Изменение забойного давления при спускоподъемных операциях в скважинах (спуск и подъем колоны труб с постоянной скоростью)

В практике бурения давно замечено, что в сложных геолого-технических условиях неверный выбор скорости спуска или подъема колонны труб может быть причиной серьезных осложнений.

Характерная особенность спуска или подъема колонны труб кратковременность и неравномерность процесса.

Рассмотрим случай изменения забойного давления при равномерном спуске и подъеме колонны труб с постоянной скоростью V.

Принимая во внимания принятые упрощения, считается, что течение в колонне или заколонном пространстве происходит в результате вытеснения жидкости колонной труб и основная задача состоит в определении забойного давления и силы сопротивления движению колонны.

Профиль скоростей в трубе и затрубном пространстве при спуске колонны приведен на Рис. 10.

Пусть движение колонны в скважине сопровождается структурным вытеснением неньютоновской жидкости Шведова-Бингама. Величина гидравлических потерь на любом участке колонны труб длинной L определится:

, с закр. низом: (4.31)

здесь значение коэффициентов определится как:

; ; безразмерные радиусы ядра потока определятся как: ; ; .

Из анализа данных реальных спускоподъемных процессов следует, что значения коэффициентов a, b, для колонны труб с открытым низом могут быть значительно ниже, чем колонны с закрытым низом. Это различие тем больше, чем меньше кольцевой зазор и чем больше внутренний диаметр труб, что характерно для спуска обсадных труб. Следовательно, при спуске (подъеме) колонны труб с открытым низом забойное давление всегда будет увеличиваться (уменьшатся) больше, чем при движении колонны с закрытым низом.

Значение критическая (максимальная) скорость спуска (подъема) колоны можно определить:

, (4.32)

где параметр Хедстрема вычисляется как: .

Величина максимальной скорости обсадной колоны характеризует максимально возможную скорость вытеснения бурового раствора при соблюдении структурного режима (режима при котором действительны используемые соотношения). Для расчетов принимаем значение скорости .

Практический интерес представляет величина силы сопротивления движению колонны, которую можно определить:

. (4.33)

Влияние проницаемости стенки скважины на гидравлические потери

Одна из характерных особенностей гидравлического канала затрубного пространства необсаженного участка скважины – проницаемость его стенки. Отток жидкости из скважины в пласт или приток из пласта может существенно влиять на гидравлические потери. Опыты показали, что даже при весьма малой скорости фильтрации жидкости через глинистую корку, сформированную на поверхности проницаемого канала, гидравлические потери могут значительно снижаться.

Рассмотрим установившийся и равномерный вдоль оси z отток (приток) жидкости через стенку скважины с объемным расходом Q₀, который много меньше подачи насосов Q. Цилиндрическую кольцевую форму затрубного пространства заменим плоской щелью с шириной 2h.

Для модели Шведова-Бингама приближенная формула для расчета гидравлических потерь в канале с проницаемыми стенками примет вид:

. (4.44)

Здесь - функция влияния оттока (притока) ; - дополнительная функция влияния, обусловленная реологической особенностью жидкости Шведова-Бингама .

Типовой задачей является определение изменения давления в скважине вследствие оттока или притока жидкости в затрубном пространстве.

В качестве примера, оценим влияние проницаемости стенки скважины на гидравлические потери в затрубном пространстве

Исходные данные для расчета: диаметр скважины =0,214; наружный диаметр =0,140; плотность =1400; динамическое напряжение сдвига =5; пластическая вязкость =0,03; подача насосов, =0,02; объемная проницаемость =0,00004.

Последовательность вычисления:

1. Средние скорости: ;

2. Параметры Рейнольдса: ;

3. Функции влияния оттока (притока) ;

4. Параметр Сен-Венана

5. Приведенные параметры Рейнольдса для щели

;

6. Коэффициент гидравлических потерь

без учета притока (оттока) ; с учетом притока (отток) .

Снижение (повышение) гидравлических потерь составит: .