Расчет необходимого расхода бурового раствора

Буровые промывочные жидкости

Методические указания для практических занятий

студентов всех форм обучения

по направлению «Нефтегазовое дело»

Часть 2

Тюмень

ТюмГНГУ

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: Овчинников В.П., д.т.н., зав. кафедрой НБ

Аксенова Н.А., к.т.н., доцент кафедры НБ

Леонтьев Д.С., учебный мастер кафедры НБ

© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2012 г.

ВВЕДЕНИЕ

Успех бурения нефтяных и газовых скважин напрямую зависит от свойств бурового раствора. По мере того, как усложняются условия бурения скважин: рост глубин, включение в разработку месторождений с трудноизвлекаемыми запасами, бурение на шельфе, в связи с этим стоимость, эффективность параметров и режимы течения постоянно циркулирующих буровых растворов становятся все более значимыми показателями. Вычисление различных гидравлических параметров при бурении очень важно для контроля многих переменных, относящихся к буровым растворам, что позволяет обеспечить безопасное заканчивание скважины с минимумом повреждения пласта при минимальных затратах.

Инженер – буровик специалист по буровым растворам должен не только хорошо разбираться в многообразии буровых промывочных жидкостей, реагентов и оборудовании для их приготовления и очистки, но и уверенно проводить расчеты, связанные с технологией промывки скважины. У студентов, не имеющих опыт в проведении расчетов, могут возникнуть трудности при выполнении курсовой работы, дипломного проекта и в дальнейшем в производственной деятельности.

НАЗНАЧЕНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ

Цель методических указаний – способствовать формированию специалиста в области применения буровых растворов, способного решать инженерные задачи, оптимизировать качество бурового раствора, путем его химической обработки и придания заданных физико-химических и технологических свойств, а также проектировать технологию промывки скважины.

Задача методических указаний – научить студента принципам выбора состава и свойств циркулирующих агентов, проводить расчеты, связанные с приготовлением, регулированием свойств и утяжелением циркулирующих агентов, а также гидравлическим расчетам при промывке скважины.

Методические расчеты выполнены с использованием [1].

Практическая работа № 1

Расчет необходимого расхода бурового раствора

при бурении скважины»

Для полной очистки забоя от разрушенной породы и выноса ее на поверхность расхода бурового раствора (подача насосов) Q должен обеспечивать такую скорость восходящего потока υ_в (м/с), которая превышает скорость падения твердых частиц и (в м/с) при отсутствии движения жидкости под влиянием силы тяжести на величину желаемой скорости подъема ѡ, т.е:

(1.1)

В переходном и турбулентном режимах обтекания частицы (в м/с) вычисляется по формуле Риттингера:

(1.2)

где - постоянная Риттингера; k_с - коэффициент сопро­тивления движению, зависящий от конфигурации частицы, скорости ее обтекания и других факторов, для шара в среднем k _с 0,4); d_ч - диаметр самой крупной частицы, остающейся во взвешенном состоянии, опре­деляемый по формуле:

(1.3)

где ₀ - динамическое напряжение сдвига, Па; k_d - экспериментальный коэффициент, значения которого зависят от диаметра (рис.1.1).

На практике в формулу (1.3) вместо ₀ часто подставляют СНС (θ), так как многие буровые растворы не подчиняются модели вязкопластичной жидкости во всей области и изменения градиентов скоростей.

Рисунок 1.1 - Значения коэффициента формы k_d , введенного

Р.И. Шищенко

Для частиц неправильной формы используется эквивалентный диаметр сферы:

(1.4)

где,

Для определения расчетного диаметра частиц породы, выбуриваемых шарошечным долотом можно воспользоваться выражением:

(1.5)

где l - максимальный шаг зубьев в плоскости забоя; b - ширина зубьев в плоскости забоя; h - высота зубьев.

При наличии обломков породы со стенок скважины в качестве расчетного диаметра d_ч можно принять величину кольцевого зазора ме­жду стенкой скважины и муфтой бурильных труб.

При использовании алмазных долот частицы выбуренной породы сравнительно мелкие и их вынос на поверхность не вызывает затрудне­ний.

Значение можно определить из графика (рис.1.2) в зависимости от параметра:

(1.6)

где d₀ - диаметр наибольшей частицы, оставшейся во взвешенном со­стоянии.

При а<3 режим обтекания частицы ламинарный; при 3 7 - пе­реходный и при а>7 - турбулентный. Для частиц бурового шлама ско­рость проскальзывания принимается равной 0,3-0,4 аналогичной скоро­сти для сферы.

