WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

1- выкидная линия; 2- краники отбора проб; 3- емкость для раствора; 4- всасывающая линия; 5- насос; 6- двигатель; 7- расходомер; 8- нагнетательная линия; 9- двигатель; 10- редуктор; 11- сальник; 12- алюминиевая труба (модель скважины); 13- стеклянная труба (модель скважины); 14- бурильная труба; 15- краны регулировки расхода жидкости; 16- датчики давления

Рисунок 2 – Принципиальная схема большой установки

В третьем разделе приводятся методика проведения экспериментов и их результаты.

Эксперименты на лабораторных установках проводились по следующей методике: приготавливалась промывочная жидкость (вода или водный раствор КМЦ); запускали насос и при местной циркуляции (емкость-насос-емкость) в жидкость вводили образцы шлама до объемной концентрации 3%; затем создавалась циркуляция через установку с расходом, при которой не происходило образование осадка в кольцевом пространстве; далее уменьшался расход и фиксировался расход, перепад давления и устанавливалась высота осадка. После осаждения шлама до ~1/3 диаметра скважины расход увеличивался до полного вымыва осадка, с фиксированием тех же параметров.

Рисунок 3 - Зависимость высоты осадка h от расхода промывочной

жидкости (водного раствора КМЦ)

На рисунке 3 показана зависимость высоты осадка в кольцевом пространстве от расхода промывочной жидкости. Эксперимент проводился на установке №2, Dз=85 мм, эксцентриситет е=0,53, в качестве промывочной жидкости использовался водный раствор КМЦ, с условной вязкостью 30-35 с. В качестве шлама - пропант диаметром d1 мм, =3600 кг/м3.

Из графика видно, что при эксцентриситете 0,53 вращение труб позволяет снизить минимально необходимый для транспортирования шлама расход на 30-40% по сравнению с неподвижной колонной. При этом подтверждено ранее известное мнение, что легче не допустить образование осадка, чем его размыть.

Ранее отмечалась эффективность применения оребренных труб для уменьшения вероятности прихватов бурильного инструмента, но не проводились исследования влияния геометрии оребренных труб на вынос шлама.

Спирально оребренные трубы создают в скважине закрутку потока жидкости, приподнимают шлам, осевший на нижней стенке скважины, и переносят его в верхнюю широкую часть эксцентричного кольцевого пространства, где осевая скорость потока наиболее высока. В то же время они не должны существенно увеличивать потери давления при течении жидкости.

Правая спираль оребрения создает левое вращение потока жидкости, а вращение труб - правую закрутку потока. Расчеты показывают, что при шаге спирали, равном пяти диаметрам трубы, и частоте вращения n = 1 об/с окружная скорость жидкости близка к нулю.

Чтобы при вращении оребренных труб шлам не соскальзывал с лопасти спирали, шаг спирали должен быть, где - диаметр трубы, - коэффициент трения перемещаемой породы о поверхность шнека. Принимая коэффициент равным коэффициенту трения корки (КТК), который для большинства растворов равен 0,2-0,3, получили шаг спирали оребренной трубы.

Если бурильная колонна не вращается, то шнековая спираль представляет собой как бы диафрагму, при обтекании которой происходят сжатие, расширение и завихрение потока, что обуславливает дополнительные потери давления. Расчеты показывают, что при потери давления возрастают более чем на 140%, а при на 50%. Отсюда для экспериментов были выбраны трубы с шагом оребрения t = 4,7 и 15 диаметров трубы (4,4 и 14 средних диаметров шнека).

При проведении исследований по влиянию оребрения на бурильных трубах на транспортирование шлама изменяемыми параметрами были шаг спирали, заходность и частота вращения бурильной колонны. Эксперименты проводились при двух разных заходностях, двух разных шагах оребрения (рисунки 4, 5) без вращения и при вращении бурильной колонны.

Рисунок 4 - Двухзаходный шнек с шагом 4,7 диаметров трубы

Рисунок 5 - Трехзаходный шнек с шагом 15 диаметров трубы

Угол наклона спирали к осевой линии определяется как. Для трехзаходной оребренной трубы с шагом 15 диаметров трубы =130, а для двухзаходной оребренной трубы с шагом 4,7 диаметров трубы =370.

