главная страница              электронная библиотеека            перечень ссылок

автор Ю.А.Кивалин , ДонГТУ, группа ТТР-96б, Горно-геологический факультет

научный руководитель доц. Н.Т.Филимоненко

Разработка метода прогнозирования распределения шлама в пределах столба жидкости при бурении скважин с пульсирующей промывкой
АВТОРЕФЕРАТ

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИЗАБОЙНОЙ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПРОМЫВКИ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ ПОГЛОЩЕНИЯ ОЧИСТНОГО АГЕНТА

Вопросы, связанные с проблемой обеспечения возможности промывки скважин при бурении в проницаемых зонах, всегда были в центре внимания буровой науки. Следует отметить огромный вклад в ее решение выдающихся исследователей в области бурения В.Г. Ясова и Э.Я. Кипко.

Благодаря исследованиям В.Г. Ясова, разработан огромный арсенал методов предупреждения поглощений, которые условно разделены на три группы: регулирование свойств бурового раствора, управление гидродинамической обстановкой в скважине при выполнении различных технологических операций и изменение характеристик поглощающего пласта.

Под руководством Э.Я. Кипко выполнены многочисленные исследования по изучению проницаемых и обводненных зон и разработан признанный во всем мире комплексный метод тампонажа при строительстве шахт.

Однако не всегда попытки предупредить или ликвидировать поглощение очистного агента дают положительные результаты. В этом случае, при наличии даже небольшого количества жидкости в скважине, целесообразно применять погружные насосы, которые создают внутрискважинную ее циркуляцию.

По типу привода погружные насосы подразделяются на устройства с механическим, электрическим, пневматическим и гидравлическим приводом. Последний не целесообразен в условиях водопоглощений в виду потерь рабочей жидкости.

Механический привод реализуется следующими способами:

1) путем расхаживания колонкового снаряда с шариковым клапаном с помощью лебедки бурового станка (безнасосный способ бурения);

2) посредством вращения или расхаживания колонны бурильных труб, приводящих в действие встроенные погружные или винтовые насосы.

Безнасосный способ прост в исполнении, но обладает рядом недостатков, главными из которых являются большие затраты физического труда при расхаживании колонны бурильных труб (независимо от того, каким способом оно выполняется). Кроме этого, наблюдается преждевременный износ бурового оборудования (особенно при большой глубине скважины) и низкая производительность бурения.

Погружной винтовой насос, встроенный в колонковый снаряд, требует затормаживания корпуса последнего о стенки или забой скважины. Это усложняет конструкцию насоса и накладывает ограничения на величину осевой нагрузки.

Таким образом, применение погружных насосов с механическим приводом, осуществляемым путем расхаживания и вращения колонны бурильных труб, не может быть перспективным при решении проблемы внутрискважинной промывки в условиях водопоглощения.

Сложность подачи питания к электродвигателю во вращающейся колонне, а также отсутствие погружных электродвигателей малого диаметра делают проблемным широкое использование насосов с электроприводом для создания внутрискважинной циркуляции очистного агента.

Известны способы призабойной промывки скважин, создаваемой с помощью погружных устройств, использующих в качестве привода сжатый воздух.

Достигнутые успехи в разработке последних предопределены благодаря исследованиям Бажутина А.Н., Батурина Ю.А., Илларионовой Т.М., Кирсанова А.И., Костюкова Н.Н., Крылова А.П., Кудряшова Б.Б., Мураева Ю.Д., Неудачина Г.И., Пилипца В.И., Прянишникова В.Е., Серебрянникова В.В., Сулакшина С.С., Топчиева Г.Р., Тиховадова Б.Д., Шагина Г.П., Шапошникова, И.А.,Шолохова Л.Г. и др.

В практике разведочного бурения, осуществляемого в условиях поглощения промывочной жидкости, сжатый воздух используется:

1) в качестве очистного агента (бурение с продувкой);

2) как необходимый компонент для приготовления пен - эффективных, при определенных условиях, очистных агентов;

3) для создания призабойной промывки с применением эрлифтных насосов;

4) в погружных пневматических вытеснителях (поршневых насосных агрегатах с приводом от пневмодвигателя и пульсационных насосах).

Основным фактором, ограничивающим применение сжатого воздуха при бурении с продувкой, является водоприток в скважину. Наличие в скважине даже небольшого столба жидкости резко ограничивает использование продувки по глубине скважины. Установлено, что водопритоки свыше 35% от веса выбуренного шлама являются серьезным препятствием использования продувки скважин даже с применением поверхностно - активных веществ.

