Выбуренные частицы, образующие в результате работы долота, должны удаляться из скважины. Для этого буровой раствор прокачивают по буровой колонне, через долото; при этом выбуренная порода улавливается и выносится вверх по затрубью на поверхность. Эффективность выноса выбуренного шлама (очистки ствола) зависит от размера, формы и плотности твердых частиц, скорости проходки, вращения бурильной колонны, а также от вязкости, плотности и скорости восходящего потока бурового раствора в затрубном пространстве.
Вязкость. На эффективность очистки также существенное влияние оказывают вязкость и реология бурового раствора. При использовании низковязких растворов (например, воды) процесс осаждения частиц идет быстро, и поэтому их трудно удалить из скважины. Растворы с высокой вязкостью, напротив, ускоряют процесс выноса шлама на поверхность.
Большинство буровых растворов являются тиксотропными. Э то означает, что в статических условиях они загущаются. Данное свойство раствора позволяет удерживать частицы в состоянии взвеси при свинчивании инструмента и в процессе проведения других операций, когда раствор не циркулирует. Буровые растворы, разжижающиеся при сдвиге, и имеющие высокую вязкость при низкой скорости потока в кольцевом пространстве, обеспечивают наиболее эффективную очистку ствола скважины.
Скорость. Обычно, высокая скорость потока в затрубье ускоряет вынос бурового шлама. Так, при использовании разжижающих растворов, высокие скорости могут привести к образованию турбулентного потока, который способствует эффективной очистке, но также может вызвать осложнения.
Скорость, с которой частицы осаждаются в растворе…
Скорость, с которой частицы осаждаются в растворе, называют скоростью осаждения. Скорость осаждения частицы зависит от ее плотности, размера и формы, а также от вязкости, плотности и скорости потока бурового раствора. Частица будет вынесена на поверхность, если скорость потока в затрубье превысит скорость осаждения частицы.
Скорость, с которой частицы поднимаются вверх по кольцевому пространству, называется скоростью выноса. Для вертикальной скважины:
Скорость выноса = Скорость потока в затрубье – скорость осаждения
(Примечание: Такие темы, как скорость осаждения, скорость выноса, зависимость эффективности выноса шлама от реологических и гидравлических свойств раствора, будут обсуждаться подробнее в другой главе)
Процесс выноса шлама в горизонтальных скважинах и скважинах с большим отклонением по вертикали, оказывается более затруднительным, чем в случае с вертикальными скважинами. Скорость выноса, определяемая для вертикальных скважин, не может применяться в отношении наклонных скважин, поскольку в этих скважинах шлам осаждается в нижней части ствола по направлению движения флюида, а не противоположном направлении. В горизонтальных скважинах выбуренная порода скапливается вдоль донной части ствола, образуя «шламовые подушки». Эти отложения препятствуют прохождению потока, увеличивают крутящий момент; их трудно удалить из скважины.
Существует два способа борьбы с осложнениями, которые затрудняют очистку ствола в горизонтальных и наклонных скважинах, это:
a) Использование тиксотропных, разжижающихся при сдвиге растворов, с высокой вязкостью при низкой скорости сдвига (LSRV) и создание ламинарного потока. Примером таких растворов могут служить биополимерные системы, такие как Flo-Pro, и флокулированные бентонитовые системы, такие как растворы на основе смесей гидроксидов металлов (MMH), например, система DrilplexТМ. Подобные системы растворов обеспечивают высокую вязкость с относительно плоским профилем скорости потока в затрубье, а также очистку большей части ствола по разрезу скважины. В случае с утяжеленными растворами, процесс выноса шлама можно усовершенствовать путем увеличения показателей Фэнн вискозиметра при 3 и 6 об/мин (показатели LSRV) в 1-1,5 раза от диаметра ствола в дюймах, и использовать наибольшую скорость ламинарного потока.
b) Использование высокой скорости потока и буровых растворов малой плотности для получения турбулентного потока. Турбулентный поток обеспечивает хорошую очистку и предотвращает осаждение частиц в процессе циркуляции, однако, при остановке циркуляции, шлам осаждается быстро. Данный подход подразумевает удержание взвеси твердых частиц турбулентностью и высокой скоростью потока в затрубье. Наиболее эффективно применение неутяжеленных растворов с низкой плотностью для бурения в устойчивых породах. Однако эффективность подобной технологии может ограничиваться рядом факторов, такими, как большой диаметр ствола, низкая скорость насосов, большие глубины, недостаточная целостность пласта и использование буровых насосов и скважинного оборудования, сдерживающих скорость потока.
Плотность. Растворы с высокой плотностью ускоряют процесс очистки путем увеличения выталкивающей нагрузки на выбуренную породу, способствуя ее удалению из скважины. По сравнению с растворами, обладающими низкой плотностью, данные системы растворов обеспечивают адекватную очистку ствола даже при низкой реологии и низкой скорости потока в затрубье. Однако избыточная плотность раствора оказывает неблагоприятное воздействие на процесс бурения; никогда не следует увеличивать плотность в целях улучшения очистки ствола.
Высокая скорость вращения также способствует повышению эффективности очистки ствола…
Вращение бурильной колонны. Высокая скорость вращения обеспечивает более эффективную очистку ствола, поскольку к потоку раствора в кольцевом пространстве добавляется элемент кругового движения. Выбуренные частицы, сосредоточенные у стенок скважины, благодаря этому винтовому (спиральному) потоку, начинают перемещаться в такие зоны кольцевого пространства, откуда они быстрее могут быть вынесены на поверхность. Вращение бурильный колонны – лучший метод, который можно применить, где это возможно, для удаления выбуренного шлама из горизонтальной скважины или скважины с большим углом отклонения.
