Способ определения предельного динамического напряжения сдвига бурового раствора в скважине

Способ определения предельного динамического напряжения сдвига бурового раствора в скважине

5048 СПУБЛИН 366 09 К 7 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ЗОБРЕТЕНИ ЕПЬСТВУ(71) Ордена Трудового Красного Знамени Азербайджанский научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности(56) 1. Рязанов Я.А, Справочник по буровым растворам, М., ффНедрафф, 1979 с. 16-18.2, Там же.. 3.Маккрей А.У. и Колле Ф.У. Технология бурения нефтяных скважин, М., Гостоптехиздат, 1963, с. 326-329. (прототип).(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ П НОГО ДИНАМИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ РЕДЕЛЬ-, сдвигСДВИ — муле: ,к(экЪ И к тОд к в н-аЧчцън — дЕ ) ( е+ от г ть спус ных тру циент с аствора О » скоро бурил- козфф вого МПау- длина бурильнойв скважине до нспуска, см. верстий в ого расте,диаметр см; ы, см; колонн ачалаТ время запаздывания в бурового раствора, с коэффициент сжатия с суммарная площадь по ода Уи 1речОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВ ГА БУРОВОГО РАСТВОРА В СКВАЖИНЕ путем созданиястрагивающего усилия .непосредственно в скважине, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения и ускорения определения предельного динамического напряжения сдвига бурового раствора дифференцироваййбго по интервалам скважины в процессе бурения, создание страгивающего усилия осуществляют путем спуска колонны бурильных труб в скважину на постоянной скорости, причем одновременно замеряют время от начала спуска до начала течения бурового раствора из скважины в желоб и длину спущенных за это время бурильных труб, а значение предельно- вв го динамического а напряженияа рассчитывают по фор1035048 ЬРЪ Ио 4 Ь 10 кСэн-рЕ)9 Г кТь%ТОЙОЮОд 1 рд4. уф ф Ь О) О Изобретение относится к технологии бурения скважин и может быть использовано в нефтегазовой промышленности, геологии, разведке недр и других отраслях народного хозяйства, связанных с бурением скважин.Известен способ определения предельного динамического напряжения сдвига бурового раствора влаборатории или на буровой с помощью ротационных вискозиметров ВСНМ и ВСН-З, Предельное динамическое напряжение сдвига — это условная величина, характеризующая прочность структурной сетки, которую необходимо резрушить для обеспечения те чения бурового раствора, Эту величину невозможно измерить непосредственно каким-нибудь прибором. Она может быть определена графически или расчетным путем. Поэтому для получения предельного динамического напряжения сдвига приборами ВСНМ и ВСНпроизводят соответствующие измерения и по полученным данным строят график и делают расчеты ).11Известен способ определения предельного динамического напряжения сдвига бурового раствора в лаборатории или на буровой с помощью ротационного высокотемпеРатуРного Реометра РВР. По данному способу для получения предельного динамического напряжения сдвига прибором РВР производят определенные измерения при различных температурах и по замерен 1ным данным строят график и делают расчеты 1,2).Однако согласно этим способам для получения предельного динамического напряжения сдвига бурового раствора соответствующие измерения про изводят не в скважине, а на поверхности земли, поэтому применение полученной величины предельного динамического напряжения сдвига бурового раствора в гидродинамических формулах и расчетах для скважинных условий трудно применимо. Наиболее близким к предлагаемому по техническому решению и достигаемому результату является способ определения предельного динамического напряжения Сдвига в скважине путем создания страгивающего усилия непосредственно в скважине, для чего на определенной глубине скважину промывают, замеряют давление Р при промывке, затем циркуляцию прекращают на определенный период и далее фиксируют давление Р при первоначаль- ной продавке бурового раствора. При 60 этом разница этих давлений Р-Ц: ЬРи есть величина давления, котораятратится на преодоление предельногодинамического напряжения сдвига,причем величину предельного динамического напряжения сдвига определяют 33, подставив значение ЬР вформулу: где 3 — диаметр скважины, м;д — наружный диаметр труб, м;Ь — длина спущенных труб, м.Таким образом, для определения предельного динамического напряжения сдвига необходимо выполнение дополнительных (непроизводительных) операций: наворачивание вертлюга, пуск насосов, простаивание буровой, вновь пуск насосов, отворачивание вертлюга, Все это отнимает немало непроизводительного времени, сил и средствКроме того, эту операцию по укаэанной причине невозможно часто осуществлять по интервалам глубин, например, для каждой фсвечн (три бурильные трубы, длиной, в среднем, 36 м). Обязательная необходимость частых замеров величины предельного динамического напряжения сдвига по интервалам вызвана тем, что эта величина по стволу скважины существенно изменяется.Таким образом, известный способ имеет следующие недостатки: необходимо выполнять дополнительные технологические операции; затрачивать лишние финансовые средства; способ невозможно осуществлять часто, по малым интервалам.Цель изобретения — упрощение и ускорение определения предельного динамического напряжения сдвига бурового раствора дифференцированно по интервалам скважины в процессе бурения.Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения предельного динамического напряжения сдвига бурового раствора в скважине путем создания страгивающего усилия непосредственно в скважине, последнее осуществляют путем спуска .колонны бурильных труб в скважину на постоянной скорости, причем одновременно замеряют время от начала спуска до начала течения бурового раствора иэ скважины в желоб и длину спущенных за это время бурильных труб, а значение предельного динамического напряжения сдвига рассчитывают по формуле:3 1035048 где О — скорость спуска колонны бурильных труб, см/с;К » коэффициент сжатия буровогораствора в .скважиие, МПа;Т — время запаздывания выходабурового раствора, с; 5,0 — коэффициент сжатия струи;Ю — суммарная площадь поперечного сечения отверстий в долоте, см;.П р — соответственно диаметр труби скважины, см;н — глубииа скважины, см;,8 — длина бурильной колонны в . )5скважине до начала спуска,см.Сущность и последовательность осуществления способа заключается в следующем.Спуско-подъемные оПерации в бу О ренин осуществляются (в среднем) один раз в два дня, При спуске очередной свечи происходит запаздывание выхода бурового раствора из скважины ввиду проявления предельного динамического напряжения сдвига (при выводе формулы учитывается и тотфакт, что часть жидкости при спуске проходит. через отверстия долота внутрь бурильных труб ). С помощью секундомера замеряется время от начала спуска каждой бурильной свечи до начала течения бурового раствора из скважины в желоб. У устья скважины замеряется длина спущенных труб до начала течения бурового раствора из скважины. Скорость спуска выдерживают постоянной (например, с помо» щью гидромата), замеренное время запаздывания выхода бурового раствора из скважины, скорость спуска бурильных труб и другие величины .подставляют в формулу (2). Таким образом вычисляется значение величины предельного динамического напряжения сдвига через каждые 30-40 м по глубине скважины.Данный способ не требует выполнения дополнительных технологических операций, затрачивания лишних финансовых средств, так как замер осуществляется во время выполнения необходимых производственных операций, дает возможность определять предельное динамическое напряжение сдвига через каждые 30-40 м по глубине скважины. Заказ 5755/22 Тираж б 39″ ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб , д. 4/5 Филиал ППП Патентф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель В. НикулинРедактор Л. Авраменко Техред А,Бабинец Корректор О. Билак

