Приложение О (справочное). Определение и контроль оседания утяжелителя

Приложение О
(справочное)

Определение и контроль оседания утяжелителя

О.1 Принцип

О.1.1 Цель настоящего приложения состоит в предоставлении информации и указаний на оседание утяжелителя, его влиянии на операции бурения и методах контроля оседания утяжелителя на буровой площадке.

О.1.2 Целевой аудиторией данного приложения являются инженеры, работающие как в офисах, так и на буровых площадках.

О.1.3 Оседание утяжелителя распознается по значительному (свыше 0,5 фунт/галлон) изменению плотности бурового раствора, когда за более легким следует более плотный, чем номинальная плотность раствора, измеренная при циркуляции бурового раствора с целью поднятия наверх бурового шлама, обычно когда утяжеленный раствор некоторое время оставался неподвижным (без циркуляции) в направленной скважине. При этом оседание проявляется как в статических, так и в динамических условиях и может возникать, когда буровой раствор находится в движении.

Примечание - Единица измерения фунты на галлон является обозначением отношения фунтов массы на галлон, которое используется в настоящем приложении.

О.1.4 Определение утяжелителя распространяется на все твердые частицы, которые намеренно добавляются в буровой раствор для повышения его плотности. Примером обычных материалов могут служить барит, гематит и карбонат кальция.

О.1.5 Понятие оседания утяжелителя применяется к сложным скважинам, которые весьма распространены. Они включают в себя: условия высоких температур и давления (НТНР), бурение с большим отходом от вертикали (ERD) и крутые наклонные скважины. Оседание утяжелителя имеет важное значение в следующих случаях:

a) при расчете скважинного гидростатического давления;

b) при контроле скважинного давления для обеспечения стабильности скважины относительно притока и выноса;

c) при нестабильности ствола скважины вследствие снижения эффективной плотности раствора;

d) при застревании бурильных труб;

e) при сложностях с обсадкой и каротажем;

f) при оценке эффективности промывки ствола.

О.2 Указания по использованию методов контроля оседания

О.2.1 Опыт показывает, что оседания утяжелителя невозможно полностью избежать. Однако его можно контролировать в такой степени, чтобы не допустить отрицательного влияния на операции бурения. Оседание утяжелителя связано не только с буровым раствором. На оседание также влияют геометрия ствола скважины, окружающая скважину среда и условия эксплуатации. Определенные условия при операциях бурения способствуют оседанию в динамическом режиме. Вероятности динамического оседания способствуют эксцентричность трубы, как, например, при спуске в искривленную скважину, и низкие скорости в кольцевом пространстве, например, менее 33 м/мин (100 фут/мин).

О.2.2 В настоящее приложение включены примеры расчетов, иллюстрирующие возможное влияние оседания утяжелителя на давление в скважине и возможность контроля таких изменений на буровой площадке. Ввиду сложности данной проблемы невозможно предложить единый предпочтительный метод контроля оседания утяжелителя. Рекомендуется использовать комбинацию ряда методик для получения качественной оценки возможности оседания и оценки преимуществ потенциальных мер по его предотвращению, например, добавления химических веществ в систему бурового раствора. В настоящем приложении даны пять методов контроля оседания утяжелителя. Четыре из них основаны на непосредственном измерении, а пятый - на гидравлических расчетах. Все пять методов подходят для применения на буровой площадке.

О.2.3 Ниже приведены эти пять методов:

a) контроль оседания утяжелителя с поверхности (раздел О.3);

b) полевой контроль оседания, основанный на плотности в скважине (раздел О.4);

c) динамическое испытание оседания утяжелителя - метод VSST (раздел О.5);

d) измерение реологических характеристик бурового раствора, у которого наблюдается оседание утяжелителя (раздел О.6);

e) полевой контроль оседания, основанный на критическом напряжении сдвига на стенке (раздел О.7).

О.2.4 За выбор метода или методов контроля несет ответственность инженер. Выбор должен быть связан со сложностью скважины и вероятностью оседания утяжелителя в полевых условиях. Контроль изменения удельного веса бурового раствора с поверхности является определением de facto наличия оседания. Определение плотности в скважине не всегда возможно, поскольку оно основано на спуске специальных скважинных приборов в бурильную колонну. Предложенные здесь экспериментальные методы могут использоваться по отдельности или в комбинации. Метод моделирования, основанный на критическом напряжении сдвига на стенке, легко осуществим и требует простых расчетов в сводной таблице.

О.2.5 Каждый из методов детально описан в разделах с О.3 по О.6.

О.2.6 В настоящее время ведутся исследования коренных причин оседания утяжелителя. В связи с этим ведется значительная работа по созданию новых методов контроля и количественного определения оседания. Некоторые из последних методик приведены в списке литературы (см. раздел О.8). В будущем возможно их включение в обновленное приложение, посвященное контролю оседания утяжелителя.

О.3 Контроль оседания утяжелителя с поверхности

О.3.1 Принцип

О.3.1.1 Изменение плотности бурового раствора на поверхности часто является первым признаком оседания утяжелителя в стволе скважины.

О.3.1.2 Регулярное измерение и контроль плотности бурового раствора на поверхности возможны на всех буровых площадках.

О.3.1.3 Колебания плотности на поверхности классифицированы как de facto критерий в определении оседания утяжелителя (см. раздел О.1.3).

О.3.1.4 Вариации плотности бурового раствора могут быть обнаружены при регулярном определении плотности на поверхности, входящем в штатный режим деятельности и регистрируемом на постоянной основе.

О.3.1.5 Принятой практикой количественного определения оседания утяжелителя по измерениям плотности на поверхности является получение проб бурового раствора, выходящего из скважины при спуске в скважину и ступенчатой циркуляции или при циркуляции с целью поднятия наверх бурового шлама с долотом на полной глубине, например, перед подъемом инструмента из скважины.

О.3.2 Аппаратура

О.3.2.1 Любое устройство для измерения плотности с точностью измерения  0,01 г/мл или  10 кг/м³ (0,1 фунт/галлон или 0,5 фунт/фут³).

