Файл: Щербань, А. Н. Прогноз и регулирование теплового режима при бурении глубоких скважин.pdf

Следует отметить, что сравнение процессов конвективного тепло­ обмена в скважинах для различных промывочных жидкостей необ­ ходимо производить в условиях идентичных режимов движения. Режимы течения должны устанавливаться при помощи определя­ ющих параметров, а теплоотдача — при помощи зависимостей, со­ ответствующих тому или иному классу жидкостей.

Приведенный выше анализ литературных работ позволяет сде­ лать вывод о необходимости экспериментальных исследований кон­ вективного теплообмена глинистых растворов, поскольку имеющиеся решения довольно сложны и не всегда отвечают условиям течения бингамовских жидкостей, а экспериментальные данные немного­ численны и весьма разноречивы. Для движения бингамовских жид­ костей в каналах кольцевого сечения таковые вообще отсутствуют.

МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОДЕЛЬНЫХ Ж ИДКОСТЕЙ

Экспериментальное исследование теплоотдачи буровых глинистых растворов в лабораторных условиях вызывает большие трудности. Ограниченность размеров лабораторной установки и повышенная вязкость буровых растворов не позволяют осуществить гидравличе­

усмотрено создание модельных жидкостей того же класса, что и бу­ ровые глинистые растворы, а именно — вязко-пластичных жидко­ стей Бингама — Шведова. Модельные жидкости создавались с та­ ким расчетом, чтобы их реологические параметры позволили прово­ дить исследования в диапазоне критериев подобия, встречающихся в реальных условиях, с учетом зависимости параметров натураль­ ного раствора от температуры.

Как указывалось выше, структурированные системы характери­ зуются двумя параметрами — структурной вязкостью и динамиче­ ским напряжением сдвига, вследствие чего для характеристики ре­ жима движения глинистого раствора, помимо критерия Re, должен приннматься во внимание дополнительный критерий подобия Re", учитывающий пластичную составляющую сил трения в вязко-пла­ стичных жидкостях.

где индексы «и» и «м» означают натуру и модель соответственно, необходимо найти соответствующие значения скорости и реологи­ ческих параметров модельной жидкости. Геометрический фактор (эквивалентный диаметр) при этом остается неизменным. Величины Re„ = ReMи R,” = Re„ определяются, исходя из скорости движения жидкости в реальной скважине.

173

Решение уравнений (9.20)—(9.23) выполняется по методу после­ довательных приближений, исходя из известных реальных значений т)м. Прн этом значения скорости им устанавливаются в зависимости от допустимого расхода жидкости и конструкции модельной уста­ новки.

По изложенной выше методике был выполнен предварительный ориентировочный расчет реологических параметров модельной жид­ кости. Согласно этому расчету были приготовлены образцы глинистых суспензий.

Пробы глин (палыгорскита и IV слоя) подвергались механической очпстке от нежелательных примесей, размалывались в шаровой мельнице п просеивались через сито 0,1. Полученные порошки глин отмучивались с целью более тщательной очистки от примесей и за­ мачивались в дистиллированной воде в течение нескольких часов, после чего смеси подвергались диспергированию. Время дисперги­ рования определялось путем последовательных отборов проб и за­ меров пх реологических параметров до наступления их стабильности, что свидетельствовало о достижении состояния предельной дпспергацпи.

Реологические параметры измерялись на ротационном вискози­ метре, сконструированном на базе прибора СНС-2. Конструкция прибора позволяет определять не только статическое напряжение сдвига, но и структурную вязкость 1] с динамическим напряжением

сдвига т0. Методика работы на приборе в режиме ротационного вис­ козиметра и в режиме СНС-2 подробно приведена в работе [1].

Общий вид экспериментального стенда для измерения реологиче­ ских свойств глинистых растворов показан на рис. 43.

Изучение влияния высоких температур на реологические свойства глинистых растворов имеет важное значение как для практических, так и для исследовательских целей. Этому вопросу посвящены много­ численные исследования, которые показали, что с увеличением тем­ пературы структурная вязкость снижается, а предельное динамиче­ ское напряжение сдвига для различных растворов изменяется по-раз­ ному.

174

В настоящей работе было изучено влияние высокотемпературной обработки на изменение реологических свойств модельных жидко­ стей, предназначенных для исследования конвективного теплообмена. В данном случае представляло интерес получение данных' об обра­ тимости реологических свойств модельных глинистых растворов после их охлаждения до исходной температуры и степени их стабильности при дальнейших циклических процессах нагрева н охлаждения.

Приготовленные образцы глинистых растворов подвергались вы­ сокотемпературной обработке в гидротермальной установке Инсти­

исходной температуры. Структурная вязкость ц и динамическое напряжение сдвига т0 измерялись в процессе нагрева и охла­ ждения.

Анализ результатов проведенных исследований позволил уста­ новить, что термообработка привела к ликвидации необратимых изменений структурной вязкости независимо от температурных усло­ вий в процессе опытов, а для динамического напряжения сдвига — практически и обратимых.

175

Таблица 13

Термообработка модельных глинистых растворов

Состав глинистого

минерала, Реологические параметры % объсміі.

‘0,г Шмг

_

t—---------------’

L

J

1

2D 50 100 t, °С

Рис. 44. Зависимость реологических свойств модельных глинистых растворов от температуры:

а — структурная вязкость; б — динамическое напряжение сдвига; 1, 2, з, 4 — номера образ­

цов.

176

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛООТДАЧИ ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ

Назначение и конструкция экспериментальной установки (рис. 45, 46, 47) были продиктованы необходимостью исследования теплоот­ дачи буровых глинистых растворов, циркулирующих в бурящихся скважинах при различных видах бурения и режимах про­ мывки.

Установка позволяет проводить исследования в прямых верти­ кальных каналах круглого и кольцевого сечений. В последнем слу­ чае возможны варианты с концентрическим и эксцентрическим рас­ положением образующих кольцевой канал труб, а также с неподвиж­ ной и вращающейся вокруг своей оси внутренней трубой.

Циркуляция раствора в системе осуществляется циркуляционным насосом (см. рис. 45) для глинистых растворов типа ВН18 X 30

с высотой подачи 35 м вод. ст. и расходом до 150 л/мин. Для регули­ рования расхода раствора предусмотрена байпасная линия. Насос приводится в работу электродвигателем переменного тока (N = = 4,5 кВт). Установка снабжена индукционным расходомером типа ИР-1М, предназначенным для непрерывного автоматического изме­ рения расхода глинистого раствора. Расходомер состоит из датчика и измерительного блока. В измерительный блок расходомера встроен показывающий прибор со 100%-иой шкалой, соответствующей пре­ делам измерений расхода от 0 до 16 м3/ч. Условный диаметр про­ ходного капала датчика 50 мм. Для тарировки индукционного рас­ ходомера и для контроля его показаний предусмотрена мерная ем­ кость. Для хранения глинистого раствора во время прекращения работы установки предназначен сборный бак, снабженный рамной мешалкой для предварительного перемешивания раствора, а также электронагревателем для нагрева глинистого раствора до необхо­ димой температуры.

Для охлаждения глинистого раствора с целью поддержания постоянной температуры его на входе в опытный участок применен вращающийся кожухотрубный теплообменник.

Опытный участок, расположенный вертикально, представляет собой канал кольцевого сечения длиной 2 м, образованный двумя трубами из нержавеющей стали. Наружная труба посредством флан­ цев крепится к успокоительной и смесительной камерам. К внешним торцам камер также при помощи фланцевых соединений прикреплены корпуса шарикоподшипников, в которые вставляются полые хвосто­ вики внутренней трубы. Последняя при помощи резьбовых соеди­ нений и текстолитовых переводников ввинчивается в хвостовики. На иижиий хвостовик насажен шкив клиноременной передачи от электродвигателя, который приводит во вращение внутреннюю трубу со скоростью до 700 об/мин. Во внутреннюю трубу вмонтиро­ ван электронагреватель внутреннего обогрева мощностью 1,5 кВт, выполненный из нихромовой проволоки диаметром 1,2 мм.