Параметри промивальної рідини

На механічну швидкість суттєво впливають властивості промивальної рідини. На рисунку 3.5 показано вплив густини ρ, вмісту нафтопродуктів Н, вмісту твердої фази П, в’язкості η та фільтрації Ф на механічну швидкість. Ріст майже всіх цих параметрів, за виключенням фільтрації, призводить до зменшення механічної швидкості, а значить і коефіцієнта буримості.

Вміст нафтопродуктів

В’язкість

Густина

Фільтрація

Вміст твердої фази

Параметри промивальної рідини

 

 

Рисунок 3.5 - Вплив параметрів промивальної рідини на механічну швидкість

 

 

Розглянемо почергово вплив вищеназваних параметрів на механічну швидкість. Найсуттєвіший вплив на механічну швидкість та коєфіцієнт буримості має густина промивальної рідини. Зокрема, при зміні густини від ρ =1000 кг/м³ до 1300≤ ρ ≤2400 кг/м³ механічна швидкість, при інших рівних умовах, зменшується на 10-100 %. Найбільшої механічної швидкості досягають при використанні для очищення свердловини газоподібних агентів, дещо меншої - при промиванні аерованими рідинами. Густина впливає на механічну швидкість і коефіцієнт буримості, головним чином, через диференціальний тиск на вибої (різниця між гідростатичним тиском циркулюючої рідини та існуючим пластовим тиском). Чим більша густина, тим більший диференціальний тиск і тим менший коефіцієнт буримості, внаслідок чого погіршуються умови утворення тріщин, а виколюванні частинки притискуються до вибою. Тому найзначніший вплив густини промивальної рідини в області об’ємного руйнування породи, а при поверхневому руйнуванні і стиранні незначний.

При цьому велику роль відіграє вертикальна проникність породи вибою. При великому значенні пористості диференціальний тиск практично не впливає механічну швидкість, а починає впливати все більше і більше у міру зменшення проникності до нуля (сланці, глини). Американськими вченими встановлено, що зв’язок диференціального тиску з механічною швидкістю існує в межах ∆ Р_д =±3,5 МПа. Зміна диференціального тиску за цими межами не впливає на зміну механічної швидкості (рисунок 3.6)

-3

-2

-1

Диференціальний тиск, МПа

Рисунок 3.6 - Залежність механічної швидкості від диференціального привибійного тиску

 

 

Лінія 1 характеризує зміну механічної швидкості для непроникних порід, а лінія 2 – для добре проникних порід. Якщо для порід, які відповідають лінії 1, диференціальний тиск змен­шується від +3,5 МПа до нуля, то механічна швидкість може подвоїтися, а при диференціальному тиску - 3,5 МПа може потро­їтись порівняно з величиною механічної швидкості при +3,5 МПа.

На рисунку 3.2 вплив зміни диференціального тиску показаний лініями 2 і 3. Якщо лінія 1 стосується, наприклад, рідин з густиною ρ >1000 кг/м³, то лінія 2 характеризує промивання водою, а лінія 3 – газоподібними агентами, або агентом з ρ <1000 кг/м³. Як відомо, при тисках на вибій, близьких до атмосферного, тобто при використанні газоподібних циркуляційних агентів, механічні швидкості різко зростають.

Фізичний зміст наведеного полягає в легшому відділенні зруйнованих частинок від вибою при відсутності сил, які притискають їх надлишковим гідростатичним тиском. При від’ємних диференціальних тисках з’являються сили, які відривають частинку. Це обумовлено тим, що в горизонтальному напрямку, на відміну від вертикального, пласт все ж таки проникний і пластовий тиск, проникаючи під напівзруйновану частинку, сприяє її відділенню від вибою.

