Буріння свердловин з використанням повітря для очищення вибою від шламу

 

У стійких і щільних геологічних породах як твердих так і дуже твердих, але сухих (без водо– або нафтопроявлень), одним з найвигідніших способів є буріння з використанням в якості циркулюючого агента – газового середовища: повітря, природних або деяких інших газів(наприклад, викидних газів ДВЗ).

При цьому досягаються дуже високі механічні швидкості, які в 4–10 разів вищі, ніж при використанні промивальних рідин. Це пояснюється, перш за все, низьким аеродинамічним тиском на вибій, а також вибуховим характером породоруйнування за відсутності змочуючого ефекту. Крім того у 2–10 разів збільшується ступінь служби доліт, перш за все, завдяки можливості зменшення осьового навантаження і швидкості обертання на 25–75 % у порівнянні з використанням проми­вальної рідини.

Цей спосіб придатний також для проходки тріщинуватих і навіть кавернозних порід, в яких можливі поглинання проми­вальної рідини; при розкритті продуктивних пластів з низьким пластовим тиском, а також в районах, де немає джерел води.

Буріння з використанням повітря використовують у США, Канаді, Франції, ФРН, Ірані, Австралії, Індонезії і на Аравійському півострові.

У світовій практиці відомо застосування цього способу навіть на глибині більше 5000 м.

Як газове середовище, в даний час використовують тільки повітря.

При бурінні з продуванням повітрям застосовують ті ж бурові установки, що і при бурінні з використанням промивальних рідин. Напірний трубопровід від компресорів підключають безпосередньо до стояка. Проте в цьому випадку необхідне деяке додаткове обладнання: компресори, обертовий превентор, спеціальні вимірні прилади, зворотні клапани, повітряний фільтр, холодильник на лінії нагнітання.

Кількість компресорів та їх продуктивність(витрата) залежать від глибини і діаметра свердловини. Витрата повітря змінюється в широких межах від 20 до 100 м³/хв (0,33–1,67 м³/с) і навіть більше, а робочий тиск, як правило, не перевищує 1,5–2,5 МПа (якщо розбурюють сухі породи) навіть на глибинах 4000–5000 м. Якщо промивальну рідину повністю замінюють повітрям, а також при боротьбі з ускладненнями (значний приплив води, утворення сальників), то необхідно застосовувати компресори високого тиску (6–10 МПа).

Для відведення повітря і запобігання відкладання шламу у викидному трубопроводі на його кінці встановлюють або вентилятор, або 1–2 повітряних ежектори, які підключені до нагнітальної лінії. На викидному трубопроводі можна також встановлювати шламоуловлювач для відбору проб, газоаналізатор при бурінні з продувкою повітрям, водяну лінію для змочування і осідання пороху, а також газопровід з факельним пальником при бурінні з використанням горючих газів або на випадок їх появи у свердловині.

Можливе також встановлення дозуючого насоса, що забезпечує витрату 2–3 л/с і змішувача для введення води або спінюючого агента з витратою 0,01–0,02 л/с. Цей насос застосовують при необхідності повного видалення води або промивальної рідини зі свердловини, а також при переході на буріння з використанням піни у випадку водопроявлень.

Над долотом, нижче ведучої труби, встановлюють зворотні клапани для запобігання викиду повітря зі шламом при розгвинчуванні і зашламуванні долота.

Застосовують шарошкові долота зі спеціальними каналами для охолодження підшипників повітрям, а деколи і з твердосплавними вставками. Алмазні долота із-за недостатнього охолодження швидко зношуються.

Основними параметрами, які встановлюють для буріння з продуванням повітрям, є: витрата, робочий тиск та потужність компресорів.

Витрата повітря повинна бути достатньою, щоб забезпечити очищення вибою, виніс шламу на поверхню та охолодження долота. Як показала практика, при прямій циркуляції і звичайних розмірах кільцевого простору витрата, визначена з умови виносу шламу, часто дозволяє успішно виконувати ще й інші дві функції. Внаслідок низької густини і в’язкості повітря (у порівнянні з промивальною рідиною) для виносу частинок вибуреної породи необхідні набагато вищі швидкості висхідного потоку.

Встановлено, що на невеликих глибинах (тиск і температура близькі до нормальних) при розбурюванні сухих порід швидкість висхідного потоку повітря в межах м/с є цілком достатньою.

Якщо прийняти, що абсолютна швидкість підйому частинок шламу на 20 % перевищує швидкість витання частинок, то діаметр найбільших сферичних частинок, які можуть підніматися зі швидкістю м/с можна визначити з формули Ріттінгера:

; (2.121)

 

, (2.122)

де - діаметр шламу, м;

- густина флюїду, кг/м³ ( кг/м³);

- густина шламу, кг/м³ ( кг/м³);

- швидкість руху (висхідна) газу (рідини), м/с;

с - коефіцієнт опору руху ();

g - прискорення вільного падіння, м/c²;

мм.

При м/с мм.

При м/с мм.

