книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

стицы величиной dp будут находиться в потоке во взвешенном состоянии

К„ — коэффициент, учитывающий неравномерность рас*

Если в расчетах Кп оказывается меньшим единицы, он при­ нимается равным 1. При значениях подач Q < Qmin полной очис­ тки ствола происходить не будет даже при очень длительной промывке. При любых значениях Q > Qmin через промежуток времени t0 ствол будет качественно промыт.

Определим продолжительность промывки скважины t0, за­

(У-У«ь)36

Здесь: L —длина колонны, м; V — см/с.

Если задаться величиной t0, можно решить, пользуясь (5.115), обратную задачу, т.е. определить сначала скорость (V — Vmitt) подъема самых трудновыносимых частиц породы, затем опре­ делить необходимую среднюю скорость потока, а потом найти с помощью (5.113) необходимую подачу насосов.

Однако на величину Q накладывают ограничение или техни­ ческая характеристика оборудования на буровой (шланги, насо­ сы и др.)г или наличие зон поглощения, т.е. при выборе Q необ­ ходимо соблюдать условие Qmin < Q < QJon . Желательно, чтобы режим течения при выбранном Q был турбулентным.

Режим течения жидкости в кольцевом пространстве при найденной величине Q определяется по значению обобщенно­ го критерия Re*

Y^(Dc - d T)

(5.116)

g*J j ( To(Dc ~dT) 6V

Если Re* < 1600, то режим течения структурный или пере-

331

ходный и для обеспечения успешного удаления частиц с вели­ чиной 5 < 0,5 из скважины необходимо обязательное соблю­ дение условия

(Г,-у)(1 +8)

Q сравнительно сложен из-за необходимости получения инфор­ мации о фактическом состоянии зашламленности ствола по отбо­ ру шлама непосредственно в стволе, а также из-за последующего анализа шлама. Поэтому во всех случаях рекомендуется сначала произвести расчет по приблизительной методике, которая дает завышенные значения Q (что не всегда приемлемо).

Сущность приближенного метода состоит в том, что расчет ведется из допущения, что базисный шлам имеет форму пра­ вильных объемных фигур, а следовательно 5 = 1 .

Определяют расчетный диаметр шлама и для вертикальных

Последовательность остальных расчетов остается прежней. Во всех случаях в формулы вместо d® должно подставляться значение dp, определенное из (5.118).

Если в результате расчетов окажется, что Qmjn < Qflon, то при данном Q за время t0 ствол будет успешно подготовлен к пос­ ледующим работам. Если же Qmin > Q„on, то необходимо провес­ ти расчет по точной методике.

Промывка ствола при наличии ограничений на величину подачи

В этом случае подразумевается, что величина допустимой подачи Qaon незначительно превышает Qmin, а сле­ довательно, время промывки может оказаться очень большим, что неприемлемо.

1. Кавернозный интервал диаметром Dc находится в ниж­ ней части цементируемого участка на глубине L0.

332

По зависимости (5.115) определяют продолжительность про­ мывки скважины при значениях VAon (соответствующих подаче <Здоп) близких к Vmmдля кавернозного интервала

(Vdon-Vmin)U

Определяют продолжительность промывки из возможно­ сти увеличения Qaon до значений Q, > Qaon с глубины L,.

а) Определяется продолжительность промывки интервала L0—L исходя из недопущения повторного загрязнения интер­ вала за счет осаждения шлама во время извлечения из сква­ жины бурильной колонны длиной L0—L:

здесь t„ —затраты времени на подъем из скважины колон­ ны длиной 10 —Ц.

Vn — максимальная скорость осаждения в покоящейся жидкости частиц горной породы в скважине: [L] —м; \tn\ — с; [V] —см/с.

Величина Vn определяется по зависимости

(о 2 ~ 1л р .о + 1 п р -

Если r0[ >t02, то рекомендуется осуществлять промывку со ступенчатым изменением подачи.

333

2. Глубина скважины L0. Кавернозный интервал со сред­ ним диаметром Dc находится в ней на глубине L, и выше. С глубины L, и выше подача может быть увеличена до значе­ ния Qjoni > QmiB, т.е. требования качественной очистки кавер­ нозного интервала будут обеспечены. Поскольку промывка ствола диаметром Dc в интервале L0- 1, может вестись лишь при Qminl > QaoiT0 > QminI то при промывке этого интервала кавер­

ны в достаточной мере промываться не будут.

а) Определим продолжительность промывки интервала Ц-Ц

[(L0-Ll)+50].102+Vmtn

(про- (Гдоп-К^оГбО

здесь Fmin0 — скорость падения частиц в потоке в интерва­ ле —/<|

Vm — максимальная скорость падения частиц в покоящей­ ся жидкости в интервале О—L,.

где VmiBЛ — максимальная скорость падения частиц в пото­ ке в интервале О—L,.

в) Общее время промывки ствола tQ= tr/PA + tnP0

С целью лучшей очистки ствола скважины, особенно его кавернозных интервалов, проработку следует вести турбин­ ным способом при обязательном вращении бурильной колон­ ны. Эффект очистки связан с высокой кинетической энергией вращающегося потока.

