Определение расхода из условий очистки ствола скважины

1. Расход, обеспечивающий необходимую скорость восходящего потока для достижения своевременной, бесперебойной и качественной очистки ствола скважины.Технологически необходимый расход бурового раствора, л/с,

, (5.1)

где υ_min – минимальная скорость восходящего потока, при которой в данном районе работ не возникает осложнений, связанных с неудовлетворительной очисткой ствола скважины, дм/с;

D_д – диаметр долота, дм;

D_н.б.т. – наружный диаметр бурильных труб, дм.

Практикой установлено, что в большинстве случаев бурение идет нормально, если υ_min=9 ÷ 13 дм/с (0,9 ÷ 1,3 м/с) при бурении в глинах, глинистых сланцах и песках и 7 ÷ 10 дм/с (0,7 ÷ 1,0 м/с) при разбуривании скальных пород.

2. Расход, обеспечивающий вынос частиц без переобогащения раствора частицами выбуренной породы (шламом). Подача бурового раствора, (л/с) которая не допускает чрезмерного обогащения раствора породой, определяется по формуле В.С. Федорова:

, (5.2)

где υ – скорость восходящего потока бурового раствора, см/с;

u – скорость оседания частиц шлама под действием силы тяжести, определяемая из условия отсутствия движения раствора, см/с;

с – скорость подъема частиц породы в кольцевом пространстве, см/с;

γ_п, γ_ж, γ – удельные веса соответственно: разбуриваемой породы, раствора в кольцевом пространстве (выходящего из скважины) и раствора, закачиваемого в бурильную колонну, г/см³;

υ_мех – механическая скорость бурения, см/с;

d_п – расчетный диаметр частицы, т.е. наибольший диаметр частиц, составляющих основной объем шлама, см. Для нешарообразных частиц под d_п понимается диаметр шарообразной частицы, равновеликой по объему данной частице;

k – коэффициент , зависящий в основном от формы частиц. Для частиц, имеющих форму шаров и кубиков, при промывке глинистым раствором k равен соответственно 40 и 32. При промывке водой для шаров, правильных многогранников и кубиков k равен соответственно 50, 40 и 30;

а – коэффициент стеснения потока в кольцевом пространстве, величина которого принимается в пределах 1 – 1,14;

λ' – коэффициент, учитывающий винтообразное движение жидкости при роторном бурении. Принимается (по данным В.С. Федорова) в пределах от 1,25 до 1,27. При бурении забойными двигателями λ'=1;

F_з – площадь забоя, см²;

F_ф – фактическая площадь кольцевого пространства, см². Обогащение бурового раствора можно допускать в следующих пределах:

а) при возможности постоянно разбавлять глинистый раствор
γ_ж- γ=0,02 ÷ 0,03, г/см³;

б) при возможности периодически разбавлять раствор водой
γ_ж- γ=0,01 ÷ 0,02, г/см³;

в) при невозможности разбавлять раствор водой γ_ж- γ ≤ 0,01, г/см³.

3. Расход, обеспечивающий турбулентный режим движения раствора в кольцевом пространстве. При бурении скважин в осложненных условиях, особенно при проходке неустойчивых глинистых пород, важным средством предупреждения возможных осложнений (сальникообразований, затяжек, посадок и прихватов инструмента) является создание в кольцевом (затрубном) пространстве турбулентного режима движения глинистого раствора. Для этого подача его должна быть не менее величины, определенной по формуле (л/с):

, (5.3)

где D_c – диаметр скважины, см;

d_н.б.т. – наружный диаметр бурильных труб, см;

(Re*_к.п.)_кр – критическое значение обобщенного параметра Рейнольдса (при отсутствии уточненных данных следует принимать
(Re*_к.п.)_кр=1200 ¸ 8000, чем больше принятая численная величина, тем вероятнее турбулизация потока);

τ₀ – динамическое напряжение сдвига раствора, г/см²;

g – ускорение свободного падения, см/с²;

γ – удельный вес глинистого раствора, г/см³.