Использование пен в качестве очистного агента не может решить проблему бурения скважин в условиях водопоглощений, если водопритоки превышают 1.0^.10^-3м³/c (60 л/мин.). Кроме этого, пены весьма токсичны.

Эрлифтные насосы эффективны только в том случае, если уровень жидкости в скважине находится на расстоянии более 50 м от забоя. В скважинах с небольшим количеством жидкости возможно использование эрлифта в сочетании с водоструйным  или центробежным насосами . Однако, промышленного применения такие конструкции не получили из-за сложности проведения спускоподъемных операций, обусловленных наличием трех колонн труб, а также необходимости наличия запаса жидкости или оперативной доставки ее для привода водоструйного насоса.

Таким образом, вышеназванные погружные технические средства с пневмоприводом возможно применять при бурении в проницаемых зонах в случае устранения вышеуказанных недостатков и при наличии условий, дающих возможность их применения. Однако, они не могут быть перспективными при решении проблемы бурения скважин в условиях больших поглощений промывочной жидкости, когда уровень ее находится практически над забоем.

Опыт полигонного и промышленного применения   показал, что именно в подобных условиях целесообразно использовать нетрадиционный способ призабойной пульсирующей промывки забоя скважины оставшейся в ней жидкостью. При необходимости, его можно совмещать с методом поинтервального тампонирования трещиноватых зон.

Преимущества призабойной пульсирующей промывки:

1) экономична, так как нет необходимости доставки на объект работ промывочной жидкости;

2) экологична, поскольку осуществляется естественным очистным агентом без специальных реагентов, практически весь спектр которых токсичен;

3) не требует наличия в скважине большого количества жидкости.

Однако, возможности призабойной пульсирующей промывки реализованы далеко не полностью. Проведенные в этом плане работы не имели концептуальной направленности, носили бессистемный, эпизодический характер и не нашли широкого применения в практике бурения скважин. Поэтому необходим анализ современного состояния технических средств, теории и технологии призабойной пульсирующей промывки скважин.

Обзор технических средств для создания призабойной пульсирующей промывки скважин

В настоящее время реализовано два конструктивных решения пневматических вытеснителей, предназначенных для создания призабойной пульсирующей промывки скважин в условиях поглощения промывочной жидкости.

Первое позволяет преобразовать энергию сжатого воздуха в энергию движущейся жидкости посредством механического элемента, который является проводником энергии. В этом случае сжатый воздух используется как привод к обычным поршневым насосам . Большой вклад в разработку таких пневматических насосов внесли Документов В.И., Крылов А.П., Кудряшов Б.Б., Неудачин Г.И., Топчиев Г.Р. Из зарубежных конструкций известны насосы, разработанные в Германии  и Франции. Однако, они не нашли широкого применения по следующим причинам:

1) сложность конструкции, вызванная необходимостью тщательной герметизации рабочих камер и применения собственной лубрикаторной системы для смазки трущихся поверхностей;

2) ненадежность золотниковых воздухораспределителей рабочего агента при работе в загрязненной среде;

3) высокая стоимость.

Полностью устранить присущие этим насосам недостатки не удалось.

Второе конструктивное решение позволяет периодически передавать энергию сжатого воздуха непосредственно на вытесняемую жидкость без промежуточных звеньев. Из конструктивных соображений и условий надежности оно более предпочтительно, поскольку позволяет создавать призабойную пульсирующую промывку скважин имеющейся в ней шламосодержащей жидкостью.

Работы по созданию устройств, позволяющих передавать энергию сжатого воздуха непосредственно на вытесняемую жидкость, проводились в Екатеринбургском горном институте и в Донецком государственном техническом университете (ДонГТУ). Имеется достаточный объем конструкторских решений. Большинство из них защищены авторскими свидетельствами на изобретение  и апробированы в производстве.

Однако, до настоящего времени они не объединены в удобную для обзора структурную схему, используя которую можно было бы обобщить имеющиеся технические решения и наметить пути их совершенствования.

Вопросами классификации пневматических насосов в разное время занимались Ф.В.Конради, К.А. Сенник, И.Л. Логов. Проанализируем критерии, которые они использовали для их классификации.

В.Ф. Конради предлагал классифицировать все пневматические насосы по способу действия на четыре группы :

1) обыкновенные прямодействующие насосы;

2) вытеснительные аппараты;

3) инерционные аппараты;

4) эрлифтные насосы.

Однако, в нашем случае способ действия, как критерий, не может быть приемлем, так как рассматриваемая группа относится только к вытеснительным аппаратам.

К.А. Сенник классифицировал все конструкции пневмонасосов по следующим признакам:

1) по распределению воздуха;

2) по характеру наполнения и вытеснения жидкости;

3) по использованию отработанного воздуха.

