Буровая гидравлика


ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ)»



            Э. В. Бабаян







БУРОВАЯ ГИДРАВЛИКА



Учебное пособие


















Инфра-Инженерия Москва-Вологда 2018

УДК 621.22(075.8)
ББКЖ123я73
   Б 12

  ФЗ №436-Ф3

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп. 1ч.4ст. 11




Рецензенты:
А. Е. Нижник, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «МГТУ»;
С. В. Усов, кандидат технических наук, доцент кафедры Нефтегазового дела имени профессора Г. Т. Вартумяна ФГБОУ ВО «КубГТУ».







      Бабаян Э. В.
Б 12 Буровая гидравлика. Учебное пособие. /Э. В. Бабаян. -М.: ИнфраИнженерия, 2018. - 156с.
ISBN 978-5-9729-0204-0

      Содержит систематизированное изложение основ гидравлики вязких и вязкопластичных жидкостей в объеме, необходимых для гидравлических расчетов при решении практических задач строительства нефтяных и газовых скважин. Уделено внимание гидродинамике спускоподъемных операций в скважине, гидравлике цементирования обсадных колонн.
      Предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин», а также проектантов и инженерно-технических работников нефтяной и газовой промышленности.









© Бабаян Э.В., автор, 2018
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018



ISBN 978-5-9729-0204-0

ВВЕДЕНИЕ. Роль гидравлики в бурении


     Гидравлика - наука, изучающая механические свойства жидкостей, законы их равновесия и движения. Произошло это слово от древнегреческих слов «ходюр» - вода и «аулос» - труба.
     Современная гидравлика изучает движение газированной и разгазирован-ной нефти, разнообразных масел, горючих жидкостей, пульп, суспензий, коллоидных растворов и т.п.
     Гидравлическим явлениям принадлежит ведущая роль при строительстве (бурении) нефтяных и газовых скважин. При любом способе бурения невозможно обойтись без циркуляции буровых жидкостей, имеющих массу назначений, основными из которых, можно назвать, удержание стенок скважины от обрушения, поступления пластовых флюидов, вынос выбуренной породы и т.п.
     Во время бурения гидравлическими забойными двигателями, тот же поток жидкости, нагнетаемый в скважину буровыми насосами, передает энергию забойному двигателю. Применение гидромониторных долот выдвигает самостоятельную задачу о разрушающем действии затопленной струи и своевременном выносе разрушенной породы из под долота. Уход буровых жидкостей и их фильтратов при проходке коллекторов происходит по законам фильтрации и обуславливает применение специфических тампонов. В процессе цементирования обсадных колонн не избежать рассмотрения задачи вытеснения одной жидкости другой.
     Решение многообразных гидравлических задач основывается на общих положениях механики и физики, из которых главными могут быть названы следующие.
     Первый закон Ньютона или закон инерции, согласно которому материальная точка может изменить состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения только тогда, когда на нее действуют другие материальные точки или тела.
     Второй закон Ньютона, устанавливающий, что изменение количество движения пропорционально приложенной силе и происходит в том же направлении, в каков действует эта сила. При этом ускорение а, приобретенное телом, прямо пропорционально силе F, действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела т:

„ dv _
F = т----= т ■ а
dt

      Третий закон Ньютона или закон равенства действий и противодействия. Согласно этому закону силы, с которыми действуют друг на друга материаль

ные точки, всегда равны по модулю, но направлены в диаметрально противоположные стороны.
     Четвертый закон Ньютона или закон независимости действия сил, гласящий, что если на материальную точку действуют одновременно несколько сил, то ускорение этой точки равно геометрической сумме тех ускорений, которые получает эта точка при действии каждой из этих сил в отдельности.

