Неустановившиеся течения буровых жидкостей в скважине.

⇐ ПредыдущаяСтр 20 из 26Следующая ⇒

До сих пор мы рассматривали только установившиеся течения, когда в каждой данной точке пространства, через которую проходит поток жидкости, скорость не зависит от времени. При строительстве скважины приходится иметь дело с неустановившимися течениями, типичными примерами которых являются так называемое “отрывное” течение (иногда пишут в литературе: "режим свободного падения" цементного раствора) при цементировании и процесс движения газовой пачки (во время промывки) в заколонном пространстве.

16.1. Расчет гидродинамических параметров при
цементировании обсадных колонн. Прогнозирование
отрывного течения.

Общеизвестен факт уменьшения давления на устье в процессе закачки в обсадную колонну цементного раствора, имеющего более высокую плотность, чем буровой раствор (например, 1850 кг/м³ против 1150 кг/м³). Если закачивать в колонну труб с внутренним диаметром d_в цементный раствор с расходом Q_н, то через время t от начала закачки в трубах образуется столб цементного раствора длиной h_ц (рис. 16.1а):

. (16.1)

Если бы плотность цементного раствора ρ_ц была равна плотности бурового ρ_р, то в процессе закачки первого давление на выходе в трубы p_н было бы равно сумме гидравлических сопротивлений. В противном случае:

p_н+(ρ_ц-ρ_р)gh_ц=p_ц+p_р;

p_н=Р_ц+Р_р-(ρ_ц-ρ_р)gh_ц, (16.2)

где p_ц и p_р – потери давления при движении соответственно порций цементного раствора и бурового растворов. Обозначим сумму потерь давления через p_пот:

p_н=p_пот- (ρ_ц- ρ_р)gh_ц. (16.3)

Проследим, что будет происходить с правой частью по мере увеличения h_ц в процессе закачки цементного раствора с постоянным – подчеркиваем – расходом Q_н. Потери давления p_ц на единицу длины труб, как правило, больше p_р при движении бурового раствора, но сумма потерь растет несравнимо медленнее, чем величина (ρ_ц-ρ_р)gh_ц.

В результате неизбежно наступает момент, когда p_пот=(ρ_ц-ρ_р)gh_ц, а p_н=0.

С этого момента начинается “отрывное” течение, когда жидкость, закачиваемая насосом в трубы, течет безнапорно, в буквальном смысле льется (свободно падает) в трубы, падая в них под собственным весом до свободного уровня цементного раствора в трубах. Эта ситуация показана на рис. 16.1б.

Высота столба цементного раствора, равная моменту “отрыва” найдется по формуле:

. (16.4)

Как видим, величина h_ц зависит от потерь давления, следовательно, от расхода Q_н. чем больше Q_н, тем больше h_ц. Иначе говоря, отрывное течение при больших Q_н наступает позже (если оценивать “позже” или “раньше” не по времени, а по объему закачанной жидкости).

Начиная с момента достижения h_ц, дальнейшая закачка жидкости приводит к разрыву сплошности потока.

В трубах на устье создается вакуум. Расход выходящего из скважины раствора Q становится больше Q_н (вначале “отрыва”). Если зафиксировать один из моментов “отрывного” течения (рис. 16.1 б), то справедливо равенство:

(ρ_ц-ρ_р)gh_ц-ρ_рgh_в=p_пот. (16.5)

В следующий момент времени, по прошествии времени ∆t, величина h_ц увеличится, следовательно, левая часть уравнения станет больше правой. Как результат этого, расход Q должен будет возрасти снова ровно настолько, чтобы восстановить знак равенства в уравнении. В следующий момент баланс давлений снова нарушится и придется расходу Q снова возрасти и т.д. Совершенно ясно, что движение “оторвавшегося” потока становится неустановившимся.

