К аэрированным буровым растворам могут быть отнесены все типы глинистых,
безглинистых буровых растворов, а также растворы на углеводородной
основе, аэрированные воздухом или любым другим газообразным агентом.
Традиционно такие растворы называют аэрированными, считая, что если
буровой раствор насыщается воздухом с помощью специального аэратора, то
он является аэрированным.
Аэрация — это процесс насыщения бурового раствора пузырьками воздуха или
газом с помощью компрессорной установки или непосредственно от
газопроводов высокого давления. Введение пузырьков воздуха в буровой
раствор и их рассредоточение в нем вызывает в многофазной системе
псевдоожижение твердой фазы. Псевдоожижение системы аэрированного
бурового раствора зависит от содержания воздушных пузырьков, их
дисперсности, фильности глины, химического и механического
диспергирования компонентов. В результате псевдоожижения бурового
раствора пузырьками воздуха повышение в нем концентрации твердой фазы и
ее дисперсности не вызывает роста гидравлического сопротивления при
течении в трубах и затрубном пространстве. Несмотря на повышенную
кажущуюся вязкость, аэрированные воздухом буровые растворы обладают
повышенной текучестью и подвижностью [68 ].
Чем выше дисперсность воздушных пузырьков в буровом
растворе и их концентрация в единице объема, тем сильнее сказывается
псевдоожижающий эффект системы. При этом твердая фаза бурового раствора
и насыщающая ее выбуренная порода равномерно распределяются но объему,
рассредоточиваясь между воздушными пузырьками. Такое равномерное
распределение твердой фазы в дисперсии и разделение ее отдельных частиц
и агрегатов газовоздушными пузырьками способствует снижению внутреннего
трения в системе, повышая ее текучесть в динамических условиях и
структурирование в статических. Считается, что аэрированные глинистые
дисперсии обеспечивают в скважине сравнительно равномерное температурное
поле как самой жидкости, так и на стенках скважины, что снижает
термические напряжения в породах, повышая их устойчивость.
Теплофизические свойства аэрированного буровою раствора существенно
зависят от однородности распределения дисперсии воздушных пузырьков в
единице объема раствора, характера движения составляющих его
компонентов, взаимного их перемешивания, времени контакта фаз, скорости
относительного перемещения. Значительную роль при этом играют
концентрация твердой фазы, ее дисперсность, плотность, шероховатость,
вязкость водной фазы и в целом глинистой суспензии [68 ].
Процесс псевдоожижения аэрированного бурового раствора наступает при
определенной скорости движения фаз или их перемешивании. Специфической
особенностью таких систем буровых растворов является то, что по мере
роста скорости их истечения в трубах, промывочных отверстиях долот и
соплах на границе раздела фаз возникает перепад давления.
Пропорциональная зависимость между потерей напора и скоростью потока
наблюдается лишь при ламинарном режиме течения жидкости. Такому режиму
течения могут соответствовать аэрированные растворы с низким содержанием
твердой фазы или полимерные системы. При насыщении аэрированной жидкости
выбуренной породой, утяжелителем, глиной режим течения может перейти от
ламинарного к турбулентному. После этого система такого бурового
раствора переходит в псевдоожиженное состояние. При установившемся
режиме псевдоожижения соблюдается постоянство перепада давления между
фазами. При постепенном снижении скорости потока наблюдается переход
системы в неподвижную, которая уже не имеет пика давления и
располагается в зоне неподвижного слоя системы, который движется как бы
стержнем в трубах и затрубье скважины. При этом образуется рыхлый слой с
неплотной упаковкой глинистых и шламовых частиц. Псевдоожижение системы
аэрированного раствора может происходить и при вращении потока жидкости
долотом на забое скважины.
Аэрированный буровой раствор на забое скважины, омывая частицы
выбуренной породы, приводит их в ожиженное состояние под действием
центробежных сил. Выбуренный шлам сравнительно равномерно
рассредоточивается в аэрированной жидкости и вследствие высоких
скоростей движения переходит в «кипящий слой», где агрегация выбуренной
породы подавляется воздушной фазой, способствующей выносу его в
затрубное пространство. Шламовая масса на забое переходит в аэрированный
раствор тогда, когда нарушается ее кинетическая устойчивость, т. е.
когда перепад давления в шламовой массе, пропитанной аэрированной
жидкостью, становится равным плотности аэрированного раствора.
При псевдоожижении шлама на забое локальные скорости в поровом
пространстве шламовой массы и скорости движения отдельных ее частиц в
единице объема должны достигать локальных скоро- &Р-кгс/см' стей
движения частиц в затопленном жидкостью пространстве забоя. С этих
позиций псевдоожижение шламовой массы относится к внешним задачам
гидродинамики [68 ].
Процесс псевдоожижения дисперсионных сред подчиняется закономерностям не
только внешнего обтекания твердых частиц многокомпонентной смесыо
аэрированного раствора, но и пульсацией скоростей обтекания и давления
на разделе фаз. Поэтому критическая скорость псевдоожижения
поли-дисперсной системы, состоящей из частиц различного размера и
крупности, обычно ниже критической скорости моноднсперспого слоя частиц
и псевдоожижения тонкодисперсных частиц.
