книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Таким образом, на 100 м3 бурового раствора расход компо­

бы повысить плотность бурового раствора от pt = 1,6 до р2 = 1,9 г/см3, если подача буровых насосов Qu = 100 м3/ч или 27,5 л/с, а коэффициент коллоидальности глины в буровом ра­ створе К = 0,65.

Подача дозирующего устройства:

gv = ( S 2- S , % } р

Р2

где Б,, Б2 — содержание утяжелителя в буровом растворе до и после утяжеления, объемн. %; р,, р2 — плотность раство­ ра до и после утяжеления, г/см3; ру — плотность утяжелите­ ля, г/см3.

По номограмме аналогично примеру 3 определяем со­ держание утяжелителя (Б, и Б2) в буровом растворе до (р( =

=1,6 г/см3) и после (р2 = 1,9 г/см3) утяжеления. Подставляя данные в формулу, получаем:

gv= (27,2-16,1 • 1,6/1,9)100 • 4,1 = 5,59 т/ч, или 1,554 кг/с.

2.3.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО ОБЪЕМА БУРОВОГО РАСТВОРА

При проектировании технологии бурения важное значе­ ние имеет определение количества бурового раствора, не­ обходимого для проводки скважины. Если допустить, что в скважине отсутствует поглощение раствора и его потери за счет фильтрации равны нулю, требуемое количество раство­ ра для бурения

где V — максимальный объем скважины, м3; g'n — потери бурового раствора при его очистке от выбуренной породы на различных устройствах, м3:

£ (Р„ ~Рш)

(2.44)

100(рш-р .)

где Vn — объем выбуренной породы, м3; е — степень очи­ стки бурового раствора от выбуренной породы различными очистными устройствами, %; рп, рш, р0—плотность породы, шла­ ма (смесь выбуренной породы и раствора) и воды, г/см3.

При условии, что плотность породы р„ = 2,6 г/см3, средняя плотность шлама (при очистке неутяжеленных растворов) рш= 1,5 г/см3, степень очистки раствора е = 100%, зависимость (2.46) принимает упрощенный вид:

При бурении скважин в глинистых отложениях раствор об­ разуется в результате диспергирования выбуренной породы, при этом в зависимости от геолого-технических условий объ­ ем «нарабатываемого» раствора может в несколько раз превос­ ходить объем раствора, необходимый для бурения скважины. Объем избыточного глинистого раствора:

AV = V,-Vp

или

где V„ — объем раствора, который образуется в процессе разбуривания глинистых пород, м3.

Для неутяжеленных буровых растворов:

Здесь Г —масса выбуренной породы, т; Кп —коэффициент коллоидальности разбуриваемых пород, характеризующий от­ носительную коллоидно-химическую активность разбуривае­ мых пород; I - коэффициент, характеризующий влияние хи­ мической обработки на изменение коллоидальности глин;

132

b —коэффициент, характеризующий интенсивность роста ко­ эффициента коллоидальности твердой фазы бурового раст­ вора в результате действия температуры; t — температура в скважине в статических условиях, °С; Ск = 2,6-кЗ,0 — объём­ ное содержание коллоидной глинистой составляющей в буро­ вом растворе; рп — плотность разбуриваемых пород, г/см3; рр — плотность бурового раствора, г/см3; Р — показатель кол­ лоидно-химического равновесия дисперсной фазы при рабочих значениях структурно-химических показателей.

Анализ зависимости (2.51) показывает, что объем избыточ­ ного раствора прямо пропорционален количеству выбуренной породы, ее коллоидно-химической активности, температуре в скважине, плотности раствора и обратно пропорционален сте­ пени очистки его от выбуренной породы. Чем больше выбурен­ ной породы удаляется очистными устройствами, тем меньше «нарабатывается» раствора из разбуриваемых пород и меньше объем избыточного раствора.

Условия образования избыточного раствора различны и мо­ гут быть описаны следующими зависимостями:

избыточный объем раствора образуется, если V„ > 2V + g'n; избыточный объем раствора не образуется, если VH= 2V + g’n; объем раствора в циркуляционной системе уменьшается в

случае V„ < 2V + g’n.