Для определения плотности бурового раствора обычно используют рычажные весы. Конструкция рычажных весов предусматривает с одной стороны коромысла чашу для бурового раствора и с другой стороны - закрепленный противовес, при этом направляющая скользящего груза должна свободно перемещаться по градуированной шкале. Пузырек уровня крепится на штанге для обеспечения точности взвешивания. При необходимости увеличения диапазона взвешивания могут использоваться различные приспособления. Устройство подлежит частой калибровке с помощью пресной воды, например, раз в одну или две недели. Показание для свежей воды при температуре 21 °С (70 °F) должно составлять 1,00 г/мл или 1000 кг/м³ (8,33 фунт/галлон или 62,4 фунт/фут³). В противном случае необходимо выполнить соответствующую настройку с помощью регулировочного винта или количества свинцовых дробинок в отверстии на конце градуированного плеча. Калибровку верхней плотности выполняют согласно указаниям производителя на регулярной основе, например, ежегодно.

Примечание - Предпочтительным методом является использование рычажных весов под давлением. Это особенно важно в ситуациях, когда буровой раствор и система потока на поверхности неизбежно создают ситуации с высоким уровнем включения воздуха или когда раствор становится сильно газированным (см. раздел 5 настоящего стандарта, в котором используются рычажные весы под давлением).

О.3.2.2 Термометр диапазоном измерений от 0 до 105 °С (от 32 до 220 °F) с точностью измерений  0,25 °С ( 0,5 °F).

О.3.3 Процедура

О.3.3.1 В данной процедуре используется измерение плотности на поверхности для получения представления о плотности проб, взятых в различных точках кольцевого пространства, соответствующих ряду заранее определенных глубин или интервалов времени.

О.3.3.2 До спуска инструмента в скважину или его поднятия необходимо определить ряд глубин в скважине или интервалов времени для измерений раствора. Точные интервалы и периодичность взятия проб будут зависеть от конкретной скважины и должны учитывать ее геометрию, условия в скважине и другие рабочие моменты.

О.3.3.3 Плотность проб бурового раствора с заранее определенных глубин или через определенные интервалы времени измеряют с помощью рычажных весов. В соответствующих случаях используют рычажные весы под давлением (см. О.3.2.1). Пробы отбирают сразу после оборудования первичного контроля твердой фазы (вибрационных сит) с учетом сдвига времени переноса. Расчет сдвинутой глубины должен учитывать неравномерность геометрии ствола скважины, например, известное увеличение скважины и КПД объемного насоса. Эти моменты рассмотрены в О.3.4.

О.3.3.4 По возможности все определения плотности на поверхности следует проводить при одной температуре, например, 21 °С (70 °F). Независимо от этого, регистрируют не только плотность, но и соответствующую температуру. Эти данные используют для установления графической связи между измеренной плотностью и предпочтительной опорной температурой. Температуру записывают с точностью до  0,5 °С ( 1,0 °F).

О.3.4 Вычисления

О.3.4.1 Глубину взятия проб рассчитывают на основании вместимости кольцевого пространства и подачи нагнетательного насоса (механический КПД). В данном расчете учитываются только известные изменения вместимости кольцевого пространства, связанные с изменением геометрии, включая увеличение ствола скважины:

,

(О.1)

где - время, мин;

- объем кольцевого пространства, барр;

- производительность насоса, галлон/мин;

- КПД насоса, %.

О.3.4.2 В соответствующих случаях используют линейную диаграмму зависимости плотности от температуры для приведения всех измеренных данных к одной опорной температуре.

Пример изменения плотности в зависимости от температуры бурового раствора на углеводородной основе дан на рисунке О.1.

О.3.4.3 Вычисляют разность между максимальной плотностью раствора и номинальной плотностью раствора по уравнению (О.2), которая затем может использоваться для вычисления приводки оседания S по уравнению (О.3):

,

(О.2)

,

(О.3)

где - приводка оседания (см. [15]);

- максимальная зарегистрированная плотность бурового раствора, фунт/галлон;

- номинальная плотность бурового раствора, фунт/галлон.

X - температура, °F; Y - плотность бурового раствора, фунт/галлон

Рисунок О.1 - Пример вариации плотности на поверхности в зависимости от температуры (бурового раствора на углеводородной основе)

О.3.5 Представление данных

О.3.5.1 Записывают рабочие условия скважины в таблицу подъема инструмента (таблица О.1). В нее также включают необработанные данные измерения плотности бурового раствора относительно числа ходов насоса и времени.

Таблица О.1 - Пример таблицы подъема инструмента с указанием оседания

Отчет о подъеме бурового раствора на поверхность

СТРАНИЦА __ ИЗ __

Оператор		Дата
Наименование и номер скважины		Глубина/истинная вертикальная глубина		фут
Номер месторождения/ блока		Наклон скважины		°
Расположение		Размер скважины		дюйм
Штат/провинция/страна		Время вывода из скважины		ч
Инженер		Расход		галлон/мин
Примечания, действия		Номинальная плотность раствора при ___°F		фунт/галлон
		Максимальная плотность раствора при ___°F		фунт/галлон
		Минимальная плотность раствора при ___°F		фунт/галлон
		Расход при бурении до подъема		галлон/мин
		Оседание по VSST		фунт/галлон
		Приводка оседания R
		VSST, повышение давления		%

ДАННЫЕ ПОДЪЕМА НА ПОВЕРХНОСТЬ								Реология бурового раствора при 120 °F
Время	Число ходов насоса	Сдвинутая глубина, фут	Плотность бурового раствора, фунт/галлон		Температура в выкидной линии, °F	Вязкость по вискозиметру Марша, с	Газовые установки
			Буровые весы	Под давлением
								R600		PV
								R300		YP
								R200		LSYP
								R100		R3-10 с
								R6		R3-10, мин
								R3		R3-30, мин
								ПРИМЕЧАНИЯ

О.3.5.2 Строят профиль плотности на поверхности как функцию истинной глубины. Пример приведен на рисунке О.2.