На забое скважины находятся частицы выбуренной породы различного
размера, формы и плотности. Их удаление с забоя зависит от скорости
псевдоожижения забойного осадка. На рис. 52 показана характеристика
псевдоожнжения твердых частиц, где точка 1 характеризует скорость начала
псевдоожижения системы мелких частиц, а точка 2 — полное псевдоожижение
крупных частиц 1681.
Псевдоожижение в плотной фазе ассоциируется с неоднородными системами
частиц, какими являются шламовые осадки на забое скважины. Для их
газожидкостного псевдоожижения характерно плавное расширение слоя частиц
и постепенное увеличение осадка от 0,3 до 1 в диапазоне скоростей Uнп и
Un Чаще всего количество осажденных твердых частиц находится в пределах
0,35—0,7 в зависимости от химической природы частиц, их плотности,
гранулометрического состава и состояния поверхности в период
псевдоожижения. Псевдоожиженную твердую фазу можно в этом случае
рассматривать как систему взвеси частиц с вязкостью, характерной для
ожижающего ком.
При больших скоростях потока градиент давления
становится непостоянным по высоте слоя осадка, что вызывает процесс
фонтанирования частиц. Примером этого может служить микрофотография,
показанная на рис 53, где наглядно виден процесс псевдоожижения слоя
свинцовой дроби диаметром 2 мм в аэрированной воде. Аналогичные эффекты
возникают при движении газожидкостных систем в поровом пространстве
шламового осадка на забое.
Воздушные пузырьки, фильтруясь вместе с жидкостью через шламовый осадок,
изменяют его порозность, расширяют его, вызывают псевдоожижение и
потоком аэрированного раствора уносят частицы в затрубное пространство.
Это явление способствует эффективной очистке забоя от выбуренной породы,
а повышение качества очистки определяет увеличение технико-экономических
показателей бурения по проходке на долото и механической скорости
бурения.
Часто при циркуляции аэрированных жидкостей возникает коалесценция
воздушных пузырьков, что приводит к их агрегированию и образованию
пробок воздуха (пробковый режим течения). Обычно это вызвано потерей
устойчивости движения пузырьков воздуха, их перемешиванием, переходом
газожидкостной смеси в кипящий слой, где столкновение пузырьков вызывает
их слияние в более крупные и образование затем газовоздушной пробки.
Само по себе образование воздушных пробок может оказать положительный
эффект при выносе выбуренных частиц в затрубном пространстве.
Образующиеся при этом пробки воздуха разделяют взвеси на пачки и
вытесняют их на устье скважины.
Для возникновения пробкового режима течения воздушных пузырьков
достаточно, чтобы диаметр газового пузыря составлял 0,75—0,5 от диаметра
псевдоожиженного слоя частиц. При образовании больших пузырей в
жидкости, которые перекрывают сечение трубы или затрубного пространства,
переток между верхней и нижней частями аэрированной жидкости
прекращается и наступает чисто пробковый режим движения газа или
воздуха. Кильватерная зона воздушной пробки сравнительно невелика,
поэтому за ней увлекается небольшое количество твердой фазы, находящейся
под пробкой [68].
В связи с этим следует различать три режима
псевдоожижения аэрированных буровых растворов: газовоздушными
пузырьками, равномерно распределенными в жидкой фазе раствора; поршневой
при коалесценции пузырьков воздуха; смешанный (пробковый и газовоздушный).
Эти режимы еще слабо изучены применительно к процессам, протекающим в
буровых растворах, и требуют лабораторных и промысловых исследований.
Структура и свойства аэрированных буровых растворов характерны тем, что
в относительном покое они относительно постоянны и изменяются только в
движении. Изменение показателей аэрированных растворов при циркуляции
вызвано тем, что с увеличением скорости движения система псевдоожижается
и наступает перераспределение твердой фазы в единице объема; при этом
снижаются вязкость и СНС, повышается текучесть раствора, снижаются
гидроаэродинамические сопротивления в трубах и затрубном пространстве.
При бурении скважин с промывкой аэрированными буровыми растворами
используют следующие способы аэрации:
1) механический, обеспечивающий аэрацию воздухом или каким-либо другим
газообразным агентом с помощью компрессорных установок (в качестве
диспергатора воздуха используют аэратор, размещенный на нагнетательной
линии буровых насосов);
2) эжекционный, аэрирующий жидкость путем засасывания воздуха из
атмосферы или же подачей его в эжектор от компрессора низкого давления;
3) химический, обеспечивающий вспенивание жидкостей при обработке их
поверхностно-активными веществами с перемешиванием в глиномешалке или же
при образовании газообразных компонентов в результате химической реакции
карбоната аммония, бикарбоната аммония или карбомида с водной фазой
бурового раствора;
4) комбинированный, сочетающий механические и химические способы аэрации
системы бурового раствора.
Устройства и средства для аэрации буровых растворов подробно рассмотрены
А. О. Межлумовым 148, 49].
