Горно-геологические характеристики разреза, влияющие на возникновение, предупреждение и ликвидацию осложнений.

Осложнения в процессе бурения возникают по следующим причинам: сложные горно-геологические условия; плохая информированность о них; низкая скорость бурения, например, из-за длительных простоев, плохих технологических решений, заложенных в техническом проекте на строительство скважины.

При осложненном бурении чаще возникают аварии.

Горно-геологические характеристики необходимо знать, чтобы правильно составлять проект на строительство скважины, предупреждать и бороться с осложнениями в ходе реализации проекта.

Пластовое давление (Рпл) - давления флюида в породах с открытой пористостью. Так называются породы, в которых пустоты сообщаются между собой. При этом пластовый флюид может течь по законам гидромеханики. К таким породам относятся тампонажные породы, песчаники, коллекторы продуктивных горизонтов.

Поровое давление (Рпор) –давление в закрытых пустотах, тоесть давление флюида в поровом пространстве, в котором поры не сообщаются друг с другом. Такими свойствами обладают глины, соляные породы, покрышки коллекторов.

Горное давление (Рг) – гидростатическое (геостатическое) давление на рассматриваемой глубине от вышерасположенной толщи ГП.

Статический уровень пластовой жидкости в скважине, определяемый равенством давления этого столба с пластовым давлением. Уровень может быть ниже поверхности земли (скважина будет поглощать), совпадать с поверхностью (имеется равновесие) или быть выше поверхности (скважина фонтанирует) Рпл=rgz.

Динамический уровень жидкости в скважине – установлен выше статического уровня при доливе в скважину и ниже него – при отборе жидкости, например при откачке погружным насосом.

Депрессия P=Pскв-Рпл<0 – давление в скважине меньше пластового. Наличие депрессии – необходимое условие для притока пластового флюида.

Репрессия Р=Рскв-Рпл>0 – давление в скважине не больше пластового. Имеет место поглощение.

Коэффициент аномальности пластового давления Ка=Рпл/rвgzпл (1), где zпл –глубина кровли рассматриваемого пласта, rв – плотность воды, g – ускорение свободного падения. Ка<1=>АНПД; Ка>1=>АВПД.

Давление поглощения или гидроразрыва Рп – давление, при котором возникают поглощения всех фаз промывочной или тампонажной жидкости. Величину Рп определяют опытным путем по данным наблюдений в процессе бурения, либо с помощью специальных исследований в скважине. Полученные данные используются при проводке других подобных скважин.

Индекс давления поглощения Кп=Рп/rвgzпл (2) - индекс давления гидроразрыва, где Рп – давление поглощения. Для любых пород справедливо соотношение Кп>Ка (3). Отношение Кп/Ка может изменяться по площади месторождения от одного участка к другому. В массивных газовых месторождениях величина этого отношения несколько возрастает от купола складки к крыльям. В ходе разработки месторождения отношение Кп/Ка изменяется по мере отбора пластового флюида или закачки в пласт жидкости (заводнения) для поддержания Рпл.

Относительная плотность бурового раствора rо=rж/rв (4), где rж – плотность бурового раствора. В ходе бурения и крепления скважины совершенно необходимо, чтобы соблюдалось неравенство Рпл<rжgzпл<Рп (5), - часто представляют в безразмерном виде Ка<rо<Кп (6).

40.Совмещенный график давлений. Выбор первого варианта конструкции скважин.

Чтобы правильно составить технический проект на строительство скважин необходимо точно знать распределение пластовых (поровых) давлений и давлений поглощения (гидроразрыва) по глубине или, что то же самое, распределение Ка и Кп (в безразмерном виде). Распределение Ка и Кп представляют на совмещенном графике давлений.

· Распределение Ка и Кп по глубине z.

· Конструкция скважины (1-ый вариант), которая потом уточняется.

Из этого графика видно, что мы имеем три интервала глубин с совместимыми условиями бурения, то есть такими, в которых можно применять жидкость с одинаковой плотностью.

Особенно тяжело бурить, когда Ка=Кп. Сверхсложным бурение становится при величине Ка=Кп<1. В этих случаях обычно бурят на поглощение или применяют промывку аэрированной жидкостью.

После вскрытия поглощающего интервала производят изоляционные работы, благодаря которым повышается Кп (искусственно), получая возможность провести, например, цементирование колонны.

 

 

 

41Схема циркуляционной системы скважин и эпюра распределения давлений в ней.