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Автономной некоммерческой организацией "Научно-исследовательский институт транспортно-строительного комплекса" (АНО "НИИ ТСК")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 418 "Дорожное хозяйство"

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

5 ДЕЙСТВУЕТ ВЗАМЕН ПНСТ 87-2016

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Свойства буровых растворов

Продуктивность работы с использованием раствора зависит от качества последнего. Особенно важными являются такие свойства, как плотность, водоотдача, вязкость, напряжение сдвига. Плотность измеряется при помощи ареометра, ее показатель варьируется в пределах 1000-2500 кг на кубометр, а вязкость условного типа определяется временем, за которое раствор в определенном объеме протекает из классической воронки. Существует также эффективная вязкость, которую измеряют вискозиметром, и она отображает соотношение напряжений в общем потоке и скоростного градиента.

Что касается напряжения сдвига, то его также измеряют вискозиметром; стандартное значение колеблется в пределах 0-20 Па. Для измерения водоотдачи нужно знать объем фильтрата, который выделяется через очистное оборудование при перепаде давления за полчаса на 100 и более кПа.

Чтобы обеспечить максимальную продуктивность бурения, свойства растворов контролируют посредством ввода специальных реагентов и материалов для улучшения качества. Так, при необходимости уменьшения водоотдачи буровой раствор могут обработать реагентами на углещелочной основе, сульфитно-спиртовым составом, целлюлозными добавками, крахмалом модифицированного типа. Реологические качества достигаются посредством ввода в буровые растворы понизителей вязкости: к ним относится, например, нитролигнин, полифенолы, фосфат и другие вещества.