Методика расчета p_пот представляет собой вычислительную процедуру с применением различных формул в зависимости от режима движения, не говоря уже о том, что колонна труб и затрубное пространство не однообразно, а имеет участки, отличающиеся либо внутренним диаметром труб d_в, либо их наружным диаметром d_н, либо диаметром скважины D_скв. По этой причине задача может быть решена только с использованием принципа “квазистационарности”, когда нестационарный (неустановившийся) процесс представляют как последовательность непродолжительных стационарных процессов. Разумеется, такое решение является заведомо приближенным, а величина погрешности решения будет зависеть от шага по времени (или по объему порций закачиваемой жидкости), в течение которого процесс условно можно считать стационарным. В этом случае Q меняется уже не плавно, как в натуре, а скачкообразно (на модели реального процесса).

Рассмотрим закачку цементного раствора в трубы. Пока закачивается раствор h_ц будет увеличиваться, расход Q – расти. Следовательно, уровень цементного раствора будет удаляться от устья, что означает нарастание разности Q - Q_н и увеличение h_ц. Чтобы смоделировать процесс, необходимо начать слежение за “отрывным” течением с самого его начала, когда конец h_ц соответствует уравнению (16.4), накапливая поэтапно активную часть внешних сил, заставляющих жидкость двигаться или препятствующих этому. Если f_т - сечение канала трубы, то для каждого момента времени закачки, пока цементный раствор не вышел в заколонное пространство, будет справедливо уравнение:

. (16.6)

В этом уравнении первый член представляет собой текущее значение (ρ_ц-ρ_р)gh_ц, а второй – значение ρ_рgh_в.

Аналогично можно составить уравнение для случая продавки цементного раствора без вытеснения и с вытеснением последнего в заколонное пространство.

В реальных условиях обсадные колонны, как правило, всегда разноразмерны, и секции отличаются, по крайней мере, внутренним диаметром. Поэтому решение такой задачи лучше всего “поручать” ЭВМ.

Основным отрицательным следствием появления отрывного течения является потеря контроля за расходом жидкости. Однако управлять отрывным течением все же можно, если в ходе закачки или продавки менять Q_н. В отличие от напорного режима (безотрывного), когда всегда Q= Q_н, в данном случае изменение Q_н не вызовет немедленного изменения Q на соответствующую величину. Потребуется некоторое время на “реакцию” системы на изменение Q_н. Тем не менее это единственный путь влияния на Q. А управлять расходом Q крайне необходимо. Предположим, что запланирован поршневой режим закачки (ограничение Q). Пока Q= Q_н нет проблем с управлением расходом Q. В “отрывном” режиме, когда Q начинает самопроизвольно расти, поршневой режим начинает переходить в структурный с малым радиусом структурного ядра или даже в ламинарный, что делает режим вытеснения неудовлетворительным. Чтобы вернуть режим в поршневой, придется уменьшить Q_н, добиваясь постепенного уменьшения Q до нужного значения.

Расчеты на ЭВМ показывают, что игнорирование “отрывного” течения, когда своенравное поведение “оторвавшегося” потока может ввести режим в невыгодную область, часто приводит к плачевным результатам: преждевременному выходу цемента на устье из-за чрезмерного проникновения вытесняющей жидкости в вытесняемую, возникновению больших объемов смесей цементного и бурового растворов с высокими СНС, τ_o, η, но с низкими прочностными показателями цементного камня. Могут образовываться пачки смесей бурового и цементного растворов со столь высокими структурно-механическими показателями (результат коагуляции бурового раствора), что потери давления сделают жидкость непрокачиваемой, вынуждая оставлять цементный раствор в трубах (весь объем или его часть).

На рис. 16.2 показан "типичный" (хотя и схематизированный) для одноразмерной колонны график изменения расходов Q_н, Q и давления p_у в зависимости от времени закачки и продавки. На участке ав идет закачка цемента в безотрывном режиме. При этом Q_н=Q, а устьевое давление равно p_у и постепенно снижается до нуля при t=t_отр (линия f_д). Если не менять Q_н, то вплоть до t_max расход Q (расход выходящего из скважины раствора) будет нарастать, а затем уменьшаться, возвращаясь к значению Q_н=Q в момент времени t_сх, когда поток Q_н сойдется со свободным уровнем жидкости в трубах (точки С и п). После этого давление p_у начинает увеличиваться вследствие того, что более тяжелый цементный раствор выходит в заколонное пространство, где гидростатическое давление начинает превышать таковое в трубах. Время t_сх наступает после того, когда цементный раствор в затрубном пространстве уже поднят на некоторую высоту (от "башмака" колонны) h_ц:

, (16.7)

где L – длина колонны (глубина скважины);

h_пр – высота, занимаемая в трубах продавочной жидкостью;

p_пот – гидравлические потери давления.