X - измеренная глубина, фут; Y - сдвинутая плотность бурового раствора, фунт/галлон; 1 - номинальная плотность бурового раствора (17,9 фунт/галлон)

Рисунок О.2 - Пример профиля плотности на поверхности, основанный на данных при выходе на поверхность

О.4 Полевой контроль оседания, основанный на плотности в скважине

О.4.1 Принцип

О.4.1.1 Возникновение оседания утяжелителя в стволе скважины может быть обнаружено с помощью ряда скважинных измерений, которые включают в себя измерения плотности и давления, преобразованные в эквивалентную циркуляционную плотность (ECD). Однако интерпретация изменений плотности в скважине неоднозначна, поскольку другие причины, вызывающие изменение давления в скважине, могут влиять на плотность, при этом не влияя на возможность оседания утяжелителя.

О.4.1.2 Эти факторы могут включать вращение бурильной трубы, изменения подачи насоса и изменения плотности раствора вследствие изменений температуры и давления. Поэтому важна правильная интерпретация событий в скважине. Эти вопросы как раз и обсуждаются в настоящем разделе.

О.4.2 Измерение давления в скважине

О.4.2.1 Сегодня в бурении повсеместно применяют приборы для измерения давления в скважине. Эти приборы для измерения давления в затрубье в процессе бурения, обычно помещаемые рядом с долотом, имеют датчики, считывающие давление, прикладываемое столбом бурового раствора в данной конкретной точке, где находится прибор (см. [16] и [17]). Затем, на поверхности, измерения, полученные в скважине, преобразовывают в плотность, используя стандартное уравнение (О.4):

,

(О.4)

где - плотность бурового раствора, фунт/галлон;

- измеренное давление, манометрическое, фунт/дюйм²;

- истинная глубина по вертикали, фут.

О.4.2.2 Плотность, вычисленную по измерениям давления в скважине при циркуляции бурового раствора, называют эквивалентной циркуляционной плотностью (ECD), а измеренную при статическом состоянии бурового раствора - эквивалентной статической плотностью (ESD). В обычных случаях бурения ECD всегда будет выше ESD.

О.4.3 Признаки состояния утяжелителя, получаемые с помощью скважинных приборов измерения давления

О.4.3.1 Происходящее с утяжелителем может быть обнаружено и измерено с помощью скважинных приборов измерения давления при статическом или динамическом состоянии раствора. Подтверждение оседания утяжелителя при статическом состоянии раствора видно на рисунке О.3, где приведены показания прибора для измерения давления в затрубье во время спуска бурильной колонны в скважину.

X - эквивалентная плотность раствора, фунт/галлон; Y - глубина T_VD (истинная вертикальная), фут; 1 - данные моделирования; 2 - данные давления при спуске в скважину

Примечание - См. [18].

Рисунок О.3 - Изменение плотности в скважине, измеренной при спуске бурильной колонны в скважину

О.4.3.2 При ESD, равной 13,4 фунт/галлон, скважинный прибор отметил начало снижения плотности на отметке примерно 6000 футов T_VD. Плотность продолжала снижаться примерно до 14 000 футов T_VD. Далее измеренная плотность начала увеличиваться выше базовой плотности 13,4 фунт/галлон, достигнув максимального значения примерно 19,0 фунт/галлон. На рисунке О.3 видны признаки оседания утяжелителя на глубине ниже 6000 футов T_VD:

a) снижение плотности с последующим ее повышением;

b) колебание плотности между 19,0 и 13,4 фунт/галлон, что дает теоретическое значение 5,6 фунт/галлон (19,0-13,4 фунт/галлон);

c) величина оседания 5,6 фут/галлон, что превышает значение 0,5 фут/галлон, по определению оседания утяжелителя. Поэтому данное событие квалифицируется как оседание утяжелителя.

О.4.3.3 В другом случае, при спуске в скважину, оседание утяжелителя было обнаружено долотом на нескольких глубинах, как видно из рисунке О.4. При спуске в скважину наблюдаются необъяснимые повторяющиеся колебания ESD (свойственные для случаев оседания утяжелителя) на глубине 1500, 4000 и 15 000 футов. На 15 000 футов были включены насосы. Измеренная низкая плотность почти 10 фунт/галлон быстро возрастает до 12,3 фунт/галлон, когда вращение бурильной колонны подхватывает частицы утяжелителя, лежащие на нижней стенке ствола скважины, и вовлекает их в основной поток. Далее, когда долото достигло отметки 21 200 футов, насосы были снова включены, и ECD быстро возросла с 11,2 до почти 14,2 фунт/галлон. Как и в предыдущем примере, колебание плотности бурового раствора 3 фунт/галлон квалифицирует событие как оседание утяжелителя.

Рисунок О.4 - Возникновение оседания утяжелителя при динамических условиях

О.4.3.4 Без вмешательства циркулирующая система будет выказывать меньшие и большие плотности в течение многих циклов циркуляции, пока система не достигнет в конечном счете равновесия. Однако такие колебания могут представлять трудности для регулирования скважины, поэтому важно быстро реагировать при возникновении оседания утяжелителя на буровой площадке.

О.4.4 Изменения давления в скважине, не связанные с оседанием утяжелителя

О.4.4.1 Интерпретация в полевых условиях

В полевых условиях изменения давления в скважине могут быть вызваны другими факторами, не связанными с оседанием утяжелителя. Изменение подачи насоса, скорости вращения бурильной трубы и плотности раствора (особенно в случае инвертных эмульсионных растворов) может привести к изменению плотности в скважине. Важно понимать, что изменения плотности, вызванные этими факторами, не связаны с оседанием утяжелителя.

О.4.4.2 Изменение подачи насоса

О.4.4.2.1 При повышении или понижении подачи насоса трение на стенке скважины соответственно повышается или понижается. Приборы для измерения давления в скважине измеряют эти изменения в давлении в кольцевом пространстве, которые можно перевести в ECD.

О.4.4.2.2 Изменения ECD, вызванные изменениями подачи насоса, можно предсказывать, используя программы гидравлики бурового раствора, которые могут проверить, ожидается ли изменение в измеряемом давлении в скважине.

О.4.4.3 Изменения плотности в скважине

О.4.4.3.1 Некоторые буровые растворы, особенно инвертные эмульсионные растворы и те, в состав которых входит нефть, способны изменять плотность в зависимости от температуры и давления.

О.4.4.3.2 Это явление связано исключительно со сжимаемостью растворов и тепловым расширением. Эти свойства могут быть охарактеризованы с использованием коэффициентов, полученных по лабораторным данным ДОТ.