Як правило, при бурінні з продуванням повітрям, шлам, який винесений на поверхню, в основному, є пилеподібний. Частинки розміром не більше 3–5 мм мають призматичну форму, що полегшує їх транспортування. За даними Грея для частинок піщаника коефіцієнт гідравлічного опору с =0,805, а для вапняку с =1,40.

На великих глибинах тиск і відповідно густина повітря зростають. Швидкість падіння частинок, згідно з формулою Ріттінгера,зменшується, проте необхідна витрата повітря буде більшою.

Густина газу визначається за формулою:

, (2.123)

де - тиск на даній глибині, Па;

- молекулярна маса газу (для повітря 28,96 г/моль, для метану 16,03 г/моль)

- абсолютна температура, К;

- універсальна газова стала ( Дж/моль×К);

- константа (для повітря Дж/кг×К, для метану Дж/кг×К);

;

- коефіцієнт відхилення від закону ідеального газу ( - коефіцієнт надстисливості).

Коефіцієнт надстисливості знаходять за допомогою емпіричних графіків М. Стайдінга і Д. Катца у залежності від приведених тисків і температур ()

;

;

,

де - тиск та температура газу;

- критичні тиски і температури і-того компоненту газу;

- молекулярна доля і-того компоненту газу;

- кількість молей компоненту газу;

- сумарна кількість молей газу у системі.

Для кожного газу існує температура, вище за яку газ ні при якому тиску не може бути переведений у рідину. Ця температура називається критичною, а тиск при даній температурі, вище за який газ знаходиться в рідкому стані – критичним. Деякі фізичні властивості газів наведені у таблиці 2.7.

Таблиця 2.7 - Деякі фізичні властивості газів

Газ	Форму­ла	Густина в нормальних умовах, кг/м^3	Відносна густина за повітрям	Критичний тиск, МПа	Критична температура, К
Повітря		1,292	1,000	3,77	132,3
Двоокис вуглецю		1,976	1,529	7,39	304,1
Метан		0,716	0,554	4,64	190,5
Етан		1,356	1,049	4,95	305,1
Пропан		2,019	1,562	4,40	268,6
Бутан		2,703	2,091	3,16	425,8
Ізобутан		2,668	2,064	3,36	407,0
Ізопентан		3,221	2,491	3,34	470,2
Сірководень		1,539	1,190	9,00	373,4

 

Коефіцієнт надстисливості природних газів можна визначити за допомогою рівняння стану Редліха – Квонга:

, (2.124)

де ,

.

Похибка при визначенні Z за допомогою даного рівняння не перевищує 2 % при:

Масову витрату (кг/с), необхідну для забезпечення виносу шламу, визначають за формулою:

(2.125)

;

. (2.126)

де - площа поперечного перерізу кільцевого простору.

Коефіцієнт 1,2 означає, що абсолютна швидкість підйому частинок на 20 % перевищує швидкість витання частинок.

Оскільки густина газу дуже мала по відношенню до густини шламу, то нею в чисельнику можна знехтувати.

Якщо решта умов постійні, то масова витрата зростає, з підвищенням тиску, а значить зі збільшенням глибини свердловини. Тому витрату повітря необхідно визначати для умов, які існують на вибої свердловини або безпосередньо над ОБТ, якщо кільцевий простір між ОБТ і стінками свердловини значно вужчий, ніж між бурильними трубами і стінками свердловини (або в інших зонах небезпечного розширення ствола свердловини). У міру підйому частинки породи, вдаряючись між собою, об стінки свердловини і бурильну колону, подрібнюються до розмірів пороху.

Допустимо, що необхідно визначити тиск на певній глибині в кільцевому просторі. Він залежить від протитиску на усті свердловини, від ваги стовпа повітря зі шламом та від втрат тиску на тертя.

Запишемо рівняння Бернуллі у диференціальній формі:

, (2.127)

де - втрати тиску на тертя;

- осьова координата по глибині.

Після інтегрування можна переконатися, що зміна кінетичної енергії (другий член рівняння) відносно інших членів дуже мала і нею можна знехтувати.

Перш ніж приступити до інтегрування, оцінимо значення кожного члена.

Допустимо, що повітря і тверді частинки утворюють однорідну суміш. У такому разі густина суміші () буде дорівнювати:

, (2.128)

де - масове співвідношення між газом і твердою фазою.

Значення можна визначити в залежності від механічної швидкості буріння і площі вибою свердловини :

, (2.129)

де - витрата газу в нормальних умовах;

- густина газу в нормальних умовах.

Із формули Дарсі – Вейсбаха виходить:

,

де - гідравлічний, або еквівалентний діаметр кільцевого простору;

- коефіцієнт аеродинамічного опору.

;

Підставивши значення витрати у формулу швидкості, одержимо:

. (2.130)

Нульовими індексами позначені величини в нормальних умовах.

Підставивши (2.130) у формулу Дарсі- Вейсбаха одержимо:

. (2.131)

Коефіцієнт залежить від числа Рейнольдса, шорсткості стінок циркуляційного каналу і концентрації твердої фази.

Оскільки ступінь турбулентності дуже високий, то критерій Рейнольдса не відіграє суттєвої ролі і коефіцієнт " " можна вважати постійною величиною.