От момента времени t_сх до t_к (время завершения продавки) высота цементного раствора в трубах будет уменьшаться, а высота h_кц, напротив, увеличиваться, поэтому p_у состоит на этом этапе из гидравлических потерь и избытка гидростатического давления (r_ц– r_р)×(h_кц– h_ц)g. В конце продавки обычно расход Q_н резко уменьшают (линия de), а после "посадки" цементировочной пробки на обратный клапат давление увеличивают специально на некоторую величину (отрезок тk), превышающую давление на насосах до "посадки" пробки (точка т).

Изложенная здесь методика расчета позволяет уверенно составить гидравлическую программу цементирования на участке от t_отр до t_сх (при "отрывном" течении). Из рис. 16.2 видно, что допущено увеличение Q свыше Q_н. Следовало бы (если есть у технолога желание "исправить" программу) приближаясь к точке g начинать планомерное уменьшение Q_н с таким расчетом, чтобы Q не оказался больше Q_н в начале закачки. После t_max следовало бы начинать увеличение Q_н (и тоже) для сохранения Q на уровне начального расхода Q_н.

Рис. 16.2. Графики изменения расходов жидкостей и давления на устье
при цементировании одноразмерной обсадной колонны.

Расчетная ситуация существенно усложняется при цементировании разноразмерных колонн, составленных из труб различного диаметра и с разными толщинами стенок, и особенно – при цементировании раздельно спускаемых на бурильных трубах секций обсадных колонн. Кроме разноразмерности колонн и различия в свойствах жидкостей, имеет место скачкообразное изменение режима течения на различных участках циркуляционной системы скважины. В таких условиях гидравлические расчеты можно выполнить только путем организации вычислительной процедуры на базе компьтерных программ.

Осиповым П.Ф. и Логачевым Ю.Л. разработана программа расчета гидравлического режима цементирования, в которой реализованы следующие возможности:

- использование неограниченного количества секций и типоразмеров труб;

- применение одного или двух порций цементного раствора;

- отсутствие ограничений на количество участков скважины с различными значениями коэффициентов кавернозности;

- постоянный контроль за давлением на устье и давлением на слабый пласт, расходом жидкости на выходе из скважины, объемами закачанных жидкостей, критическиеми расходами по элементам гидравлического канала;

- визуальный контроль за параметрами процесса цементирования: высотой безнапорного (длиной “отрывного” столба) течения, объемами движущихся жидкостей и их местоположением в скважине;

- остановка процесса с возвратом на любое предыдущее состояние с возможностью изменения расхода закачки и (или) временного отрезка Dt_i.

Программа применялась при разработке технологии цементирования ряда обсадных колонн (или их секций), в том числе - нижней секции обсадной колонны диаметром 244,5 мм в одной из сверхглубоких скважин в Республике Коми.

Исходные данные для расчета:

- длина раздельно спускаемой секции обсадной - 1338 м;

- интервал расположения секции в скважине - 3964...5302 м;

- секция спущена на бурильной колонне, составленной из труб диаметром 127 мм (1080 м) и 139,7 мм (2884 м);

- применялись облегченный цемент (цементно-резиновая смесь) с плотностью цементного раствора 1550...1600 кг/м³ и чистый цемент со средней плотностью раствора 1700 кг/м³; объемы растворов составили соответственно 40 и 62,7 м³;

- плотность бурового раствора и продавочной жидкости - 1260 кг/м³.

- коэффициент кавернозности в интервале цементирования - 1,83.

