Замещение промывочной жидкости тампонажным раствором

17.11.2020

Полнота замещения промывочной жидкости тампонажным раствором в заколонном пространстве зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются конфигурация этого пространства, состояние обсадной колонны (покой, движение), режим течения жидкостей, соотношение плотностей жидкостей, технологическая оснастка колонны, состав, свойства и объем используемой буферной жидкости. Рассмотрим характер влияния этих факторов.

Промывочные жидкости и тампонажные растворы, если они сравнительно мало тиксотропны, можно рассматривать в первом приближении как тела вязкопластичные. При структурном режиме течения вязкопластичной жидкости средняя часть потока движется подобно пробке: скорости всех слоев внутри этой пробки одинаковы. При весьма малых скоростях течения пробка занимает почти всю площадь сечения потока. С увеличением скорости течения ширина пробки уменьшается, увеличивается ширина градиентных зон, в которых скорость изменяется от слоя к слою. При турбулентном режиме в потоке возникают поперечные пульсации, под влиянием которых полностью разрушается пробка, резко уменьшается разница между скоростями течения большинства слоев в градиентных зонах, средняя скорость течения приближается к максимальной, а профиль скоростей внешне становится очень похожим на профиль при слаборазвитом структурном режиме.

Предположим, что скважина имеет круглое поперечное сечение, неизменное по длине, обсадная колонна расположена строго соосно стволу, плотности и реологические, свойства промывочной жидкости и тампонажного раствора, а также смеси, образующейся в зоне их контакта, — одинаковы. При структурном режиме основная масса промывочной жидкости будет вытесняться той частью потока тампонажного раствора, которая движется как пробка со скоростью, равной скорости перемещения пробки. В градиентных зонах близ стенок скважины и обсадной колонны скорости течения существенно меньше; поэтому скорости вытеснения промывочной жидкости тампонажным раствором из этих зон будут ниже скорости вытеснения основной массы центральной пробкой. К тому времени, когда центральная пробка тампонажного раствора достигнет заданного сечения заколонного пространства, в градиентных зонах еще сохранится некоторое количество невытесненный промывочной жидкости. Пусть длина участка заколонного пространства, подлежащего цементированию, равна lц. Условимся под коэффициентом полноты замещения промывочной жидкости понимать отношение объема тампонажного раствора, поступившего в этот участок за время, в течение которого пробка перемещалась от нижнего сечения его до верхнего, к геометрическому объему участка. Если скорость течения пробки wпр, то время такого перемещения
Замещение промывочной жидкости тампонажным раствором

При средней скорости течения wв тампонажного раствора объем его, поступивший за время tпр в рассматриваемый участок

Тогда коэффициент полноты замещения промывочной жидкости

Как видим, этот коэффициент тем меньше, чем больше различие между средней и максимальной скоростями течения тампонажного раствора. Если в (8.5) вместо wв и wпр подставить соответствующие выражения, которые могут быть найдены путем интегрирования уравнения Бингама, получим зависимость коэффициента kз от реологических свойств тампонажного раствора, размеров поперечного сечения и средней скорости течения. На рис. 75 показан характер зависимости (8.5) в функции параметра Сен-Венана — Ильюшина Sк. Из рис. 75 видно, что с уменьшением параметра Sк и, следовательно, размера пробки коэффициент полноты замещения также несколько уменьшается; при развитом структурном режиме остается невытесненной порядка 15% промывочной жидкости.

В реальных условиях реологические свойства и плотности вытесняемой и вытесняющей жидкостей всегда различны. Теоретически задача о замещении одной вязкопластичной жидкости другой с существенно различными свойствами при структурном режиме течения рассмотрена в работе. В ней показано, что:

а) при одинаковых значениях реологических свойств и плотностей жидкостей величина коэффициента полноты замещения возрастает с увеличением динамического напряжения сдвига (это следует также из рис. 75);

б) при равенстве пластических вязкостей и плотностей коэффициент полноты замещения увеличивается с возрастанием разности между значениями динамического напряжения сдвига тампонажного раствора и промывочной жидкости;

в) если реологические свойства вытесняемой и вытесняющей жидкостей одинаковы, коэффициент полноты замещения возрастает при увеличении разности между плотностями тампонажного раствора и промывочной жидкости.

Судя по экспериментальным данным Говарда и Кларка, ВНИИКрнефти и других исследователей, при соосном расположении обсадной колонны в скважине круглого поперечного сечения наиболее полное замещение достигается при развитом турбулентном режиме течения обеих жидкостей (kз=0,95-0,97). При структурном же режиме коэффициент полноты замещения в разных опытах колебался от 0,52 до 0,97; наиболее высокие значения в ряде опытов были получены при очень малых скоростях течения и высоком значении параметра Sк (так называемый «пробковый» режим течения).

Полнота замещения зависит от продолжительности воздействия вытесняющей жидкости на вытесняемую. При прочих равных условиях полнота замещения промывочной жидкости выше в том сечении заколонного пространства, где продолжительность воздействия на нее потока тампонажного раствора больше.