Схема: 1. Долото, 2. Забойный двигатель, 3. УБТ, 4. БТ, 5. Замковое соединение, 6. Квадрат, 7. Вертлюг, 8. Буровой рукав, 9. Стояк, 10. Напорный трубопровод (манифольд), 11. Насос, 12. Всасывающий патрубок, 13. Желобная система, 14. Вибросито.

1. Линия гидростатического распределения давления.

2. Линия гидравлического распределения давления в КП.

3. Линия гидравлического распределения давления в БТ.

Давление промывочной жидкости на пласт должно быть всегда внутри заштрихованной области между Рпл и Рп.

Через каждое резьбовое соединение БК жидкость пытается протечь из трубного в затрубное пространство (при циркуляции). Эта тенденция вызвана перепадом давления в трубах и КП. При просачивании происходит разрушение резьбового соединения. При прочих равных условиях органическим недостатком бурения с гидравлическим забойным двигателем, является повышенный перепад давления на каждом резьбовом соединении, так как в забойном двигателе потери составляют 4-6 МПа.

 

 

42. Реологические свойства и модели жидкостей, встречающихся при бурении.

Реология – наука о течении сред. Реологические уравнения описывают связь касательного напряжения с деформированием среды, прежде всего скоростью сдвига слоев среды.

Широко распространены следующие реологические уравнения (модели) сред:

1. модель идеальной среды: t=0 (1)

2. модель реальных сред: предполагает, что при движении среды (жидкости) между ее слоями возникают касательные напряжения t не равно 0 (2).

В частности:

Модель вязкой среды (ньютоновской) среды (вода, воздух, керосин, бензин). В этой среде касательные напряжения связаны с градиентом скорости сдвига dU/dr формулой t=h(dU/dr) (3), где h - динамическая вязкость (Па*с). h=μ.

Вязкость h можно найти из простого опыта. Пластина 1 с помощью силы F движется по смоченной исследуемой жидкостью поверхности. Площадь соприкосновения S. Возникает касательное напряжение t= F/ S. При этом скорость распределяется по представленной треугольной эпюре. Рассмотрим два слоя, находящихся на расстоянии Δr друг от друга. Разность скоростей ΔU.

Lim(ΔU/ Δr)=dU/dr = размерность 1/с. h=t (dU/dr). Ньютон заметил, что отношение t (dU/dr)=const. Ctg α=t(dU/dr). t=(1/tgα)*(dU/dr). (1/tgα)=h.

Динамическая вязкость характеризует соседних слоев среды сопротивляться относительно сдвигу за счет влияния молекулярных сил.

Модель неньютоновских сред (буровые и тампонажные жидкости).

Бингамовские (ВПЖ) t=t₀₊h(dU/dr) (4), где t₀ – динамическое сопротивление сдвига, (Па).

Степенные (Оствальдовские) ППЖ. t=k(dU/dr)ⁿ (5), где n – безразмерный показатель степени, k – показатель консистенции.

Зависимости (3), (5) находится по результатам эксперимента на вискозиметрах, чаще всего ротационных.

Тиксотропные (dU/dr) ₁> (dU/dr) _2, t=t(dU/dr; t)

 

43. Гидростатика вязких и вязкопластических жидкостей.

Распределение давления вязкой жидкости по глубине скважины найдем, решая систему уравнений:

dP/dz=ρgcosα(1) и ρ=const (2), где z – текущая глубина скважины с началом отсчета на устье, P(z) – текущее давление на этой глубине.

Необходимо учесть граничные условия: Р(z₀)=Р₀(3). Интегрируя (1) с учетом (3) получим: P=ρgz+Ратм (4) – уравнение гидростатики несжимаемой жидкости.

44. Максимальное давление на насосе при его запуске.

Рн – давление на насосе. ∑∆Р+ Ратм=∑∆Ркп+∑∆Ртр+Ратм; ∑∆Р=∑∆Ркп+∑∆Ртр – сумма всех потерь давления в напорной части ЦС, которые складываются из двух крупных составляющих: потери в КП и потери в трубах. Рн=(4Øl/dв)+ (4Øl/dс-dн)+Ратм.

 

45. Гидростатическое давление глинистых и цементных растворов после остановки циркуляции.

1 – шарик висит, 2 – падение шарика, 3 – шарик упал на забой.

rсм – плотность смеси, когда все частицы находятся во взвешенном состоянии. t* - время, когда начнется приток. Ранее мы рассматривали жидкости, как однофазные. Их такими можно считать в относительно короткие интервалы времени после остановки циркуляции. Если же остановка длится долго, то жидкости следует считать двухфазными. Тогда твердая тяжелая фаза оседает относительно легкой жидкости затворения.