3

      Теорема о количестве движения: изменение количества движения материальной точки mv за некоторый промежуток времени t равно импульсу действующей на эту точку силы F за это же время:
t
mV. -mv₀ = jFdt.
о

      Теорема о кинетической энергии: изменение кинетической энергии (живой х mv ''        ■
силы) ——, движущейся материальной точки, равно работе, приложенных к ней сил на пройденном этой точкой пути L:

                            mvL
2


2 L
mv = jFdL
² о

      В то время как теорема количества движения характеризует передачу движения внешними силами, теорема о кинетической энергии представляет меру преобразования движения и характеризует работу всех сил - внешних и внутренних.
      Метод размерностей. Для определения какого-нибудь определенного свойства тела, вещества или процесса в физике и в механике употребляется понятие величины. Измерить какую-либо величину, значить сравнить ее с другой, выбранной за единицу измерения, а полученное в результате сравнения отношений выразить числом.
      В механике достаточно ввести только три независимые основные единицы, т.е. такие единицы, размерность каждой из которых не может быть представлена в виде степенного одночлена из размерностей других величин. В системе единиц ими являются метр, килограмм и секунда.
      В октябре I960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам, проходящая в Париже, приняла новую Международную систему (SI или СИ), которая была утверждена в качестве Государственного стандарта СССР. В качестве основных в системе СИ приняты следующие единицы (таблица 1).


Т а б л и ц а 1

Единицы измерения

                                   Обозначение Международное
        Величина          Единица    единицы    обозначение 
                         измерения в Советском    единицы   
                                   Союзе (РФ)               
Длина                    метр      м           m            
Масса                    килограмм кг          kg           
Время                    секунда   сек         s            
Сила электрического тока ампер     a           А            
Термодинамическая        градус                             
температура              Кельвина  0К          0К           
Сила света               свеча     се          cd           

4

     Практически во всем мире используется система СИ, но параллельно продолжает применяться англо-американская система, по которой единица длины - ft; единица массы - lbₘ, единица веса - lbf
     Зная основные единицы измерения, можно найти любые производные величины.



ГЛАВА I. Физико-механические свойства буровых жидкостей


     1.1. Удельный вес и плотность


     Для характеристики физико-механических свойств жидкостей пользуются различными понятиями и в первую очередь понятием удельного веса у, под которым понимается вес (сила тяжести) единицы объема жидкости, т. е. отношение веса (силы тяжести) жидкости G к занимаемому ею объема V. Если жидкость однородная, то:
У = G                            (1.1)

     Размерность удельного веса в системе СИ: н/м³. Допускается в практической работе Г/см³; в англо-американской системе - lbf./ft³
     Плотность р жидкости называется ее масса, приходящаяся на единицу объема:


т
Р = V

(1.2)


     Размерность плотности в системе СИ - кг/м³ в англо-американской системе - lbₘ./ft³.
     Понятие плотность весьма тесно связано с понятием веса единицы объема

у, а именно:

у = р- g или р = у / g

(1.3)

     1.2. Вязкость


     Свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц или слоев охватывается общим понятием «вязкость». Если силы трения F отнести к единице площади S, то получится значение так называемого касательного


напряжения:

F du — =Г— S d dn

(1.4)

     В этой формуле du/dn - градиент скорости, а коэффициент р - коэффициент внутреннего трения или динамической вязкости. Физическое значение величины р представляет собой силу трения, приходящуюся не одну квадратную единицы поверхности при градиенте скорости, равной единице:


5

т
Р = -г                            (1-5)
du
dn
      Таким образом, зависимость между т и du/dn для истиной жидкости характеризуется одним параметром, а именно, динамической вязкостью р. Такие жидкости называют также ньютоновской.
      Отношение динамической вязкости к плотности - это кинематическая вязкость:
V = £                             (1.6)
                                    р
       Размерность^ и v определяется по формулам (1.5) и (1.6). Мерой динамической вязкости в системе СИ является Па-с. Вязкость воды при температуре 2ОоС равна 1,0 мПа = 1-10⁻³ Па-с. По прежнему используется в литературе мера вязкости - пуаз. 1Па-с = 10 пуаз. В англо-американской (USCS/British) мерой вязкости является Ibf -s /ft².
      Единицей для измерения кинематической вязкостей в системе СИ - м²/с, но продолжает использоваться единица - см²/с (стокс) В системе USCS/British -ft²/s,