Высокие значения критических расходов цементных растворов в обсадной колонне (45 дм³/c) и в заколонном пространстве (35 дм³/c), ограниченные технические возможности реализации турбулентных режимов вытеснения жидкостей требовали проведения гидравлических режимов, ориентированных на “пробковый” режим замещения. Анализ профиля скоростей показал, что удовлетворительные результаты могут быть получены, если расход жидкости в обсадной колонне не превысит 7...7,5 дм³/c, а в заколонном пространстве - 4,5...5,5 дм³/c.

Таблица 16.1

Гидравлическая программа цементирования нижней секции обсадной
колонны диаметром 244,5 мм в Тимано-Печорской опорной скважине

Текущее время от начала закачки буферной жидкости, мин	Расход закачки в трубы, дм³/c	Расход жидкости через “башмак” колонны, дм³/c	Расстояние от устья до уровня жидкости в колонне (длина отрыва), м	Примечания
1-й вариант
0...7	5	5		Закачка буферной жидкости
7...11	7	7		Начало закачки облегченного цементного раствора
11...23	21	21		Закачка цементного раствора
23...27	21	21...28	0...24	Начало отрывного течения
27...39	21	28...24...30	24...446	Закачка цементного раствора
39...42	21	30...23	446...490	Конец закачки облегченного цементного раствора
42...54	7,5	23...9,4	490...747	Начало закачки “чистого” цемента. Цементный раствор достиг “головы” секции.
54...134	7,5	9,4...7,6	747...1317	Закачка цементного раствора. Выход цемента в затрубное пространство на 122-й мин.
134...181	7,5	7,6...7,5	1317...1332	Конец закачки цементного раствора
181...222	7,5	7,5...4,3...5,1	1332...836	Продавка
222...266	7,5	5,1...4,7...4,8	836...192	Продавка
266...294	7,5	4,8...6,3...7,5	192...0	Продавка. Конец отрывного течения
294...377	7,5	7,5		Продавка
2-й вариант
0...4	7,5	7,5		Закачка буферной жидкости
4...16	7,5	7,5		Начало закачки облегченного цементного раствора
16...28	15	15		Закачка цементного раствора
28...48	15	15...22,9	0...600	Начало отрывного течения
48...55	15	22,9...14,8... 16	600	Вход цемента в секцию обсадной колонны.
55...95	15	16...19,6...16,6	600...1251	Закачка цементного раствора
95...125	15	16,6...15,2... 11	1251...1306... 1286	Выход цементного раствора в затрубное пространство
125...163	7,5	11...7...5	1286...836	Продавка
163...207	7,5	5...4,7...4,8	836...193	Продавка
207...232	7,5	4,8...6...6,3	193...0	Продавка
232...321	7,5	7,5		Безотрывное течение. Завершение продавки

Качество замещения при движении жидкостей в бурильных трубах могло быть обеспечено применением в качестве буферной жидкости водного раствора кальцинированной соды, и потому на начальном этапе, когда цементный раствор движется по бурильным трубам, расход закачки его можно не регламентировать (он определяется техническими возможностями: количеством цементно-смесительных машин и агрегатов, размещением цементов по смесителям, наличием осреднительной емкости и ее объемом).

В табл. 16.1 приведены результаты расчетов режима цементирования секции на ЭВМ в двух вариантах.

В первом варианте “пробковый” режим замещения вводится в момент, когда цементный раствор достигнет обсадной колонны (39…42-я мин). В дальнейшем весь процесс осуществляется с ограничением величины расхода жидкости (подачи насосов), в том числе и при продавке. Второй вариантотличается от первого тем, что с целью ускорения процесса ограничение расхода вводится только после того, как цементный раствор достигнет “башмака” колонны (48…49-я мин).