46. Ламинарное течение ВПЖ в трубах и кольцевых каналах.

r, z – текущие координаты. Распределение давлений в трубе найдем из решения уравнения движения совместно с уравнением сохранения массы, уравнением состояния и реологическими уравнениями.

Уравнение движения: (dP/dz)+r₁g=(1/r)*(d(rt))/(dz) (1)

Уравнение неразрывности: Q=F*V (2)

Уравнение состояния: r₀=const (3)

Уравнения реологические: а) t=-t₀+h(dU/dr) (4), при (dU/dr)<0.

б) /t₀/ ≤t₀, при (dU/dr)=0.

Р – давление в текущем сечении (при данном z), r₁ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения, t - касательное напряжение, Q – расход жидкости, F – площадь поперечного сечения трубы, V – средняя скорость по сечению, t₀ – динамическое напряжение сдвига, h - пластическая (динамическая) вязкость

47. Режимы течения вязких и вязкопластических жидкостей.

Их лучше всего рассматривать с помощью обобщенной диаграммы Никурадзе.

Линия 1 описывается формулой: λ=(64/Re)*(Se/8β), где Se=(t₀dr)/hV

Линия 2 описывается формулой Блазиуса: λ=0,3164/Re^1/4 – турбулентное течение в гидравлически гладких трубах.

Линии 3, 4 – турбулентное течение в шероховатых трубах: описывается обобщенной формулой Альтшуля: λ=0,1*((1,46Кэкв/dr)+(100/Re)+(6,72Не/Re⁴))^0,25

Линия 5 – линия перехода ламинарного режима в турбулентный: описывается формулой Соловьева: Re_кр=2100+7,3Не, где Не=Se*Re=t₀dr²r/h². Для приближенных расчетов вместо формулы Соловьева можно использовать формулу: Vкр=25*(t₀/ρ)^1/2.

Re_ф > Re_кр – режим турбулентный

Re_ф ≤ Re_кр – режим ламинарный

V_кр<V_ф=Q/F – режим турбулентный

V_кр≤V_ф – режим ламинарный.

 

 

48. Турбулентное течение жидкостей в трубах и кольцевых каналах.

Производится по формуле Дарси-Вейсбаха: ΔР=λ*(ρV²l/2d_r) (1), V=Q/F – скорость течения жидкости в канале, λ – коэффициент гидравлических сопротивлений.

Для гладких каналов λ=0,3164/Re^1/4 (2) - формула Блазиуса.

Для шероховатых каналов: λ=0,1*((1,46Кэкв/dr)+(100/Re)+(6,72Не/Re⁴))^0,25

 

 

49. Определение потерь давления в местных сопротивлениях циркуляционной системы.

1. Потери в насадках долота. ΔР_д=(ρV_д²)/(2μ²)=(ρQ²)/(2μ²F_д²) (1) Гидромониторный эффект можно получить при V_д>80 м/с.

ΔР_д=((1000…2000)*80²)/(2*0,9²)=4…8 МПа. Если такой перепад в долоте получить невозможно, насадки следует удалять, так как ухудшается работа долота.

2. Потери от замков.

А. Внутри труб. ΔР_тз=(n_зζρV_т²)/2 (2), где n_з – число замков, V_т – скорость течения жидкости в трубах против гладкой части, ζ – коэффициент местных сопротивлений.

В. В кольцевом пространстве. ΔР_кз=(((d_c²-d_н²)/(d_c²-d_з²))-1)*n_зρV_к²=(((d_c²-d_н²)/(d_c²-d_з²))-1)*n_зρQ²/F_к²(3).

3. Потери в трубопроводе. ΔР_с=αρ_сQ_с²

 

50. Выбор насосов и цилиндровых втулок для промывки.

Выбор состоит из двух частей:

1. Выбор расхода ПЖ: Q=мах(Q₁,Q₂) (1), где Q₁ – расход необходимый для транспортировки шлама через кольцевое пространство, Q₂ – расход необходимый для эффективной очистки забоя.

2. Выбор насосов и диаметра их втулок – должен быть таким, чтобы при найденном расходе соблюдалось следующее соотношение:

3. Рн>Ррасч=ΔРкп+ΔРкпз+ΔРд+ΔРзд+ΔРтр+ΔРтрз+ΔРоб (2), где ΔРкп – потери на линейных участках КП, ΔРкпз – потери от замков в КП, ΔРд – потери давления в долоте, ΔРзд – потери в забойном двигателе, ΔРтр – потери на линейных участках в трубах, ΔРтрз – потери в тубах на замках, ΔРоб – потери в наземной обвязке.