Некоторые сведения о роли гидравлики в нефтегазовом деле

  

В настоящее время приходится решать ряд задач, связанных с изучением движения жидкостей, свойства которых во многом отличаются от свойств воды. Современная гидравлика изучает движение газированной нефти, разнообразных масел, различных горючих жидкостей и т. п. Специфические условия охлаждения атомных реакторов вызвали необходимость изучения движения расплавленных металлов; наоборот, перекачка парафинистых нефтей в условиях пониженных температур привела к задаче о движении застывшего нефтепродукта.

Достаточно этих примеров, чтобы сделать вывод о том, что правильнее было бы дисциплину, занимающуюся изучением законов покоя и движения различных жидкостей, именовать “механикой жидких тел”.

Гидравлическим явлениям принадлежит ведущая роль в такой области техники, как бурение нефтяных и газовых скважин. При любом способе бурения невозможно обойтись без циркуляции промывочной жидкости, одним из основных назначений которой являются вынос выбуренной породы и создание на стенках скважины малопроницаемой корки (глинизация стенок).

Во время бурения гидравлическими забойными двигателями (турбобуром и вибробуром) тот же поток жидкости, нагнетаемый в скважину буровыми насосами, передает энергию забойному двигателю.

 Однако из большого количества разнообразных методов бурения наибольшее промышленное применение нашел тот, при котором на горные породы оказывается механическое воздействие при помощи вращающегося породоразрушающего инструмента – долота.

Процессы, происходящие в ходе бурения, весьма многообразны и сложны. Однако все они могут быть разбиты на отдельные группы, для каждой из которых характерным является какой-либо определенный признак, например изменение температуры, изменение перепада давления, перемещение под воздействием механической силы и т.п.

С точки зрения бурения ведущая роль принадлежит процессам механическим (разрушение проходимых пород, спускоподъемные операции, износ бурового оборудования и бурильного инструмента и т.п.) и гидравлическим, к которым относятся движение жидкости в колонне бурильных труб и в затрубном пространстве, осаждение и транспортировка выбуренных частиц и т.д.

Получение качественного ствола скважины в относительно короткие сроки невозможно без гидравлических расчетов, к числу которых можно отнести определение: потерь давления в различных звеньях циркуляционной системы, гидродинамического давления при спуске или подъеме колонны труб, давления на забое в процессе промывки скважины, объема и расхода цементного раствора в процессе крепления и др.

Комплексное использование гидродинамических соотношений, подчиненное выполнению ряда требований (минимум забойного давления, вынос выбуренной породы, целостность ствола скважины и др.) составляет основу гидравлической программы, реализация которой должна обеспечить высокие технико-экономические показатели проходки скважины. Сложная форма канала, а также соответствующие граничные условия приводят к тому, что в ряде случаев невозможно точное решение задачи. Поэтому использование в этих случаях приближенного способа, позволяющего с приемлемой погрешностью найти искомые соотношения, является актуальным.

Один из важных вопросов гидродинамики вязкой и вязкопластичной жидкости состоит в том, чтобы определить условия перехода ламинарного (структурного) режима в турбулентный при движении среды в трубе и кольцевом пространстве. Отсутствие достоверных сведений по смене режимов приводит к существенным погрешностям при расчете гидравлических сопротивлений.

Точность гидравлических расчетов зависит не только от достоверности тех или иных количественных соотношений, но и того, насколько точно определены реологические свойства жидкости.

Реология – наука о деформациях и течениях разнообразных реальных тел, дисперсных систем и технических материалов. Особенно характерно для реологии исследование деформационных процессов, протекающих во времени и приводящих к практически равновесным состояниям или к стационарному течению. Необратимые свойства процессов деформации и течения, уже давно связываются с классическими понятиями вязкости и пластичности.

Теория вязкости жидкостей тесно связана с механикой сплошных сред и с молекулярной теорией жидкостей, которая пытается описать свойства жидкостей с помощью функции распределения ближайших соседних молекул некоторой выделенной молекулы, и функции распределения скоростей этих молекул.

Молекулы жидкости связаны друг с другом межмолекулярными силами притяжения. Следовательно, когда два соседних слоя жидкости движутся с различной скоростью, то они так воздействуют друг на друга, а их относительное движение при отсутствии поддерживающих его внешних сил затухает. В результате взаимного торможения молекул соседних слоев жидкости, движущихся с различной скоростью, молекулярная структура жидкости искажается. Если рассматривать среднее расположение молекул, окружающих данную молекулу, то вместо вполне симметричного радиального распределения, имеющего место при равновесии, будет распределение, имеющее эллипсоидный характер, с главными осями, направление которых определяется локальным градиентом скорости. Степень деформации молекулярной структуры определяет величину коэффициента вязкости.

В то время как функция распределения молекул для жидкостей, находящихся в равновесии, зависит только от взаимного расположения молекул, для движущейся жидкости на нее влияет также наличие градиента скорости.        

Особенно характерно для реологии исследование деформационных процессов, протекающих во времени и приводящих к практически равновесным состояниям или к стационарному течению.

Течение жидкостей, поведение которых при чистом сдвиге можно описать с помощью постоянной вязкости, называется неньютоновским течением. Неньютоновскими жидкостями называют такие жидкости, которые не подчиняются основному закону внутреннего трения Ньютона, состоящий в том, что если жидкость помещена между двумя параллельными пластинами, которые движутся относительно друг другу с постоянными скоростями, то оказываемое жидкостью вязкое сопротивление пропорционально величине относительной скорости пластин.