И.Л. Логов считает, что принимать такие признаки в качестве классификационных нельзя, так как, по его мнению, они второстепенны . Однако для узкой группы насосов (в нашем случае - пульсационных) даже второстепенные факторы могут быть критериальными.

Из предложенных К.А. Сенником критериев для систематизации устройств, позволяющих создавать пульсирующую призабойную промывку, можно выделить только первый - по распределению воздуха, так как известные конструкции имеют клапанные, золотниковые и клапанно-золотниковые воздухораспределители.

Что касается характера наполнения, то во всех рассматриваемых устройствах наполнение камеры происходит за счет гидростатического давления столба жидкости, под уровень которого она заглублена, а вытеснение имеет пульсирующий характер. Ни в одном из устройств отработанный воздух не используется.

И.Л. Логов вполне обоснованно предложил в качестве критерия для классификации принять самый существенный энергетический показатель - коэффициент полезного действия. По его классификации все пневматические насосы делятся на два типа:

1-ый тип - пневматические насосы, работающие с использованием части потенциальной энергии воздуха, что весьма выгодно в плане экономичности рабочего процесса;

2-ой тип - пневматические насосы, работающие без использования потенциальной энергии сжатого воздуха.

Рассматриваемые ниже пневматические вытеснители включают в себя устройства первого и второго типа. Все они содержат погружную вытеснительную камеру (одну или несколько) и способны создавать только пульсирующую промывку скважин.

В качестве признаков систематизации предлагается брать следующие:

1) расположение воздухораспределителя в составе бурового снаряда (поверхностный  и погружной воздухораспределитель);

2) вид вытеснительной камеры (вытеснительная камера - погружной вытеснительный цилиндр или колонна бурильных труб  );

3) тип воздухораспределителя (клапанный, золотниковый и клапанно-золотниковый );

4) число этапов вытеснения за рабочий цикл устройства (одинарного действия и двойного действия );

5) экономичность устройства (1-й  и 2-й типы).

рис. 1.1

На рис.1.1 приведена  структурная схема известных конструкций устройств, позволяющих создавать пульсирующую призабойную промывку скважин.

О ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ШЛАМА ПО ДЛИНЕ СТОЛБА ЖИДКОСТИ ЗА ВРЕМЯ РЕЙСА БУРЕНИЯ ПРИ ПРИЗАБОЙНОЙ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПРОМЫВКЕ СКВАЖИН

Ранее проведенные исследования [1] позволили сделать вывод, что скорость восходящего потока промывочной жидкости при призабойной пульсирующей промывке на этапе вытеснения пневматического вытеснителя не постоянна и зависит от ее реологических свойств (структурной вязкости и динамического напряжения сдвига), плотности и динамики столба жидкости в скважине (подвижный или неподвижный уровень), давления сжатого воздуха в вытеснительной камере, некоторых параметров, изменяющихся в течение рейса, а именно: глубины скважины, величины заглубления вытеснительной камеры под уровень жидкости, степени заполнения керном колонковой трубы. Именно это существенно отличает внутрискважинную пульсирующую промывку от традиционной, при которой скорость восходящего потока определяется заданным постоянным расходом, обеспечиваемым режимом работы промывочного насоса, не зависящим от вышеназванных параметров очистного и рабочего агентов и конкретных условий бурения. Поэтому, картина процесса выноса шлама при призабойной пульсирующей промывке существенно отличается от традиционной и весьма сложна.

Подача зашламованной жидкости на забой скважины нежелательна. По этой причине пневматический вытеснитель целесообразно устанавливать в верхнем интервале столба жидкости, где нахождение крупных частиц шлама менее вероятно, поскольку накопление его в очистном агенте в пределах столба жидкости идет в направлении от забоя к устью скважины. Назовем его интервалом нежелательного нахождения зашламованной жидкости. Анализ таблицы 1 показывает, что обеспечить незашламованность верхней части столба жидкости практически невозможно.

Так, при диаметре скважины 76 мм частицы шлама с d = 0.00001 м плотностью 2000 кг/м³ начнут выноситься уже при расходе очистного агента 1.54 л/мин. Поэтому, при пульсирующей промывке в гидравлическом контуре скважины всегда будет находиться шлам, который вместе с нисходящим потоком поступит на забой скважины. Таким образом, необходим прогноз его локализации в пределах столба жидкости, поскольку это определяет плотность очистного агента, одного из перечисленных выше параметров, от которых зависит скорость восходящего потока на этапе вытеснения.