Впроцессе промывки ствола рекомендуется периодическая мак­ симально возможная разгрузка вращающегося инструмента на забой с последующим его приподъемом. Это позволит разрушить крупные куски горной породы в стволе скважины и облегчит их удаление.

Качество очистки промывочной жидкости при подготовке ство­ ла должно быть высоким и предусматривать и грубую с применени­ ем вибросит и тонкую очистки (гидроциклоны идр.). Это предотвра­ тит образование в скважине толстых с включениями шлама корок и обеспечит повышенное качество промывочного агента.

Рекомендуемый режим промывки турбулентный. Ранняя турбулизация может быть обеспечена вращением бурового инструмента.

Примеры.

П р и м е р ! . Определить перед спуском 168-мм обсадной колонны продолжительность промывки скважины

334

глубиной 3000 м, пробуренной долотом 214 мм. Средний диаметр каверн в нижней зоне цементирования (интервал 2700—3000 м) —300 мм. Средний коэффициент кавернозности во всем затрубном пространстве 1,3- Бурильная колонна имеет диаметр 141 мм. Максимальная подача жидкости в скважину, возможная при промывке на максимальной глубине без появ­

ления поглощений, <Здоп = 45 л/с. Горные породы, слагающие разрез, — известняки, песчаники, глины. Максимальный угол искривления ствола — 10°. Параметры бурового раство­ ра: у = 1,2 г/см3; Т1 = 0,1 пз; т0 = 20 дин/см2.

А. Проведем сначала приближенный расчет промывки пе­ ред спуском обсадной колонны

1. dp =0,5(30,0-14,1)= 8 см.

Однако частицы такой величины не смогут подниматься в кольцевом пространстве, т.к. dp > DM— dH = 5,3 см.

4. По формулам (5.112) и (5.113) определим скорость потока, исключающую падение частиц при наличии циркуляции.

5. Определим величину Qmin

Qmin = 0,785(302 -14,12)• 10"3 ■119,5 = 66,2 л / с.

Следовательно, Qmin > Qaon и подготовка ствола к спуску ко­

лонны из условия очистки каверн при Q = Qaon окажется не­ удовлетворительной. Прежде чем изыскивать пути увеличения

Q для обеспечения условия выноса, т.е. Q > Qmin, произведем

335

расчет по точной методике, для чего обязательно необходимы данные анализа шлама.

Б. Анализ отобранного шлама с забоя показал, что макси­ мальные размеры частиц 3 см, максимальные значения пара­ метра формы 6 = 0,6. Полагаем, что этот параметр такой же для более крупных частиц.

1. Определим расчетные значения dP:

dP=0,27(0,86 + 0,6) (30 - 14,1) = 6,3 см; dPH=0,085(1,41 + 0,6) (30 - 14,1) = 2,7 см.

2. Определим V4 и Уч№подставляя соответственно величи­ ны dp и dPHв выражения (5.110) и (5.111)

Из сопоставления опытов следует, что большее значение ско­ рости падения соответствует вертикальному участку ствола и частицам величиной dP= 6,3 см. Эти результаты и заложим в основу последующих расчетов; т.е. V4 = 78 см/с и dP = 6,3 см.

3. Определим величину Vmia.

п1 30) 6,3

Принимаем Vmia = V4 = 78 см/с.

4.Определим Qmin.

=0,7 8 5 (302 —14Д2)-10 —3 -78 = 43 л /с .

Таким образом, фактический расход Q больше Qmio, что мо­ жет привести к большей продолжительности промывки.

5. Рассматривая ствол, состоящий из двух интервалов: сильно кавернозного —2700—3000 м и остального —2700—0; со средним коэффициентом кавернозности 1,3, найдем со­ ответственно фактические скорости потоков в этих интер­ валах:

4 5 1 0 3

= 82 см /с;

(ЗО2 -14,12)-0,785

________ 4 5 1 0 3________

У2 = 170см /с.

1,3-(21,42 —14,12) - 0,785

336

Согласно определению Re* режим течения в обоих случа­ ях турбулентный.

6. Определим расчетный диаметр ствола в интервале 0—2700 м при значении к = 1,3 и 5 = 0,6. Найдем сначала средний диа­ метр скважины D'c .

7. Определим скорости падения частиц в потоке в этом ин­ тервале. Поскольку большие расчетные диаметры и скорости соответствуют вертикальному стволу (см. выше), то

V4 = [28,5(0,86+ 0,6)-35 0 , 4 ] ^ 3 , 6 ^ - l j = 5 9 см /с.

8. Определим необходимое время промывки по каждому интервалу. На основании (5,115) имеем

300 'о, - (82-78)36 ~ 2,1 часа;

2700

*02 - (170—59) ■36 = 0,67 часа.

9. Общая продолжительность промывки равна

/0 =t0 i +to2 =2,1+ 0,67 = 2,8 часа.

