание жидкости в шламожидкостном потоке(доли единицы).

Поскольку значения £(РКП) и Ф зависят от расхода про­ мывочной жидкости, то условие (4.11 можно проверить толь­ ко после установления подачи насосов а механической скоро­ сти проходки.

4Л. РАСЧЕ1 ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

(Pressure drop calculation in drilling mud circulation system)

Общие потерн давления AP при движении про­ мывочной жидкости в элементах циркуляционной системы оп­ ределяется из выражения

U ^ ^ t A P , ) +АР0 , , ЛД t АР, . (4.3)

где Х(ЛРгр)’ X(APK|I) — потери давления на трение по дли­ не в трубах и кольцевом пространстве. Па; АРмт, АРМК —поте­ ри давления в местных сопротивлениях в трубах и кольцевом пространстве, Па; АР,- — потери \авления в наземной обвяз­ ке, Па; АРГ5 — перепад давления в турбобуре, Па; АР, — поте­ ри давления в промывочных отверстиях долота, Па; АР, —раз­ ность между гидростатическими давлениями столбов жидкости в кольцевом пространстве и трубах, Па.

Для расчёта потерь давления при движении промывочной жидкости в кольцевом канале и трубах необходимо опреде­ лить режим течения, в зависимости от которого выбираются те или иные расчётные формулы. Для этого вычисляется зна­ чение критического числа Рейнольдса течения промывочной жидкости RеКР, при котором происходит переход от структур­ ного режима к турбулентному.

Это число для вязкопластичных жидкостей определяется

где Не = <7|?т0р/г|2 —число Хедстрема, rj —пластическая (ди­

242

намическая) вязкость промывочной жидкости, Па-с; т„ — ди­ намическое напряжение сдвига, Па. При течении жидкости внутри бурильной колонны значение dr принимается равным внутреннему диаметру бурильных труб dB. В затрубном про­ странстве dr определяется как разность между диаметром сква­ жины dr-и наружным диаметром бурильных труб dH.

Пели число Рейнольдса движения жидкости в трубах Rer или кольцевом пространстве ReKn больше вычисленного зна­ чения, го режим течения турбулентный. В противном случае движение происходит при ламинарном режиме.

Значения Rer и ReKn определяются по формулам:

сти в трубах и кольцевом канале; dBи dH — внутренний и на­ ружный диаметры секций бурильной колонны, состоящих из труб одного диаметра, м.

При турбулентном режиме течения потери давления по дли­ не канала определяются по формуле Дарси-Вейсбаха

где / —длина секций бурильных труб одинакового диамет­ ра rig или участка затрубного пространства с одинаковыми dH и dc, м; и Хкп —коэффициенты гидравлического сопротив­ ления трения в трубах и кольцевом пространстве. Их значение следует вычислять по формулам:

Шероховатость К примем для стенок трубного и обсажен­ ных участков затрубного пространства равной 3-10”4 м, а для необсаженных участков затрубного пространства — 3-10 3 м.

В случае ламинарного режима течений вязкопластичных жидкостей формулы для определения потерь давления по дли­ не канала имеют вид:

АРТ = 4ft.

T ~ dBl T

4/Тг ^КЛ - (dc - dH)PKJI

где и ркп —коэффициенты, значения которых можно оп­ ределить, предварительно вычислив число Сен-Венана для труб SeTили кольцевого пространства SeKn по формулам:

По формулам (4.8) и (4.12) определяют потери давления в кольцевом канале между стенками скважины и турбобуром. При этом значениям dH и / в формулах будут соответствовать наружный диаметр корпуса трубопровода dTи его длина 1Т.

Местные потери от замков в кольцевом пространстве опре­

где lT — средняя длина трубы в данной секции бурильной колонны, м; dM—наружный диаметр замкового соединения, м; / —длина секций бурильных труб одинакового размерам, м.

Для секций бурильной колонны, состоящей из труб, име­ ющих диаметр проходного отверстия в замковом соединении меньше диаметра канала труб, потери давлений в местных со­ противлениях внутри труб вычисляют по формуле:

244

где d3B — наименьший внутренний диаметр замкового со­ единения, м.

Если нет конкретных промысловых данных, при выполне­ нии расчетов значение 1Тможно принимать равным 12 м.

Потери давления в наземной обвязке определяют из выра­ жения:

где ас, ав, ак, а& —коэффициенты гидравлических сопро­ тивлений различных элементов обвязки, взятые из табл. 4.1.

Рг \QT .

где АРтет, QT, Рт~ справочные значения перепада давления в турбобуре, подача и плотность жидкости. Перепад ДРГ опре­ деляют по формуле:

245

При промывке без углубления, когда плотность раствора на входе и выходе скважины сравняется, ДРГ станет равным

нулю. При выполнении расчётов значение pj_ можно принять 2500 кг/м3.

4.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В ДОЛОТЕ.

ВЫБОР ГИДРОМОНИТОРНЫХ НАСАДОК

(Pressure drop in bit. Nozzle choice)

Резерв давления ДРК, который может быть реа­ лизован в долоте, определяется как разность между давлением

ЪРН, развиваемым насосом (или насосами) при выбранном диа­ метре втулок, и суммой перечисленных выше потерь давления в элементах циркуляционной системы АР —£(ДР,):

где b - 0,75+0,80. Коэффициент b учитывает, что рабочее дав­ ление нагнетания насосов должно быть, согласно правилам ве­ дения буровых работ, меньше паспортного на 20—25%.