Неньютоновские жидкости часто встречаются в природе и имеют весьма широкое применение в технике и быту. Следует особо подчеркнуть широкое использование неньютоновских жидкостей в нефтяной промышленности, где они участвуют во многих производственных процессах – перемещаются по гидравлическим системам разных назначений и конструкций и характеризуются при этом большим разнообразием химического состава и физических свойств.

Основной характеристикой неньютоновских жидкостей являются так называемые кривые течения, или реологические кривые (реограммы), графически изображающие зависимость между градиентом скорости течения жидкости (скоростью сдвига) γ и возникающим в ней касательным напряжением τ.

Кривые течения могут быть построены на основании обработки опытных данных, получаемых в результате проведения специальных исследований.

Для характеристики реологических свойств неньютоновских жидкостей часто вводят понятие эффективной кажущейся вязкости, которая представляет собой условную характеристику их, используемую при выполнении гидравлических расчетов по обычным формулам гидравлики неньютоновских жидкостей. Ее значения зависят от градиента скорости γ и напряжения сдвига τ.

       Эффективная вязкость η псевдопластичных жидкостей с увеличением γ и τ уменьшается. Эти жидкости при течении как бы разжижаются. У дилатантных жидкостей, наоборот, при возрастании τ и γ вязкость η увеличивается – жидкости при течении как бы загустевают.

Примеры псевдопластичных жидкостей – расплавы полимеров; дилатантных жидкостей – различного рода лакокрасочные покрытия.

Ограничимся подробным рассмотрением лишь одного, наиболее важного для нефтяной и газовой промышленности класса неньютоновских жидкостей – вязко-пластичных.

Вязко-пластичные жидкости совмещают в себе свойства, как вязкой неньютоновской жидкости, так и твердого пластичного тела. К их числу, например, относят разного рода суспензии и коллоидные растворы, состоящие из двух фаз – твердой и жидкой, буровые и цементные растворы, парафинистые нефти. Эти жидкости представляют особый интерес. Парафинистые нефти добывают на многих месторождениях нашей страны. Буровые растворы являются основной промывочной жидкостью при бурении скважин, а цементные растворы используют для разобщения пластов и крепления скважин после бурения.

Рассмотрим понятие идеального пластичного тела. В таком теле при малых действующих нагрузках, а, следовательно, и малых напряжениях возникают упругие деформации. После снятия нагрузки эти деформации исчезают, и тело восстанавливает свою первоначальную форму. Когда напряжение достигает некоторого предельного значения τ₀, называемого пределом текучести, или начальным напряжением сдвига, пластичное тело начинает течь. В дальнейшем это напряжение сохраняется постоянным при любых значениях относительной скорости сдвига.

Течение вязко-пластичной жидкости, как и идеального пластичного тела, начинается при напряжении, равном начальному напряжению сдвига τ₀, и продолжается при напряжениях, изменяющихся по линейному закону, как и обычных ньютоновских жидкостей. Уравнение такой кривой имеет вид: . В честь американского ученого Е.Бингама, установившего в 1916 г эту зависимость и описавшего свойства вязко-пластичной жидкости, ее обычно называют бингамовской жидкостью.

Реологические свойства бингамовской жидкости характеризуются двумя основными параметрами:

- начальным напряжением сдвига τ₀,

- бингамовской или пластичной вязкостью .

Механизм поведения бингамовских жидкостей можно объяснить образованием в покоящейся жидкости жесткой пространственной решетки (например, у парафинистых нефтей из кристаллов парафина), заполненной жидкой фазой (нефтью). Жесткость решетки такова, что она приводит к полной потере подвижности и достаточна для того, чтобы сопротивляться любому напряжению, не превосходящему по величине τ₀, то структура разрушается и система ведет себя как обычная ньютоновская жидкость при напряжениях сдвига τ- τ₀. Когда напряжение сдвига становится меньше τ₀, структура снова восстанавливается.

Для многих неньютоновских жидкостей начальное напряжение сдвига в значительной степени зависит от времени нахождения жидкости в покое. Как правило, с течением времени консистенция этих жидкостей изменяется – они как бы “застудневают”, и их начальное напряжение сдвига увеличивается. Это свойство неньютоновских жидкостей называют тиксотропией, а подобные жидкости – тиксотропными.

Обычно оказывается невозможным непосредственно измерить касательное напряжение и скорость сдвига в отдельном малом элементе текущего материала, поэтому соотношение между касательным напряжением и скоростью сдвига приходится выводить из наблюдений над такими движениями материала, которые легко получать и контролировать и достаточно легко исследовать теоретически. Наиболее распространенным из таких движений является установившееся течение в прямой трубе кругового сечения.

Движение неньютоновских жидкостей по трубам характеризуется рядом особенностей по сравнению с движением обычных жидкостей. Как показывает опыт, для начала движения неньютоновской жидкости необходимо создать некоторую определенную разность напоров, соответствующую равенству возникающего в жидкости касательного напряжения τ ее начальному напряжению сдвига τ₀. При этом вся масса жидкости отрывается от стенок трубы и движется первоначально как одно целое (как твердое тело) с одинаковыми для всех частиц скоростями. По мере увеличения разности давлений или напоров возрастает и скорость движения жидкости, а радиус ее центральной части (так называемого ядра), где жидкость по-прежнему продолжает двигаться как твердое тело, постепенно уменьшатся. Режим движения жидкости, характеризующийся наличием центрального ядра, называют структурным.