Рисунок 6 - Влияние оребрения и вращения труб на минимально необходимый для транспортирования шлама расход промывочной жидкости и перепад давления

Из графиков (рисунок 6) видно, что оребрение позволяет существенно улучшить транспорт шлама даже при неподвижной колонне труб. При шаге спирали 4,7 диаметров трубы минимально необходимый для транспортирования шлама расход (Qmin – незаиливающий расход) промывочной жидкости снизился на 50%, а при шаге спирали 15 диаметров трубы на 37% по сравнению с гладкими трубами. Вращение еще больше улучшает транспорт шлама при шаге спирали 15 диаметров трубы и, наоборот, ухудшает транспорт шлама при шаге 4,7 диаметров трубы. При шаге спирали 4,7 диаметров трубы при вращении колонны, как показывают расчеты, суммарное вращение жидкости близко к нулю.

Также из графика видно, что потери давления при неподвижной бурильной колонне уменьшаются при увеличении шага спирали. При =80-190 (t=(21-11)DT) потери давления даже при неподвижной колонне мало отличаются от потерь давления гладких труб, а необходимый расход промывочной жидкости существенно меньше. При вращении оребренных труб с большим шагом потери давления существенно уменьшаются по сравнению с оребренной трубой малого шага и гладкой трубой. Это связано с тем, что при вращении оребренной трубы с большим шагом создается большая осевая скорость перемещения жидкости, что уменьшает перепад давления. Экспериментально установили рациональную геометрию оребренной трубы, равную 15 диаметрам трубы.

Для изучения влияния вязкости промывочной жидкости на транспортирование шлама были проведены аналогичные эксперименты при использовании в качестве промывочной жидкости воды и растворов КМЦ с условной вязкостью 25 с и 35 с при разных эксцентриситетах кольцевого пространства.

Рисунок 7 - Влияние эксцентриситета и вязкости раствора на минимально необходимый расход промывочной жидкости

На рисунке 7 показаны результаты опытов на большой установке по транспортированию пропанта. Во всех опытах было получено, что для транспортирования шлама высоковязкими растворами требуется больший расход последнего, т.е. он как бы обладает меньшей транспортирующей способностью, чем маловязкие.

С целью выявления причин, казалось бы, аномального эффекта (влияния высоковязкого раствора на транспортирование шлама) была разработана методика расчета скоростей течения жидкости по окружности эксцентричного кольцевого пространства.

Зависимость скорости течения от размера канала при прочих равных условиях можно выразить как, где - коэффициент пропорциональности, х – показатель степени, зависящий от реологических параметров и режима течения жидкости. При турбулентном режиме течения в области шероховатых труб, в области гладких труб. При ламинарном течении ВПЖ, описываемой степенной моделью,.

Ширина кольцевого зазора в эксцентричном кольцевом пространстве (рисунок 8) находится из выражений:,,.

Элементарный расход, где средний радиус

Суммарный расход.

Рисунок 8 - Изменение величины зазора по окружности

эксцентричного кольцевого пространства

Интеграл не берется, даже при допущении, что значение х от не зависит (т.е. на всех участках кольцевого пространства режим течения жидкости один и тот же). Путем разложения его в ряд Маклорена и ограничиваясь тремя членами (ошибка при этом не превышает 5%) получили распределение относительной скорости течения по окружности эксцентричного кольцевого пространства (1)

Рассчитанное по полученной зависимости распределение скоростей по окружности кольцевого пространства при показано на рисунке 9.

Рисунок 9 - Распределение скоростей течения жидкости по окружности кольцевого пространства при е = 0,4

Из рисунка видно, что наибольшая разница скоростей течения в широкой и узкой частях кольцевого пространства наблюдается при течении вязкопластичной жидкости в ламинарном режиме. При этом чем меньше m, тем эта разница больше. Меньшему значению показателя нелинейности m соответствует высокое значение динамического напряжения сдвига раствора, с увеличением 0 уменьшается относительная скорость движения жидкости в узкой части эксцентричного кольцевого пространства. При турбулентном течении разница скоростей значительно меньше.

Рассчитанные в соответствии с зависимостью (1) значения скоростей течения в наиболее узкой части кольцевого пространства для экспериментов, приведенных на рисунке 7, показаны на рисунке 10.