Псевдоожижающиеся системы аэрированных буровых растворов позволяют:
улучшить показатели работы долота (увеличиваются проходка на долото,
механическая скорость бурения, рейсовые скорости бурения, стойкость
работы долота, сокращается расход долот);
улучшаются условия вскрытия зон поглощений и пластов с аномально низкими
пластовыми давлениями, сокращаются расходы времени и
материально-технических средств на вскрытие и прохождение бурением
поглощающих горизонтов;
повышается качество вскрытия и освоения коллекторов, содержащих нефть и
газ;
улучшается эффективность очистки эксплуатационных
скважин от песчаных пробок.
Основными факторами, обусловливающими увеличение проходки на долото и
механических скоростей бурения, являются: снижение гидростатического и
гидродинамического давлений столба бурового раствора иа забой скважины;
создаются условия, близкие к равновесному давлению между
аэрогидродинамическим давлением аэрированной промывочной жидкости и
давлением пластовых флюидов в порах горных пород; улучшается очистка
забоя в результате проявления флотационного, расклинивающего,
кавитационного и псевдоожижающего эффектов.
Указанные факторы при промывке скважин аэрированными буровыми растворами
проявляются в совокупности, и пока еще трудно разделить действие каждого
из них. Первые два фактора изучены достаточно подробно, и их роль в
какой-то мере определена. Факторы псевдоожижения системы буровых
растворов, содержащих пузырьки воздуха, и их кавитация на забое изучены
еще недостаточно, хотя, но нашему мнению, они являются определяющими как
в процессе очистки забоя от выбуренной породы, так и при возникновении
под долотом зон нредразрушения в горной породе, облегчающих и повышающих
эффективность разрушения горных пород буровым долотом.
Повышение буримости горных пород с промывкой аэрированными буровыми
растворами связано со снижением гидростатического давления на забой
скважины увеличением тангенциальной составляющей горного давления, а
также с энергетическим эффектом взаимодействия среды аэрированного
бурового раствора с горной породой на забое.
Пузырьки воздуха, распределенные в аэрированном растворе, по мере их
приближения к забою претерпевают объемные изменения и находятся под
переменным давлением. Сжатый гидростатическим давлением воздушный
пузырек приобретает высокую потенциальную энергию, которая
концентрируется в основном на поверхности раздела фаз воздух—жидкость.
При его разрушении (кавитации) возникает локальный импульсно-волновой
процесс, приводящий в области кавитации к высоким локальным перемещениям
жидкой фазы, дроблению пузырьков на более мелкие и вызывающий
импульсио-гидравлический размыв породы на забое, образование
трещиноватости, кавитационного износа и повышение знакопеременного
расклинивающего эффекта, приводящего к усталостному разрушению породы на
забое по трещинам и сколам.
Разрушению и последующему захлопыванию воздушного пузырька в
псевдоожиженной буровой жидкости на забое скважин способствует ряд
факторов, основными из которых являются: понижение давления в потоке при
истечении из отверстий долота или гидромониторных сопел, наличие на
забое избыточного количества твердой фазы, образование вихревых потоков
жидкости при вращении долота, передача колебаний от бурового инструмента
жидкости, которые вызывают появление ядер кавитации. Наличие и
проявление этих факторов на забое скважины свидетельствуют о том, что в
забойных условиях существуют все необходимые условия для протекания
кавитационных эффектов, вызывающих в буровом растворе пульсирующие,
импульсно-волновые явления.
При гидроаэродинамическом ударе аэрированной буровой жидкости о забой
скважины содержащиеся в ней воздушные пузырьки, сжатые внешним давлением
до весьма малых, предельных для этого давления размеров, попадают в
макро- и микротрещины предварительно нарушенной долотом горной породы.
Скорость сжатия воздушных пузырьков при этом весьма велика и близка к
скорости изменения гидростатического и гидродинамического давлений с
глубиной скважины.
В табл. 33 приведены скорости перемещения
жидкостной пленки при кавитации воздушного пузырька на границе раздела
жидкость—газ, вычисленные по формуле (128).
Из табл. 33 видно, что при кавитации воздушных пузырьков скорость
перемещения жидкостной пленки может достигать больших величин —от 259 до
12 960 м/с. Такие локальные скорости перемещения жидкости при кавитации
вызывают на забое местные, локальные размывы породы, эрозию макро- и
микротрещин и т. д., в результате создаются зоны предразрушения,
облегчающие дальнейшее углубление долота в породу и ее эффективное
разрушение.
При кавитации псевдоожиженная жидкость проникает в макро- и микротрещины
нарушенного долотом забоя. Грани трещин, их шероховатость, наличие
раковин, зернистость, извилистость являются как раз теми условиями,
которые могут вызвать кавитацию воздушных пузырьков непосредственно в
самой трещине. Этому же способствует изменяющееся пульсирующее давление
бурового раствора на забое, возникающие при подаче раствора буровыми
насосами и в результате возникновения забойной кавитации, вызывающей
знакопеременное расклинивающее давление в порах и трещинах породы.