Расчет режима спуска обсадной колонны

Скорость и ускорение спуска обсадной колонны приходится ограничивать из-за опасности возникновения высокого гидродинамического давления, которое может быть причиной разрыва пород и поглощения промывочной жидкости, смятия обсадной колонны либо разрушения обратного клапана. Наиболее опасная ситуация возникает при спуске обсадной колонны с закрытым обратным клапаном, поскольку в этом случае вся жидкость, вытесняемая колонной, движется только по заколонному пространству. Почти такая же ситуация может возникнуть, если обратный клапан открыт, но диаметр проходного канала в нем мал.

Рассмотрим случай спуска колонны с закрытым нижним концом.

Когда колонна труб находится в скважине, к наружной поверхности ее прилипает некоторый слой жидкости. При перемещении колонны, например, вниз вместе с ней будет двигаться также прилипший слой, который в свою очередь будет увлекать с собой вниз другие смежные слои жидкости. Поэтому жидкость, вытесняемая колонной, движется вверх не по всему сечению заколонного пространства, а лишь по наружной части его. Среднюю эффективную скорость восходящего потока вытесняемой жидкости можно определить по формуле Буркхардта

где wт — скорость спуска обсадной колонны; bт — поправка, учитывающая искажение профиля скоростей течения в заколонном пространстве под влиянием слоев жидкости, прилипших к колонне. Величина ее зависит от режима течения (рис. 54). Для приближенных расчетов, можно принимать bт = 0,5.

Чтобы при спуске колонны не возникло поглощение промывочной жидкости, необходимо выполнять условие (8.19). Сделать это можно только путем ограничения величины гидродинамического давления; остальные составляющие этого условия в период спуска колонны регулировать невозможно. Гидродинамическое давление при спуске колонны складывается из двух компонентов: одного — зависящего от скорости, которую приобрела жидкость к концу предшествующего момента времени, и второго — инерционного, зависящего от ускорения движения жидкости в рассматриваемый момент. Так, при турбулентном режиме течения условие (8.19) с достаточной для практических расчетов точностью можно записать

где Лк — коэффициент гидравлических сопротивлений в заколонном пространстве

wэ — скорость восходящего потока вытесняемой жидкости, достигнутая к началу рассматриваемого момента спуска; ап — ускорение движения жидкости в данный момент; zп — глубина пласта, в который возможно поглощение; kэ — коэффициент, учитывающий увеличение гидравлических сопротивлений в заколонном пространстве за счет муфт на обсадных трубах и элементов технологической оснастки,

ек — коэффициент местных сопротивлений; для муфтовых сужений

lт — длина одной обсадной трубы.

Положив ап=0, можно определить предельно допустимое значение скорости течения в заколонном пространстве

Если (wэ)пред > wкр, подставив найденное значение (wэ)пред в формулу (6.81), легко найти предельно допустимое значение скорости спуска колонны. Если (wэ)пред < wкр, расчет нужно сделать применительно к структурному режиму течения в заколонном пространстве, при котором гидродинамическое давление

где вк — безразмерная величина, определяемая по рис. 55 в зависимости от параметра Сен-Венана—Ильюшина,

т0, n — динамическое напряжение сдвига и пластическая вязкость промывочной жидкости.

Величину критической скорости, соответствующей смене режимов течения, можно вычислить по формуле

Критическое значение числа Рейнольдса

где He — параметр Хедстрёма

Положив в условии (6.82) wэ=0, можно определить предельно допустимое значение ускорения жидкости в заколонном пространстве.

Во избежание смятия обсадной колонны при спуске необходимо, чтобы разность между суммой статического и гидродинамического давлений рст+ргд в заколонном пространстве и статическим давлением рв внутри колонны была всегда меньше критического давления для труб

Отсюда с учетом формулы (6.13) можно найти допустимую глубину опорожнения колонны при спуске

При практических расчетах обычно второе слагаемое в числителе формулы (6.93) в явном виде не учитывают. Если принять во внимание, что при этом допускается значительная погрешность, и учесть, что большая часть обсадной колонны при спуске растянута (а растяжение уменьшает сопротивляемость труб смятию), то коэффициент запаса прочности следует принимать kсм больше 2.