О.4.4.3.3 В стандарте [33] содержатся процедуры и коэффициенты, необходимые для прогнозирования плотности бурового раствора в зависимости от температуры и давления.

О.4.4.4 Изменения скорости вращения бурильной трубы

О.4.4.4.1 Изменения скорости вращения бурильной трубы также могут влиять на результаты измерения давления в скважине.

О.4.4.4.2 На рисунке О.5 показаны изменения давления в скважине в результате колебаний скорости вращения бурильной трубы, полученные с помощью скважинных приборов измерения давления.

1 - скорость вращения, об/мин; 2 - давление в скважине, фунт/дюйм²

Рисунок О.5 - Влияние изменений скорости вращения бурильной трубы на давление в скважине

О.4.4.4.3 Взаимодействие тангенциальных скоростей, образованных вращением бурильной колонны, и осевых скоростей в результате подачи насоса приводит к образованию спирального потока и более высокому давлению в скважине. Это явление часто отмечается приборами для измерения давления в скважине. Эти повышения давления в скважине были измерены в ходе полевых экспериментов (см. [19], [20] и [21]). Опубликованные данные показывают, что эти повышения обычно лежат в диапазоне от 0,05 до 0,3 фунт/галлон при скоростях вращения бурильной колонны 50 и 200 об/мин.

а) Для конкретного проекта бурения изменения ECD в скважине, вызванные только вращением бурильной колонны, могут быть измерены в полевых условиях. Такие измерения часто называют выявлением характерных признаков - fingerprinting. Обычно лучше всего проводить эти испытания внутри свежецементированной обсадной колонны до начала разбуривания. Это исключает наличие шлама в кольцевом пространстве, который может влиять на изменение плотности. Может быть выбран ряд подач насоса и скоростей вращения бурильной трубы; эти значения должны включать в себя минимальные и максимальные уровни, используемые при бурении. Пример матрицы для выявления характерных признаков показан в таблице О.2.

Таблица О.2 - Матрицы для выявления характерных признаков влияния вращения бурильной трубы на плотность в скважине

Скорость, об/мин	Минимальная подача насоса 1	Средняя подача насоса 2	Максимальная подача насоса 3
1	Х11	Х21	Х31
2	Х12	Х22	Х32
3	Х13	Х23	Х33

b) Результаты эксперимента по выявлению характерных признаков в полевых условиях показаны на рисунке О.6. Они могут использоваться для интерполяции ожидаемых увеличений плотности в скважине при изменении подачи насоса и скорости вращения бурильной колонны при бурении ниже башмака обсадной колонны в необсаженном стволе скважины. Важно, чтобы система циркулировала при высокой скорости в кольцевом пространстве (по возможности, 225-250 фут/мин) до измерения для удаления огеленного бурового раствора из кольцевого пространства.

X - скорость вращения бурильной трубы, об/мин; Y - измеренное увеличение ECD, фунт/галлон; 1 - характерный признак при 1,000 галлон/мин; 2 - характерный признак при 900 галлон/мин; 3 - характерный признак 1,100 галлон/мин

Примечание - См. [21].

Рисунок О.6 - Выявление характерных признаков для бассейна Северного моря для трех значений расхода и четырех скоростей вращения бурильной колонны

c) Изменения давления, вызванные вращением бурильной колонны, могут быть смоделированы математически. Была построена сложная математическая модель для спирального потока с целью прогнозирования повышения давления в скважине от скоростей вращения, обычно используемых на месторождении (см. [21]). В этой работе тангенциальные скорости, вызванные вращением бурильной колонны, взаимосвязаны с осевыми скоростями, образуя скорости спирального движения потока. Скорости возле стенок забивной трубы затем используются для определения прогнозируемых скоростей сдвига у стенки, которые, в свою очередь, используются для вычисления падения давления раствора.

d) Поскольку данные вычисления сложны и не могут быть выполнены простыми уравнениями, был использован другой подход для вывода простого эвристического уравнения или системы уравнений, которые могут обеспечить удобное решение (см. [22]). Выведенное уравнение включает две основные переменные: отношение диаметров геометрии ствола скважины и скорость вращения бурильной колонны (об/мин). Они могут использоваться для вычисления ожидаемого повышения давления в определенном интервале. В этой работе общее уравнение дано как уравнение (О.5):

,

(О.5)

где - ожидаемое повышение давления, манометрическое, фунт/дюйм²;

- внутренний диаметр трубы, дюйм;

- наружный диаметр трубы или внутренний диаметр необсаженной скважины, дюйм;

- длина живого сечения, фут;

- вращение бурильной колонны, об/мин.

e) Увеличение ECD вычисляют как:

,

(О.6)

О.4.5 Теоретическая плотность раствора в скважине, за исключением эффектов по О.4.4

О.4.5.1 Теоретические плотности в скважине можно вычислить как для статического, так и динамического случая. В статическом случае плотность раствора в скважине должна быть равна ESD. Любые плотности выше или ниже, чем ESD  0,5 фунт/галлон, могут считаться случаем оседания утяжелителя. Это не касается тех участков кольцевого пространства, куда была закачана порция тампонажного раствора с утяжелителем до подъема из скважины. В этом случае высокая плотность в участке кольцевого пространства запланирована и неслучайна.

О.4.5.2 В динамических случаях плотность в скважине при вращении бурильной колонны должна включать:

a) , которая включает в себя ESD, падение давления циркуляции и дополнительное влияние на плотность шлама в кольцевом пространстве, прогнозируемое по модели очистки скважины;

b) , определяемую по уравнению (О.6) или интерполируемую, как описано в О.4.4.4.3.

О.4.5.3 Полная прогнозируемая ECD бурового раствора в кольцевом пространстве при циркуляции должна составлять:

,

(О.7)

где - падение давления и дополнительное влияние шлама на плотность;

- изменение давления вследствие вращения.

О.4.5.4 Если в стволе скважины, измеренное при помощи скважинных приборов, выше или ниже, чем (фунт/галлон), то существует вероятность события оседания утяжелителя и требуется дальнейший анализ.