Предотвращение проявлений воды, нефти и газа при повышенном давлении осуществляется посредством увеличения плотности состава: для этого в раствор вводят утяжелитель (бармит, мел, гематит). В состав также может быть добавлен пенообразователь или произведено аэрирование. Антифрикционные качества растворов улучшаются посредством добавления смазок (графит, нефть, гудрон и пр.), а для сохранения нужных свойств при высоких температурах во время эксплуатации буровые растворы обогащают хроматами кальция, натрия, антиоксидантами. Для пеногашения состав может быть дополнен резиновой крошкой, спиртовыми частицами или кислотами.

МАТЕРИКОВАЯ ДОБЫЧА НЕФТИ

Наука о деформации и течении материалов называется . Все жидкости делят на два класса: ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновские жидкости

Для ньютоновской жидкости существует линейная связь между касательным напряжением τ и градиентом скорости du/dr (некоторые авторы вместо градиента скорости используют скорость сдвига dγ/dt).

Рассмотрим схему течения Куэтта: жидкость находится между двумя пластинами, одна из которых неподвижна, другая — движется со скоростью U. Скорость движения определится как:

а градиент скорости:

где dx/dr характеризует сдвиг слоев жидкости или деформацию, которая может быть обозначена как:

Тогда градиент скорости запишется как:

т.е. градиент скорости есть суть скорость сдвига.

Таким образом, для ньютоновской жидкости запишем:

Зависимости касательных напряжений τ в функции градиента скорости (скорости сдвига) называют реологическими линиями, которые представлены на рисунке слева.

В достаточно широком диапазоне скоростей сдвига реологические линии неньютоновских жидкостей можно описать уравнением:

Это уравнение не может применяться для точных расчетов, но оказывается полезным во многих технических приложениях. Для ньютоновских жидкостей n = 1, а К → μ.

Неньютоновские жидкости

Вязкопластичные жидкости — тела Шведова-Бингама (Бингамовские пластики), течение которых описывается следующим законом:

Модель течения вязкопластичной жидкости можно записать в виде:

Закон Шведова-Бингама справедлив для глинистых буровых растворов, водонефтяных эмульсий, суспензий твердых частиц правильной округлой форм.

Псевдопластичные жидкости (угол наклона α для этих жидкостей изменяется от 0 до 45°). Часто при малых и больших градиентах скорости этот угол приближается к 45°, т.е. жидкость по своим свойствам приближается к ньютоновской.

Более точным законом для описания таких жидкостей будет следующее выражение:

Проанализируем изменение кажущейся вязкости в зависимости от градиента скорости и численного значения индекса течения. Так, при увеличении градиента скорости:

Последний случай характерен для псевдопластичных жидкостей: для растворов полимеров и других жидкостей с большими вытянутыми молекулами; для обычных и коллоидных суспензий с твердыми асимметричными частицами.

При малых скоростях сдвига молекулы или частицы таких систем «переплетены» друг с другом. При больших скоростях сдвига молекулы «подстраиваются» друг к другу, уменьшая кажущуюся вязкость. При очень малых скоростях сдвига влияние «переплетения» молекул невелико; при очень больших скоростях сдвига само «переплетение» мало.

Дилатантные жидкости (угол наклона α > 45°; n > 1). Под дилатантными (расширяющимися) жидкостями понимают суспензии, у которых жидкой фазы достаточно для заполнения пустот между твердыми частицами только в состоянии покоя или при очень низких скоростях сдвига. В этом случае жидкость практически ньютоновская. Когда частицы твердой фазы начинают двигаться быстрее относительно друг друга, им требуется больший объем и система в целом расширяется, увеличивая объем пустот между частицами твердой фазы. В этом случае объем жидкой фазы становится недостаточным для заполнения возросшего объема пустот между частицами и смазки движущихся частиц твердой фазы; кажущаяся вязкость в этом случае возрастает.

К дилатантным жидкостям относятся: суспензии крахмала, силиката калия и песка.

У некоторых неньютоновских жидкостей их характеристики зависят от времени. Для таких жидкостей при постоянной скорости сдвига касательные напряжения изменяются во времени (очень сложно изучать и описывать такие системы).

Реопектическая жидкость — жидкость, у которой при постоянной скорости сдвига касательные напряжения во времени растут.

Тиксотропная жидкость — жидкость, у которой при постоянной скорости сдвига касательные напряжения убывают.