1.2. Определение расхода из условий очистки забоя скважины

Расход, обеспечивающий требуемое давление струи на забой

Качественная очистка забоя от выбуренной породы обеспечивается в том случае, когда поток жидкости достигает забоя и оказывает на него давление 5 – 6 кг/см² (0,5 – 0,6 МПа). Подача бурового раствора (л/с) обеспечивающая требуемое давление:

, (5.4)

где е₀ – число промывочных отверстий долота;

f₀₁ – площадь одного отверстия, м²;

Р₃ – требуемое давление струи на забой, кГс/м²,

Р₃=5 ÷ 6 кг/см² = (5 – 6)∙10⁴кГс/м²;

g – ускорение свободного падение, м/с²;

ρ – плотность бурового раствора, кг/м³;

φ – угол поворота отраженной струи (90º<φ<180º) можно принять φ=120º;

β₀ – угол наклона оси отверстия к вертикали (можно принять
β₀ =45º);

λ₀ – коэффициент, учитывающий уменьшение давления на оси струи с увеличением расстояния от выхода из насадки,

, (5.5)

где а_с – коэффициент расширения струи (при отсутствии уточненных данных величина а_с для ходовых типов насадок может быть принята равной 0,3 ÷ 0,35; для насадок без скругления и для круглых долотных отверстий без насадок а_с=0,4 ÷ 0,45);

m – отношение расстояния от выхода из насадок до забоя к диаметру выходного отверстия насадок (для разных диаметров долот принимается в пределах – 8 ÷ 15), можно принять 10.

Примечание: диаметр насадок практически 10 ÷ 24 мм (бывают сменные).

Расход, обеспечивающий достаточную подачу очистного агента на единицу площади забоя. Этот расход (л/с) определяется по формуле

, (5.6)

где q – требуемый удельный расход, л/с∙см²;

F₃ – площадь забоя, см².

Опытом бурения установлено, что максимальный удельный расход раствора, превышение которого уже не ведет к заметному росту механической скорости проходки, при бурении всеми типами долот, кроме фрезерных и алмазных, составляет 0,057 ÷ 0,065 л/с∙см².

При бурении фрезерными и алмазными долотами q≥0,1 л/с∙см² (при промывке водой и неутяжеленными глинистыми растворами – для алмазного долота).

При использовании утяжеленных растворов для алмазного бурения q не должен превышать:

а) 0,04 ÷ 0,052 л/с∙см² – для долота диаметром 140 мм;

б) 0,065 ÷ 0,075 л/с∙см² – для долот диаметрами 188 и 212 мм.

Расход, обеспечивающий вынос частиц с забоя без опасности захвата их зубцами набегающих шарошек. Этот расход (л/с) определяется по формуле С.Ф. Завьялова:

, (5.7)

где D_д – диаметр долота, дм;

е_ш – число шарошек долота;

n – скорость вращения долота, об/мин;

φ – угол между осью шарошек и осью долота (можно принять 45º);

F_ср – средняя площадь сечения потока, выносящего частицы с забоя в промежутках между шарошками, дм².

Значения F_ср для долот разных диаметров приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Параметры долот

Dд, мм	Fср., дм2
190,5	1,0
215,9	1,06
	1,83
	2,35
	2,76

Формула (5.7) имеет наибольшее значение при бурении высокооборотными забойными двигателями гидравлический забойный двигатель (ГЗД), турбобур, винтовой забойный двигатель (ВЗД).

Для обоснованного выбора потребного расхода очистного агента необходимо определить величину Q, исходя из всех рассмотренных технологических условий, и выявить наибольшее значение Q_макс. Если в конкретных проектируемых условиях бурение с расходом Q_макс не создает технических трудностей, следует принять именно эту величину. Если же осуществить такой расход практически невозможно, то необходимо выделить те технологические условия, которые наиболее важны в данных условиях, и проверить возможность обеспечения наибольшего расхода, найденного по отобранным формулам.

При всех условиях расход не может быть меньше величин, определенных по формулам (5.1) и (5.6), т.е. не может быть меньше величины Q_min, при которых еще обеспечивается удовлетворительная очистка забоя и ствола скважины от шлама.

Условие Q≥Q_min является обязательным технологическим условием.

Рассмотренные методы вычисления технологически необходимого расхода очистного агента в принципе верны для всех способов бурения. Однако при некоторых способах бурения дополнительно должны учитываться определенные технические требования. Например, при турбинном бурении и бурении винтовым забойным двигателем необходимо определять расход, обеспечивающий эффективную работу турбобура на забое, а при применении гидромониторных долот – расход, обеспечивающий работу их в избранном (форсированном) режиме.