Осевое течение вязкопластичного тела в концентричном кольцевом пространстве возможно лишь в том случае, если к нижнему сечению приложено давление р, хотя бы немного превышающее давление р0', необходимое для начала сдвига,

где т0 — динамическое напряжение сдвига; L — глубина спуска обсадной колонны; dс и dн — диаметр скважины и наружный диаметр колонны соответственно.

В реальной скважине очень часто обсадная колонна расположена эксцентрично. В этом случае, как видно из формулы (8.6), для начала течения в узкой части кольцевого зазора требуется приложить более высокое давление, нежели для начала течения в широкой части зазора. Если в нижнем поперечном сечении приложить давление меньшее, чем требуется для сдвига вязкопластичной жидкости в узкой части зазора, но большее, чем нужно для сдвига в широкой части, течение будет происходить лишь в последней. В суженной же части зазора вязкопластичная жидкость останется неподвижной (рис. 76). Условимся те участки поперечного сечения заколонного пространства, в которых жидкость остается неподвижной, называть застойными зонами.

Возникновению застойных зон способствует также тиксотропия промывочных жидкостей: образование в неподвижной жидкости структуры и упрочнение ее со временем.

Если колонна не касается стенки скважины, увеличением расхода жидкости давление на концевое сечение можно поднять до величины, превышающей необходимое для сдвига в узком зазоре, и добиться течения в нем.

Ho гидравлические сопротивления в широком зазоре существенно меньше, чем в узком. Поэтому турбулентное течение возникает прежде всего в наиболее широкой части кольцевого сечения. Поперечные пульсации, присущие турбулентному течению, в определенной степени способствуют разрушению структуры в более суженных участках, но при значительной несоосности расположения обсадной колонны (или овальности ствола скважины) таких пульсаций недостаточно для существенного выравнивания скоростей течения в широкой и узкой частях заколонного пространства. В то время как в широкой части промывочная жидкость и тампонажный раствор движутся в турбулентном режиме с высокой скоростью, в узкой части сечения сохраняется структурный режим с гораздо меньшей скоростью течения. Увеличение турбулентности за счет повышения средней скорости течения часто невозможно из-за опасности поглощения.

Будем оценивать эксцентриситет расположения колонны величиной

где Amin — наименьшая ширина кольцевого зазора.

На рис. 77 показан характер влияния эксцентриситета на распределение скоростей в узком и широком зазорах кольцевого сечения при структурном режиме. Если плотности и реологические свойства промывочной жидкости и тампонажного раствора одинаковы и при контакте их не образуется смесь с существенно иными свойствами, то к тому времени, когда граница их раздела в широком зазоре подойдет к заданной точке заколонного пространства, в узком она будет находиться еще далеко от этой точки. Значит, часть промывочной жидкости из узкого зазора не будет вытеснена. Чтобы средние скорости течения были близки друг к другу в разных участках поперечного сечения заколонного пространства, требуется тщательно центрировать обсадную колонну.

Полнота замещения промывочной жидкости в случае, когда обсадная колонна расположена эксцентрично, но не касается стенок скважины, повышается, если динамическое напряжение сдвига и плотность тампонажного раствора существенно больше соответствующих характеристик промывочной жидкости, а средняя скорость структурного течения такова, что ядро потока («пробка») занимает почти полностью все кольцевое сечение. Исследователи рекомендуют поддерживать скорость восходящего потока тампонажного раствора в заколонном пространстве менее 0,45 м/с, соотношение плотностей при таких скоростях

а соотношение динамических напряжений сдвига

где (т0)ц.р — динамическое напряжение сдвига тампонажного раствора; Amax — наибольшая ширина кольцевого зазора.

На. рис. 78 показан график влияния соотношения плотностей и объемной скорости течения на полноту замещения промывочной жидкости тампонажным раствором при максимальном эксцентриситете расположения обсадной колонны еc=0. Из рис. 78 видно, что наихудшее замещение отличается в тех случаях, когда плотность тампонажного раствора меньше или равна плотности промывочной жидкости, и что влияние разности плотностей возрастает с уменьшением скорости течения.

Из формулы (8.9) вытекает, что если колонна прилегает к стенке скважины, полное замещение промывочной жидкости без перемещения колонны невозможно.

Значительное увеличение динамического напряжения сдвига тампонажного раствора вызывает соответствующий рост гидравлических сопротивлений, что может привести к поглощению. Поэтому целесообразно повышать динамическое напряжение сдвига до величины, соответствующей неравенству (8.9), лишь в небольшой первой порции тампонажного раствора, непосредственно контактирующей с промывочной жидкостью. Достаточно, если высота столба этой порции в заколонном пространстве будет порядка 100 м.

Уменьшить возможность возникновения зон, в которых сохраняется промывочная жидкость с неразрушенной структурой, и тем увеличить полноту вытеснения ее тампонажным раствором можно, если использовать для промывки скважины перед цементированием жидкость с минимальным предельным статическим напряжением сдвига, достаточным для удержания твердой фазы во взвешенном состоянии.