Рисунок 10 - Зависимость незаиляющей скорости в наиболее узкой части кольцевого пространства от свойств жидкости и эксцентриситета при транспортировании пропанта

Из него следует, что растворы с повышенной вязкостью обладают более высокой несущей способностью. Транспортирование шлама осуществляется ими при меньшей скорости течения в нижней части кольцевого пространства. Но из-за высокого значения динамического напряжения сдвига (соответственно более низкого значения показателя нелинейности) скорость их течения в нижней наиболее узкой части кольцевого пространства значительно меньше, чем растворов с низким динамическим напряжением сдвига при одном и том же расходе.

Это обстоятельство и обусловливает необходимость в повышенном расходе жидкости с большим значением по сравнению с жидкостью с меньшим значением.

Поскольку зенитный угол существенно влияет на вынос выбуренной породы из скважины, проводились исследования по влиянию зенитного угла на транспортирование шлама в скважине.

Результаты экспериментов показаны на рисунке 11.

Рисунок 11 - График зависимости минимально необходимого

расхода промывочной жидкости для выноса шлама от зенитного угла при эксцентриситете е=0,7

Из графика видно, что с уменьшением зенитного угла снижается минимально необходимый расход для выноса шлама.

Рисунок 12 - Скатывание шлама при зенитном угле 450

При зенитном угле 450 во время циркуляции (рисунок 12) шлам поднимался по широкой части канала, где скорость потока максимальна, и скатывался по нижней части кольцевого пространства, где скорость течения жидкости минимальна, т.е. меньше скорости оседания частиц. После прекращения циркуляции выбуренная порода скатывается вниз, это так называемое Байкоттовское осаждение.

Это обстоятельство обуславливает необходимость в повышенном расходе

жидкости, уменьшении эксцентриситета, правильном подборе реологических

параметров промывочной жидкости.

В четвертом разделе изложены перспективы применения полученных результатов.

По результатам проведенных исследований для ЗАО «Акватик» была рекомендована следующая конструкция оребренных труб – трехзаходная спираль с шагом 15 диаметров трубы, размеры приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Натурные и модельные размеры

Величины

Размеры, мм

Коэффициент геометрического моделирования dм/dн

натуры

модели

Диаметр скважины Dс

227

105

0,46

Диаметр труб Dт

147

64

0,43

Диаметр замков Dз/эксцентриситет кольцевого пространства

178/0,60

80/0,61 77/0,68

0,45

0,43

Высота ребра / зазор между вершиной ребра и нижней стенкой скважины,

12,5/3

6/0,5

0,48

Согласно справке ЗАО «Акватик», была выпущена опытная партия оребренных труб рекомендованной нами конструкции в количестве 20 штук. В настоящее время идет подготовка к их испытаниям при бурении горизонтальных скважин.

Возможно, что винтовое наружное оребрение окажется эффективным и на обсадных трубах. Спиральное оребрение, придавая потоку тампонажного раствора вращательное движение, будет обеспечивать более полное заполнение тампонажным раствором кольцевого пространства.

Разработанная математическая модель распределения скорости жидкости в эксцентричном кольцевом пространстве позволяет рассчитывать необходимый расход промывочной жидкости при различных эксцентриситетах, реологических параметрах и режимах течения промывочной жидкости.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

  1. Разработаны две экспериментальные установки, позволяющие проводить исследования при различных зенитных углах, эксцентриситетах, вращении бурильных труб.
  2. Повышение условной вязкости промывочной жидкости, связанное с высоким динамическим напряжением сдвига (низким m), ухудшает транспортирование шлама в эксцентричном кольцевом пространстве.
  3. При бурении горизонтальных скважин рекомендуется использовать бурильные трубы с замками возможно большего диаметра с целью уменьшения эксцентриситета.
  4. Установлено, что винтовое оребрение бурильных труб позволяет существенно улучшить транспортирование шлама. Предложенная геометрия винтового оребрения (трехзаходная с шагом 15 диаметров трубы) бурильных труб позволяет улучшить вынос шлама в горизонтальных скважинах на 40-50% при бурении забойным двигателем и на 60% при роторном бурении.
  5. Разработана математическая модель распределения скорости течения жидкости в эксцентричном кольцевом пространстве, позволяющая рассчитать необходимый расход промывочной жидкости при различных эксцентриситетах, реологических параметрах и режимах течения промывочной жидкости.
  6. Показано, что вращение гладких бурильных труб позволяет на 30-40% снизить минимально необходимый расход промывочной жидкости, предупреждающий образование осадка шлама на нижней стенке горизонтальной и наклонно направленной скважины.

Список публикаций по теме диссертации

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»