В последнем варианте в процессе углубления скважин не­ обходимо приготовлять химически обработанный буровой рас­ твор из глинопорошка и добавлять его в циркуляционную сис­ тему.

Объем раствора, который потребуется дополнительно для заполнения циркуляционной системы в процессе бурения сква­

При Vu = 0 уравнение (2.52) приобретает вид выражения (2.43), т.е. при отсутствии наработки раствора (в результате раз­ буривания пород с низким К или применения очистных уст­ ройств и буровых растворов, обеспечивающих максимальное удаление выбуренной породы) требуется приготовить объем бурового раствора, достаточный для заполнения циркуляцион­ ной системы и компенсации потерь при очистке.

133

Так как обычно коэффициент коллоидальности разбури­ ваемых пород К = 0,4, нарабатываемые растворы имеют низ­ кое качество и требуют высокого расхода химических реаген­ тов для придания им необходимых технологических свойств. Поэтому следует предотвращать наработку бурового раствора путем максимального удаления выбуренной породы очистны­ ми устройствами и применять буровые растворы, приготовля­ емые из высококачественных глинопорошков.

2.3.7. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА УТЯЖЕЛЯЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ РЕАГЕНТОВ

Основным показателем качества любого утяжелителя яв­ ляется его утяжеляющая способность, которая характеризует­ ся максимальной плотностью бурового раствора при сохране­ нии оптимальных структурно-механических, реологических и фильтрационных показателей при определенном содержании твердой фазы в буровом растворе.

Утяжеляющая способность материала зависит от его плот­ ности, дисперсности, гидрофильности, химического и мине­ ралогического состава и определяется лабораторным путем. Влияние различных факторов на утяжеляющую способность материалов можно вычислить.

Зависимость для расчета объемного содержания утяжели­ теля (в %) в буровом растворе при заданной пластической вяз­ кости:

1пт)/т1о(100-Сг - С p ) -lQ0ax(CГК г - С хК р )

у In ц! т|о + 100а,АГ1Р 1 '

Плотность утяжеленного раствора, рру:

Здесь Т|, Г|0 —пластическая вязкость утяжеленного раствора и вязкость дисперсионной среды, Па*с; Сг, Ср —объемное со­ держание глины и химического реагента (в пересчете на сухое вещество) в буровом растворе, %; Ку, Кг и Кр — коэффи­ циент активности утяжелителя, глины и химического реаген­ та; а, = 0,523 — константа; ру, р,„ рр — плотности утяжелите­

ля, глины и химического реагента, г/см3; В —содержание воды в буровом растворе, %:

В = Ю 0 - ( С у + С г + С р ) .

Анализ уравнения (2.53) показывает, что объемное содер­ жание утяжелителя Су зависит от заданного значения пла­ стической вязкости утяжеленного раствора, содержания в нем глины и химического реагента, а также от коэффициентов ак­

134

тивности компонентов Kv, К, и Кр. Чем выше коэффициент К,,,

ибольше содержание глины в растворе Сг, тем меньший объ­ ем занимает утяжелитель при заданных значениях вязкости и, следовательно, меньше его утяжеляющая способность.

При прочих равных условиях утяжеляющая способность ма­ териала прямо пропорциональна его плотности и обратно про­ порциональна коэффициенту активности (коллоидальности).

На рис. 2.7 приведены результаты расчета по формулам (2.53)

и(2.54) утяжеляющей способности материала. Из приведённых данных видно, что наряду с плотностью и активностью на утя­ желяющую способность материала существенно влияет содер­ жание глины в утяжеляемом растворе. С увеличением содержа­ ния глины утяжеляющая способность резко падает, причем чем выше плотность утяжелителя, тем значительнее снижается его утяжеляющая способность. Получение буровых растворов мак­ симальной плотности зависит не только от качества утяжелите­ ля, но и от технологии приготовления утяжеленного бурового раствора. Обязательным условием является снижение содержа­ ния твердой фазы в утяжеляемом растворе. Между общим со­ держанием глины Г (%) в буровом растворе, содержанием кол-

Рис. 2.7. Зависимость утяжеляющей способности материала от плотности (а), коллоидальности (б) и содержания глины в буровом растворе (в):

плотность утяжелителя в г/см3 1-5,0; 2-4,5; 3-4,0; 4-3,5; 5-3,0.

