Оборудование системы контроля бурового раствора.

Д.СВОЙСТВА БУРОВОГО РАСТВОРА.

Свойства бурового раствора могут выступать в качестве признаков проявления в скважине. Следовательно, необходимо замерять и записывать следующие свойства бурового раствора:

1. Удельный вес бурового раствора – параметры удельного веса бурового раствора необходимо записывать как при закачивании, так и при выходе бурового раствора.

2. Хлориды - хлориды бурового раствора должны записываться как при закачивании, так и при выходе бурового раствора.

3. Вязкость – вязкость бурового раствора необходимо замерять и записывать на выкидной линии с условной вязкостью на постоянной основе.

Е.ГАЗОКАРОТАЖНАЯ УСТАНОВКА.

Современные буровые установки обычно оборудуются газокаротажной установкой. При помощи типичной газокаротажной установки производятся следующие замеры, причем, в некоторых случаях, дублируются функции оборудования для определения проявлений:

1. Скорость бурения.

2. Давление на выкиде насоса.

3. Нагрузка на крюк.

4. Крутящий момент ротора.

5. Частота вращения ротора.

6. Давление в кольцевом пространстве.

7. Расход бурового раствора.

8. Удельный вес бурового раствора - (вход – выход)

9. Температура бурового раствора (вход – выход)

10. Объем рабочей ёмкости.

11. Объем доливной ёмкости.

12. Удельное сопротивление бурового раствора (вход – выход)

ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ СКВАЖИНОЙ

Наиболее важным моментом при управлении скважиной является знание и понимание параметров давлений и объемов ствола скважины.

Цель данного раздела - помочь буровикам четко знать и понимать основные понятия, необходимые формулы и расчеты для управления скважиной.

Основное требование при управлении скважиной заключается в том, что гидростатическое давление столба бурового раствора должно превышать пластовое давление. Необходимо заметить, что проявление всегда происходит в тех случаях, когда забойное давление скважины меньше пластового давления.

1. ГРАДИЕНТ.

Градиент давления определяется как скорость изменения гидростатического давления по отношению к глубине для данного удельного веса жидкости.

Удельный вес бурового раствора, умноженный на постоянную величину, равняется градиенту бурового раствора. Постоянная величина, в зависимости от системы измерения (английская, метрическая, СИ - система и т.д.) может изменяться.

СИСТЕМА СИ.

1м

1м

1м

Градиент = Объем воды м³ x RD

Площадь м²

Где: объем воды = масса (кг) x ускорение свободного падения (м/сек².) и RD (плотность жидкости, по другому её еще называют - относительная или специфическая плотность).

Масса 1 м³ воды = 1000 кг

Ускорение свободного падения = 9.81 м /сек²

Относительная плотность воды (RD) = 1

Следовательно:

Градиент = 1000 кг × 9.81 м/сек² × 1 = 9810 N/м² = 0.0981 Bars/мeter

1 м²

Необходимо отметить, что градиент 0.0981 Bars/мeter касается только чистой воды.

Градиент любой другой жидкости можно рассчитать, используя следующую формулу:

Градиент = 0.0981 Bars/м × Относительная плотность жидкости (10³kg/m³ = kg/l)

АНГЛИЙСКАЯ СИСТЕМА

Один кубический фут воды равняется 7.48 галлонов (gal).

12" (H)

12" (L)

12" (W)

1 ft = 12 in

Площадь = W × L = 12 " × 12 " = 144 in².

Объем = W × L × H = 1ft × 1ft × 1ft' = 1 ft³

Градиент = 7.48 gal/ft³ × 1 ft = 0.052 = 0.052 gal/in²

144 in²/ft²

Cледовательно, градиент любой другой жидкости можно рассчитать, используя следующую формулу:

Градиент = 7.48 gal/ft³ × 1ft ×mw lb/gal = 0.052 mw lb/in²

144 in²/ft²

2. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

Гидростатическое давление - это единица силы площади вызванная градиентом давления и вертикальным столбом жидкости.

Давление обычно выражается в фунтах на квадратный дюйм (psi) в английской системе и в барах (Bars) в системе СИ.

Гидростатическое давление математически может быть определено следующим образом:

HP = TVD × MG

Где: P - гидростатическое давление

(в английской системе выражается в psi, в системе СИ - в Bars)

TVD- глубина по вертикали

(в английской системе выражается в ft, в системе СИ - в meters)

MG- градиент (в английской системе = 0.052 x МW),

в системе СИ = 0.0981 Bars/м x RD)

Например:

Глубина скважины =9,000 ft (2744 м), удельный вес бурового раствора =10.0 lb/gal (1.2 kg/l). Кондуктор установлен на глубине 3,000 ft (915м). Определите гидростатическое давление на глубине 9,000 ft.