По значению APg следует установить возможность исполь­ зования гидромониторного эффекта при бурении данного ин­ тервала скважины. Для этого необходимо вычислить скорость движения жидкости в промывочных отверстиях долота по фор­ муле:

(4-22)

где ц —коэффициент расхода, значение которого в расчёте следует принимать равным 0,95. Если получено, исходя из ре­

зерва давления, значение ug > 80 м/с, то это означает, что рас­ сматриваемый интервал можно бурить с использованием гид­ ромониторных долот,

Следует иметь в виду, что перепад давления, срабатывае­ мый в насадках гидромониторных долот, не должен превышать

некоторого предельного значения АРкр, определяемого как воз­ можность запуска турбобура, так и прочность конструктив­ ных элементов долота. В настоящее время этот предел может

быть принят равным: при роторном бурении АРКР = 12 МПа; при турбинном — АРКР = 7 МПа. Поэтому по формуле (4.22)

246

При выполнении условий (423) рассчитывается суммарная площадь насадок гидромониторного долота ф по формуле:

ж Q~Qy

ф = ------ (4.24)

где Qy = ■JbPg./kp —расход (утечка) промывочной жидкости

через уплотнение вала турбобура. м3/с; 4 —опытный коэффи­ циент, характеризующий негерметачность уплотнения конкрет­ ного турбобура. Найдя QY необходимо проверить условия выпол­ нения требований выноса шлама и очистки' забоя. Если разность

Q— Qyпревышает значения рас­ ходов*, вычисленные по форму­ лам (328);—(3.30), то названные условия будут соблюдены.

Если для данного долота ug < 80 м/с, то следует сделать вы­ вод о том, что бурение данного интервала с использованием гидромониторного эффекта невозможно. В этом случае необхо­ димо вычислять перепад давления в долоте по формуле:

247

4.3. ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКА ДАВЛЕНИЙ

(Pressure plot)

Заключительным этапом выполнения гидрав­ лического расчёта является построение графика распределения давления в циркуляционной системе буровой. Пример такого графика показан на рис 4.2. Построение графика целесообраз­ но выполнять в следующей последовательности.321

Рис. 4.2. График распределения давления в циркуляционной системе:

1 —турбобур с долотом; 2 — УБТ-219; 3 — УБТ-178, 4 —ТБВ-140; 5 —обсадная колонна;

6— слабый пласт; 7 — продуктивный пласт.

1.Слева изобразить геометрию кольцевого канала и ком­ поновку бурильного инструмента с соблюдением вертикаль­ ного масштаба.

2.Провести тонкие горизонтальные линии через точки со­ единения различных элементов бурильной колонны (горизон­ тали I-I, Н-П, ИМИ, IV-IV и т.д.)

3.Определить величину гидростатического давления на забое скважины (при отсутствии циркуляции) для двух случаев:

248

4.Отложив значения Рс и Р'с на горизонтали IV-IV, полу­ чим точки d и d'.

5.Соединив точки d v id 'c началом координат, получим ли­ нию изменения гидростатического давления в затрубном про­ странстве. В пересечении линии 0d‘ с горизонталями I-I, П-П и Ш-Ш получим точки а, Ь и с.

6.От точек а, b с и d' по горизонталям вправо откладыва­ ем значения суммарных гидродинамических потерь давления, определённые по формулам (4.8), (4.12), (4.16). Получим точки

а, b с и а .

7.Соединив точки 0, а, Ь' с и d", построим кривую измене­ ния гидродинамического давления в затрубном пространстве при циркуляции.

8.Из точки d" восстановим вертикаль до пересечения с осью давлений. Получаем точку, соответствующую величине забой­ ного давления при бурении скважины Р3.

9.Через точку d" проводим прямую, параллельную 0d. В пе­ ресечении с горизонталями получим к, т, п и точку s в пересе­ чении с осью давлений.

10.Отложив по горизонтали от точки d" отрезок, соответ­ ствующий перепаду давления в долоте, получаем точку е.

11.Длина отрезка кк' равна сумме перепадов давления в до­

лоте APgи турбобуре ДРге.

12. Длину отрезков mm, пп, ss' определяем по формуле:

Р = APg + АРп + ), (4.29)

где Х(АРГ,) — суммарные гидродинамические потери дав­ ления внутри г-й секции бурильной колонны, вычисляемые по формулам (4.7), (4.11), (4.17).

13. Вправо от точки s' откладываем отрезок, равный поте­ рям давлен? в наземной обвязке АР0. Получаем точку, соот­

249

Пример гидравлического расчёта циркуляционной системы при роторном бурении

Вычислить значение <р и £(РКП). Значение <р рас­ считываем по формуле (4.2) при скорости механического буре­

4 1,28-10"4-0,21594 0,021

т.е. содержание шлама в потоке (1 —<р) * 0, т.к. скорость х>и мала.

Для определения величины Х(РКП) найдём линейные и ме­ стные потери давления в затрубном пространстве до глубины залегания подошвы слабого пласта. Рассчитаем критическое значение числа Рейнольдса промывочной жидкости ReKP, при котором происходит переход ламинарного режима в турбулент­ ный, по формуле (4.4) для течения в кольцевом канале:

за УБТС2-178

Определим действительные числа Рейнольдса при течении жидкости в кольцевом пространстве по формуле (4.6): меж­ ду ТБВК и необсаженным стволом, диаметр которого примем равным внутреннему диаметру последней обсадной колонны df = 0,22 м:

за УБТС2-178:

4-2080-0,021 „ ,,л Rcкп —------------------------- 2150,

Ш 7t-(0,22+0,178)0,065

за УБТС2-146:

250