Гидродинамика процесса очистки ствола горизонтальных скважин

Установлено, что механизм образования и характер проявления осложнений в наклонно-направленных (ННС) и горизонтальных (ГС), связанных с неполным выносом шлама на дневную поверхность, принципиально отличается от таковых при бурении вертикальных скважин. Компания Drilling Fluids, классифицирует осложнения, связанные с несовершенной очисткой ствола НHC и ГС, как зашламление ствола, прихваты бурильной и обсадной колонн, избыточный крутящий момент, потеря циркуляции, плохое качество цементирования, осложнения при проведении каротажных работ и др.

Кроме того, некачественная очистка ствола наклонной или горизонтальной скважины ведет к возникновению увеличения сопротивления продольному перемещению колонны, внезапному изменению траектории ствола, затруднению в ориентации отклоняющего инструмента, загрязнению пласта и др. В связи с вышеизложенным, зарубежные компании, в отличие от большинства отечественных, при бурении НН и ГС уделяют особое внимание предупреждению осложнений, связанных с проблемами своевременной очистки от шлама ствола скважины. Для уменьшения объема скапливающегося шлама предлагается турбулизировать поток бурового раствора, с помощью долота, имеющим корпус с соответствующим профилем, или гидромониторными насадками. При этом турбулентный поток может быть интенсифицирован установкой ребер по наружному диаметру шарошечного долота или долота типа PDC, также за счет интенсивной циркуляции бурового раствора. При этом отмечается, что турбулентный поток даже при больших числах Рейнольдса (Re) не может обеспечить качественную очистку ствола горизонтальной скважины без механического воз/;ействия на шлам. Следует отметить, что использование турбулентного потока для выноса шлама требует, с одной стороны, больших энергозатрат, с другой его не всегда можно получить, особенно в скважинах большого диаметра. Кроме того, турбулентный режим можно использовать лишь в тех случаях, когда не существует опасности размыва стенок скважины. Специалисты компании Drilling Fluids рекомендуют в таких случаях изолировать легко размывающиеся неустойчивые пласты обсадной колонной. Во избежание прихвата, перед спуском колонны рекомендуется промыть ствол скважины раствором повышенной вязкости в ламинарном режиме при одновременном расхаживании и вращении бурильной колонны.

Следует отметить, что ввиду весьма высокой стоимости спуск дополнительной обсадной колонны может быть проведен только в исключительных случаях. Очевидно, что для предупреждения такого рода осложнений необходимо изучить механизм их возникновения.

Экспериментальные исследования, проведенные П. Томреном, подтвердили существование шламовых скоплений на нижней стенке наклонной скважины. У. Гроссманн и С. Маркс на экспериментальной установке, провели исследования гидравлического транспортирования твердой фазы в кольцевом пространстве НИ и ГС. По их мнению, для эффективного выноса шлама в стволе ННС при углах наклона более 45° скорость восходящего потока должна составлять 1,6 м/с. Вместе с тем методика проведенных лабораторных экспериментальных исследований не позволяет адаптировать их результаты к реальным горно-геологическим условиям бурения. Таким образом, вопросы влияния угла наклона оси скважины на гидротранспорт шлама, а также механизм возникновения осложнений, связанных с несовершенной очисткой ствола ННС от шлама, так и остались недостаточно изученными.

Изучение механизма возникновения осложнений при промывке ствола ННС и ГС требует аналитических, экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования по специально разработанной методике проводились на стендовой установке. При проектировании стендовой установки использовалась теория подобия и размерностей в механике. Моделирование на стенде проводилось в соответствии с реальным соотношением между диаметром бурильной колонны равным 127 мм и стволом скважины диаметром 215,9 мм. Трубы могли располагаться концентрично и с эксцентриситетом. Возможность визуальных наблюдений была обеспечена изготовлением внешней трубы из органического стекла и использованием воды в качестве промывочной жидкости. Положение модели можно было регулировать и фиксировать в пределах от вертикального (а = 0°) до горизонтального (а = 90). Измерение расхода жидкости проводилось объемным методом за определенный промежуток времени для каждого положения стендовой трубы. Всего было проведено 960 замеров для 12 положений. Относительная погрешность вычислялась в соответствии с распределением Стьюдента.

Оценка результатов эксперимента и необходимое количество опытов осуществлялось методами математической статистики. Для получения информации о качественной характеристике процесса перемещения частиц шлама в потоке жидкости при различных углах наклона стендовой трубы и подаче промывочного агента велась запись на видеокамеру. За критерий транспортирования шлама, был выбран минимальный расход жидкости, при котором начинался массовый вынос шлама, то есть все частицы шлама были вовлечены в поток. За базу сравнения был выбран расход жидкости, при котором осуществлялся массовый вынос шлама при вертикальном положении стендовой трубы.

Результаты исследований позволили получить количественные соотношения между необходимой скоростью восходящего потока жидкости в НН и ГС и скоростью потока в вертикальной скважине, обеспечивающие качественную очистку наклонного и горизонтального участков ствола.

Кроме того, в результате экспериментальных исследований удалось установить закономерности движения частиц шлама в кольцевом пространстве НН и ГС, связанные с особенностями накопления шлама в виде дюн и возникающие при этом осложнения.

В теоретических исследованиях процесса выноса шлама в стволе НН и ГС было сделано допущение - рассматривать движение отдельной неизменяемой твердой частицы в кольцевом пространстве в потоке жидкости. В этом случае на частицу будут действовать: сила тяжести в жидкости, направленная вертикально вниз, сила лобового сопротивления, действующая по направлению потока, и подъемная (поперечная) сила, направленная перпендикулярно направлению движения потока. Формулы для первых двух сил общеизвестны, выражение для подъемной силы было заимствовано из динамики русловых потоков (теория донных наносов). Наличие такой силы является одной из основных причин, которые облегчают перемещение частиц в руслах, и обуславливает их отрыв от дна.

На базе известных работ, используя уравнение Буссинеска для ламинарного    течения    ньютоновской    жидкости, уравнение Волоровича-Гуткина для структурного течения бингамовской жидкости и полуэмпирическую теорию турбулентности, было найдено аналитическое выражение для разности скоростей на границах частицы, расположенной в кольцевом пространстве для различных режимов течения.

Это позволило аналитически определить величину подъемной силы, действующей на частицу для ламинарного и турбулентного течения ньютоновской жидкости, а также структурного течения вязкопластичной жидкости. Далее для каждого режима движения жидкости из уравнения равновесия были найдены выражения, которые определяют зависимость между скоростью восходящего потока, обеспечивающей эффективную очистку от шлама ствола ННС и ГС, и скоростью проскальзывания. Задача решалась для частицы сферической формы, имеющей наихудшие условия выноса. Были выполнены расчеты относительной скорости восходящего потока для условий стендовой установки и реальной скважины, которые были сопоставлены с результатами стендовых и промысловых исследований. Сравнение показало качественное совпадение, то есть, прослеживается тенденция роста относительной скорости восходящего потока с увеличением угла наклона скважины. Причем результаты стендовых    исследований наиболее близки к аналитическим результатам, полученным на основе теории турбулентности [3].