Транспортирование шлама в слое

Есть три основных режима транспортирования шлама в слое (рисунок 5.17):

• В шламовых дюнах: песок, находящийся на верхней поверхности слоя, перекатывается через нижележащий неподвижный массив песка "прыжками". Внешнее впечатление таково, что перекатывается вся дюна.

• В непрерывно движущемся слое: шлам перекатывается или скользит по нижней стенке скважины в тонком слое. Все частицы шлама движутся вперед, но с разными скоростями.

• По неподвижному слою: формируется толстый слой шлама, в верхней части которого есть частицы, способные перекатываться вперед. Внутренняя часть слоя остается неподвижной. Это наименее эффективный режим транспортирования шлама.

Рисунок 5.17 – Транспортирование шлама в слое

Тенденция к образованию неподвижного слоя шлама проявляется при зенитных углах больше 65 °. Режимы "в шламовых дюнах" и "в непрерывно движущемся слое" чаще всего встречаются при умеренных зенитных углах. При таких углах поток должен удерживать шлам в достаточной степени, чтобы не происходило его соскальзывание и лавинообразное движение.

Следует отметить, что при достижении равновесной толщины слоя шлам будет транспортироваться во взвешенном состоянии над слоем. Вновь поступающий шлам будет транспортироваться по стволу. При остановке бурения толщина слоя шлама не уменьшится. Со временем вибросита могут стать чистыми, но слои шлама останутся на месте.

В вертикальной скважине можно снизить скорость проходки и остановить бурение, пока скважина не будет очищена. На наклонных участках ствола толщина слоя шлама при остановке значительно не уменьшится. Это не означает, что нужно продолжить бурение, если требуется очистка. Уменьшение скорости проходки может обеспечить очистку вертикального участка ствола, но для очистки сильнонаклонных участков нужно применять более эффективные методы.

Как упоминалось выше, существует минимальная скорость транспортирования (MСТ), при которой начинается движение шлама при действии любого механизма. Есть одна MСТ, при которой начинается движение шлама в слое, и другая MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Пороговая скорость, при достижении которой прекращается увеличение толщины слоев шлама, представляет собой MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. По данным исследований MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, были сделаны следующие выводы.

• Плотность и размер частиц шлама влияют на MСТ и, следовательно, на толщину слоя шлама. Небольшое уменьшение плотности шлама может привести к значительному уменьшению толщины слоя шлама.

• Крупные частицы шлама легче вырываются из слоя шлама, чем очень мелкие. Вероятно, это обусловлено тем, что крупные частицы испытывают более высокое касательное напряжение при взаимодействии с потоком бурового раствора. Касательное напряжение зависит от коэффициента трения, который определяется шероховатостью поверхности и реологическими характеристиками.

• Крупные частицы имеют более шероховатую поверхность, поэтому коэффициент трения для них будет больше. Очень мелкие частицы могут очень сильно прилипать друг к другу. Отношение площади поверхности к массе для них настолько велико, что заметно проявляются адгезивные свойства бурового раствора, и происходит их слипание. Так же как барит оседает на дно приемной емкости, эти частицы, размер которых сопоставим с размером частиц ила, образуют похожий на мягкую породу осадок, способный сопротивляться эрозии. Часто вымыть барит с дна приемной емкости невозможно, его приходится удалять лопатой. Барит, выбрасываемый из приемной емкости, остается связанным в крупные комки. Эти очень мелкие частицы (размер ила) могут быть так сильно связаны между собой, что забивают сливное отверстие емкости.

• В вертикальной скважине крупный шлам оттесняется к стенке и циркулирует, поэтому его трудно вымыть. В наклонной скважине крупный шлам легче оторвать от слоя шлама, поэтому здесь его проще удалять. Требуется вращение колонны для разрушения слоя шлама, особенно слоя мелкого шлама. Если шлам крупный, вращение колонны не дает большого эффекта. Если используется вода, и режим течения турбулентный, вращение колонны может вообще не понадобиться.

• Реологические характеристики бурового раствора влияют на MСТ, при которой начинается движение шлама в слое, больше, чем на MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Увеличение вязкости обычно не ведет к значительному уменьшению толщины слоя шлама, поскольку вязкие жидкости не могут легко проникать в слои шлама на сильнонаклонных участках.

С увеличением зенитного угла MСТ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, возрастает. При увеличении зенитного угла скорость потока в кольцевом пространстве должна возрасти до значения, при котором прекращается увеличение толщины слоя шлама. Толщина слоя шлама всегда возрастает при увеличении зенитного угла, поэтому местная скорость потока в кольцевом пространстве на сильнонаклонных участках будет выше, чем скорость на слабонаклонных участках при одинаковом расходе бурового раствора (рисунок 5.18).

Рисунок 5.18 – Схематичное изображение формирования слоя шлама в а) слабонаклоненном и б) в сильнонаклоненном участках ствола скважины

Увеличение толщины слоя шлама обычно определяется по возрастанию крутящего момента. Но так бывает не всегда. При зенитных углах около 45⁰ шлам соскальзывает, и крутящий момент имеет тенденцию к снижению. Установлено, что в некоторых случаях шлам в сформировавшемся слое смазывает бурильные трубы, что ведет к снижению крутящего момента.

Если появится необходимость остановить бурение и поднять инструмент с промывкой, расход циркулирующего бурового раствора должен быть по меньшей мере таким же, каким он был в процессе бурения. В противном случае шлам из устойчивого слоя на участке с зенитным углом больше 65 °, перенесенный на участок с умеренным зенитным углом, может лавинообразно двинуться вниз по стволу и закупорить кольцевое пространство.

Слои шлама являются причиной большинства осложнений при бурении наклонно-направленных скважин. Из-за пробок, возникших при наличии слоя шлама, происходят прихваты и поглощения. Именно поэтому слои шлама являются предметом рассмотрения во многих работах, связанных с бурением наклонно-направленных скважин. Ниже приведены некоторые общие выводы, сделанные в этих работах:

• При отсутствии вращения колонны в сильнонаклонных скважинах почти наверняка будут формироваться слои шлама.

• При нормальных условиях до половины кольцевого пространства может быть заполнено слоем шлама.

• Наиболее вероятно формирование слоев шлама в скважинах большого диаметра. Это обусловлено более низкими скоростями бурового раствора, особенно в пространстве под эксцентрично расположенной бурильной колонной.

• Если производится вращение бурильной колонны, слои шлама обычно не создают проблем. Прихват может произойти при продольном перемещении колонны по стволу.

• Если требуется переместить без циркуляции КНБК с элементами большого диаметра по стволу, где есть слой шлама, то это можно сделать лишь в том случае, когда этот слой шлама очень тонкий.

• Скорость проходки влияет на толщину слоя шлама в меньшей степени, чем другие факторы, такие как плотность бурового раствора, вращение бурильной колонны и расход бурового раствора..

• Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при увеличении зенитного угла.

Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при уменьшении плотности бурового раствора.

Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при уменьшении расхода бурового раствора.

• Если скважина не очищается, первым хорошо заметным признаком этого является возрастание крутящего момента. Для контроля за процессом очистки можно также следить за объемом бурового раствора, выходящего из скважины. Объем выходящего из скважины раствора будет уменьшаться, если из скважины выносится шлам.

Дата добавления: 2015-07-25