Для чистого газу(без твердої фази) " " знаходять за формулою Нікурадзе (при відомій шорсткості):

,

де - еквівалентна шорсткість.

За даними Мак-Крея і Коуля у розрахунках приймають .

Якщо значення шорсткості невідоме, то для визначення коефіцієнта " " використовують формулу Уеймаута:

,

де - гідравлічний діаметр, м.

Для суміші "повітря–тверда фаза" можна використати формулу Успенського-Гау Луліна:

,

де - визначається за формулою Нікурадзе.

Варто зауважити, що значення " ", які визначають за форму­лами Уеймаута, та Успенського-Гау-Луліна є наближеними.

Позначимо через кут нахилу каналу руху відносно вертикалі. Тоді:

.

Підставимо у рівняння Бернуллі значення :

;

;

.

,

. (2.132)

Позначимо:

; (2.133)

. (2.134)

 

Тоді рівняння (2.132) з врахуванням (2.133) і (2.134) буде мати вигляд:

. (2.135)

Помножимо дане рівняння на :

;

;

. (2.136)

Інтегруючи дане рівняння (2.136) по тиску від (тиск на вибої) до (тиск на усті свердловини), отримаємо:

;

;

.

Позначимо ; ;

;

;

;

Таким чином

. (2.137)

Рівняння (2.137) можна записати так

.

Позначимо

(2.138)

де - довжина свердловини;

Тоді . (2.139)

З рівняння (2.139) одержимо:

. (2.140)

При низхідному русі газу(повітря) коефіцієнт " " має від’ємний знак і дане рівняння (2.140) буде таким:

. (2.141)

Формули (2.140) і (2.141) дозволяють визначити тиск повітря у будь – якій точці свердловини, якщо відома витрата.

Виразимо масову витрату через об’ємну витрату (в нормальних умовах) , а тиск замінимо тиском на вибої :

;

;

. (2.142)

Індекси " " стосуються вибійних умов.

;

.

Визначення і проводиться шляхом сумісного розв’язання методом послідовних наближених рівнянь (2.140) і (2.142) для визначення і .

Рівняння (2.142) можна записати так:

(2.143)

де .

Величина - названа еквівалентною швидкістю – це швидкість потоку повітря, яка в нормальних умовах достатня для виносу шламу зі свердловини (15–20 м/с).

Витрата повітря залежить також від площі поперечного перерізу кільцевого простору, глибини свердловини та механічної швидкості буріння. У випадку використання газів, густина яких менша ніж густина повітря, необхідна витрата буде дещо більшою.

Витрата і тиск, які визначають за допомогою наведених формул, придатні тільки для сухої свердловини. При наявності у повітрі рідини (води) необхідна витрата буде на 30–50 % більшою, а тиск нагнітання зросте у декілька разів.

Тиск нагнітання повітря компресорами визначають як суму втрат тиску на тертя і транспортування шламу в циркуляційній системі.

Відомо що при русі стискуваних флюїдів втрати тиску в трубах залежать від тиску на виході. Тому гідравлічні розрахунки ведуться від викиду свердловини по напрямку до компресорів з визначенням абсолютного тиску в різних точках циркуляційної системи.

Абсолютний тиск у кільцевому просторі, у тому числі і на вибої, визначається за допомогою рівняння (2.140):

.

Тиск на усті свердловини вважається відомим. Якщо на викидній лінії немає ежектора або вентилятора, тиск повинен бути цілком достатній для компенсації втрат тиску на тертя в цій лінії і в шламоуловлювачі. При наявності вентилятора або ежектора допускається зниження тиску до атмосферного або навіть нижче.

Втрати тиску в бурильних трубах знаходять за формулою (2.141):

.

Для горизонтальних трубопроводів ° і рівняння (2.132) має вигляд:

. (2.144)

Інтегруючи дане рівняння одержують формулу Уеймаута:

, (2.145)

де - внутрішній діаметр.

У продувних отворах долота перепад тиску можна визначити із співвідношення для масової витрати флюїду, яка проходить через ці отвори:

; (2.146)

 

для дозвукових швидкостей ,

та , (2.147)

для надзвукових швидкостей .

Критичне значення коефіцієнта " " визначають із співвідношення:

. (2.148)

В цих рівняннях:

- тиск на виході;

- тиск на вході;

- коефіцієнт адіабати ( - для повітря, для природних газів );

- площа поперечного перерізу продувних каналів;

- коефіцієнт витрати ().

Компресорні установки повинні бути розраховані на стійку роботу при тиску, який перевищує розрахований на 30–50 %, щоб мати можливість ліквідувати ускладнення, зв’язані з утворенням сальників або зашламуванням кільцевого простору свердловини.

Потужність компресорів з урахуванням адіабатичного тиску знаходяться за допомогою рівняння:

, (2.149)

де – кількість ступенів тиску;

– тиск нагнітання;

– коефіцієнт адіабатного стиску (0,9–0,96);

– ККД компресора (0,85–0,90).

Варто зауважити, що аномальні атмосферні температура і тиск (наприклад, при бурінні на значних висотах) можуть суттєво вплинути на витрату повітря та роботу компресорів.