Динамическое напряжение сдвига и вязкость

В вертикальной скважине увеличение ДНС приводит к повышению качества очистки, а в наклонно направленной и горизонтальной скважинах увеличение ДНС наоборот к снижению, так как вязкий буровой раствор не может так легко проникать в слои шлама, как маловязкий. Однако основной причиной является искажение профиля скоростей при ламинарном течении.Эксцентричное расположение бурильной колонны приводит к смещению профиля скоростей от слоев шлама. В результате скорость у поверхности слоя шлама значительно уменьшается (рисунок 5.9)

Рисунок 5.9 – Профили скоростей потока бурового раствора в горизонтальной скважине

Kenny, Sunde и Hemphill считают, что при использовании менее вязких жидкостей скорость потока под эксцентрично расположенной бурильной колонной будет выше. Используя модель Гершеля-Бакли, они показали, что качество очистки скважины на участках больших зенитных углов повышается при увеличении показателя поведения (n) и при уменьшении динамического напряжения сдвига и пластической вязкости.

Из-за высокой вязкости бурового раствора поток будет отклоняться в часть кольцевого пространства над бурильной колонной. В результате снизится скорость в пространстве над слоем шлама.

Kenny, Sunde и Hemphill считают также, что увеличение скорости жидкости в пространстве под эксцентрично расположенной бурильной колонной не является единственным фактором, который следует учитывать при оценке качества очистки скважины при умеренных зенитных углах. Так же важно ограничить скорость оседания при низких скоростях сдвига, наблюдающихся около стенки. Должен быть достигнут некий компромисс между очень низкой вязкостью бурового раствора, способствующей увеличению скорости потока у стенки, и высокой вязкостью, способствующей уменьшению конечной скорости оседания (выводы этих исследователей проиллюстрированы на рисунке 5.10.

а) Концентричное расположение бурильной колонны в скважине	б) Эксцентричность расположения бурильной колонны в скважине - 50%	с) эксцентричность расположения бурильной колонны в скважине - 50 % и уменьшенный расход

Рисунок 5.10 - Влияние вязкости бурового раствора на толщину слоя шлама (графики применимы только к ламинарным потокам)

Так, при отсутствии эксцентричности расположения бурильной колонны в скважине, высоковязкий буровой раствор обеспечивает лучший показатель эффективности транспортирования шлама, чем раствор низкой вязкости. Профиль скоростей таков, что скорость потока около слоя шлама достаточно высока для разрушения слоя. При этом высокая вязкость бурового раствора ограничивает оседание шлама. Высоковязкие буровые растворы обеспечивают качественную очистку скважины даже при больших зенитных углах.

Если же бурильная колонна расположена в скважине эксцентрично, то, поток оттесняется от слоя шлама (рисунок 5.10, в, с). При использовании высоковязкого бурового раствора скорость потока над слоем шлама будет ниже, чем при использовании маловязкого раствора. Однако маловязкий буровой раствор не обеспечивает высокий показатель эффективности транспортирования в пространстве за эксцентрично расположенной бурильной колонной, поскольку при низкой скорости сдвига в пространстве около стенки конечная скорость оседания слишком высока.

Буровые растворы средней вязкости обеспечивают наилучшее сочетание скорости бурового раствора за эксцентрично расположенной бурильной колонной и низкой конечной скорости оседания при низких значениях скорости сдвига.

При наличии ламинарного режима течения и при эксцентричном расположении бурильной колонны буровые растворы средней вязкости обеспечивают наилучшие показатели при любых зенитных углах и при всех расходах.

Толщина слоя шлама значительно уменьшается при уменьшении вязкости при всех зенитных углах больше 45 ⁰. Однако уменьшить толщину слоя шлама можно также используя буровой раствор очень высокой вязкости, особенно при небольших зенитных углах. Отсюда следует, что буровые растворы как очень высокой вязкости (структурное течение), так и очень низкой вязкости (турбулентное течение) очищают скважину лучше, чем растворы средней вязкости (ламинарное течение).

Турбулентные и структурные течения редко возникают в сильнонаклонных скважинах, поэтому приходится ограничиться ламинарным течением. На рисунке 5.11 показано, что при ламинарном течении лучше всего очищают скважину буровые растворы средней вязкости. Растворы очень высокой и очень низкой вязкости могут быть использованы как дополнение к средствам очистки, обеспечивающим наиболее эффективное ламинарное течение.

Увеличение вязкости бурового раствора после прекращения бурения эффективно только в слабонаклонных скважинах. В сильнонаклонных участках слои шлама разрушаться не будут. Вертикальные участки будут очищены, и вибросита будут чистыми, но в сильнонаклонных участках останутся слои шлама.

Рисунок 5.11 – Влияние скорости потока на толщину слоя шлама

а) при увеличении расхода толщина слоя шлама увеличивается линейно; б) при увеличении расхода показатель качества очистки скважины увеличивается линейно

Ниже даны выводы, сделанные в ряде работ по изучению вязкости буровых растворов в наклонных скважинах:

• При зенитных углах больше 65 ⁰ наилучшее качество очистки обеспечивает вода в турбулентном потоке.

• При отсутствии вращения бурильной колонны и при ламинарном течении в скважине всегда присутствуют слои шлама, как бы ни был велик расход бурового раствора.

• Слои шлама не присутствуют при ламинарном течении.

• Нужно находить компромисс между максимально возможным увеличением скорости потока за эксцентрично расположенной бурильной колонной и уменьшением конечной скорости оседания при низких скоростях сдвига, наблюдающихся в пространстве между бурильной колонной и слоем шлама.

• Изменение реологических характеристик бурового раствора меньше влияет на качество очистки, если колонна вращается". Это обусловлено тем, что вращение колонны эффективно разрушает слои шлама.

• При использовании высоковязких буровых растворов вращение бурильной колонны требуется в большей степени, чем при использовании маловязких растворов.

• При использовании РВО влияние вязкости на качество очистки скважины заметнее, чем при использовании РУО.

• При использовании РУО слои шлама более склонны к соскальзыванию, чем при использовании РВО.

Дата добавления: 2015-07-25