У зв’язку з цим, деякі спеціалісти США рекомендують у міру можливості застосовувати легкі недисперсні рідини. У поняття недисперсна рідина укладають такий зміст, що дрібні розподілені частинки шламу здатні коагулювати під дією хімічної обробки. Утворювані пухкі великі грудочки швидше виносяться на поверхню відносно легкою рідиною при достатній швидкості її руху у кільцевому просторі. При цьому напруження зсуву в рідині повинно бути таким, щоб виносити шлам всіх фракцій при найбільшому зближенні швидкості руху рідини і шламу.

Зі зниженням густини починає проявлятись ефект нерівномірного всестороннього тиску, що полегшує руйнування породи. У високопластичних породах можливе навіть їх витікання в раніше пробурений ствол. Зі збільшенням густини промивальної рідини для досягнення об’ємного руйнування породи необхідне підвищення осьового навантаження на долото, а при бурінні з промивкою аерованими рідинами і продувкою повітрям відносно високі механічні швидкості можуть бути досягнуті при меншому осьовому навантаженні.

Чим вища проникність порід і водовіддача (фільтрація) промивальної рідини, менша в’язкість, нижча швидкість обертання, більша тривалість контакту робочої поверхні долота з породою, тим слабший вплив густини на механічну швидкість, оскільки тиск на вибої і на глибині виколу встигає вирівнятись.

Іншим параметром промивальної рідини, який значно впливає на механічну швидкість є в’язкість. В’язкість важлива для очищення вибою від шламу і транспортування його кільцевим простором. Дослідження американських вчених, підтверджені промисловою практикою показали, що ступінь очищення вибою, а отже і механічна швидкість, залежить від кінематичної в’язкості ν = η / ρ на виході із отвору долота (η -пластична в’язкість; ρ - густина). При цьому, дослідженнями встановлено, що механічна швидкість зростає в межах зменшення η від 0,04 Па·с до нуля. Більші значення в’язкості на механічну швидкість практично не впливають. Коефіцієнт буримості тим більший, чим менша кінематична чи пластична (динамічна) в’язкість для умов:

≡ Re ^∆ при 2 < Re <100,

де ∆ - дослідний коефіцієнт.

У США для оцінки властивостей рідин, необхідних для очищення вибою, використовують показник зсуву: B_з = τ / η, де τ - напруження зсуву, [Па], η - в'язкість, [Па·с]. Найкращими для виносу шламу без його повторного подрібнення, яке знижує механічну швидкість, вважають рідини з B_з = ( 10⁴-10⁵) c^-1при η =(0,004–0,005) Па·с та при швидкостях витікання із отворів долота м/с. Такому показнику найкраще відповідає вода. Для виносу шламу бажано мати B_з = ( 7¸10)×10^-2 c^-1 при η =(0,01–0,1) Па·с. Проте промивальні рідини на водній основі не відповідають таким вимогам, оскільки їх η більше значення B_з.

Варто зауважити, що на в'язкість промивальної рідини впливає температура, яка збільшується з глибиною свердловини. Зі збільшенням температури промивальної рідини в'язкість зменшується до відомої межі, а далі різко зростає. Максимальне зменшення в'язкості спостерігається для рідин на водній основі при 200 °С, для емульсій – при 450 °С, а для рідин на нафтовій основі – при більше 500 °С.

Добавки нафтопродуктів до промивальної рідини призводять до зменшення механічної швидкості. При збільшенні фільтрації промивальної рідини зростає механічна швидкість. Фізично це пояснюється здатністю рідини зі збільшеною фільтрацією легше проникати під ще не відірвану, але вже зруйновану частинку породи і сприяти її відриву та виносу.

Високі поверхнево–активні властивості фільтрату та домішки ПАР до промивальної рідини полегшують розвиток тріщин, запобігають їх змиканню, і в зв'язку з цим зростає механічна швидкість.

Мастильні домішки зменшують втрати на тертя і дають можливість відпрацьовувати долота при підвищених осьових навантаженнях. При збільшенні концентрації твердих частинок знижується механічна швидкість, лише деколи може збільшуватись ефект ерозійної дії струмин і тоді швидкість проходки дещо зростає.