Источник: Межвузовский научно-тематический сборник. Вып. 23. - Екатеринбург: Уральская гос. Горно-геол. академия , 2002. С. 101 - 108.
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.
Рис. 1 Схема пульсирующего способа промывки: 1 - бурильные трубы; 2 - вытеснительная камера пульсационного насоса; 3 - нагнетательный клапан; 4 - всасывающий клапан; 5 - скважина; 6 - шламовая труба
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) 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.
Рис. 2 Возможные соотношения вертикальной составляющей движения частиц на активной и пассивной частях рабочего цикла пульсационного насоса
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; lш и lк – соответственно длина шламовой и колонковой трубы; tц – продолжительность рабочего цикла пульсационного насоса; tа – продолжительность активной части рабочего цикла пульсационного насоса.
Скорость оседания Us твердого тела в вязкой ньютоновской жидкости так же можно определить по формуле Риттингера (2).
где dm - диаметр твердого тела; ρп, ρжв – плотности, соответственно, частицы и жидкости; g - ускорение свободного падения; с0 – коэффициент сопротивления при оседании тела
Согласно исследованиям Р. И. Шищенко 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 dm равным граничному эквивалентному диаметру δгэ и решив полученное уравнение относительно δгэ 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 δэн. Установлена функциональная связь скорости погружения невыносимой частицы со средней скоростью восходящего пульсирующего потока на нижнем участке гидравлического контура Vв1ср, а так же параметрами рабочего цикла пульсационного насоса tц и tа, которая отражается зависимостью:
Считая Us = U' и решая полученное уравнение относительно δнэ, получим аналитическое выражение величины δнэ 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
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.