П р и м е р 2. Рассмотрим на примере предыдущей задачи возможность сокращения времени промывки за счет ступен­ чатого увеличения подачи при подъеме инструмента, если из­ вестно, что на глубине L, = 1800 м имеется возможность уве­ личить подачу до Q = 60 л/с, а с глубины 900 м — до 80 л/с. Нормативное время на подъем инструмента в интервале 3000— 1800 м — 82 мин., в интервале 1800—900 м — 49 мин.

1. Определим поинтервально средние скорости промывки: интервал 2700—3000 м

45-103

= 82см/с;

0,785 (302—14,12)

интервал 1800—2700 м

V2 =______45-103______ 170см/с;

1,3 0,785 (21,42-14,12)

интервал 900—1800 м

60-103 Уз- 1,3-(21,42 —14.12)■0,785 = 225см/с:

интервал 0—900 м

V4 =300 см1с.

2. Определим поинтервально максимальные скорости па­ дения частиц в покоящейся жидкости Vn. Расчетный диаметр для частиц с 8 = 0,6

dn =0,5(0,26+0,6)(21,4 -16,1) = 23см.

Тогда согласно (5.121) получим

У„ =[50(0,26+0,6)- 35•0,43)^3 * -1 = 47см/с.

\У

3.Определим поинтервально затраты времени на промыв-

ку

300 1ПР[ = (82-78)-36 = 2,1 часа.

Время промывки следующего интервала определим по за висимости (5.120)

Время промывки следующего интервала

tnpi - 100(1800-900)+ 50-102 +47-49 60 = 23мин. (225-59) 60

Время промывки последнего интервала

900

= 0,1 часа.

пн ~ (300-59)-36 4. Общие затраты времени на промывку:

t0 - 2,1+0,82 +0,38+ 0,1 = 3,5 часа.

Следовательно, в данном случае эффект от ступенчато­ го увеличения промывки не получен, и общие затраты време­ ни оказались даже выше, чем при промывке с одинаковой по­ дачей, что связано с высокой скоростью частиц в покоящейся жидкости и значительными затратами времени на подъем бу­ рильной колонны.

338

5.3. ЦЕНТРИРОВАНИЕ ОБСАДНЫХ КОЛОНН В СКВАЖИНАХ

(Casing centralizing)

Центрирование обсадной колонны является од­ ним из важнейших технологических приемов, отсутствие ко­ торого не может быть восполнимо ни одним из известных ме­ роприятий, направленных на повышение качества крепления скважин.

Центрирование способствует равномерному распределению цементного раствора вокруг обсадной колонны, повышает каче­ ство разобщения пластов, улучшает проходимость обсадной ко­ лонны по стволу скважины. Именно этот эффект центрирования обсадных колонн постоянно привлекал и привлекает внимание специалистов, в результате чего в течение ряда последних лет было создано и опубликовано несколько методик и инструкций по центрированию обсадных колонн в скважинах.

В практике центрирования обсадных колонн применяют центраторы двух видов — пружинные разборные и жесткие неразборные.

Наибольшее применение при креплении скважин в нашей стране нашли пружинные центраторы.

При установке центраторов в интервалах резких азимутных и зенитных искривлений ствола скважины расстояния меж­ ду ними сокращаются вдвое против расчета. Два центратора на одной трубе устанавливают в тех случаях, когда по расчету один центратор не обеспечивает необходимого положения ко­ лонны относительно стенки скважины.

Число центраторов и места их установки рассчитывают от­ дельно для растянутой и сжатой частей обсадной колонны в интервале ее цементирования.

Длину сжатого участка обсадной колонны (в м) в период ее цементирования определяют по формуле

0,785{Р2[Арц +(L-h)pP]-d 2p0L}

(5.123)

] °Чср

где D —диаметр колонны, см; Л — высота подъема тампо­ нажного раствора, м; L — глубина скважины, м; d — внутрен­ ний диаметр колонны, см; рц, рР, р0 —плотности соответствен­ но тампонажного, бурового и продавочного растворов, г/см3, qcp — средняя масса 1 м колонны в воздухе, кг/м.

г д е /—наибольшая величина прогиба колонны между дву­ мя центраторами (в см), определяемая по формуле

/ = ~.Ги~/ц (5.125)

f H — расчетный минимальный зазор между обсадной ко­ лонной и стенками скважины посредине интервала установки центраторов, равный половине номинального зазора, см; /ц — прогиб планок центратора при действии на него нагрузки от горизонтальной составляющей веса труб в зоне центрирования (рекомендуемая величина этого прогиба приведена в табл. 5.11); EI — жесткость труб обсадной колонны; q = q0sina — горизон­ тальная составляющая массы 1 см трубы обсадной колонны в растворе (для рр = 1,2 —2,2 г/см3 даны приближенные значе­ ния в табл, 5.12), кг/см; q0 — масса 1 см трубы обсадной ко­ лонны в растворе, кг/см; а — угол наклона ствола скважины в интервале центрирования колонны. Число центраторов на­ ходят по формуле

340