Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 [ 216 ] 217 218 219 220 221 222 223 224 225

10.2. ФИЗИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА НА ЗАБОЕ

Разрушение породы зубьями долота происходит как бы в три стадии: упругая деформация;

возникновение необратимых деформаций (стадия "пред-разрушения"), приводящих к образованию трещин под зубом в виде усеченного конуса или сферы;

взаимодействия разрушенной зоны с остальным массивом прилегающей по роды, в результате чего от поверхности забоя отламываются частицы.

Интенсивность разрушения породы и удаления ее с забоя определяется полем давлений (напряжений) в призабойной зоне, которое формируется от механического воздействия вооружения долота, потоков жидкости из скважины и пласта через забой и горного давления.

Рассмотрим механизм отрыва частиц на забое.

На рис. 10.7 показано характерное положение частицы на забое при бурении шарошечными долотами в момент отрыва при объемном разрушении.

Отделению частицы от материнской породы предшествует образование под ней трещин, в которых давление pт ниже забойного рз и пластового (порового) рпл. Прижимающее давление (рз - рт) на частицу препятствует ее отрыву.

Возникновение трещин сопровождается заполнением их промывочной жидкостью или фильтратом, а также пластовым флюидом. Со временем давления вокруг частицы выравниваются. Глинистая корка, образующаяся на поверхности забоя, мешает притоку жидкости из скважины в трещины. При разбуривании хорошо проницаемых пород влияние корки на восстановление давления в трещинах слабее из-за

Рис. 10.7. Схематичное представление момента отрыва сколотой частицы породы от забоя:

1 - зуб шарошки; 2 - частицы породы; 3 - трещина; 4 - участок, не пересеченный трещиной; 5 - глинистая корка; 6 -массив горной породы

более интенсивного притока в нее пластового флюида. Наряду с прижимающей силой отрыву частицы от материнской породы препятствуют сил1 сцепления ее на участках соприкосновения с глинистой коркой, а также сила тяжести самой частицы.

После отрыва частицы сила сцепления ее с породой и прижимающая становятся равными нулю, и перемещению ее по забою в основном препятствуют силы тяжести и трения частицы о глинистую корку, породу на забое, другие частицы и шарошки долота. Мешать движению частицы с забоя в сторону кольцевого пространства может также динамическое давление потоков жидкости, направленных против основного выносящего потока.

Таким образом, условие отрыва частицы породы в приза-бойной зоне - это превышение страгивающей составляющей результирующих сил давления на частицу, называемой удаляющей силой, над удерживающей силой, определяемой суммой сил сцепления и трения частицы с породой, коркой, прижимающей силой и силой тяжести частицы.

Управляемые при бурении удерживающая и удаляющая силы в основном зависят от:

давления и скорости воздействия зубьев долота;

дифференциального давления (рз - рпл);

прижимающего давления и скорости его снижения;

динамического давления потока промывочной жидкости на частицу;

направления потока, обтекающего частицу;

сил трения, возникающих на поверхности частицы при движении ее в сторону кольцевого пространства.

Влияние перечисленных составляющих на формирование удерживающей и удаляющей сил различно при отрыве и движении частиц. Если обычно на отделение частиц от массива породы превалирующее влияние оказывают силы, обусловленные воздействием зубьев, то движение взвешенных частиц в призабойной зоне в основном зависит от динамического давления и направления потока промывочной жидкости. Рассмотрим лишь гидроаэродинамические силы на физическом уровне.

Повышение дифференциального давления увеличивает: удерживающую силу при отрыве частиц вследствие роста прижимающего давления и упрочнения породы, повышая напряжение сжатия ее на забое; удаляющую силу, повышая скорость восстановления давления в трещинах под частицами, т.е. снижая время прижатия частиц.

Это два противоположных фактора: первый препятствует, а второй способствует отрыву частицы от массива породы, однако многочисленные промысловые наблюдения и лабораторные опыты показали, что первый фактор превалирует над вторым.

Удаляющую силу при отделении частиц увеличивают, удерживающую соответственно снижают, повышая скорость уменьшения прижимающего давления на частицы увеличением проницаемости и снижением толщины глинистых корок, реологических свойств раствора и его фильтрата.

Применяя смазывающие добавки, удерживающую силу снижают уменьшением сил трения частиц о другие частицы, глинистую корку, поверхность долота и забоя.

Повышение динамического давления потока жидкости на частицы способствует росту удаляющей силы. Его увеличивают, повышая отношение гидравлической мощности N, подводимой к долоту, к площади поверхности забоя.

Как известно, мощность определяется выражением

N = дАрд.(10.1)

Подставляя перепад давления Ард в формулу (10.1) в виде Ард = pv2/22 и деля обе части равенства на площадь забоя F, получают соотношение

= Q ,(10.2)

где Q, р - расход и плотность жидкости соответственно; v - скорость истечения жидкости из насадок; - коэффициент расхода.

Экспериментальные исследования показали, что лучшая очистка забоя наступает при определенных значениях множителей Q/Р и v правой части формулы (10.2). Рекомендуются скорости v = 80+120 м/с и удельные расходы Q/Р = = 0,35+0,7 м3/(м2-с). При этом перепад давлений, срабатываемый в насадках серийных долот, может достигать 1 2- 1 3 МПа, обусловленных прочностью долот. В высоконапорных струйных долотах давление составляет 30 - 40 МПа.

Диапазон изменения Q/Р во многих случаях совпадает с его значением, необходимым для успешного транспорта шлама по кольцевому каналу на поверхность.

При заданных Q/Р указанных выше значений скорости истечения v достигают, применяя специальные гидромониторные насадки уменьшенных диаметров, приближенные к забою.