Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2008". Автор - Я.И. Беров (ЗАО «Группа компаний «Бентопром», Москва, Россия).
Быстрый рост применения бестраншейных технологий для восстановления и строительства подземной инфраструктуры вызвал одинаково быстрый рост во введении материалов, которые могут быть применены к этим технологиям. В некоторых случаях эти материалы новые, в других - уже существующие материалы, которые находят новые сферы применения. В любом случае мы сталкиваемся с несколькими проблемами:
- как выбрать наиболее подходящий для ГНБ материал;
- как гарантировать, что материалы, поставляемые на объекты, имеют те же самые свойства, что и материалы, проанализированные в лабораториях.
Наличие качественного материала на объектах часто не гарантирует его правильного, оптимального применения. Где-то это связано с квалификацией персонала, где-то - с отсутствием приборов по контролю качества бурового раствора, где-то связано с неправильной работой оборудования.
До настоящего времени при бурении скважин наиболее распространенной в отечественной практике ведения буровых работ является вязкопластичная модель, где реологические характеристики, а именно значения пластической вязкости η (η= ω2- ω1) и динамического напряжения сдвига τ0 (τ,0=2*(ω1-ω2)), рассчитываются при скоростях вращения ротора 300 и 600 об/мин. Для модели Шведова – Бингама вышеупомянутые параметры приводятся в проектах на строительство скважин и режимно-технологических картах (РТК). При этом в геолого-техническом наряде (ГТН) на строительство скважины согласно отечественной практике регламентируются только плотность, условная вязкость и фильтрация промывочной жидкости. Такое положение дел не соответствует зарубежной практике инженерного обеспечения буровых работ.
В современной практике для контроля реологических свойств буровых агентов широкое применение нашли ротационные вискозиметры (Fann, OFITE и другие), которые позволяют снимать показания при пониженных скоростях сдвига. Расчеты по этим показаниям позволяют более точно характеризовать течение промывочной жидкости в кольцевом пространстве скважины.
Реологическая модель Гершеля-Баркли показывает лучшую сходимость результатов, чем результаты по вязкопластичной и псевдопластичной моделям. Данная модель точно описывает поведение бурового раствора во всем диапазоне скоростей сдвига.
Вязкопластичные жидкости
Идеальная вязкопластическая модель описывает вещества, которые при напряжениях ниже точки Бингама - τ0 не деформируются, а при больших напряжениях - текут подобно вязким (ньютоновским) жидкостям (рис. 1).
В промысловых условиях напряжения сдвига, возникающие при различных скоростях сдвига, определяются с помощью констант τ0 и η, полученных при скоростях вращения ротора вискозиметра ω1 = 300об/мин и ω2 = 600 об/мин.
Напряжение сдвига по Бингаму, которое отображает предельное динамическое напряжение при «нулевом сдвиге» (0 об/мин.) значительно выше показаний вискозиметра при 6 и 3 об/мин (рис. 1). Такое поведение буровых агентов объясняется тем, что они не являются идеальными вязкопластическами жидкостями. Но несмотря на это, надо отметить тот факт, что константы Шведова-Бингама: τ0 и η были и остаются важными критериями для определения поведения буровых растворов, особенно при течении внутри трубы.
Псевдопластичные жидкости
Поведение буровых промывочных систем, обработанных полимерами с высокой молекулярной массой, более точно описывается степенным законом (модель Оствальда-де Ваале), чем уравнением Шведова-Бингама:
Согласно бюллетеню, АНИ реологическую характеристику промывочных жидкостей следует рассчитывать для двух диапазонов:
1) движение жидкости внутри труб (где как правило турбулентный режим движения). Константы степенного закона определяются по показаниям вискозиметра при ω1 = 300 об/мин. и ω2 = 600 об/мин.;
2) для кольцевого пространства (ламинарный режим) реологическая характеристика определятся при ω1 = 3 об/мин. и ω2 = 100 об/мин.
Идеальные псевдопластические жидкости не имеют предельного динамического напряжения сдвига, т.е. моделируемая жидкость начинает деформироваться (течь) сразу же при приложении сдвигающих нагрузок. Такое предположение является идеализацией по отношению к реальным буровым растворам. В результате того, что идеальным степенным законом не учитывается динамическое напряжение сдвига, гидравлические расчеты на основе идеального степенного закона приводят к погрешностям.
Жидкости Гершеля-Баркли
Трехпараметрическая модель, предложенная Гершелем и Баркли, сочетает в себе модели вязкопластичной и псевдопластичной жидкостей и позволяет учесть динамическое напряжение сдвига. Она описывается следующим математическим выражением:
В этой модели параметры К и n подобны константам Оствальда-де Ваале, однако при наличии начального напряжения сдвига τ0, необходимого для начала движения, рассчитанный коэффициент консистентности и степенной показатель будут отличаться от аналогичных параметров псевдопластической модели. Теоретически начальное напряжение сдвига идентично предельному динамическому напряжению сдвига в модели Шведова-Бингама, но его величина и расчет для его нахождения будут отличаться.
Обычно в практических расчетах для определения параметров τ0, К и n используют показания вискозиметра, полученные при частотах вращения ротора вискозиметра ω0 = 3 об/мин, ω1 = 300 об/мин и ω2 = 600 об/мин.
Биополимерные буровые промывочные жидкости
Биополимерные промывочные жидкости являются выраженными псевдопластиками. Модель Гершеля-Баркли лучше описывает поведение бурового агента, чем уравнение Шведова-Бингама и Оствальда-де Ваале.
Достоинством биополимерных добавок является то, что они увеличивают эффективную вязкость при малых скоростях сдвига (рис., 2), при незначительном увеличении μ, при высоких это способствует усилению выносящих и суспендирующих характеристик бурового раствора и снижению эквивалентной плотности при циркуляции.
Усиление вязкоупругих свойств буровых агентов существенно улучшает очистку ствола скважины от шлама, а также снижает скорость фильтрации жидкой фазы в пласт.
С увеличением концентрации ХС-биополимера в буровом агенте увеличивается вязкость при низких скоростях сдвига (ВНСС) и модуль упругости (G).
Необходимо контролировать концентрацию биополимера в жидкости, т.к. они сравнительно дороги. Различные компании выпускают и применяют биополимеры под фирменными названиями (Barazan D – BaroidDrilling Fluids, Kem-X - Kem-Tron Inc, Flo-Vis – M-I L.L.C.). Основное различие между ними - это содержание основного продукта. Минимальная необходимая концентрация ХС-биополимера, необходимая для придания промывочной жидкости требуемых свойств, зависит от температуры, минерализации, рабочих скоростей сдвига, градиентов локальных скоростей, плотности, концентрации твердой фазы в жидкости и других факторов. В табл. 1 приведены ориентировочные концентрации биополимерных реагентов.
Биополимерные добавки влияют на значения ВНСС.
Концентрацию ХС-полимера в буровом агенте, выносящую и суспендирующую способность надо контролировать по значениям ВНСС. Также при этом необходимо учитывать значения показателя степенного закона для кольцевого пространства и начального напряжения сдвига τ0 по модели Гершеля-Баркли.
Таким образом, из существующих законов, наиболее точно описывает течение жидкости в скважине при ГНБ закон Гершеля-Баркли.
Комментарии 0