      1.3. Аномальные жидкости
      Примером аномальных жидкостей является буровые растворы. Абсолютное большинство буровых растворов приготавливаются на воде и глине, которые относят к коллоидам, если величина частиц находится в пределах от 1 до 0,1 мк, либо к суспензиям или взвесям.
      Буровые растворы, цементные растворы, эмульсионные жидкости, жидкости для глушения, перфорационных работ для разделения двух жидкостей относят к неньютоновским жидкостям. Изучением их деформаций занимается реология, составляя предмет раздела физической механики.
      Неньютоновские жидкости - жидкости, отклоняющиеся от закона вязкости Ньютона, они совмещают в себе свойства жидкостей и твердых тел. Если для твердых тел характерны такие типы деформаций, как растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение, то для жидкостей основным видом деформации является течение. Но в скважине с большой глубиной для бурового раствора нельзя не учитывать деформации сдвига, сжатия и растяжения. Для аномальных жидкостей характерно явление, при котором система после механического воздействия (перемешивания) становится жидкой, а после выдерживания в спокойном состоянии снова загустевает. Это явление называется тиксотропией.

6

     1.4. Статическое напряжения сдвига
     Величиной, характеризующей прочность структуры бурового раствора, будет величина того касательного напряжения, при котором буровой раствор выводится из состояния равновесия и начинает двигаться. Эта величина носит название статического напряжения сдвига и обозначается буквой в. Эта величина характеризует явление тиксотропии. Для учета характера тиксотропных изменений в растворе принято замерять статическое напряжения сдвига бурового раствора два раза после интенсивного перемешивания: через 1 мин и через 10 мин.
     В реальных условиях скважины, когда циркулирующий раствор подвергается сильному изменению температуры и давления, воздействию химических реагентов при обработке или воздействию электролитов, свежей глины и других пород, в процессе самого бурения в нем, кроме тиксотропных изменений, происходят необратимые явления, связанные с диспергацией глины, ее коагуляцией и другими весьма сложными процессами. Все это приводит к тому, что прочность структуры раствора, долгое время находящегося в скважине в покое, может значительно превзойти ту, которая получится на приборе при замере через 10 мин.


     1.5. Структурная вязкость и динамическое напряжение сдвига

      Зависимость между напряжением и градиентом скорости не может быть выражена прямой, проходящей через начало координат. Для их характеристики служит более сложная зависимость, предложенная Бенгамом:

du , Л
Т =Г)-----н Sdn

(1.7)

      Таким образом, для характеристики реологической кривой, изображающей поведение тело Бингама следует знать уже ни один параметр, а два - угол наклона прямой, который получил термин структурная вязкость, и величину отрезка, отсекаемой этой прямой на оси напряжений (#).
      Для движущего потока, когда уже полностью разрушена структура раствора, уравнение можно записать следующим образом:

du
Т ⁼г! '~Г ⁺ То dn

(1.8)

      В технической литературе величина т₀ известна под названием динамическое напряжение сдвига.
      Фактически динамическое напряжения сдвига является понятием чисто условно, так как эту величину непосредственно измерить на каком-либо приборе невозможно. Она может быть найдена только расчетным путем.


     1.6. Зависимость физико-механических свойств жидкостей от температуры и давлений
     Температурные изменения объема характеризуются коэффициентом объемного расширения fiₜ, выражающим относительное измение объема V при увеличении температуры на 1⁰Си определяемым по формуле:

7

Pt -1 "
¹ V dt

(1.9)


      Зависимость удельного веса жидкости от давления выражается через так называемый коэффициент сжимаемости (или коэффициент объемного сжатия):

р -1 dV
Рр V dp

(1.10)

     Величина, обратная коэффициенту сжимаемости, называется модулем упругости и обозначается е. Размерность этого коэффициента МПа.
     Более подробно о влиянии этих коэффициентов на удельный вес будет рассмотрено в следующей главе.
     Температура на вязкость влияет довольно существенно. Оба коэффициента вязкости воды убывают с повышением температуры, а коэффициенты вязкости воздуха возрастают. Эта закономерность свойственна всем жидкостям и газам:
Т°С................0 20 40 60 80 100

Вода: 10³щПа-с.....1,792 1,005 0,656 0,469 0,357 0,284
     10%,м/с.......1,793 1,007 0,661 0.477 0,367 0,296
Воздух: 10⁵щПа-с......1,709 1,808 1,904 1,997 2,088 2,175
        10⁴чм/с....... 0,132 0,15 0,169 0,188 0,309 0,23
     Однако многие растворы, в том числе буровые и тампонажные, проявляют свойства, отличные от свойств ньютоновских жидкостей. Вязкость таких неньютоновских жидкостей зависит не только от температуры и давления, но и от скорости сдвига, деформации, времени, характера движения.


