Долгопольский Александр Львович Главный редактор журнала «Инженерная практика»

Автор рассматриваемого материала решил расставить все точки над i в вопросе точности расчета гидравлических потерь, возникающих в кольцевом пространстве между вращающейся бурильной колонной (в данном случае, для упрощения – бурильной трубой) и внутренней стенкой ствола. Автор утверждает, что применяемые в настоящее время формулы не учитывают около 5% гидравлических потерь, поскольку недооценивают влияние спиральности течения жидкости и собственно вращения бурильной трубы.

Для начала в работе приводятся общепринятые схемы и закономерности течения промывочной жидкости в кольцевом пространстве (рис. 6.1). Считается, что при продольном движении для центральной части потока жидкости в кольцевом пространстве (на рис. 6.1. темно-синий цвет) характерно поршневое течение фактически без напряжения сдвига, которое наблюдается с обеих сторон от центральной зоны и нарастает с приближением к стенке бурильной трубы или к стенке ствола скважины. И при расчете гидравлических потерь в данном случае принято учитывать только эти периферийные зоны между краями зоны поршневого потока и стенками скважин, а потери в центральной зоне исключать как пренебрежимо малые.

Вместе с тем, согласно выкладкам автора стандартными методиками, не учитывающими потери на трение между внутренними слоями жидкости, примерно на 5% занижается величина гидравлических потерь при неподвижной бурильной колонне. Так, в рассматриваемом автором примере при общей величине гидравлических потерь 680 Па/м доля потерь на преодоление трения между внутренними слоями составляет порядка 34 Па/м. Причем, на величину этих неучтенных потерь влияет эксцентричность положения бурильной трубы в скважине. Для рассматриваемого примера потери на трение между внутренними слоями при индексе эксцентричности (ɛ), равном 0,25, составляют 27 Па/м, при ɛ = 0,4 потери составят 20 Па/м, а при ɛ = 0,5 – всего 14 Па/м.

По мере роста скорости вращения колонны гидравлические потери на трение между слоями также возрастают. При вращении бурильной колонны поток промывочной жидкости становится спиральным, что связано с появлением у каждой условной точки жидкости, помимо осевой (продольной) составляющей скорости, тангенциальной составляющей. Причем, чем выше скорость вращения трубы и меньше расстояние от трубы до точки, тем больше скорость в этой точке (рис. 6. 2).

Разумеется, рассматриваемая модель подразумевает ряд важных допущений. Так, во-первых, автор исходит из того, что кольцевое пространство формиру-ется трубами постоянного по всей длине диаметра (без каверн, промывов и т.д.). Во-вторых, сдвиг потока распространяется по всему кольцевому пространству, так что тангенциальная и продольная составляющие скорости могут быть рассчитаны для каждой точки, что и позволяет условно выделить дискретные слои жидкости в потоке. В качестве базовой величины гидравлических потерь принимается расчетная величина для краевых зон продольного потока. Естественно, в целях моделирования исключается наличие в потоке частиц выбуриваемой породы, анизотропия реологических свойств промывочной жидкости и т.д.

Также принимается соответствие реологических свойств жидкости модели Гершеля – Балкли.

Путем цепочки рассуждений автор приходит к следующим формулам расчета скорости точки (Vсп) и напряжения сдвига (ɣсп) в спиральном потоке:

Исходя из этих формул, автор указывает на то, что повышение скорости вращения колонны никак не может снижать гидравлические потери, как предполагалось в некоторых более ранних работах. Это же, по словам автора, подтверждается данными скважинных датчиков для измерения давления в процессе бурения. Причем разница в гидравлических потерях в зависимости от скорости вращения колонны может быть довольно существенной (рис. 6.3, таблицу).

Наконец, автор проанализировал и еще один фактор, значительно влияющий на гидравлические потери в кольцевом пространстве, – это его сечение (рис. 6.4.).

Как мы видим, даже без вращения бурильной колонны базовое, нескорректированное напряжение сдвига при нулевом индексе эксцентричности для жидкости в кольцевом пространстве меньшего сечения будет гораздо выше. С ростом скорости вращения гидравлические потери будут расти в обоих случаях. Кроме того, в обоих случаях при скорости вращения на уровне 100 об./мин гидравлические потери будут приблизительно равны базовым значениям, рассчитанным для продольного течения.