Коэффициент полноты замещения промывочной жидкости в наклонных скважинах, как правило, меньше, чем в вертикальных, особенно при эксцентричном положении обсадной колонны. Так, в опытах на модели наклонной скважины с эксцентрично расположенной колонной, выполненных в Азербайджанском институте нефти и химии им. Азизбекова, коэффициент полноты замещения при скоростях течения 1—3 м/с был в 1,5 раза, а при скоростях 0,4—0,7 м/с примерно в 3 раза меньше, чем в опытах Говарда и Кларка на модели вертикальной скважины; полнота замещения при скорости течения 0,05 м/с была почти такой же, как и при скорости 3 м/с.

Таким образом, если ствол вертикальной скважины имеет по всей длине круглое поперечное сечение постоянного размера и обсадная колонна хорошо в нем центрирована (т. е. еc=1), наиболее полного замещения промывочной жидкости тампонажным раствором можно достичь при турбулентном режиме течения их; при этом критическая скорость течения для промывочной жидкости должна быть несколько меньше критической скорости для тампонажного раствора. Если поддержание турбулентного режима в заколонном пространстве невозможно, удовлетворительного замещения можно добиться при цементировании с малой скоростью восходящего потока и соблюдении условий (8.8) и (8.9).

Если в стволе скважины имеются расширения и сужения, либо форма поперечного сечения существенно отличается от круга, либо обсадная колонна расположена эксцентрично, наиболее полного замещения промывочной жидкости тампонажным раствором можно достичь вращением колонны хотя бы с малой скоростью. Увеличению полноты замещения способствуют осевое перемещение обсадной колонны в период цементирования и локальная турбулизация потока. Расхаживание оказывает меньшее влияние на полноту замещения, чем вращение колонны.

В большинстве случаев, особенно в наклонных скважинах и при эксцентричном расположении колонны в стволе, улучшению замещения промывочной жидкости способствует прокачивание перед тампонажным раствором порции специальной буферной жидкости.

Для центрирования обсадной колонны в скважине используют упругие и жесткие фонари (рис. 79). Упругий пружинный фонарь состоит из двух разъемных шарнирных колец, соединенных между собой несколькими плоскими или ребристыми пружинами, изогнутыми наружу. Фонарь обычно надевают так, чтобы муфта обсадной колонны была между шарнирными кольцами его. Если же расстояние между фонарями должно быть меньше длины одной трубы, на тело последней надевают специальное ограничительное кольцо и приваривают, а фонарь надевают на кольцо. Диаметр фонаря рекомендуется выбирать на 15—20% больше номинального диаметра скважины. Перед спуском обсадной колонны необходимо проверить жесткость фонаря и убедиться в том, что деформация его под действием прижимающей силы в месте установки в скважине не превысит допустимую для центрирования колонны, а также в том, что фонарь с такой жесткостью пройдет через возможные сужения в стволе скважины.

Жесткий фонарь состоит из одного или двух колец и жестких ребер, приваренных параллельно оси колец или под некоторым углом, по спирали. Диаметр жесткого фонаря должен быть меньше диаметра самых узких сечений скважины. Жесткие фонари обычно используют при малом зазоре между обсадной колонной и стенкой скважины.

Фонари рекомендуется устанавливать в интервале цементирования на участках ствола, не имеющих каверн. Расстояние между фонарями в сжатой части обсадной колонны можно определить по формуле ВНИИБТ

где q — масса 1 м участка колонны; а3— угол наклона ствола скважины на участке цементирования обсадной колонны; f — наибольшая величина прогиба колонны между двумя центрирующими фонарями:

Здесь fм — расчетный минимально допустимый зазор между колонной и стенками скважины посередине интервала между двумя смежными фонарями; рекомендуют принимать fм=0,25(dс—dн); fц — прогиб планок центратора под действием прижимающей силы; в зависимости от диаметра фонаря fц=2-10 мм.

Длину участка колонны, сжатого осевыми силами в конце цементирования, вычисляют по формуле

где рцр — плотность продавочной жидкости в колонне; qср — среднее значение массы 1 м сжатого участка колонны.

Расстояние между двумя самыми верхними фонарями в растянутой части колонны

где G — растягивающая сила от веса участка колонны длиной lц—lcж:

Среднее расстояние между смежными фонарями в растянутой части колонны

Лучшему замещению промывочной жидкости тампонажным раствором способствует установка на обсадной колонне турбулизаторов (рис. 80). Турбулизатор состоит из корпуса, неподвижно закрепляемого на обсадной трубе, и упругих (обычно резиновых) лопастей, наклоненных под углом 30—50° к образующей. Лопасти изменяют направление восходящего потока промывочной жидкости и тампонажного раствора, способствуют образованию местных вихрей и разрушению структуры в застойных зонах. Typбулизаторы полезно устанавливать в интервалах недостаточно хорошего центрирования колонны, со сложной конфигурацией сечения ствола, а также на участках с неширокими кавернами.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна