1.2 Методы определения забойного давления в скважине

Развитие технологии бурения скважин сопровождается увеличением количе- ства контролируемых признаков, характеризующих бурение скважин, в частности необходимостью определения величины действующего забойного давления.

В США и странах Западной Европы выпускаются станции Визулогер (фирма "Тотко"), НДТ и СДТ (Бароид), М/Д-3200 (Мартин Деккер), ТДС, АЛС (Геосервис), Адвизор-система (Арадрил Шлюмберже) и др. [8].

Отечественные и зарубежные фирмы изготавливают как отдельные датчики и измерительные каналы для контроля технологических параметров бурения скважин, так и системы контроля с микропроцессорной техникой. Применение вычислитель- ной техники позволило существенно расширить функциональные возможности комплексов контроля (диагностика, прогнозирование состояний скважин, накопле- ние, хранение информации и др.) [13]. Многофункциональные компьютеризирован- ные станции геолого-технологического контроля и оптимизации бурения в настоя- щее время получили широкое распространение. Современные компьютеризирован- ные станции геолого-технического контроля бурения и СПО производят измерения, обработку, индикацию, распечатку и аналоговую регистрацию параметров.

Система принимает и обрабатывает информацию с технологических датчиков, контролирующих параметры бурения, бурового раствора и данные газового карота- жа; часть данных вводится в систему оператором через клавиатуру (результаты ла- бораторного измерения реологических свойств раствора вводятся оператором вруч- ную).

терминал, устройство печати и графопостроитель. Данные по скважине накаплива- ются системой и доступны для дальнейшей обработки.

В последние годы интенсивно развивается новое направление промысловой геофизики - получение информации с забоя непосредственно в процессе бурения с помощью телеметрических забойных систем (ТЗС). Создаваемые на первом этапе для измерения параметров траектории стволов наклонно-направленных скважин, бурящихся с плавучих буровых установок, в настоящее время ТЗС включают в себя практически весь комплекс ГИС для открытого ствола, а также целый ряд техноло- гических параметров. Время их бесперебойной работы доведено до 200 и более ча- сов, дальность передачи информации по каналу связи превышает 6000 м. Не менее перспективно использование в составе современных аппаратурно-методических комплексов ГТИ автономных забойных систем (АЗС). АЗС представляют собой встраиваемые или сбрасываемые в компоновку низа бурильной колонны (КНБК) приборные комплексы на современной элементной базе, регистрирующие в процес- се спуска инструмента, бурения и подъема инструмента траекторные параметры скважины, технологические параметры процесса бурения, параметры свойств гор- ных пород.

Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод, что в практике массового бурения отсутствует надежное устройство для измерения в режиме реального вре- мени абсолютной величины давления на забое скважины. В большинстве случаев определение действующего забойного давления в процессе бурения скважины вы- полняется по расчетной схеме с использованием измерений (датчиков, лаборатор- ных замеров) и гидродинамических расчетов.

В общем виде забойное давление вычисляется по формуле

Рзаб=Ру+Ркп+РЕН, (1)

где Рзаб - действующее забойное давление, Па; Ру - устьевое давление, Па;

Ркп - потери давления на преодоление гидравлических сопротивлений в коль- цевом пространстве, Па; р - плотность бурового раствора, кг/м ; g - ускорение свободного падения, м/с2; Н - глубина забоя скважины, м.

Вычисление величины потерь давления на преодоление гидравлических со- противлений в кольцевом пространстве осуществляется в рамках составления гид- равлической программы бурения скважины, которая основана на расчетах гидрав- лических сопротивлений в системе по заданной подаче насосов и заданным показа- телям свойств буровых растворов [16]. Такая схема выбора гидравлической про- граммы не позволяет с достаточной точностью определять значения действующих давлений в реальной скважине (особенно в кольцевом пространстве), так как не учитывает гидромеханические и тепловые процессы в бурящейся скважине.

