Транспорт шлама буровым раствором в горизонтальных скважинах. Часть 2. Численные результаты бурения при оптимальных реологических свойствах раствора

Abstract

Актуальность исследования связана с обеспечением эффективности функционирования технологического оборудования в процессе бурения скважин с произвольной ориентацией их стволов. В частности, поиск продуктивных пластов углеводородного сырья требует бурения более глубоких скважин с протяженными горизонтальными участками, для которых удаление шламовой постели составляет ключевую проблему современного бурения. Цель работы заключается в: изучении особенностей и установлении закономерностей процесса движения шлама через межтрубное эксцентричное пространство, образованное бурильной колонной и стенками скважины при разнообразных режимах (in-situ) и условиях бурения в рамках современных математических моделей гидродинамики, численных алгоритмов и подходов, реализованных в ANSYS CFD; оптимизации параметров, определяющих процесс бурения, таких как угол наклона, среднемассовая скорость и морфология входного вязкого потока для формирования максимально допустимой скорости бурения при разнообразных сочетаниях эффективной вязкости раствора и скорости течения смеси; выдаче практических рекомендаций инженерам к сокращению временных затрат и материальных ресурсов по техническому обслуживанию и интенсификации очистки скважин. Объект исследования представляет собой скважину с эксцентричным ядром и протяженной горизонтальной секцией, функционирующей в режимах и условиях, близких к реальному бурению. Методы исследования соответствуют комплексному физикоматематическому анализу и численному моделированию гидродинамики и массопереноса в гомогенных и гетерогенных сплошных средах, широко апробированных на классе внутренних реологически сложных течений, верификация которых осуществлена в соответствующих условиях, выполненных другими авторами при решении задач бурения и очистке скважин. Результаты. Представлены результаты численного исследования гидродинамики дисперсного потока реологически сложной вязкой смеси бурового раствора со свойствами жидкости типа Гершеля- Балкли и частиц песка в скважинах с произвольной образующей ее ствола в эксцентричном пространстве с целью выяснения особенностей, сопровождающих прямоточное и закрученное течение (методом подвижной стенки), выявления закономерностей в таких режимах, учет которых позволяет проводить эффективную очистку межтрубного пространства. Расчеты выполнены в рамках современных математических моделей RANS-метода и эйлероволагранжевого подхода к описанию движения гетерогенных сред, реализованного в ПО ANSYS CFD, и эффективных численных алгоритмов по определению внутри- и межфазных процессов переноса массы и импульса в смесях. Установлено, что при бурении вертикального участка самым эффективным параметром с точки зрения контроля очистки выступает эффективная вязкость раствора; самыми проблематичными конфигурациями для очистки являются скважины с наклонными участками при углах близких к вертикали; при бурении горизонтального участка эксцентричность бурильной колонны создаёт «мёртвую» зону течения и затрудняет процесс очистки. Эту зону рекомендуется убрать посредством создания условий закрученного течения за счет сравнительно слабого вращения бурильной колонны (30-60 об/мин). Показано, что при бурении наклонных участков необходимо уменьшать вязкость раствора (желательно до уровня пресной воды) и увеличивать скорость течения (в данном случае до 2 м/с или выше). Определено, что при бурении горизонтального участка рекомендуется раствор с вязкостью, близкой к пресной воде, при скоростях его течения на входе в скважину порядка 2 м/с (или 640 гал/мин) и максимальной скоростью бурения 9 м/ч.

The relevance. Ensuring technological equipment operation efficiency when drilling wells with an arbitrary orientation of their wellbores. In particular, the search for productive hydrocarbon reservoirs requires drilling deeper wells with extended horizontal sections, for which removal of the cuttings bed is the key problem of modern drilling. The aim. Study the features and establish the patterns of cuttings movement through the annulus eccentric space formed by a drill string and well walls under various modes (in-situ) and drilling conditions within the framework of modern mathematical models of hydrodynamics, numerical algorithms and approaches implemented in ANSYS CFD. Optimize the parameters that determine drilling, such as an inclination angle, mass-average velocity and morphology of the inlet rheologically complex viscous flow to form the maximum allowable drilling velocity for various combinations of mud effective viscosity and mixture flow rate. Give practical recommendations for engineers to reduce time, costs and material resources for maintenance and optimization of well cleaning. The object. A well with an eccentric core and an extended horizontal section operating in modes and conditions close to real drilling. The methods. Complex of physical and mathematical analysis and numerical modeling of hydrodynamics and mass transfer in homogeneous and heterogeneous continuous media. The media were widely tested on the class of internal rheological complex flows, the verification of which was carried out under appropriate conditions, performed by other authors when solving problems of drilling and cleaning wells. The results. The paper presents the results of a numerical study of hydrodynamics of a dispersed flow of a rheological complex viscous mixture of a drilling fluid with the properties of a Herschel-Bulkley type fluid and sand particles in wells with an arbitrary generatrix of its wellbore in an eccentric space. The results are required to clarify the features that accompany direct-flow and swirling flow (the moving wall method), identify the patterns in such modes, accounting for which allows for effective cleaning of the annulus. The calculations were performed within the framework of modern mathematical models of the RANS-method and the Euler- Lagrangian approach to describing the motion of heterogeneous media, implemented in the ANSYS CFD software and efficient numerical algorithms for determining intra- and interfacial processes of mass and momentum transfer in mixtures. The authors have determined that when drilling a vertical section, the most effective parameter in terms of cleaning control is the effective viscosity of the mud; the most problematic configurations for cleaning are wells with sloping sections at angles close to the vertical. When drilling a horizontal section, the eccentricity of the drill string creates "the dead" zone of flow and complicates cleaning. This zone should be removed by creating swirling flow conditions through relatively weak rotation of a drill string (30-60 rpm). When drilling inclined sections, it is necessary to reduce a solution viscosity (preferably to the level of fresh water) and increase the flow rate (in this case, to 2 m/s or higher). When drilling a horizontal section, a mud with a viscosity close to fresh water is recommended at flow rates of about 2 m/s (or 640 gpm) at the well inlet and a maximum drilling velocity of 9 m/h.