АНГЛИЙСКАЯ СИСТЕМА.

HP = TVD × MG

HP = 9,000 ft × 0.052 ×10.0

HP = 4680 psi

СИСТЕМА СИ

HP = TVD × MG

HP = 2744 м ×0.0981 Bars/м ×1.2

HР = 323 Bars

Определите гидростатическое давление на башмаке обсадной колонны.

АНГЛИЙСКАЯ СИСТЕМА.

HPcs = TVDcs × MG

HPcs = 3,000 ft × 0.052 × 10.0

HPcs = 1560 psi

СИСТЕМА СИ.

HPcs = TVDcs x MG

HPcs = 915 м × 0.0981 Bars/м × 1.2

HPcs = 108 Bars

ЗАДАЧА №1.

Глубина скважины = 12,000 ft (3659 м), удельный вес бурового раствора =13.0 lb/gal (1.56 kg/l).

1. Определите гидростатическое давление на забое скважины.

Ответ: _______ psi _______ Bars

2. Определите гидростатическое давление на глубине 8,000 ft (2439 м).

Ответ: _______ psi _______ Bars

3. Определите гидростатическое давление на глубине 3,280 ft (1000 м).

Ответ: _______ psiI _______ Bars

4. Определите гидростатическое давление на устье скважины.

Ответ: _______ psi _______ Bars

3. ЭКВИВАЛЕНТНЫЙ ВЕС БУРОВОГО РАСТВОРА

Определенное давление, создаваемое в верхней части столба бурового раствора, передается по всей высоте столба бурового раствора. При увеличении удельного веса бурового раствора создается дополнительное давление в нижней части столба бурового раствора.

Общая величина давления называется эквивалентным весом бурового раствора и используется при расчете величины удельного веса бурового раствора для глушения скважины. Все вышесказанное можно выразить следующим образом:

Нижняя часть столба бурового раствора не может показать нам увеличение давления в случае повышения удельного веса бурового раствора или при создании дополнительного давления на устье. Предположим, что глубина скважины = 9,000 ft, трубные плашки закрыты и раствор закачивается в скважину. Давление на устье = 900 psi (62.1 Bars).Определите гидростатическое давление на глубине 9,000 ft (2744 м).

АНГЛИЙСКАЯ СИСТЕМА.

Общее давление = 4.680 psi + 900 psi

На глубине 9,000 ft = 5.580 psi

СИСТЕМА СИ.

Общее давление = 323 Bars + 62.1 Bars

На глубине 2744m = 385.1 Bars

Необходимое забойное давление может быть достигнуто путем увеличения удельного веса бурового раствора.

Удельный вес бурового раствора, необходимый для создания требуемого давления, называется эквивалентным весом бурового раствора и определяется по следующей формуле:

Эквивалентный вес = удельный вес бурового раствора + Давление на устье

бурового раствора Константа x глубина

Используя приведенный выше пример, рассчитаем эквивалентный вес бурового раствора (EМW):

АНГЛИЙСКАЯ СИСТЕМА

EМW = 10.0 + 900 psi .

9000 ft x 0.052

EМW = 10.0 + 1.9

EМW = 11.9 lb/gal

СИСТЕМА СИ

EMW = 1.2 + 62.1 Bars .

2744 x 0.0981 Bars/м

EMW = 1.2 + 0.23

EMW = 1.43 kg/l

Это означает что, если мы заменим буровой раствор с начальным удельным весом 10.0 lb/gal (1.2 kg/l) буровым раствором с удельным весом 11.9 lb/gal, забойное давление будет таким же, как при создании давления 900 psi (62.1 Bars) в верхней части столба бурового раствора.

ЗАДАЧА №2.

Глубина скважины = 12,000 ft (3659 м), удельный вес бурового раствора = 13.0 lb/gal (1.56 kg/l). Трубные плашки закрыты, и раствор закачивается в скважину. Давление на устье = 1000 psi (68.9 Bars).

1. Определите гидростатическое давление на глубине 12,000 ft (3659 м).

Ответ: ________ psi ________ Bars

2. Определите гидростатическое давление на глубине 8,000 ft (2439 м).

Ответ: ________ psi ________ Bars

3. Определите гидростатическое давление на глубине 3,280 ft (1000 м).

Ответ: ________ psi ________ Bars

4. Определите удельный вес бурового раствора, необходимый для достижения соответствующего гидростатического давления.