О.4.6 Оседание утяжелителя, вызванное только вращением бурильной трубы

О.4.6.1 Проводилось моделирование вероятности оседания утяжелителя под влиянием медленного вращения бурильной трубы в статическом растворе (см. [22]). Примером необходимости для такого моделирования является ситуация на буровой площадке, когда буровик в ожидании погоды вращает буровую колонну с малой скоростью (5-25 об/мин) для предотвращения вероятности дифференциального прихвата.

О.4.6.2 В процессе моделирования было обнаружено, что при низких скоростях вращения бурильной колонны в статическом растворе существует вероятность оседания утяжелителя. Вязкость раствора ниже всего вблизи вращающейся бурильной колонны, как показано на рисунке О.7.

X - зазор, м; Y - вязкость, ; 1 - 5 об/мин; 2 - 10 об/мин; 3 - 15 об/мин; 4 - 20 об/мин; 5 - 25 об/мин

Примечание - См. [23].

Рисунок О.7 - Распределение вязкости раствора в зазоре кольцевого пространства, вызванное вращением бурильной колонны в статическом буровом растворе

О.4.6.3 Подобное уменьшение вязкости раствора в среде, уже демонстрирующей низкую вязкость, может ускорить оседание утяжелителя. Падение вязкости раствора у стенки вращающейся бурильной трубы имеет более серьезные последствия в случае эксцентричности, нежели концентричности расположения.

О.5 Динамическое испытание оседания утяжелителя - метод VSST

О.5.1 Принцип

О.5.1.1 В испытании на вискозиметре с фильтром осаждения (Viscometer Sag Shoe Test, VSST), которое может проводиться как на буровой площадке, так и в лаборатории, измеряется тенденция бурового раствора как используемого на буровой, так и приготовленного в лаборатории, при динамических условиях.

О.5.1.2 Испытание VSST открывает внутреннее свойство раствора, независимо от условий, при которых он использовался или будет использоваться. Как таковые результаты этого испытания должны использоваться совместно с эксплуатационными факторами для установления соотношения с оседанием, зарегистрированным в полевых условиях (аналогично тому, как измеренный предел текучести необходимо использовать совместно с его эксплуатационными факторами для установления соотношения с потерей давления).

О.5.1.3 Обозначение испытания VSST комбинировано из ротационного вискозиметра, используемого как миксер, и вставки из термопласта (фильтра оседания), конструкция которой позволяет собирать осевший утяжелитель в нижней части термостакана вискозиметра. На рисунке О.8 показано основное оборудование, необходимое для испытания VSST.

1 - шприц; 2 - сборный канал; 3 - ротор вискозиметра; 4 - фильтр осаждения VSST; 5 - металлический опорный диск; 6 - термостакан

Рисунок О.8 - Основное оборудование для метода

О.5.1.4 Тенденция к оседанию определяется по возрастанию плотности проб, взятых из сборного канала за период времени 30 мин. при стандартной температуре и согласованной скорости сдвига.

О.5.1.5 Испытание на захват утяжелителя может быть проведено как дополнительное измерение для определения удаления слоя при более высоких уровнях сдвига. Результаты могут быть использованы для определения возможности удаления слоя в полевых условиях до подъема инструмента из скважины.

О.5.2 Аппаратура

О.5.2.1 Вискозиметр с прямыми показаниями, приводимый в движение электродвигателем (см. размеры в 7.3.1.1).

О.5.2.2 Секундомер или таймер с точностью до  1 с.

О.5.2.3 Чаша вискозиметра с регулируемой температурой.

Примечание - Фильтр оседания входит в термостакан вискозиметра без особого усилия.

О.5.2.4 Термометр диапазоном измерений от 0 до 105 °С (от 32 до 220 °F) с точностью измерений  1 °С ( 2 °F).

О.5.2.5 Медицинский стеклянный шприц, 10 мл, составной, стойкий к растворителю, Norm-Jet производства HSW GmBH или аналогичный.

О.5.2.6 Дозировочная игла с тупым концом, 6 дюймов, 14 размер с люеровским разъемом.

О.5.2.7 Весы цифровые, с разрешением 0,01 г. Весы с тройным плечом могут использоваться в поле, где ожидается значительная вибрация.

О.5.2.8 Пикнометр или чаша реторты, 10 мл.

Примечание - Пикнометр не требуется, если испытание проводится на буровой площадке или если процедура включает в себя испытание на захват утяжелителя.

О.5.2.9 Лопаточка, 6 дюймов или аналог.

О.5.2.10 Дистиллированная вода.

О.5.2.11 Миксер Multimixer, способный работать на скорости (11 500  300) об/мин под нагрузкой, с одним рифленым импеллером диаметром примерно 25,4 мм (1 дюйм).

О.5.2.12 Емкость для смешивания глубиной 180 мм (7,125 дюйма), d = 97 (3,75 дюйма) в верхней части и 70 мм (2,75 дюйма) в нижней.

О.5.2.13 Фильтр оседания VSST (Sag Shoe) фигурный, цилиндрический диск, изготовленный из Delrin или аналогичного термопластичного материала, максимальным диаметром (57  0,38) мм [(2,35  0,015) дюйма] и длиной 27,7 мм (1,09 дюйма). Канал представляет собой желобок, прорезанный в термопластиковом диске и металлическом опорном диске, который доходит до дна термостакана. Металлический диск используется только для увеличения массы фильтра оседания, чтобы он не всплыл при работе с очень плотным раствором.

О.5.3 Методика

О.5.3.1 Сборка оборудования

О.5.3.1.1 Фильтр оседания устанавливают в термостакан, который потом устанавливается на пластину вискозиметра.

О.5.3.1.2 Пластину поднимают, пока верхняя часть фильтра оседания не коснется нижней части рукава вискозиметра, и отмечают опору у верхнего края запорного механизма.

О.5.3.1.3 Пластину и термостакан опускают на основу и отмечают опору на 7 мм (0,25 дюйма) ниже первой отметки.

О.5.3.1.4 Шприц с присоединенной иглой с тупым концом калибруют, используя дистиллированную воду и цифровые весы. Из цилиндра шприца выдавливают как можно больше воды и насухо вытирают наружную часть.

Примечание - Пикнометр или чашу реторты калибруют дистиллированной водой, если они будут использоваться для измерения плотности.

О.5.3.2 Измерение оседания

О.5.3.2.1 Фильтр оседания устанавливают в термостакан так, чтобы до сборного канала было легко дотянуться шприцем, например, от 60° до 90° с любой стороны от осевой линии вискозиметра.

О.5.3.2.2 Термостакан с фильтром оседания нагревают до 49 °С (120 °F).

О.5.3.2.3 В емкость отбирают 350 мл пробу раствора, хорошо перемешивают и переливают примерно 140 мл в термостакан. Наиболее достоверные результаты получаются при начальной температуре раствора, близкой к 49 °С (120 °F) для минимизации оседания при нагреве. Буровой раствор нагревают до 49 °С (120 °F) при перемешивании со скоростью 600 об/мин.

О.5.3.2.4 Верхний край запорного механизма вискозиметра устанавливают и фиксируют так, чтобы он совпадал с отметкой на опоре. Верхняя часть фильтра оседания должна быть на 7 мм (0,25 дюйма) ниже рукава вискозиметра.

О.5.3.2.5 Вискозиметр устанавливают на 100 об/мин и запускают таймер на 30 мин.

О.5.3.2.6 С помощью шприца с тупой дозировочной иглой, из которого вытеснен воздух, набирают чуть более 10 мл бурового раствора, оставшегося в емкости. Из шприца и иглы вытесняют оставшийся воздух и вдавливают поршень до 10 мл градуировочной отметки. Поверхности дозировочной иглы и шприца начисто и насухо вытирают.

О.5.3.2.7 Шприц с раствором взвешивают и записывают массу как в граммах.

Примечание - При использовании пикнометра или чаши реторты раствор переносят в них из шприца, взвешивают и записывают массу как в граммах.

О.5.3.2.8 Вращение вискозиметра останавливают по истечении 30 мин. периода испытания.

О.5.3.2.9 Повторяют процедуру по О.5.3.2.6, в этот раз набрав раствор из сборного канала фильтра оседания. Сборный канал можно нащупать кончиком иглы.

О.5.3.2.10 Шприц с раствором взвешивают и записывают массу как в граммах.

Примечание - При использовании пикнометра или чаши реторты раствор переносят в них из шприца, взвешивают и записывают массу как в граммах.

О.5.3.3 Измерение захвата утяжелителя () (дополнительное).

О.5.3.3.1 Аккуратно возвращают 10 мл пробу из наполненного раствором шприца, полученную по О.5.3.2.9, в сборный канал фильтра оседания.

О.5.3.3.2 Вискозиметр запускают на скорости 600 об/мин на 20 мин.

О.5.3.3.3 Пробу из сборного канала фильтра оседания собирают как в О.5.3.2.9. Шприц с раствором взвешивают и записывают массу как в граммах.

О.5.4 Вычисления

О.5.4.1 В_VSST вычисляют по следующей формуле:

,

(О.8)

где - количество осадка утяжелителя, фунт/галлон;

- масса бурового раствора, взятая с фильтра оседания после среза при 100 об/мин, г;

- масса бурового раствора после среза при 100 об/мин, г.

В отчете указывают В_VSST в фунтах массы на галлон.

О.5.4.2 Необязательную величину R_BPU вычисляют по формуле:

,

(О.9)

где - вычисленное соотношение захвата утяжелителя, %;

- масса бурового раствора, взятая с фильтра оседания после среза при 100 об/мин, г;

- масса бурового раствора, взятая с фильтра оседания после среза при 600 об/мин, г;

- количество осевшего утяжелителя, фунт/галлон.

Указывают R_BPU в процентах.

О.6 Измерение реологических характеристик бурового раствора, у которого наблюдается оседание утяжелителя

О.6.1 Принцип

О.6.1.1 Современные реометры способны измерять более широкий спектр свойств, чем традиционные полевые вискозиметры, и делать это с большей точностью. В настоящем разделе рассматривается использование таких приборов для измерения и анализа буровых растворов, склонных к оседанию утяжелителя.

О.6.1.2 Буровые растворы, склонные к оседанию утяжелителя, являются по определению нестабильными во времени. Это затрудняет их реологические измерения. На величину любых измеренных величин могут влиять методы подготовки образца и изменение по времени сдвига испытательного раствора.

О.6.1.3 Выработка указаний по подготовке образцов и выбору оборудования будет способствовать более значимому анализу образцов бурового раствора при исследовании оседания.

О.6.1.4 Приведенный в настоящем разделе метод дает достоверную информацию только при скоростях в кольцевом пространстве 100 фут/мин и выше.

О.6.2 Область применения

О.6.2.1 В настоящее время не существует принятых в нефтяной промышленности методов, относящихся к оборудованию или методологии, используемым при измерении реологических параметров, связанных с оседанием утяжелителя в буровых растворах.

О.6.2.2 Существует распространенная точка зрения, что измерения вязкости при низких (менее 1,0 с^-1) скоростях сдвига и различных реологических параметров, выведенных из измерений колебательных процессов, полезны при количественном определении фактической или потенциальной способности раствора к оседанию утяжелителя.

О.6.2.3 Данный раздел применяется как к буровым растворам, используемым на площадке, так и к смешанным в лаборатории.

О.6.3 Аппаратура

О.6.3.1 Реометры: для целей данной процедуры их отличают от вискозиметров более высокая степень точности и диапазон измерений.

a) Обычные способности, свойственные только реометрам, включают очень низкие скорости сдвига, измерения колебательных процессов и способность проводить измерения при повышенных температурах и давлении.

b) Реометры, подходящие для подробного изучения оседания буровых растворов, должны быть способны:

1) точно измерять вязкость при скоростях сдвига от примерно 1000 с^-1 непрерывно до 0,01 с^-1 или ниже;

2) к выполнению функций при колебательных процессах для вычисления динамического модуля упругости (G`) и модуля механических потерь (G``);

3) точно измерять напряжения ниже 0,02 фунт-сил/100 фут².

О.6.3.2 Водяная баня с поддерживаемой температурой от 60 до 70 °С (от 140 до 160 °F).

О.6.3.3 Миксер высокоскоростной, например, SilversonLR4 или Waring Blendor.