135

лоидной составляющей Ск и коэффициентом коллоидальности Кг глины существует соотношение Г = Ск/К г. С увеличением плотности бурового раствора и, следовательно, общего содер­ жания твердой фазы для сохранения неизменными структур­ но-механических показателей коллоидная составляющая и об­ щее содержание глины должны уменьшаться.

Содержание глины данной коллоидальности при увеличе­ нии плотности бурового раствора от р, до р2 изменяется в со­ ответствии с зависимостью:

(Г,, Г2 —содержание глины в растворе до и после утяжеле­ ния, объемн. %).

Пользуясь приведенными выше зависимостями, дадим срав­ нительную оценку различных методов утяжеления бурового раствора. Существуют три основных способа утяжеления бу­ ровых растворов.

Первый способ. Утяжеляется весь объем бурового раство­ ра, находящийся в циркуляции, с одновременным вводом не­ обходимого количества воды и химических реагентов для ре­ гулирования структурно-механических и фильтрационных показателей. Избыточный объем утяжеленного и химически обработанного бурового раствора удаляется из циркуляцион­ ной системы в запасные амбары.

Данный способ утяжеления является самым распростра­ ненным.

Общий объем раствора после утяжеления:

(V, —объем утяжеляемого бурового раствора, м3).

Расход утяжелителя на единицу объема исходного бурово­ го раствора при утяжелении по первому способу:

У (Р2—Р1ХР2+ Р1—Р«)„

(2.58)

Р,(Р„-Р.)

Второй способ. Из циркуляционной системы в запасные емкости предварительно удаляется определенный объем ис­ ходного раствора (малоутяжеленного или неутяжеленного), и утяжелению подвергается только раствор, оставшийся в цир­ куляционной системе.

Объемы бурового раствора, откачиваемого в запас до утя­

136

желения V4 и оставшегося в циркуляции V5, определяются из уравнений:

Расход утяжелителя на единицу объема исходного бу­ рового раствора при утяжелении

Из выражений (2.58) и (2.61) следует, что расход утяжелите­ ля при утяжелении по второму способу пропорционален соотно­ шению р2/р[. Применение второго способа утяжеления позволяет значительно сократить расход дорогостоящих утяжелителей.

Третий способ. Этот способ предусматривает утяжеление по второму способу с одновременной регенерацией утяжелителя из отобранного объема исходного бурового раствора и возвра­ щение его в виде пульпы в циркуляцию. Третий способ может быть применен, когда исходный раствор имеет сравнительно высокую плотность (1,5—1,6 г/см3) и содержит достаточное ко­ личество утяжелителя, который может быть регенерирован. При этом способе образование избыточного объема бурового раствора минимально.

Обязательным требованием к технологии утяжеления по третьему способу является совместная работа установок для утяжеления буровых растворов и регенерации утяжелителя.

Расход материала на утяжеление бурового раствора при третьем способе с учетом извлечения утяжелителя из избы­ точного раствора и возвращение его в циркуляцию определя­ ется по формуле:

Для упрощения расчетов можно принять коэффициент извле­ чения утяжелителя в процессе регенерации г равным 1, тогда

(Г,, Г2 — содержание глины в буровом растворе до и после утяжеления, объемн. %)

В табл. 2.11 сопоставлен расход материала при различных способах утяжеления.

137

Т а б л и ц а 2.11

Расход материалов при утяжелении

Из приведенных данных видно, что расход утяжелителя при первом способе на 28% больше, чем при втором, и на 47% больше, чем при третьем.