Рассмотрим, каким образом можно прогнозировать локализацию шлама в пространстве, где движется восходящий поток. Пусть это пространство содержит два участка (рис.1.2). На рис. 1.2 приведены две циклограммы движения шлама конкретной фракции на участке призабойной зоны (рис.1.2б) и в пространстве между бурильными трубами и стенками скважины (рис.1.2в) за период рабочего цикла пневматического вытеснителя (рис.1.2а) при условии, что образование частицы шлама совпало с началом рабочего цикла. Участки АВС и АВ^’С циклограмм (рис.1.2а) характеризуют изменение скорости восходящего потока соответственно в призабойной зоне и пространстве между бурильными трубами и стенками

Таблица 1 Спектр расходов промывочной жидкости Q, при котором шлам выбуренной породы плотностью 2000 кг/м³ будет выноситься в пространство выше колонковой трубы.

Рис.1.2  Совмещенные теоретические графики рабочего цикла пневматического вытеснителя и перемещения шлама на рабочем цикле:

а - рабочий цикл пневматического вытеснителя;

б - движение шлама в призабойной зоне;

в - движение шлама в пространстве между бурильными трубами и стенками скважины за период вытеснения t_в рабочего цикла;

Участки CD и C^’ D^’ показывают скорость восходящего потока соответственно в призабойной зоне и пространстве между бурильными трубами и стенками скважины за период движения жидкости по инерции t_и. V₁ - скорость восходящего потока, при котором будет обеспечиваться вынос шлама в призабойной зоне, а V₂ - в пространстве между бурильными трубами и стенками скважины. Пересечение графиков, отражающих прогнозируемую скорость восходящего потока ( участок АВСD) и скорость V₁, свыше которой начнется вынос шлама в призабойной зоне будут в точках соответственно 1 и 2 (рис.1.2а). Расстояние между этими точками будет равно периоду времени Т₁ (рис. 1.2б), в течение которого за время рабочего цикла в этой зоне будет наблюдаться вынос шлама. Аналогично, расстояние между точками пересечения 3 и 4 графиков АВ^’С^’D^’ и V₂ (рис.1.2а) соответствует периоду времени Т₁ (рис. 1.2в), в течение которого за время рабочего цикла будет наблюдаться вынос шлама, но уже в пространстве между бурильными трубами и стенками скважины. Площадь плоскости, ограниченной графиком движения шлама выше оси t показывает путь, который пройдет последний на этапе вытеснения. Аналогично площадь графика ниже оси t будет соответствовать пути, пройденного шламом во время оседания на этапе вытеснения. Аналитически его определить несложно. Следовательно, появилась возможность разработки графико - аналитического метода прогнозирования локализации шлама конкретной фракции на участке гидравлического контура скважины в течение рейса бурения, а следовательно и плотности жидкости, поступающей в вытеснительный цилиндр в процессе бурения. Таким образом, прогноз не контролируемой визуально подачи очистного агента при пульсирующей промывке скважины будет более достоверен.

Библиографический список

1. Филимоненко Н.Т., Комарь П.Л.  К вопросу прогнозирования интенсивности призабойной пульсирующей промывки применительно к неньютоновской жидкости. // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. -1993.- Вып.16. - с. 40-49.

2. Филимоненко Н.Т., Неудачин Г.И. К вопросу расчета цикла погружного пневматического пульсационного насоса // Сб. Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. -Вып.7. -Свердловск, 1984. -С.31-42.

3. Филимоненко Н.Т., Пилипец В.И. Некоторые результаты производственных испытаний технологии бурения скважин с применением погружного пневмонасоса. -Донецк, ДПИ, 1984. -10с. -Деп. В УкрНИИНТИ 12.10.1984 N1734 Ук.84.

4. Филимоненко Н.Т., Ивачев Л.М., Чистяков В.К. Расчет необходимой скорости восходящего потока промывочной жидкости при промывке скважины пульсационным пневмонасосом. -Донецк, ДПИ, 1985. -7с. -Деп. в Укр НИИНТИ 14.03.85 N1737 Ук.85.

5. Филимоненко Н.Т. Разработка технологии промывки скважин в условиях водопоглощений с применением погружного пневматического пульсационного насоса.: Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. -Ленинград, 1985, -174с.

6. Филимоненко Н.Т.,Пилипец В.И., Жебаленко А.Ф. О влиянии динамики столба жидкости в скважине на подачу пульсационного насоса. // Сб. Техника и технология бурения разведочных скважин. -Вып.9. -Свердловск, 1986. -С.

7. Филимоненко Н.Т., Пилипец В.И., Комарь П.Л. К вопросу повышения надежности пульсационного насоса // Сб. Техника и технология бурения разведочных скважин. -Вып.10. -Свердловск, 1987. -С.48-54.

главная страница              электронная библиотеека              перечень ссылок