Поглощения промывочной жидкости входит в группу самых распространенных осложнений при бурении скважин. Работы по их ликвидации – длительны, трудоемки и дорогостоящи. Вынужденное прерывание процесса бурения, необходимое для изоляции проницаемой зоны, приводит к снижению производительности буровых работ и - в случае отсутствия положительного результата – к дополнительным затратам на производство и доставку промывочной жидкости.

Практика показывает, что при бурении многих поглощающих скважин в них устанавливается уровень жидкости, который можно использовать для внутрискважинной промывки с помощью погружных насосов. В условиях дефицита или отсутствия воды – это единственная возможность продолжать бурение. Однако при внутрискважинной промывке очистка жидкости возможна только от осаждающейся (седиментирующей) части твердой фазы взвесенесущего потока с последующим сбором ее в шламовую трубу и удалением из скважины после окончания рейса бурения. Остальная ее часть, непрерывно циркулируя с постоянно возрастающей концентрацией, загрязняет и утяжеляет буровой раствор. Это приводит к ухудшению работы и повышенному износу породоразрушающего инструмента, способствует повышению энергоемкости процесса разрушения горной породы, увеличивает вероятность прихвата бурового снаряда, провоцирует дальнейшее поглощение жидкости вследствие увеличения ее гидростатического давления, снижает надежность работы погружного насоса в загрязненной среде. Поэтому применительно к внутрискважинной промывке актуальной является проблема постоянного снижения концентрации твердой фазы в жидкости в течение рейса бурения.

Анализ и обобщение зарубежного и отечественного опыта бурения показал, что при наличии водопоглощений возможно применение внутрискважинной пульсирующей промывки (рис. 1) [1] жидкостью, периодически вытесняемой сжатым воздухом, который нагнетается компрессором по колонне бурильных труб 1, из погружной вытеснительной камеры 2 пульсационного насоса через нагнетательный клапан 3 на забой скважины 5, (активная часть рабочего цикла пульсационного насоса). Такой способ промывки более предпочтителен в плане активизации сбора шлама в наружную шламовую трубу, поскольку при заполнении камеры 2 через всасывающий клапан 4 под действием гидростатического давления столба жидкости призабойная циркуляция отсутствует (пассивная часть рабочего цикла) и шлам в это время имеет возможность оседать.

Наличие в рабочем цикле пульсационного насоса активной и пассивной частей определяет реверсивный характер движения частиц твердой фазы взвесенесущего потока. На рис. 2 показаны возможные соотношения вертикальной составляющей движения частиц на активной х₁ и пассивной х₂ частях рабочего цикла в кольцевом зазоре между стенками скважины и бурильными трубами. Знак соотношения будет определять направление перемещения частицы в восходящем потоке. Так при условии (х₁ < х₂) (рис. 2а) частица седиментирует, при равенстве х₁ и х₂ (рис. 2б) - вернется в горизонтальную плоскость, в которой она находилась в начале цикла; в случае если (х₁ > х₂) (рис. 2в) - частица продвинется вверх.

Представляет интерес движение частицы с равной величиной вертикального перемещения на активной и пассивной части рабочего цикла пульсационного насоса (рис. 2 б). Величина эквивалентного диаметра такой частицы будет представлять критерий, разделяющий фракции твердой фазы пульсирующего взвесенесущего потока на седиментирующую и выносимую части. Диаметр такой частицы назовем граничным эквивалентным диаметром.

Поскольку вертикальная составляющая перемещения этой частицы х2 на пассивной части рабочего цикла пульсационного насоса зависит от скорости U ее оседания, то, зная функциональную связь U с параметрами гидравлического контура скважины, а так же параметрами рабочего цикла пульсационного насоса, можно обеспечить такую траекторию ее вертикального перемещения в течение рабочего цикла, при которой она после выхода за пределы верхнего торца наружной шламовой трубы будет двигаться так как показано на рис. 1.