Как правило, кажущиеся вязкости большинства неньютоновских жидкостей велики по сравнению с вязкостью воды.

Потери на трение в трубе круглого сечения

Соотношение для определения потери на рение в трубе круглого сечения в общем виде запишется как:

Ньютоновские жидкости

Ламинарный режим течения

Коэффициент гидравлических сопротивлений определится из соотношения:

Число Рейнольдса определится как:

Турбулентный режим течения

При Re > 100000 коэффициент гидравлических сопротивлений может вычисляться по формуле Колбрука:

или по формуле Г.К.Филоненко:

Известны и универсальные формулы для расчета коэффициента гидравлических сопротивлений при любом режиме течения жидкости, среди которых:

Для определения эквивалентной шероховатости Л.Прандтль предложил следующую зависимость:

На практике без существенной ошибки эквивалентную шероховатость можно заменить абсолютной ε, принимая для обсадных труб и колонн НКТ ε ≡ 1,4·10 -5 м.

Вязкопластичные жидкости

Вязкопластичные жидкости, к которым, в первую очередь, относятся глинистые растворы и водонефтяные эмульсии, широко распространены в нефтепромысловой практике. Глинистый раствор в ряде случаев используется в качестве жидкости глушения и в соответствии с моделью течения характеризуется динамическим напряжением сдвига τ_д и пластической вязкостью η, которые можно рассчитать по формулам Б.С. Филатова:

Структурный (ламинарный) режим течения

Коэффициент гидравлических сопротивлений определится из соотношения:

Для вязкопластичных жидкостей вводится параметр пластичности В, характеризующий отношение сил инерции к силам пластичности:

Отношение параметра Re’ к параметру пластичности В дает параметр Сен-Венана-Ильюшина:

Зависимость для определения коэффициента гидравлических сопротивлений справедлива при R * 3 .

Для значений R * отличных от (2 ÷ 3)·10 3 применяются следующие соотношения:

формула Р.И. Шищенко, при R * = 2500 ÷ 20000, d * = 2500 ÷ 40000, d = 141 ÷ 168 мм.

Критерием перехода структурного режима течения в турбулентный может служить значение критической скорости υ_кр, которое для круглой трубы записывается так:

Если фактическая скорость течения в трубе υ_ф.т меньше критической υ_кр.т, то режим течения структурный; если — наоборот, то режим течения турбулентный.

Потери на трение для структурного режима можно рассчитать по следующей зависимости:

Потери на трение рассчитываются по следующей формуле:

Потери на трение в кольцевом канале

Для расчета потерь давления на трение в кольцевом канале используется зависимость аналогичная определению потери давления в круглой трубе, только вместо внутреннего диаметра трубы d используется гидравлический диаметр (D_вн — d_н):

Ньютоновские жидкости

Ламинарный режим течения

Число Рейнольдса в канале определится как:

Коэффициент гидравлических сопротивлений в кольцевом канале в свою очередь определится как:

Расчеты для турбулентного режима проводятся по известным зависимостям.

Вязкопластичные жидкости

Структурный режим течения

Параметром, характеризующим режим течения, является критическое число Рейнольдса в кольцевом канале Re_кр.к:

Если фактическое число Рейнольдса в кольцевом канале Re_ф.к меньше критического числа Рейнольдса Re_кр, то режим течения структурный и потери на трение рассчитываются как:

Турбулентный режим течения

Если Re_ф.к > Re_кр, то режим течения турбулентный и потери на трение рассчитываются следующим образом:

Потери на трение могут быть рассчитаны и по формуле:

принимая вместо λ значениеλ_к, вычисленное по формуле Б.И. Мительмана:

Зависимость рекомендуется при Re_к * = 1200 ÷ 8000.

Потери на трение с учетом коэффициента увеличения гидравлических сопротивлений вследствие наличия муфтовых соединений могут быть вычислены по следующим зависимостям:

Что такое подвижность пластичной смеси бетона? Какие факторы на нее влияют?

Консистенция бетонной смеси меняется от жесткой до легко подвижной. В соответствии с ГОСТом 7473-2010 она обозначается буквой П и цифрами 1-5. Чем больше цифра, тем выше текучесть пластичной массы. Бетоны П1-П3 относятся к материалам малой подвижности, П4-П5 – к очень подвижным.