О.6.4 Подготовка образца

О.6.4.1 Полевые пробы, доставляемые в лаборатории, подвергались широкому ряду испытаний со сдвигом. Для значимых лабораторных измерений пробы должны быть полностью ресуспендированны. Если планируется сравнение измерений различных растворов, важно обеспечить полное ресуспендирование и повторный сдвиг как можно ближе к стабильным свойствам. После выполнения этого условия измерения могут проводиться в различное время.

О.6.4.2 При перемешивании пробы должно использоваться все содержимое емкости для хранения. По своей природе образцы растворов, взятые ввиду проблем с оседанием, будут иметь осевшую твердую фазу при хранении. Вся твердая фаза должна быть удалена из емкости до перемешивания.

О.6.4.3 Пробу перемешивают при высокой скорости сдвига, используя соответствующий высокоскоростной миксер, например, SilversonL4R, WaringBlendor или аналог, в течение 15 мин. на объем 350 мл. Объем 1400 мл должен быть подвергнут сдвигу в течение 1 ч. Охлаждение пробы проводят в диапазоне температуры от 60 до 71 °С (от 140 и 160 °F) с использованием водяной бани. По достижении данной температуры пробу накрывают во избежание испарения воды. Если проба слишком велика для перемешивания одной партией, допускается проводить перемешивание нескольких партий с их последующим объединением. В таких случаях нужно сделать все возможное для уменьшения времени между перемешиванием первой и последней партий.

О.6.4.4 Для каждого реологического измерения регистрируют время, прошедшее между сдвигом раствора, как описано в О.6.4.3, и проведением измерения.

О.6.4.5 Непосредственно перед каждым реологическим измерением требуется сдвиг раствора в реометре примерно при 1000 с^-1 не менее 2 мин.

О.6.5 Возможные реологические испытания

О.6.5.1 При использовании реометров возможно проведение большого ряда испытаний. Путем изучения нескольких подобных тестов можно получить лучшее понимание исследуемого раствора. Именно с этой целью должны отбираться испытания.

О.6.5.2 Возможные, представляющие интерес испытания буровых растворов включают в себя:

a) тиксотропные петли (гистерезиса) - наблюдение за тенденцией раствора к образованию структуры и за тем, насколько легко она разрушается при сдвиге;

b) измерение нижнего предела текучести - множественными методами, наблюдая за точкой, в которой наблюдается фактическая текучесть раствора;

c) охват контролируемой скорости/напряжения - получение реологической кривой, демонстрирующей связь между напряжением и вязкостью со скоростью деформации;

d) охват колебательной деформации/напряжения - важен для определения области линейных вязкоупругих свойств (для дальнейших колебательных испытаний) и для определения динамического предела текучести;

e) охват частоты колебаний - дает информацию о свойствах структуры исследуемого раствора для ряда скоростей деформации, обычно выполняется на растворе, которому до испытания был предоставлен период гелеобразования;

f) охват времени колебаний - наблюдение за тем, как структура раствора растет и сохраняется при низкочастотной деформации за длительный период времени, обычно проводится на растворе, которому не был предоставлен период гелеобразования до начала испытания.

О.6.5.3 В отличие от обычных шестискоростных полевых вискозиметров, в которых используется исключительно вращение рукава вокруг ротора с торсионной пружиной (геометрия Куэтта), реометры предоставляют на выбор множество геометрий для испытания. Они включают в себя геометрию Куэтта, двухзазорную геометрию Куэтта, многолопастные стержни, параллельные пластины, конусы и пластины, а также модификации любых геометрий из вышеперечисленных путем повышения шероховатости поверхности для уменьшения эффектов скольжения на стенке при очень низких скоростях сдвига. Испытательную геометрию выбирают в соответствии с задачами проводимого испытания и типом раствора.

О.6.5.4 В ходе подготовки раздела О.6 был проведен ряд карусельных экспериментов с участием нескольких лабораторий. Эти лаборатории использовали различные приборы и следовали инструкциям их производителей. Список приборов включает в себя следующие, хотя существуют и другие производители:

a) BohlinGemini;

b) BrookfieldPVS;

c) GraceM3500a-1;

d) OFIModel 900;

e) Physica MCR101;

f) RJF вискозиметр.

О.6.6 Интерпретация данных

О.6.6.1 В различных публикациях (см. [24]) предполагается тесная взаимосвязь оседания утяжелителя с вязкостью раствора при очень низких скоростях сдвига. Рассматриваемые скорости сдвига обычно лежат в пределах от 0,1 до 1,0 с^-1. Измерение вязкости при этих скоростях сдвига с использованием обычных полевых вискозиметров на буровой площадке невозможно.

О.6.6.2 С 2000-х гг. стали доступны более сложные устройства. Современные реометры, рассматриваемые в данном подразделе, способны выполнять данные измерения как часть основного ряда испытаний, разработанных для получения полного реологического анализа конкретного раствора.

О.6.6.3 Были предложены значения вязкости, достаточные для предотвращения оседания инвертных эмульсионных растворов в динамических полевых условиях (см. [25]), а на рисунке О.9 показан стандартный график. На нем непрерывные параллельные линии представляют верхнюю и нижнюю границы допустимой вязкости, т.е. вязкость, достаточную для предотвращения динамического оседания утяжелителя при обычных условиях бурения, но не слишком высокую для того, чтобы вызвать другие проблемы, связанные с бурением. Необходимо помнить, что вязкость и скорость сдвига основаны на номинальной скорости сдвига, вычисленной для ньютоновских жидкостей. Это согласуется с предыдущими публикациями по этой методике. Однако изменения, связанные с неньютоновским поведением стандартных инвертных эмульсионных растворов, дают относительно небольшие отклонения от этих номинальных значений.

X - скорость сдвига, с^-1; Y - вязкость, сП; 1 - 20 000 сП; 2 - 2500 сП; 3 - 12 000 сП; 4 - 1500 сП; 5 - кривая вязкости для бурового раствора с минимальной ожидаемой склонностью к оседанию

Примечание - См. [24].

Рисунок О.9 - Опубликованное "Окно оседания" для буровых растворов по скорости сдвига

О.6.6.4 Интерпретация данных реологических испытаний должна проводиться в контексте конкретного испытуемого раствора. Генерализация реологического поведения конкретной системы раствора и попытка применения результатов на других системах вполне возможна.