В ходе исследования движения твердой фазы в вертикальном пульсирующем взвесенесущем потоке была установлена функциональная связь скорости оседания от конструктивных и технологических факторов, которая отражается зависимостью (1):

где - S₁ и S₂ – площади сечения нижнего и верхнего (до вытеснительной камеры пульсационного насоса) участков восходящего потока; l_ш и l_к – соответственно длина шламовой и колонковой трубы; t_ц – продолжительность рабочего цикла пульсационного насоса; t_а – продолжительность активной части рабочего цикла пульсационного насоса.

Скорость оседания U_s твердого тела в вязкой ньютоновской жидкости так же можно определить по формуле Риттингера (2) [2].

где d_m - диаметр твердого тела; ρ_п, ρ_ж^в – плотности, соответственно, частицы и жидкости; g - ускорение свободного падения; с₀ – коэффициент сопротивления при оседании тела

Согласно исследованиям Р. И. Шищенко [3] обтекание частицы при ее оседании в вязкой ньютоновской жидкости происходит в области турбулентной автомодельности и для частиц шарообразной формы с₀ = 0.8175, а для частиц в форме пластин с₀ = 1.453.

Приравняв правые части выражений (1) и (2) и приняв d_m равным граничному эквивалентному диаметру δ_гэ и решив полученное уравнение относительно δ_гэ получим аналитическое выражение его величины (3) применительно к вязкой ньютоновской жидкости.

В составе шлама теоретически возможно наличие частицы, которая отрывается от забоя восходящим потоком ньютоновской жидкости, перемещается вверх в пространстве между стенками скважины и колонковой и шламовой трубой, но не выходит за предел верхнего торца наружной шламовой трубы в течение одной пульсации. Такая частица названа не выносимой. Ее эквивалентный диаметр обозначим δ_эн. Установлена функциональная связь скорости погружения невыносимой частицы со средней скоростью восходящего пульсирующего потока на нижнем участке гидравлического контура V_в1^ср, а так же параметрами рабочего цикла пульсационного насоса t_ц и t_а , которая отражается зависимостью:

Считая U_s = U^' и решая полученное уравнение относительно δ_нэ, получим аналитическое выражение величины δ_нэ применительно к вязкой ньютоновской жидкости.

В реальных условиях бурения скважины вполне вероятен переход технической воды в неньютоновскую жидкость, например вследствие контакта с породами глинистого комплекса в течение рейса бурения. Такая жидкость обладает структурой и вязкопластичными свойствами (модель жидкости - тело Шведова). Оседать в ней сможет та часть твердой фазы, размеры частиц которой будут больше величины d₀, определяемой по формуле [2]

где r₀ - динамическое напряжение сдвига вязкопластичной жидкости; m –коэффициент формы, зависящий от d₀.

В таблице 1 приведено распределение фракций твердой фазы в гидравлическом контуре скважины по характерным участкам при пульсирующей промывке.

Поскольку граничный эквивалентный диаметр и длина переходной зоны функционально связаны с параметрами пульсационного насоса, то, варьируя последними, можно обеспечить условие, при котором граничный эквивалентный диаметр частицы будет у минимальной по величине фракции твердой фазы, находящейся в пульсирующем взвесенесущем потоке. Так как формировать седиментирующую часть твердой фазы будут частицы, имеющие эквивалентный диаметр больший, чем граничный, то это позволит достичь максимального сбора шлама в наружную шламовую трубу.

Библиографический список

1. Филимоненко Н.Т. Основные результаты исследований пульсирующей промывки скважин. Межвузовский научно-тематический сборник. Вып. 23.- Екатеринбург: Уральская гос. Горно-геол. академия , 2002. С. 101-108.

2. Гукасов Н.А., Брюховецкий О.С., Чихоткин В.Ф. Гидродинамика в разведочном бурении: Учеб. пособие для вузов. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. 304 с.

3. Шищенко Р.И., Есьман Б.И. Пректическая гидравлика в бурении. М.:Недра, 1966. –285с.