Розрахунки пов’язані із застосуванням газорідинних сумішей
Витрата повітря для буріння з промиванням свердловини аерованим буровим розчином (АБР) насамперед визначається необхідною густиною газоповітряної суміші. Для розрахунку щільності АБР, що забезпечує умову рівноваги в системі свердловина-пласт, можна скористатися виразом [див. формулу (3.5)].
Об'єм повітря Qв (м3/хв), що припадає на одиницю об'єму рідини Qж (л/с), що нагнітається в свердловину спільно характеризує ступінь аерації
(15.22)
АБР внаслідок досить високого вмісту в них газоподібного компонента (α=5÷50) сильно стискається. Їх щільність залежить від глибини свердловини та зменшується при циркуляції від вибою до гирла.
Для орієнтовного розрахунку ступеня аерації, необхідної для отримання необхідної величини тиску в свердловині в конкретних геолого-технічних умовах, рекомендується користуватися номограмою, побудованою Ф.Поэттманом і В.Бергманом (рис. 15.1), для глибини свердловини до 3048 м, коли у процесі циркуляції вбирається у 64,4 °С.
Розрахункові формули щодо визначення тисків у різних елементах циркуляційної системи, отримані вітчизняними та зарубіжними дослідниками складні та незручні, а в ряді випадків неприйнятні для практичних розрахунків. В інженерних розрахунках можна скористатися результатами експериментальних досліджень.
Для встановлення мінімальної кількості рідкої фази, при якому забезпечується ефективне винесення вибуреної породи, можна скористатися графіком (рис. 15.2), побудованим американськими фахівцями за результатами промислових досліджень у свердловині глибиною 1520 м, обсадженою трубами діаметром 219 мм.
Рис.15.2. Графік зміни тиску в свердловині(1) таотаосітельъной підйомної сили потоку аерованої рідини (2) в залежності від витрати рідини при постійній витраті повітря
Крива 1 є фактичним тиском на вибої свердловини при різних ступенях аерації (змінювалася подача різних кількостей рідини від 3,8 до 18 л/с при постійній витраті повітря 44-46 м3/хв), що зростає приблизно пропорційно збільшення витрати рідини.
Крива 2 характеризує виносну здатність висхідного потоку ЛБР в залежності від ступеня аерації.
На рис. 15.3 показано зміну тиску в циркуляційній системі свердловини глибиною 280 м, обсадженої трубами діаметром 324 мм, за різних витрат повітря.
Окремі ділянки графіка характеризують перепади тиску в різних елементах системи: 1-2 – у 114-мм бурильних трубах; 2-3-і 146-мм УБТ; 3-4 – у турбобурі; 4-5 - у долоті (з центральним отвором діаметром 50 мм) та в кільцевому просторі (між турбобуром та УБТ); 5-6 – у кільцевому просторі за бурильними трубами.
Мал. 15.3. Розподіл тиску у свердловині при прямій циркуляції аерованої рідини (Q=28,7 л/с)
При використанні піни як циркулюючий агент достатньої виявляється швидкість в кільцевому просторі vэ=0,5+1,5 м/с. Низькі значення ове, і щільності піни сприяють успішному проходженню слабосцементованих порід і зон поглинання бурового розчину і дають можливість рекомендувати її при розтині продуктивних пластів.
Розподіл тиску в різних елементах циркуляційної системи (зокрема, у кільцевому просторі) при бурінні з піною залежить від ступеня аерації (змінюється в широких межах від 20 до 200 і навіть більше) та витрати повітря.
Експериментальним шляхом встановлено, що в ідентичнихумовах (витрата рідини та ступінь аерації) тиск у кільцевому просторі при використанні піни виявляється нижчим, ніж у разі застосування АБР (рис. 15.4).
Мал. 15.4.Розподіл тиску в кільцевому просторі (Q=3 л/с, α=40, об'ємна частка сульфанолу 1%):1 - піна; 2 - аерована вола; 3 - вода
Зміна тиску в потоці піни по глибині свердловини (якщо нехтувати інерційними втратами) описується рівнянням
(15.23)
де р – тиск на глибині h, МПа; ρ - густина піни при тиску р, кг/м3; λ - коефіцієнт гідравлічного опору; v - швидкість потоку піни, м/с [знак «+» у рівнянні (15.23) відноситься до висхідної течії піни, «-» - до низхідного]; D – діаметр труб, м.м.
Обробка експериментальних даних з циркуляції двофазної піни на стендовій свердловині глибиною 1500 м дозволила встановити, що коефіцієнт можна прийняти рівним 0,03.
Приклад 12.5. Визначити ступінь аерації АБР, що нагнітається в свердловину, якщо витрата повітря Qв=35 м3/хв, а рідкої фази Qж=21 л/с. Рішення. З виразу (12.22) знаходимо
Приклад 12.6. Розрахувати ступінь аерації вихідного бурового розчину щільністю pб.р=1020 кг/м3 для отримання АБР щільністю pабр=720 кг/м3 для наступних вихідних даних глибина свердловини 1768 м; середня температура стовбура свердловини Т=64,4°С.
Рішення. Від точки на осі абсцис, що відповідає глибині 1768 м, проводиться вертикальна лінія до перетину з кривою густини АБР відповідної густини 720 кг/м3 (на номограмі 0,72 г/см3).
Від точки перетину проводимо горизонтальну лінію до перетину з кривою, що відповідає різниці ρб.р - ρабр, тобто. 1,02-0,72 = 0,3 г/см3. Від точки перетину цих ліній відновлюємо перпендикуляр до верхньої горизонтальної шкали, деотримуємо значення необхідного ступеня аерації: α=Qв/Qж=9,43 м3/м3, тобто одиницю часу потрібно ввести 9,43 м3 повітря на 1 м3 розчину.
Розрахунок об'ємних витрат повітря та рідкої фази (водний розчин ПАР, водоприплив) проводиться на підставі досвіду буріння з використанням піни. Сумарна об'ємна витрата рідкої фази з урахуванням водопритоків у свердловину знаходиться в межах 2,5 10 -4 ÷1,5 10 -3 м3/с.
Об'ємну витрату повітря для отримання піни можна визначити із співвідношення
де Qж - об'ємний витрата рідкої фази з урахуванням водопритоку в свердловину. м3/с; Qв - об'ємна витрата повітря при атмосферному тиску (1 10 5 Па), м3/с; α - те саме, що і у формулі (15.22).
Розрахунок тиску нагнітання при циркуляції в свердловині піни проводиться аналогічно розрахунку з продуванням повітрям і ведеться у напрямку, зворотному руху потоку.
Орієнтовно тиск нагнітання піни Рн.п може бути розрахований за формулою
де Рзаб - тиск у вибою свердловини у висхідному потоці при глибині h, що дорівнює глибині свердловини, МПа; Δρ1=0,035÷0,05 МПа - тиск на подолання опорів у колонковому наборі, долоті; Δρ2=0,05 МПа - тиск на подолання опорів у наземній обв'язці.