Прежде всего, вычисление величины потерь давления на преодоление гидрав- лических сопротивлений невозможно без правильного определения реологических характеристик буровых растворов (динамическое напряжение сдвига т0, пластиче- ская вязкость г|) и, следовательно, гидравлических сопротивлений при циркуляции растворов в бурящейся скважине. Свойства буровых растворов, выполняющих по- мимо основных функций (очистка забоя, вынос шлама) также роль теплоносителя, изменяются под воздействием высоких температур и давлений.

отклонении реальных реологических характеристик от бингамовских констант, но и в принадлежности большинства буровых растворов к иному виду жидкостей - не- стационарных по реологическому состоянию [21].

В настоящее время становится очевидным, что бингамовские характеристики буровых растворов не всегда точно отображают физическую природу этих сложных систем. Однако следует отметить, что многие разработки, например удерживающая и транспортирующая способности буровых растворов, гидравлические сопротивле- ния, выбор режимов очистки и т.д., составляющие основу отечественной гидравлики бурения, традиционно базировались на использовании бингамовской модели.

В практике бурения реализация замеров реологических характеристик воз- можна лишь на серийном отечественном приборе ВСН-3. Согласно инструкции пре- дусматривается только упрощенный метод замера бингамовских характеристик пу- тем измерения угла закручивания упругого элемента при двух частотах вращения внешнего цилиндра. При фиксировании же полной реограммы возникают неминуе- мые затруднения в определении коэффициентов для пересчета показаний динамо- метра и интенсивности вращения внешнего цилиндра вискозиметра в касательное напряжение на стенке и среднюю скорость сдвига. Последние являются консистент- ными переменными и служат основой для перехода от характеристик консистентной кривой к показателям истинной кривой течения, отражающим свойства текущей среды. Эти характеристики различны по физическому смыслу и по величине. Кроме того, известно, что реологические характеристики большинства используемых бу- ровых растворов не инвариантны, как предполагается, в результате влияния тиксо- тропных свойств (статическое напряжение сдвига), которые не фиксируются при замере на вискозиметрах различных типов, а также при существующих методах оп- ределения непосредственно в скважине.

Многочисленные экспериментальные исследования [11, 45, 47, 50] показали, что измерения, проведенные при атмосферных условиях, не могут дать точных и полных сведений о реологическом поведении бурового раствора по всему стволу скважины при высоких температурах и давлениях.

Известны способы, позволяющие определять реологические характеристики

бурового раствора в скважине: -

определение вязкости бурового раствора Г| в процессе бурения, по которому останавливают механическое бурение и промывку скважины, создают страгиваю- щее усилие путем спуска бурильной колонны в скважину, замеряют время после на- чала спуска до начала выхода бурового раствора из скважины и определяют rj в ин- тервале спущенной колонны по математической формуле [4]; -

определение динамического напряжения сдвига бурового раствора т0 в про- цессе бурения, по которому останавливают механическое бурение и промывку скважины, создают страгивающее усилие путем спуска бурильной колонны в сква- жину, замеряют время начала спуска до начала течения бурового раствора из сква- жины в желоб и длину спущенных за это время бурильных труб, причем значение т0 определяют в интервале спущенной колонны по математической формуле [3].

Недостатком указанных способов является низкая точность определения пла- стической вязкости и динамического напряжения сдвига бурового раствора, т.

В настоящее время реометрия буровых растворов требует развития, как в тех- ническом отношении, так и в разработке методических указаний по замерам показа- телей реологического состояния, т.е. создания специальной аппаратуры, модели- рующей глубинные условия, что представляется серьезной отдельной проблемой. Таким образом, несмотря на достаточно глубокие разработки теории реометрии жидкостей, особый интерес представляет разработка метода замера реологических характеристик буровых растворов в реальной скважине.

В связи с этим актуальным является вопрос определения средневзвешенных

по стволу скважины значений пластической вязкости и динамического напряжения сдвига бурового раствора с учетом фактических данных бурения и использованием методических основ традиционной реометрии буровых растворов и применения по- лученных значений в расчетах гидродинамических давлений в бурящихся скважи- нах [38].