При ламинарном режиме:

(1.7)

где - пластическая вязкость, Па·с; ψ (а) - экспериментальная функция, график которой приведен на рис. 1.3.

Рисунок 1.2 - Изменение коэффициента k в формуле Риттингера, по Р.И. Шищенко: 1- сфера; 2 - плоская частица.

Рисунок 1.3 - Изменение функции ψ (а) введенной Р.И. Шищенко.

1,2- теоретические и экспериментальные данные соответственно

Требуемую скорость подъема частиц шлама ѡ можно определить из выражения:

(1.8)

где D_с - диаметр скважины; d - наружный диаметр бурильных труб; _м - скорость проходки; V_m.ч. - объемная доля твердых частиц.

Допускаемая максимальная доля объема шлама, при превышении которой возникает опасность образования сальников и прихватов, в практических расчетах принимается V_m.ч =5% (уменьшается до 2 %, если буровым раствором служит вода или другие легкие жидкости понижен­ной вязкости).

Для практических расчетов скорость выноса частицы w принима­ется равной (0,1 0,3) и тем больше, чем глубже скважина и выше v_м.

Определив скорость v_в, необходимую для транспортирования шлама к устью скважины, можно вычислить требуемый расход бурово­го раствора (в м³ /с), обеспечивающий вынос частиц разбуриваемой по­роды:

(1.9)

где S_к.п. - площадь сечения кольцевого пространства между стенками скважины и бурильных труб, м².

Полученное по формуле (1.9) значение Q уточняется проверкой условия, обеспечивающего очистку забоя скважины от шлама:

(1.10)

где а=0,35 0,5 м/с при роторном способе и бурении электробурами; а=0,5 0,7 м/с при бурении гидравлическими забойными двигателями.

Если форма частиц шлама близка к правильному многограннику, то минимально необходимое значение расхода Q_min (в м³/с) при лами­нарном режиме течения бурового раствора, обеспечивающее качест­венную очистку ствола скважины, можно определить из выражения:

(1.11)

где η - пластическая (или структурная) вязкость, Па·с; l_ч - характерный размер частицы шлама, м; Rе_ч - число (параметр) Рейнольдса, характе­ризующее режим обтекания частицы средой:

Rе_ч = Аr_* /(18/а₁+ 0,61 ) (1.12)

Не_к -число Хедстрема для кольцевого сечения:

Не_к = (1.13)

Аr_* =Аr-6Не_ч (1.14)

(1.15)

(1.16)

где Аr - параметр Архимеда; Не_ч - параметры Хедстрема для частицы; а₁ - коэффициент влияния формы частицы и стенок канала при лами­нарном обтекании; а₂ - коэффициент влияния формы и стенок канала при турбулентном обтекании; δ, d_ч - соответственно высота и диаметр частицы (если форма частиц близка к правильному многограннику, то ).

Параметр Архимеда:

(1.17)

(1.18)

Параметр Rе_ч, вычисленный по формуле (1.12), сравнивается с критическим параметром:

(1.19)

где Re_кр - критическое значение параметра Рейнольдса, которое при Rе*_кр =1600 вычисляется по формуле:

(1.19)

Если Rе_ч<N_Re, то качественная очистка ствола скважины возможна при ламинарном режиме течения бурового раствора в затрубном про­странстве скважины.

Задача 1.1. Вычислить скорость падения сферической частицы бурового шлама, если:

Таблица 1.1 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
dч, мм	10,0	15,0	5,0	20,0	25,0	30,0	35,0	40,0	10,0	15,0
рч, кг/м3
рбр, кг/м3
, МПа·с
0, Па
d0, мм	4,8

Задача 1.2. Для условий примера 1.1 определить требуемую скорость подъема шлама и необходи­мую скорость восходящего потока бурового раствора, если:

Таблица 1.2 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
u, м/с		0,149
Vт.ч, %
Dc, мм
d, мм
м, м/ч	5,5	5,7		6,2	5,8		6,6	6,4	5,7	5,3

Задача 1.3. Определить минимальный расход бурового раствора при следующих исходных данных:

Таблица 1.3 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
Dc, мм
d, мм
рбр, кг/м3
, Па·с	0,02
0, Па
lч	0,01
рч, кг/м3

Форма частиц близка к правильному многограннику (т.е. δ/d_ч≈1)

Практическая работа № 2