Прогрессивные технологии сооружения скважин

ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫВКИ СКВАЖИН ПРИ РАСШИРЕНИИ

В процессе расширения в скважине формируется каверна диаметром, превышающим диаметр пилот-ствола. Обычно мощ­ность насосного оборудования не позволяет создать в стволе диаметром 400 мм и более скорости восходящего потока, необхо­димые для выноса шлама или частиц песка. Поэтому при расши­рении формируемая каверна почти не очищается от выбуренной породы, что приводит к ее обрушению в интервал отстойника и нижние сечения фильтра. После формирования расширения в верхней части продуктивного интервала дальнейшее расширение или углубление ствола под отстойник существенно осложняется.

Существующие традиционные схемы расширения предусмат­ривают разрушение кольцевого забоя от верхней границы про­дуктивного интервала и нижней при прямой циркуляции промы­вочной жидкости. При таком сочетании направлений перемеще­ния инструмента и движения потока промывочной жидкости шлам должен выноситься через расширенную каверну. Харак­терно, что при условии поддержания требуемых скоростей вос­ходящего потока в расширенной зоне с увеличением начального диаметра ствола в два раза расход промывочной жидкости нужно увеличивать примерно на порядок. Поддержать заданные ре­жимы промывки при расширении можно за счет увеличения мощности насосного оборудования. Однако такой путь неэконо­мичен вследствие использования высокопроизводительного на­сосного оборудования на ограниченных режимах в течение ос­новного времени бурения скважин.

Автором предложена технология, обеспечивающая качествен­ную очистку ствола от шлама при расширении. Суть технологии сводится к тому, что направление перемещения расширителя при работе должно совпадать с направлением движения потока очи­стного агента в кольцевом пространстве скважины. При прямой промывке расширитель необходимо перемещать, разрушая забой от нижней к верхней границе продуктивного интервала, а при обратной циркуляции - наоборот (рис. 4.50).

В скважину 1 спускают расширитель 2 с раздвижными поро - доразрушающими органами 3. Скважину 1 промывают при об­ратной или прямой циркуляции, в зависимости от типа приме­няемого насосного и устьевого оборудования, типа расширителя 2 и др. При обратной промывке или продувке скважины 1 рас­ширитель 2 фиксируют у верхней границы интервала расшире­ния 4, которая обычно совпадает с кровлей продуктивного пла­ста. Расширитель 2 забуривают, после чего инструмент подают в

Направлении, совпадающим с направлением движения очистного агента в кольцевом пространстве 5 скважины 1.

При прямой промывке или продувке скважины 1 расшири­тель 2 фиксируют у нижней границы интервала расширения 6, которая обычно совпадает с подошвой продуктивного пласта. Осуществляют забурку расширителя 2, после чего инструмент подают к устью скважины 1, т. е. в направлении, совпадающем с движением очистного агента в кольцевом пространстве 5 сква­жины 1.

Способ может осуществляться также следующим образом. В скважину спускают расширитель с раздвижными породоразру - шающими органами. Исходя из конструктивных особенностей расширителя, предполагающих фиксацию лопастей породораз­рушающих органов в рабочем положении либо при подаче инст­румента к устью скважины, либо от него, выбирают способ про­мывки или продувки скважины.

При данной конструкции расширителя, предполагающей фик­сацию лопастей породоразрушающих органов в рабочем положе­нии при подаче инструмента от устья, расширитель закрепляют у верхней границы интервала расширения. Скважину промывают или продувают при обратной циркуляции очистного агента. За­буривают расширитель, после чего при подаче инструмента от устья скважину расширяют в заданном интервале. В процессе расширения в скважине поддерживают обратную циркуляцию, при которой направление движения очистного агента в кольце­вом пространстве 5 совпадает с направлением подачи инстру­мента.

Применение способа на практике показало его эффективность почти для всех условий проведения работ. Принцип выбора на­правлений перемещения инструмента в сочетании с технологией промывки лег в основу технико-технологических требований на разработку новых конструкций расширителей.

В некоторых случаях (например, при наличии в продуктив­ном интервале плотных пород, для разбуривания которых необ­ходимо приложить определенную осевую нагрузку) целесооб­разно применение раздвижных расширителей, предназначенных для увеличения диаметра скважины от верхней к нижней гра­нице продуктивного интервала. Для обеспечения очистки ствола скважины в этом случае целесообразно обеспечить в разрабаты­ваемой каверне нисходящий поток промывочной жидкости. Обычно нисходящий поток в кольцевом пространстве скважины поддерживается при обратной циркуляции. Для создания обрат­ной циркуляции необходимо иметь соответствующее устьевое, промывочное и другое оборудование, которое серийно не выпус­кается. Поэтому создание обратной циркуляции, особенно в глу­боких скважинах, представляет собой довольно сложную техни­ческую задачу.

