Дисперсные системы и промывочные жидкости - Очистка забоя скважины от продуктов разрушения горных пород и вынос их на поверхность

Очистка забоя скважины от продуктов разрушения горных пород и вынос их на поверхность

 

В процессе бурения горные породы на забое скважины раз­рушаются с образованием частиц различных размеров. Эти час­тицы называют также шламом. Размер частиц зависит от спо­соба бурения, вида породоразрушающего инструмента, твердо­сти породы, количества и качества промывочной жидкости.

Вся выбуренная порода сразу же должна удаляться с забоя и из ствола скважины. Даже небольшое количество частиц, ос­тавшихся на забое, снижает скорость бурения, так как происхо­дит дополнительное измельчение уже выбуренной породы и, кроме того, излишне изнашивается породоразрушающий инстру­мент. Мелкие частицы переходят в промывочную жидкость в ка­честве активной твердой фазы, увеличивая плотность и вязкость жидкости, ухудшая ее качество.

Качество очистки забоя скважины зависит от степени турбулизации жидкости в призабойной зоне, что, в свою очередь, за­висит от вида, свойств и количества промывочной жидкости. Чем выше степень турбулизации, тем лучше и быстрее очищает­ся забой скважины от выбуренной породы. На характер течения жидкости в призабойной зоне скважины существенно влияет вращение бурового снаряда, а также конструкция и расположе­ние промывочных окон в породоразрушающем инструменте. Влияние каждого фактора можно оценить, выполнив соответст­вующие гидравлические расчеты.

После удаления с забоя скважины выбуренная порода долж­на быть вынесена на поверхность. Накопление ее в стволе сква­жины приводит к повышенному износу бурильного инструмента и может вызвать сальникообразование (осаждение частиц поро­ды на соединениях бурильных труб в виде массивных хлопьев) и прихват труб.

Полный вынос частиц обеспечивается при условии, что их скорость падения в жидкости под действием силы тяжести меньше, чем скорость подъема жидкости. Скорость падения частиц уменьшается с ростом вязкостных свойств и плотности промы­вочной жидкости. Однако увеличение указанных параметров приводит к ухудшению условий очистки забоя, росту гидравли­ческих сопротивлений в циркуляционной системе скважины. Ско­рость падения частиц зависит и от их формы. Частицы плоской формы падают медленнее, чем шарообразные. Так как форма частиц выбуренной породы не регулируется, полный вынос час­тиц достигается в основном регулированием скорости восходя­щего потока промывочной жидкости.

 

Охлаждение породоразрушающего инструмента и бурильных труб

 

В процессе бурения происходит нагрев породоразрушающего инструмента за счет совершаемой на забое механической рабо­ты. По данным Л. А. Шрейнера, физический к. п. д. разруше­ния породы при бурении не превышает 0,01%, поэтому основной объем механической энергии переходит в тепловую. Промывоч­ная жидкость, омывая породоразрушающий инструмент, в ре­зультате конвективного обмена отводит тепло. Эффективность охлаждения зависит от расхода промывочной жидкости, ее теплофизических свойств и начальной температуры, а также от размеров и конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента.

Промывочная жидкость охлаждает и бурильные трубы, на­гревающиеся вследствие трения о стенки скважины, а также уменьшает их износ.

Промывочные жидкости обладают относительно высокой теплоемкостью, поэтому функция охлаждения выполняется даже при небольших расходах их.

 

Удержание частиц выбуренной породы во взвешенном состоянии

 

Удержание частиц выбуренной породы во взвешенном со­стоянии в промывочной жидкости, находящейся в скважине, не­обходимо для предотвращения прихватов бурильного инструмен­та при прекращении циркуляции. Для выполнения этой функции промывочная жидкость должна обладать тиксотропными свойст­вами, превращаться при отсутствии движения в гель с образо­ванием структуры, обладающей некоторой прочностью. Проч­ность структуры ее оценивается величиной статического напря­жения сдвига.

Удельный вес породы γп больше удельного веса промывочной жидкостиγж. В силу этого частица стремится падать вниз, и в жидкости, окружающей частицу, возникают касательные напря­жения:

                              τ=G/S,                                                                 (II.1)

где Gвес частицы в растворе; S — площадь поверхности час­тицы.

Сила сопротивления промывочной жидкости движению части­цы вниз, приходящаяся на единицу площади, есть не что иное, как статическое напряжение сдвига 9.

Для упрощения рассуждений примем частицу шарообразной формы с диаметром шара d. Тогда вес частицы в промывочной жидкости

В реальных условиях для предупреждения осаждения частиц напряжения на поверхности частицы при ее движении должны превосходить θ, что учитывается коэффициентом т. По экспе­риментальным данным АзНИИ, значение т зависит от размера частиц и с ростом их диаметра увеличивается. При диаметре частицы до 2 мм m= 2,5÷З.

Тогда формула (П.4) будет иметь вид

Частицы выбуренной породы могут иметь самую различную форму, но с точки зрения удержания их во взвешенном состоя­нии круглая форма —самая неблагоприятная.

Из выражения   (II.5)   получим предельный размер частицы, не тонущей в растворе,

Из уравнения (II.5) можно определить требуемую величину статического напряжения сдвига, которая обеспечит удержание выбуренной породы во взвешенном состоянии.