Пр имер. Рассчитать интенсивность утяжеления и отбора исходного бурового раствора в запас или на регенерацию при втором и третьем способах утяжеления,

Примем объем раствора в циркуляционной системе V, = 150м3, пропускную способность ее Q,, = 100 м3/ч, требуется повысить плотность раствора от р, = 1,6 до р2 = 2,0 г/см3.

Вычислим объем раствора, откачиваемого в запас или на регенерацию:

V4= V, (1 - р,/р2) = 150 (1 - 1,6/2,0) = 30 м3.

Определим интенсивность отбора исходного бурового раст-во- ра из циркуляционной системы в запас или на регенерацию:

V5= QI( V./V, = 100 • 30/150 = 20 м3/ч.

Интенсивность утяжеления бурового раствора при втором

Значения Б1 и Б2 определяем из формул (2.64) и (2.65)

g4= (1,24 - 0,68 • 1,6/2,0)100 = 69,6 т/ч.

При третьем способе утяжеления интенсивность ввода утя­ желителя:

gu = (1,24-0,68)100 = 56 т/ч.

138

При втором и третьем способах процесс утяжеления всего объема раствора должен быть осуществлен за один цикл цир­ куляции. При этом одновременно с вводом утяжелителя, воды и химических реагентов из циркуляционной системы отбирается расчетное количество исходного раствора, которое откачивает­ ся в запас или подается на регенерационную установку.

Утяжеление раствора за один цикл циркуляции с мини­ мальным расходом дорогостоящих материалов возможно при использовании порошкообразных баритовых утяжелителей и установок, позволяющих осуществить дозированный ввод утя­ желителя в широком диапазоне производительности.

2.3.8. РАСЧЕТЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ПЛОТНОСТИ БУРОВОГО РАСТВОРА

Допустим, что М,, V,, р, —соответственно мас­ са, объем и плотность исходного бурового раствора. Для уве­ личения плотности бурового раствора в него следует добавить твердую фазу. Твердую фазу характеризуют следующие ком­ поненты: М2, V2, р2 — масса, объем и плотность добавленной твердой фазы.

Врезультате добавления твердой фазы получим новый буро­ вой раствор, имеющий массу М2, объем V3и конечную плотность р3. Отсюда по закону сохранения массы можно записать, что

Уравнение (2.68) справедливо только для твердой фазы, которая не растворяется в воде. Для растворимых веществ уравнение (2.68) не применяется до тех пор, пока не будет насыщения жидкой фазы, после чего добавление твердой фа­ зы приведет к пропорциональному увеличению объема. Ис­ пользуя определение плотности и уравнения (2.67) и (2.68), получаем:

откуда

^ l P l + ^ 2

Vl + M 2 / p 2

или

139

Член M2/V, означает отношение массы утяжелителя, обыч­ но барита, к объему исходного бурового раствора, На практи­ ке в расчетах используют значения массы барита (кг) и объема (м3) исходного бурового раствора. Введем обозначение

Подставляя (2.71) в уравнение (2.70), имеем

Pl+X Р3 1+ Х /р 2 ‘

После преобразования этого уравнения, получаем следую­ щее соотношение:

х Рз ~ Pi

(2.72)

1- РЗ/Р2

Уравнение (2.72) служит основой для большинства расчетов бурового раствора, включая определение массы твердой фазы, требуемой для повышения плотности бурового раствора от р, до р3. Поскольку начальная и конечная плотности бурового рас­ твора известны, легко определить значение X.

Для начального объема, составляющего 10 м3, уравнения (2.71) и (2.72) преобразуются в следующее выражение:

или

где М2 —масса барита, кг, необходимая для изменения плот­ ности раствора от р, до р3; р2 —плотность барита, р2 = 4250 кг/м3. Поскольку каждый мешок содержит 42,64 кг, число мешков

М2 _ 996,7(р3 —р,)

(2.76)

42,64 4250рз

В уравнениях (2,75) и (2.76) р, и р3 выражены в кг/м3.

Расчет увеличения объема бурового раствора в результате добавления барита

140