Автором совместно с С. Б. Втюриным предложено использо­вать при расширении комбинированную схему промывки. Ком­бинированная промывка заключается в том, что из бурильных труб промывочная жидкость через специальный распределитель, установленный выше интервала расширения, поступает в кольце­вое пространство, где движется в нисходящем потоке. Вынос шлама в предложенной схеме не происходит через интервал рас­ширения, что в значительной степени повышает эффективность очистки забоя и предотвращает кольматацию пласта. Промывоч­ная жидкость (рис. 4.51) увлекает за собой частицы шлама с за­боя нисходящим потоком в пилот-скважину ниже интервала расширения, а затем через специальный наконечник и промы­вочную трубу в восходящем потоке поднимается до пропускных

Отверстий в промывочной трубе и далее по кольцевому зазору скважины к устью, где попадает в отстойник. Для обеспечения нисходящего направления движения промывочной жидкости на выходе из распределителя выше него в кольцевом пространстве скважины устанавливаются турбулизаторы, которые при враще­нии колонны создают дополнительный подпор и способствуют движению большей части выходящего из распределителя потока вниз. Создание подпора на поток осуществляется вращением ло­паток турбулизатора, которые будут выполнять роль гидродина­мического пакера, поставленного выше зоны расширения напо­добие винтового насоса.

Турбулизатор (рис. 4.52) имеет четыре лопасти, которые при­вариваются к корпусу под углом на входе к лопатке 90° и на вы­ходе 45° к горизонтальной оси. Значения выходных углов обу­словлены тем, что при углах р < 90° (лопатки загнуты назад) имеет место максимальный статический напор, играющий глав­ную роль при транспортировке жидкости. Если р < 90°, при этом условии наблюдается устойчивая работа машины при любых ре­жимах работы и ctg р > 0. Толщину лопаток турбулизатора вы­бирали конструктивно не менее 4 мм.

Исходя из динамических свойств струи, действующей на ло­патку, определяем силу, с которой лопатка турбулизатора дейст­вует на восходящий поток промывочной жидкости. Схема сил, действующих на лопатку турбулизатора, показана на рис. 4.53.

На лопатку действуют следующие силы: Fm - гидродинами­ческая сила (сила набегания струи); Fj - центробежная сила; Fip - сила трения жидкости о стенку лопасти; R - сила реакции лопасти; Fx - искомая сила противодавления восходящему потоку. Сумма всех сил на ось X Fm - Fj - R cos a = 0, откуда

R = (Fw - Fj)/cos a. (4.44)

Сумма всех сил на ось F-ф — Fx — R cos a = 0, откуда

R = (Ftp - Fx)/cos a. (4.45)

Приравнивая уравнения (4.44) и (4.45), получаем

FX = Ftp + Fj - Fm. (4.46)

Если пренебречь FTp как малой величиной, то Fx = Fj — Fгд. Оценим ориентировочно получаемый результат, если

Fm = р 5 о2,

Где р - плотность жидкости; S - сечение струи; о - скорость вос­ходящего потока;

Fj = m ю r,

Где M - масса набегающей жидкости; ю - угловая скорость вра­щения; R - расстояние от оси вращения до кромки лопасти,

M = р S о, ю = п и/30; 5 = 2п R B ф;

Ф - коэффициент стеснения сечения лопастью; B - ширина лопа­сти, м;

_ 2ПRb - Zbf. ф_ 2nrb '

Z - число лопастей (z = 4); F - толщина лопастей, м. 258

Для практической оценки целесообразности применения схе­мы комбинированной промывки при расширении важно оценить возможные реальные значения силы гидродинамического подпо­ра, развиваемой турбулизаторами.

Коэффициент стеснения потока лопастью турбулизатора ф = = 0,95 при R = 0,055; B = 0,078 и F = 0,004.

Центробежная сила при S = 0,026 м2, т = 17,16 кг и ю = = 10,5 м/с F4 = 17,6-10,52-0,055 = 104,1 кг = 1,04 кН.

Гидродинамическая сила Fm = 120 Н при диаметре скважины D0 = 0,243 м и диаметре труб D = 0,146 м. Подставляя значения F4 и Fгд в уравнение (4.46), получаем Fx — 104 — 12 = 920 Н. Давление, развиваемое турбулизатором, на основании значений силы гидродинамического подпора, рт = Fx/S. Подставим значе­ния Fx, D и D, тогда рт = 368/0,12 = 3066 Па. С учетом того, что турбулизатор имеет четыре лопатки, реальное давление, разви­ваемое турбулизатором, рт = 4x3066= 12 267 Па.

Итак, давление, развиваемое одним турбулизатором и соз­дающим противодавление на восходящую часть потока промы­вочной жидкости, рт = 0,012 МПа.

С целью повышения КПД инструмента необходимо макси­мально уменьшить расход восходящего потока выше распредели­тельного узла Qro а расход нисходящего потока Qк увеличить. При этом должны выполняться следующие условия:

[ Рк = AQ к2

|Pn = bQ 2; Q п + Q к = Q;

(QК ^ Q

[Qn ^ 0; QК /QП =V(ЬРК)/Ap^,

Где рк, Qk, Я - соответственно потери напора, расход и коэффи­циент сопротивления на участке комбинированной циркуляции; Рп, Qn, Ь - то же, но на участке прямой циркуляции; Q - подача насоса.

