Расход воздуха для бурения с промывкой скважины аэрированным буровым раствором (АБР) прежде всего определяется необходимой плотностью газовоздушной смеси. Для расчета плотности АБР, обеспечивающей условие равновесия в системе скважина-пласт можно воспользоваться выражением [см.формулу (3.5)].
Объем воздуха Qв (м3/мин), приходящийся на единицу объема жидкости Qж (л/с), нагнетаемых в скважину совместно характеризует степень аэрации
(15.22)
АБР вследствие достаточно высокого содержания в них газообразного компонента (α=5÷50) сильно сжимаемы. Их плотность зависит от глубины скважины и уменьшается при циркуляции от забоя к устью.
 |
Для ориентировочного расчета степени аэрации, необходимой для получения требуемой величины давления в скважине в конкретных геолого-технических условиях, рекомендуется пользоваться номограммой, построенной Ф.Поэттманом и В.Бергманом (рис. 15.1), для глубины скважины до 3048 м, когда температура на забое в процессе циркуляции не превышает 64,4 °С. Рис. 15.1. Номограмма для ориентировочного расчета степени аэрации, необходимой для получения нужной величины давления в скважине: цифры у кривых - плотность, г/см3; содержание воздуха в глинистом растворе при р=0,1 МПа и Т=15,5°С. |
Расчетные формулы по определению давлений в различных элементах циркуляционной системы, полученные отечественными и зарубежными исследователями сложны и неудобны, а в ряде случаев неприемлемы для практических расчетов. В инженерных расчетах можно пользоваться результатами экспериментальных исследований.
 |
Для установления минимального количества жидкой фазы, при котором обеспечивается эффективный вынос выбуренной породы, можно воспользоваться графиком (рис. 15.2), построенным американскими специалистами по результатам промысловых исследований в скважине глубиной 1520 м, обсаженной трубами диаметром 219 мм. Рис.15.2. График изменения давления в скважине(1) и отаосителъной подъемной силы потока аэрированной жидкости (2) в зависимости от расхода жидкости при постоянном расходе воздуха |
Кривая 1 представляет собой фактическое давление на забое скважины при различных степенях аэрации (изменялась подача различных количеств жидкости от 3,8 до 18 л/с при постоянном расходе воздуха 44-46 м3/мин), возрастающее примерно пропорционально увеличение расхода жидкости.
Кривая 2 характеризует выносную способность восходящего потока ЛБР в зависимости от степени аэрации.
|
|
На рис. 15.3 показано изменение давления в циркуляционной системе скважины глубиной 280 м, обсаженной трубами диаметром 324 мм, при различных расходах воздуха. Отдельные участки графика характеризуют перепады давления в различных элементах системы: 1-2 - в 114-мм бурильных трубах; 2-3 -и 146-мм УБТ; 3-4 - в турбобуре; 4-5 - в долоте (с центральным отверстием диаметром 50 мм) и в кольцевом пространстве (между турбобуром и УБТ); 5-6 - в кольцевом пространстве за бурильными трубами. Рис. 15.3. Распределение давления в скважине при прямой циркуляции аэрированной жидкости (Q=28,7 л/с) При использовании пены в качестве циркулирующего агента достаточной оказывается скорость в кольцевом пространстве vэ=0,5+1,5 м/с. Низкие значения оvэ, и плотности пены способствуют успешной проходке слабосцементированных пород и зон поглощения бурового раствора и дают возможность рекомендовать ее при вскрытии продуктивных пластов. Распределение давления в различных элементах циркуляционной системы (в частности, в кольцевом пространстве) при бурении с пеной зависит от степени аэрации (изменяется в широких пределах от 20 до 200 и даже более) и расхода воздуха. Экспериментальным путем установлено, что в идентичных условиях (расход жидкости и степень аэрации) давление в кольцевом пространстве при использовании пены оказывается ниже, чем в случае применения АБР (рис. 15.4). Рис. 15.4.Распределение давления в кольцевом пространстве (Q=3 л/с, α=40, объемная доля сульфанола 1 %):1 - пена; 2 - аэрированная вола; 3 - вода |
Изменение давления в потоке пены по глубине скважины (если пренебречь инерционными потерями) описывается уравнением
(15.23)
где р - давление на глубине h, МПа; ρ - плотность пены при давлении р, кг/м3; λ - коэффициент гидравлического сопротивления; v - скорость потока пены, м/с [знак «+» в уравнении (15.23) относится к восходящему течению пены, «-» - к нисходящему]; D - диаметр труб, м.
Обработка экспериментальных данных по циркуляции двухфазной пены на стендовой скважине глубиной 1500 м позволила установить, что коэффициент λ можно принять равным 0,03.
Пример 12.5. Определить степень аэрации АБР, нагнетаемого в
скважину, если расход воздуха Qв=35 м3/мин, а жидкой фазы
Qж=21 л/с.
Решение. Из выражения (12.22) находим
Пример 12.6. Рассчитать степень аэрации исходного бурового раствора плотностью ρб.р=1020 кг/м3 для получения АБР плотностью ρабр=720 кг/м3 для следующих исходных данных глубина скважины 1768 м; средняя температура по стволу скважины Т=64,4°С.
Решение. От точки на оси абсцисс, соответствующей глубине 1768 м, проводится вертикальная линия до пересечения с кривой плотности АБР соответствующей плотности 720 кг/м3 (на номограмме 0,72 г/см3).
От точки пересечения проводим горизонтальную линию до пересечения с кривой, соответствующей разности ρб.р - ρабр, т.е. 1,02-0,72=0,3 г/см3. От точки пересечения этих линий восстанавливаем перпендикуляр до верхней горизонтальной шкалы, на которой получаем значение необходимой степени аэрации: α=Qв/Qж=9,43 м3/м3, т.е в единицу времени требуется ввести 9,43 м3 воздуха на 1 м3 раствора.
Расчет объемных расходов воздуха и жидкой фазы (водный раствор ПАВ, водоприток) производится на основании опыта бурения с использованием пены. Суммарный объемный расход жидкой фазы с учетом водопритоков в скважину находится в пределах 2,5·10-4÷1,5·10-3 м3/с.
Объемный расход воздуха для получения пены можно определить из соотношения
Qв=αQж (15.24)
где Qж - объемный расход жидкой фазы в учетом водопритока в скважину. м3/с; Qв - объемный расход воздуха при атмосферном давлении (1·105Па), м3/с; α - то же, что и в формуле (15.22).
Расчет давления нагнетания при циркуляции в скважине пены производится аналогично расчету с продувкой воздухом и ведется в направлении, обратном движению потока.
Ориентировочно давление нагнетания пены Рн.п может быть рассчитано по формуле
Рн.п=Рзаб+Δρ1+Δρ2 (15.25)
где Рзаб - давление у забоя скважины в восходящем потоке при глубине h, равной глубине скважины, МПа; Δρ1=0,035÷0,05 МПа - давление на преодоление сопротивлений в колонковом наборе, долоте; Δρ2=0,05 МПа - давление на преодоление сопротивлений в наземной обвязке.