Расчеты показали, что в обоих вариантах максимальный “отрыв” цементного раствора в колонне достигает 1300 м. После начала отрывного течения наблюдается увеличение расхода на выходе (по сравнению с расходом на входе в колонну). В первом варианте, например, максимальный расход на выходе достиг 30 дм³/c, что в 1,5 раза больше расхода закачки. По этой причине происходит увеличение расстояния от устья до жидкости в колонне, а после выхода цементного раствора в заколонное пространство и завершения закачки цемента расход на выходе становится меньше расхода закачки продавочной жидкости (тоже приблизительно в 1,5 раза), и длина отрыва начинает уменьшаться. Для реализации 1-го варианта технологии цементирования требуется более 6 часов, а 2-го варианта - 5 часов 20 минут, что потребует введения эффективных замедлителей схватывания цементных растворов.

Время цементирования можно сократить, если начать затворение цемента тремя или четырьмя смесителями (как в 1-м варианте), распределив весь облегченный цемент (50 т) на соответствующее количество смесительных машин. Можно снять ограничения на скорость потока в обсадной колонне, применив подвесную (встроенную) цементировочную пробку, что позволит увеличить расход при затворении части чистого цемента (до выхода его в заколонное пространство). Увеличение расхода при закачке цементного раствора несколько уменьшит длину отрыва потока.

На упомянутой скважине был осуществлен режим, близкий ко 2-му варианту.

На рис. 16.3 приведены расчетные графики изменения расходов в колонне, в заколонном пространстве и длины отрывного течения во времени для 2-го варианта цементирования. Видно, что при постоянном расходе закачки на начальном этапе цементирования наблюдается колебание расхода жидкости на выходе из скважины, что является реакцией программы на частое изменение сечения колонны на стыках секций и диаметра скважины из-за каверн.

На рис. 16.4 приведены графики изменения давлений в скважине и в колонне в процессе цементирования.

Эксплуатация программы для разработки регламентов цементирования различных колонн (не только раздельно спускаемых секций) позволила сделать следующие выводы:

1. Расход жидкости на выходе из скважины может существенно отличаться от подачи насосов при закачке, что может перевести запланированный пробковый (или турбулентный) режимы в сторону нежелательного развитого ламинарного режима. Степень замещения при этом резко уменьшится.

2. Если плотность цементного раствора отличается от плотности бурового более чем на 200...250 кг/м³, то проектирование оптимального гидравлического режима цементирования без использования программ, подобных описанной, практически невозможно.

3. “Отрыв” жидкости достигает величин, соизмеримых с длинами секций обсадной колонны. Игнорирование величины отрыва приводит к недопустимым ошибкам в расчетах моментов времени прохождения границ жидкостей контрольных сечений в колонне.

Рис. 16.3. Изменение подачи насосов, расхода жидкости на выходе из скважины и длины "отрыва" потока
во времени в процессе цементирования колонны.

Рис. 16.4. Изменение давлений на устье при закачке, гидростатических давлений в трубах и заколонном
пространстве, а также гидродинамического давления на "слабый" пласт.

4. Расходом жидкости на выходе из скважины можно управлять изменением расхода жидкости при закачке. При этом нужно иметь в виду, что первый расход реагирует на изменение второго с заметным запаздыванием.

5. Для расхода жидкости на выходе при цементировании разноразмерных колонн (или одноразмерных в сильно кавернозном стволе) характерно его непостоянство, за исключением случаев безотрывного течения. Колебание расхода зависит не только от подачи насосов, но и от размеров труб в колонне (при переходе, например, из бурильной трубы в обсадную колонну большого диаметра длина цементного столба уменьшается), от длины и размеров кавернозной части скважины. Наблюдается резкое уменьшение расхода на завершающем этапе (при заполнении цементом затрубного пространства), и оно не всегда связано с поглощением бурового раствора.

6. Для обеспечения реального управления процессом цементирования на этапе затворения и закачки цемента, когда при традиционной схеме приготовления цементного раствора изменить подачу насосов можно только подключив или, наоборот, отключив одну или несколько цементно-смесительных машин, необходимо иметь осреднительную емкость, размеры которой позволяли бы при необходимости накапливать избыточный объем цементного раствора (из-за разности в расходах затворения и закачки).

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 484; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 15 16 17 18 192021 22 23 24 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!