Ответ: ________ lb/gal ________ kg/l

4. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ПЛОТНОСТЬ ЦИРКУЛЯЦИИ БУРОВОГО РАСТВОРА (ECD)

Эквивалентная плотность бурового раствора равна удельному весу бурового раствора находящегося в скважине, плюс потери давления на трение в кольцевом пространстве в зависимости от глубины скважины.

Математически, все вышесказанное, можно выразить следующей формулой:

Английская система ECD = MW + (APL : 0.052 :TVD)

Система СИ ECD = MW + (APL : 0.0981 :TVD)

Где: ECD– эквивалентная плотность циркуляции бурового раствора

(английская система в lb/gal; система СИ в kg/l)

APL– потери давления в кольцевом пространстве(английская система psi,

cистема СИ, bar.)

TVD– истинная вертикальная глубина

Например:

MW = 13.0 lb/gal (1.56 kg/l)

APL = 300 psi (20.7 Bars)

TVD = 15,000 ft (4573 м)

АНГЛИЙСКАЯ СИСТЕМА:

ECD = 13.0 + (300 : 0.052 : 15,000) = 13.0 + 0.38 = 13.38 lb/gal

СИСТЕМА СИ:

ECD = 1.56 + ( 20.7 : 0.0981 :4573) = 1.56 + 0.05 = 1.61

ЗАДАЧА №3

Глубина скважины = 10,000 ft (3048 м); удельный вес бурового раствора = 10.0 lb/gal (1.2 kg/l); потери давления в кольцевом пространстве = 200 psi (13.8 Bars)

Определите эквивалентную плотность циркуляции бурового раствора.

Ответ: __________ ft/gal __________ kg/l

5. КОЛЕБАНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Колебания давления определяются как перепад давлений, которые вызваны движением бурильной колонны в стволе скважины. В процессе подъема бурильной колонны из скважины 10,000 ft (3048 м) с эквивалентным весом бурового раствора 0.12 kg/l колебания давления составят более 500 psi.

С целью компенсации эффекта свабирования, запас увеличения скорости при подъеме необходимо добавить к удельному весу бурового раствора.

Минимальный запас увеличения скорости при подъеме можно выразить следующей формулой:

MTM = Y.

100 (D_h – D_p)

Где: MTM - минимальный запас увеличения скорости при подъеме (kg/l)

Y - предельное напряжение сдвига (lb/100 ft²)

D_h - диаметр ствола скважины (in).

D_p - наружный диаметр бурильной трубы (in).

Например:

Глубина скважины = 10,000 ft (3049 м); диаметр ствола скважины = 8-¹/₂"; диаметр бурильной колонны = 5"; предельное напряжение сдвига бурового раствора = 25 lbs/100 ft².

MTM = 25 = 0.0714 kg/l = 0.59 lb/gal

100 × (8.50 - 5.0)

Следовательно, максимальный запас увеличения скорости при подъеме будет следующим: 2 x 0.0714 = 0.1428 kg/l = 1.19 lb/gal

Другими словами, удельный вес бурового раствора запасом увеличения скорости при подъеме превышает расчетное пластовое давление, что обеспечивает безопасный подъем бурильной колонны из скважины.

В случае повреждения соединительной муфты между блоком ПВО и водоотделяющей колонной, гидростатическое давление на пласт уменьшится. (Это возможно при бурении с утяжеленным буровым раствором).

В случае повреждения соединения водоотделяющей колонны, суммарная величина гидростатического давления морской воды и столба оставшегося бурового раствора должна превышать пластовое давление.

Например:

Глубина скважины = 10,000 ft (3049 м); глубина воды = 600 ft (183 м); расстояние от стола ротора буровой установки до морского дна = 650 ft (198 м); пластовое давление = 8,000 psi (552 Bars).

АНГЛИЙСКАЯ СИСТЕМА

Необходимый удельный вес бурового раствора:

MW = Р = 8,000 = 15.4 lb/gal

D × 0.052 10,000 × 0.052

Гидростатическое давление морской воды:

P = MW × D × 0.052 = 8.5 × 600 × 0.052 = 265 psi

Необходимое давление столба бурового раствора:

8,000 psi - 265 psi = 7,735 psi

Необходимый удельный вес бурового раствора в столбе:

MW = P = 7735 = 15.9 lb/gal

D × 0.052 9350 × 0.052

Запас водоотделяющей колонны:

= 15.9 - 15.4 = 0.5 lb/gal

СИСТЕМА СИ:

Необходимый удельный вес бурового раствора:

MW = P = 552 = 1.85 kg/l

D × 0.0981 3049 × 0.0981

Гидростатическое давление морской воды:

P = MW × D × 0.0981 = 1.02 × 183 × 0.0981 = 18.3 Bars

Необходимое давление столба бурового раствора:

552 Bars - 18.3 Bars = 534 Bars

Необходимый удельный вес бурового раствора в столбе:

MW = P = 534 = 1.91 kg/l

D × 0.0981 2851 × 0.0981

Запас водоотделяющей колонны:

= 1.91 - 1.85 = 0.06 kg/l

Необходимо заметить, что если бурение ведется с запасом водоотделяющей колонны, запас увеличения скорости при подъеме необходимо добавить, если необходимый запас увеличения скорости превышает необходимый запас водоотделяющей колонны. Тогда запас водоотделяющей колонны не добавляется.

При бурении глубоких высокотемпературных скважин и скважин высокого давления возможность эффекта колебания давлений становится более явной. Поэтому спускоподъемные операции бурильной колонны и особенно обсадной колонны необходимо производить очень осторожно.

При потере циркуляции необходимо четко контролировать давление нагнетания на устье скважины, чтобы избежать разрыва пласта.

ЗАДАЧА №4.

Глубина скважины = 12,000 ft (3659 м); глубина воды = 328 ft (100 м); расстояние от стола ротора буровой установки до морского дна = 375 ft (114 м); пластовое давление = 8,300 psi (572 Bars); предельное напряжение сдвига бурового раствора = 20 lb/100 ft².

Определите следующее:

1. Необходимый удельный вес бурового раствора:

Ответ: _________ lb/gal _________ kg/l

2. Необходимый запас водоотделяющей колонны:

Ответ: _________ lb/gal _________ kg/l

3. Необходимый запас увеличения скорости при подъеме:

Ответ: _________ lb/gal _________ kg/l

II. ПОТЕРЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ.

В процессе циркуляции бурового раствора в системе циркуляции происходят некоторые потери гидравлического давления. Поэтому буровики должны знать и понимать, как такие потери давления влияют на процесс управления скважиной. Потеря гидравлического давления происходит во всей закрытой системе циркуляции, а именно:

1. В наземном оборудовании.

2. Внутри бурильной колонны.

3. Внутри УБТ.

4. В промывочных насадках.

5. В кольцевом пространстве между УБТ и открытым стволом скважины.

6. В кольцевом пространстве между бурильной колонной и открытым стволом скважины.

7. Внутри штуцерной линии и линии глушения.

При изменении расхода бурового раствора или удельного веса бурового раствора величина суммарных потерь гидравлического давления будет изменяться. Естественно, что при переходе от режима бурения к режиму глушения скважины сумма потерь гидравлического давления будет изменяться. Основное отличие между режимом бурения и режимом глушения скважины заключается в потере гидравлического давления на штуцерной линии и линии глушения.

Для расчета величины потери давления используются следующие формулы:

а. P_t = P_s + P_dp + P_dc + P_j + P_dca + P_dpa

Эта формула используется для расчета в режиме бурения.

б. P_t = P_s + P_dp + P_dc + P_j + P_dca + P_dpa + P_c&k

Эта формула используется для расчета в режиме глушения скважины.

Где: P_t - суммарная потеря давления

P_s - потеря давления в наземном оборудовании

P_dp - потеря давления внутри бурильной колонны

P_dc - потеря давления внутри УБТ

P_j - потеря давления в промывочных насадках

P_dca - потеря давления в кольцевом пространстве между УБТ и открытым стволом скважины

P_dpa - потеря давления в кольцевом пространстве между бурильной колонной и открытым стволом скважины

P_c&k - потеря давления в штуцерной линии и линии глушения

1. P_s – ПОТЕРЯ ДАВЛЕНИЯ В НАЗЕМНОМ ОБОРУДОВАНИИ.

P_s - потеря давления в системе наземного оборудования, т.е. величина суммарных потерь давления во всех узлах и элементах системы наземного оборудования. Система наземного оборудования состоит из: трубной обвязки буровых насосов, выкидной линии к полу буровой установки, стояка, трубной обвязки стояка, нагнетательного шланга, соединяющего стояк с вертлюгом, ведущей бурильной трубы. Суммарная величина потерь давления в системе наземного оборудования зависит от плотности бурового раствора, производительности насоса и внутреннего диаметра всех узлов и элементов системы.

Математически эту зависимость можно выразить следующей формулой:

P_s = C^0.8 × Q^1.8

d^4.8