      1.7. Реологическая (гидравлическая) характеристика буровых растворов
      Деформацию жидких тел изучают с помощью реологии, которая устанавливает зависимость между градиентом скорости течения du/dn и напряжением сдвига т. В зависимости от характера выявленной реологической кривой жидкости делят на три большие группы.
      1.      Реологически стационарные жидкости, для которых скорость сдвига у зависит только от касательных напряжений (скорость сдвига одномерного течения равна градиенту скорости, т.е. у = du/dn):

7 ⁻ f (т)

(1.11)

     2.       Реологически нестационарные жидкости, характеристики которых зависят от времени t действия касательных напряжений:

у ⁻ f (г,¹)

(1.12)

8

     3.       Вязкоупругие жидкости, т.е. обладающие свойствами твердого тела и частично проявляющие упругое восстановление формы после снятия напряжения. Типичным примером такого тела (Максквелова) может служить смола (сапожный крем).
     Реологические кривые стационарных систем могут быть разбиты на вязкие (модель Ньютона), вязкопластичные (модель Бингама), аномально вязкие (модель Освальда) и аномально вязкопластичные (модель Шведова),
     К нестационарным относятся тиксотропные и антитиксотропные системы.


Рис. 1.1. Различные типы аномальных тел
а) ньютоновская жидкость; б) псевдопластичная жидкость;
в) тиксотропная жидкость (тело Освальда); г) неньютоновская жидкость;
д) пластичная жидкость (тело Бингама); е) вязкопластичная жидкость (тело Шведова); ж) тиксотропно-пластичная жидкость; з) хрупкое тело.

      Характерный признак вязких и аномально вязких систем - то, что описывающие их кривые проходят через начало координат (рис. 1.1 а, б, в, г). Реологические кривые, представляющие вязкопластичные и аномально вязкопластичные системы, отсекают на оси ординат некоторый отрезок, соответствующий предельному (статическому) напряжению сдвига (рис.1.1, д, е, ж, з).
      Математические зависимости, описывающие основные из перечисленных моделей, следующие.
      1. Модель Ньютона:
г = //( du / dn),
      2. Модель Бингама:
г = (du / dn) + 3
      3. Модель Де Вале - Освальда:
г = к ( du / dn)ⁿ = куⁿ
      В частном случае, когда n = 1, то к=/л, то имеем ньютоновскую жидкость.

9

      4. Модель Шведова - Бингама:



т = (du / dn) + т ₀

1.7.1 Модель ньютоновской жидкости
     Модель ньютоновской жидкости является основой, на которой построены другие модели жидкости. Поведение течения ньютоновских жидкостей уже рассматривалось и можно видеть, что зависимость между скоростью сдвига и напряжением сдвига описывается уравнением:

■
т = VУ ,

(1.13)

где т - напряжение сдвига; ц - вязкость;
     у- скорость сдвига.

     При постоянной температуре напряжение сдвига и скорость сдвига прямо пропорциональны; константой пропорциональностью являются вязкость ц. На рис. 1.2 показана линия течения ньютоновской жидкости.
     Обратите внимание на то, что линия представляет собой прямую линию, которая проходит через начало координат (0,0), а наклон прямой линии представляет собой вязкость ц.

Рис. 1.2. Линия течения ньютоновской жидкости

1.7.2 Бингамовская пластическая модель
     Вначале 1900 гг. Е.С. Бингам впервые обнаружил, что некоторые жидкости проявляли пластическое поведение, отличающееся от ньютоновских жидкостей тем, что для начала течения им требовалось некоторое предельное напряжение сдвига. До тех пор, пока приложенное усилие не превысит предельного напряжения сдвига, не происходит никакого объёмного движения жидкости. Предельное напряжение сдвига называется ещё пределом текучести. Зависимость между скоростью сдвига и напряжением сдвига в бингамовской пластической модели даётся уравнением:

10