Параметры, увеличивающие и снижающие текучесть смеси:

• Самопроизвольному заполнению опалубки препятствует сцепление частиц наполнителя между собой и со стенками формы. Гравий с гладкой поверхностью снижает трение смеси с поверхностью опалубки и повышает подвижность раствора. Однако прочность бетонных и железобетонных элементов на гравии значительно ниже, чем прочность конструкций, изготовленных с применением щебня.
• Текучесть снижают глинистые и пылевидные включения в заполнителях. К тому же они становятся причиной появления дефектов в готовом отвердевшем продукте.
• Подвижность повышают путем увеличения количества воды и цемента, добавления пластификаторов. Увеличение объема цементного теста и уменьшение количества заполнителей при неизменном водоцементном соотношении приводит к повышению текучести смеси с сохранением прочности затвердевшего продукта.
• На показатель текучести влияет тип используемого цемента. Бетонные смеси с пуццолановым портландцементом, особенно если они имеют кремнеземистую присадку, показывают большую осадку конуса, по сравнению с осадкой конуса бетона, изготовленного на обычном портландцементе.
• Недостаточную подвижность компенсируют штыкованием и вибрированием.

У смесей со слишком высокой текучестью тоже есть недостатки. Слишком подвижный бетон, уложенный на щебневую подушку, не держится на ее поверхности, а уходит вглубь. При заливке в дощатую опалубку высокоподвижная смесь начнет выливаться сквозь щели.

Чтобы получить нужную вязкость водоэмульсионной краски, ее разводят в определенной пропорции с подходящим средством для разбавления. Тонкость заключается в том, что необходимо знать не только изначальную вязкость, но и учитывать концентрацию ЛКС. Лакокрасочные составы по наполнению (по-другому – содержанию сухого остатка) делятся на следующие виды:

• Низконаполненные. Аббревиатура на упаковке: LS (Low Solid) – низкое содержание сухого остатка. Для разведения хватит 5% (± 3%).
• Высоконаполненные. UHS (Ultra High Solid) – «сверхвысокое» содержание сухого остатка; также встречается VHS/HD (Very High Solid/High Density). Разводятся до 30%; исключение составляет водоэмульсионный краситель, который иногда разводят до 50%.
• Средненаполненные. MS (Medium Solid) – среднее содержание. Степень разведения находится между двумя предыдущими пределами.

Производитель указывает сухой остаток в процентах. Например, величина 65% говорит о том, что после нанесения такого материала и испарения всех летучих составляющих на поверхности останется 65% (35% испаряется).

Смешивание краски выполняют в следующей последовательности:

• Краску переливают в емкость большего размера, чтобы было удобно размешивать; в процессе используют, например, обычную школьную линейку. Если объем красителя большой, мешают электрической дрелью с насадкой-миксером в виде крестовины (насадка в форме спирали предназначена для сухих смесей и не размешает качественно).
• Для смешивания выбирают цилиндрическую тару, так проще соблюдать пропорцию (обычное ведро исказит результат). Чтобы получить соотношение, например, 1:4, замеряют высоту краски в банке с помощью линейки (перед смешиванием). Если получилось 40 см, то с помощью разбавляющего вещества уровень доводят до 50 см.
• Если объемы небольшие, удобнее использовать мерную посуду.
• Разбавляющий состав наливают в краску небольшими порциями, каждый раз аккуратно перемешивая и контролируя равномерность и густоту.
• Смесь доводят до нужной консистенции, затем проверяют еще раз вязкость краски в din.

Главными характеристиками искажения являются следующие показатели:

• Модуль деформации бетона. С его помощью понятна прочность изделия, чем оно прочнее, тем этот модуль меньше, зависит от возраста бетонного раствора.
• Коэффициент ползучести бетона. Высчитывается ползучесть утрамбованного цемента, на который долгое время происходила нагрузка.
• Множитель поперечной деформации цементного камня. Показывает отношение между продольными изделиями и поперечными, высчитывает эластичность материала.
• Показатель линейной температурной деформации. Затвердение бетонного камня в зависимости от находящегося в нем заполнителя.

Ползучесть видна при растягивании или сжатии стройматериала.

Постоянно повторяющиеся нагрузки обладают двумя видами характера: статический и динамический. Первый подразумевает под собой нагрузки, у которых уменьшение или увеличение происходит медленно. При втором надлежит обращать внимание на влияние инерционных сил по отношению к деформированному состоянию элемента. Такие повторения приводят к постоянному накоплению непругих деформаций. Зато бетон становится эластичным и легко поддается обработке.