Расход промывочной жидкости, распределяющийся от распре­делительного узла по двум направлениям, будет делиться в соот­ношениях, пропорциональных гидравлическому сопротивлению по данной траектории. Расчеты показывают, что потери напора на участке комбинированной циркуляции при расширенном ин­тервале составляют от 0,03 до 0,1 МПа. Поэтому увеличивать давление турбулизаторов больше, чем потери напора на участке комбинированной циркуляции, нет смысла.

Для равномерного распределения потока на две части доста­точно установить от трех до десяти турбулизаторов выше рас­пределительного узла. Если установить около 5-20 турбулизато­ров, то около 2/3-3/4 потока можно направить по схеме комби­нированной циркуляции. Сравнительный анализ показывает, что схема комбинированной циркуляции целесообразна в использо­вании типовых конструкций скважин даже в случае, когда в ин­тервале расширения около 22-25 % общего расхода движется в нисходящем потоке, а остальные 75-78 % - по схеме прямой промывки. В этом случае в центральной водоподъемной трубе устанавливаются (при комбинированной промывке) скорости восходящего потока большие, чем при традиционной прямой циркуляции в процессе расширения скважины до 0,5 м и более.

Автором была предложена технология расширения скважин в рыхлых породах. Скорости расширения при переходе в слабо - сцементированные породы возрастают, что приводит к резкому увеличению объема шлама, поступающего в очистной агент, и концентрации смеси, транспортируемой к устью скважины. При определенных концентрациях смеси, больших критических значе­ний, в процессе расширения наблюдается пробко - и сальникооб - разование, приводящее к резкому снижению надежности работы инструмента (прихват инструмента, обрыв труб). Кроме того, при сальнико - и пробкообразовании резко увеличиваются репрессия на продуктивный пласт, объем поглощаемой промывочной жид­кости.

Предложенная технология сводится к следующему. Опреде­ляют критическую концентрацию шлама в очистном агенте, при­меняемом для вскрытия продуктивного пласта и расширения ствола скважины в заданном интервале. Под критической пони­мают такую концентрацию шлама, при которой не наблюдается пробко - и сальникообразование в скважине. Экспериментальные исследования на специальном стенде и скважине позволили оп­ределить критические концентрации удельного веса 2200­2800 кг/м3 (что соответствует типовым песчаным продуктивным пластам) для различных очистных агентов. Результаты экспери­ментов представлены ниже. Вязкость очистного агента

(но СПВ-5), с........................... 15 20 25 30 35 40 50

Максимально допустимая объемная концентрация

Шлама Скр, доли единиц........... 0,2 0,27 0,34 0,4 0,46 0,52 0,6

Допустимую концентрацию шлама в очистном агенте поддер­живают либо регулированием расхода очистного агента, либо изменением осевой нагрузки и частоты вращения, либо их одно­
временным регулированием в различном сочетании. Наиболее простым путем допустимую концентрацию шлама в очистном агенте поддерживают увеличением расхода очистного агента при промывке скважины с расходом

0,785(ВР; - Дс2) V

C кр

Где Dp - расчетный диаметр расширения; Dc - диаметр пилот - скважины; V - механическая скорость бурения.

Однако мощность насосного оборудования не всегда позволя­ет увеличить расход очистного агента в процессе расширения до 0кр. Особенно это характерно для скважин, расширяемых до больших диаметров.

Другим путем, позволяющим уменьшить концентрацию шла­ма в очистном агенте до допустимых значений, считается сниже­ние механической скорости расширения. Максимально допусти­мая скорость углубки расширителя при фиксированном расходе

Скра

0,785(Dp2 - Dc2)

Где а - расход очистного агента.

Механическая скорость расширения - функция осевой на­грузки на инструмент и частоты его вращения:

V = v(P0C/S)n,

Где ю - частота вращения инструмента; Рос - осевая нагрузка на инструмент; S - площадь забоя; п - показатель степени (п = = 2^3).

Допустимую концентрацию шлама в очистном агенте при рез­ком возрастании механической скорости проходки, обусловлен­ном встречей слабосцементированных, мягких пород, поддержи­вают путем регулирования осевой нагрузки на инструмент и час­тоты его вращения, при которых механическая скорость про­ходки не превышает Vjp.

Ограничение механической скорости проходки при расшире­нии интервала слабосцементированных пород экономически це­лесообразно при часто ограниченной мощности насосного обору­дования и нерентабельности установки более мощных насосов только на период расширения скважины; малой доли затрат на расширение в общем балансе на сооружение скважины; высоких значениях vxp.

Механическую скорость проходки расширителя можно под­держивать в допустимых пределах изменением осевой нагрузки на инструмент или частоты его вращения, а также совместным регулированием частоты вращения и осевой нагрузки на инстру­мент. Постоянный контроль за скоростью углубки при расшире­нии и фиксированном расходе промывочной жидкости позволяет предотвратить пробко - и сальникообразование, прихваты и за­тяжки инструмента, уменьшить поглощение и кольматацию пласта.