О.6.6.5 Если базовые характеристики системы отличаются, т.е. при отличных утяжелителях и соотношениях нефть - вода, отличных типах загустителя, значительных изменениях состава внутренней фазы, существенно отличающейся химии эмульгатора, выводы, сделанные для одной системы, могут оказаться неприменимыми для другой. Реологические испытания и оценка каждого раствора должны проводиться при известных физических характеристиках этого раствора. Кроме того, все проведенные реологические испытания должны учитываться при формировании заключения об эксплуатационных характеристиках раствора.

О.6.6.6 Часто помогает наблюдение за тенденциями к изменению реологических характеристик бурового раствора при внесении небольших изменений (обработки) в систему. В таких условиях необходимо отслеживать влияние подобной обработки. Особенно следует отмечать изменение вязкости при изменении концентраций компонентов. Аналогично следует отмечать изменения G`, G`` и тангенса угла потерь под влиянием изменений компонентов. Особенно следует искать свойства, ведущие к улучшенным/оптимальным эксплуатационным характеристикам, например, максимальной структуре без чрезмерной вязкости или проблем с ECD, основываясь на изменениях компонентов.

O.7 Полевой контроль оседания, основанный на критическом напряжении сдвига на стенке

О.7.1 Принцип

Представлено использование гидравлического моделирования для прогнозирования начала оседания утяжелителя при динамических условиях (см. [26]). В этом методе прогнозирования подразумевается, что при условии достаточных касательных напряжений в буровом растворе у стенки в нижней части ствола скважины с отклонением от вертикали не начнется формирование слоя барита. Если движущийся раствор не имеет достаточных касательных напряжений, начинается скопление частиц барита (см. [25]).

О.7.2 Прогнозирующая модель

О.7.2.1 Реологические свойства бурового раствора получают по данным вискозиметра, вискозиметров HTTP или из прогнозируемых скважинных данных.

О.7.2.2 Вычисляют реологические параметры раствора Гершела - Балкли с помощью математического регрессионного анализа, как описано в стандарте [33], пункты 4.9.4 и 5.2.3. Рекомендуется использовать компьютерную программу или сводную таблицу для выполнения этого сложного анализа данных.

О.7.2.3 В гидравлических расчетах следует использовать наружный и внутренний диаметры геометрии в определенном интервале, где подозревается оседание утяжелителя. Эксцентричность внутренней трубы задают высоким значением (е = 0,7 рекомендуется).

О.7.2.4 Вычисляют минимальное падение давления в данной геометрии для сдвига кольцевого пространства в узком зазоре:

,

(О.10)

где - градиент давления, манометрического, ;

- нижний предел текучести бурового раствора, фунт-сила/100 фут²;

- длина, фут.

О.7.2.5 Используя методы итерации, находят скорость циркуляции, необходимую для обеспечения этого падения давления в эксцентричном кольцевом пространстве. Прибавляют 10 % скорости циркуляции к этому значению для того, чтобы полученное значение гарантированно было выше минимальной скорости циркуляции.

О.7.2.6 По уравнениям падения давления в стандарте [33] получают прогнозируемые профили скорости раствора на некотором расстоянии от стенки, используя различные скорости циркуляции (поток должен быть ламинарным) (см. раздел 4 и 7.4). По определению скорость раствора на стенке должна быть равна нулю. Также вычисляют среднюю скорость в кольцевом пространстве v_а, для каждого случая.

О.7.2.7 По значениям скорости у стенки вычисляют соответствующие скорость сдвига раствора и касательные напряжения .

,

(О.11)

где - скорость сдвига бурового раствора, с^-1;

- изменение скорости в кольцевом пространстве, фут/мин;

- расстояние от внешней стенки, дюйм.

,

(О.12)

где - касательное напряжение на стенке, фунт-сила/100 фут²;

- предел текучести бурового раствора фунт-сила/100 фут²;

- коэффициент подвижности, фунт-сила/с;

- скорость сдвига бурового раствора, с^-1.

О.7.2.8 Моделируют повышенные скорости циркуляции (обычно достаточно четырех случаев) для нахождения наклона кривой b скорости в кольцевом пространстве и касательных напряжений раствора на стенке. В ламинарном потоке наклон кривой, связывающей скорость в кольцевом пространстве и касательные напряжения раствора, будет линейным или нелинейным.

О.7.2.9 Вычисляют критическое напряжение сдвига на стенке для скорости в кольцевом пространстве 30 фут/мин:

,

(О.13)

где - касательное напряжение на стенке, фунт-сила/100 фут²;

- предел текучести бурового раствора, фунт-сила/100 фут²;

- угол наклона скорости в кольцевом пространстве и касательных напряжений у стенки в ламинарном потоке, согласно определению в О.7.2.8;

- скорость в кольцевом пространстве, фут/мин.

Примечание - Выбранная скорость в кольцевом пространстве 30 фут/мин основана на опубликованных данных; она соответствует примерной скорости, при которой возникает максимальный уровень оседания (см. [26]).

О.7.2.10 По значению, вычисленному в уравнении (О.13), определяют прогнозируемое максимальное оседание утяжелителя на рисунке О.10.

X - касательных напряжения на стенке, фунт-сила/100 фут²; Y - прогнозируемое динамическое оседание, фунт/галлон

Рисунок О.10 - Прогнозируемое динамическое оседание как функция вычисленных значений

О.7.3 Сравнение лабораторных и полевых данных

О.7.3.1 Прогнозируемое максимальное оседание утяжелителя при динамических условиях было получено по лабораторным данным при условиях испытания, весьма способствовавших началу оседания утяжелителя.

О.7.3.2 В поле эти условия часто не такие благоприятные, и гидравлический метод, описанный здесь, обычно завышает прогнозируемую величину измеренного оседания.

О.8 Дополнительная литература по теме

Анализ оседания утяжелителя по-прежнему является областью активных исследований. В списке литературы приведены источники (см. [28], [29], [30], [31] и [32]), которые расширяют методику, описанную в настоящем приложении. По мере оценки и описания новых идей, вероятно, появятся дополнительные статьи поданному вопросу.