Гидростатическое давление в скважине

Гидростатическое давление

Давление в скважине, создаваемое столбом бурового раствора, называется гидростатическим Р_гс, и может быть определено из выражения

Для предотвращения поступление пластового флюида в скважину гидростатическое давление должно быть больше пластового. Необходимая плотность бурового раствора при известном пластовом давлении определяется по формуле

,

где — необходимое превышение давления над пластовым.

Нормативно установлено, что при глубине скважины до 1200 м это превышение должно составлять 10‑15 % от пластового, но не более 1,5 МПа, при глубине до 2500 м 5‑10 %, но не более 2,5 МПа, при глубине более 2500 м 4-7 %, но не более 3,5 МПа.

Следует отметить, что с увеличением глубины, а следовательно, и давления, плотность раствора увеличивается, а с увеличением температуры уменьшается. При глубинах до 3000 м эти явления взаимоисключают друг друга и их можно не учитывать. При больших глубинах влияние температуры более весомо, что приводит к ощутимому снижению плотности раствора.

Гидростатическое давление в скважине может снижаться по следующим причинам.

Во первых, из-за снижения плотности раствора в процессе бурения, поэтому необходим постоянный контроль этого параметра в соответствии с регламентом.

Во вторых, за счет опорожнения скважины при подъеме инструмента, поэтому необходим долив раствора.

В третьих, при отсутствии циркуляции бурового раствора за счет седиментации шлама, температурных изменений, фильтрации, контракции. Величина снижения давления ΔР_гс при остановках до 10 час принимается равной

.

При остановках более 10 час.

.

В четвертых, за счет частичного ухода раствора в окружающие породы во время ремонтов, простоев, геофизических исследований.

Давление гидроразрыва

Давление гидроразрыва — это давление, при котором нарушается целостность горной породы в стенках скважины, и образуются искусственные трещины. При добыче углеводородного сырья гидроразрыв используется для интенсификации притока флюида к скважине. В процессе бурения гидроразрыв крайне нежелателен, так как это приводит к уходу бурового раствора в окружающие породы. Давление гидроразрыва зависит от:

— величины горного давления;

— естественной трещиноватости горных пород;

— реологических свойств и расхода жидкости разрыва.

С увеличением глубины давление гидроразрыва увеличивается и приближается к горному. Как показывают визуальные наблюдения (на нефтяных шахтах) и специальные исследования, раскрытие искусственных трещин при гидроразрыве может доходить до 20 мм, а их протяженность до нескольких десятков и даже сотен метров.

Величина давления гидроразрыва может быть определена следующим образом. Устье скважины герметизируется и в колонну бурильных труб закачивается буровой раствор, при этом постоянно фиксируется его давление и объем, и строится диаграмма, показанная на рис. 1. На участке ОА пласт противостоит создаваемому давлению, в точке А начинает поглощать жидкость и зависимость «давление–объем» становится нелинейной. В точке В давление превышает напряжения в стенках скважины, что приводит к образованию искусственных трещин и резкому падению давления на устье

Это и есть давление гидроразрыва. Давление в точке С называется давлением распространения разрыва. При этом образовавшиеся трещины уходят вглубь массива горных пород.

При отсутствии фактических данных давление гидроразрыва Р_гр может быть определено по следующим формулам, предложенными разными авторами

где — коэффициент Пуассона.

Его ориентировочные значения приведены ниже.

Тема 2. Основные понятия о давлениях в скважине

Давление, P – Мпа; кгс/см. 2 . Давление определяется как сила, действующая на единицу площади. Давление в любой точке скважины одинаково во всех направлениях.

где r — плотность флюида, г/см 3 ;

H — глубина скважины, м.

В наклонных скважинах глубина скважины H определяется как вертикальная составляющая длины ствола.

Гидравлические потери (сопротивление) Pr.c, Мпа; кгс /_см 2 . Гидравлические потери определяются как давление, которое необходимо создать, чтобы прокачать данный флюид с данной скоростью через данную систему. Гидравлические потери возникают только при прокачивании флюидов и суммируются со всеми другими давлениями, действующими в интересующей нас точке.

Значение гидравлических потерь определяется по существующим методикам.

Избыточное давление, P_из —кгс/см 2 . Избыточное давление (противодавление) есть давление, действующее на закрытую или открытую (в динамике) систему, определяемое иными, чем гидростатическое давление, источниками. В нашем случае избыточным давлением в закрытой при ГНВП скважине будет давление в бурильных трубах Pиз.т. и колонне Pиз.к. Избыточным давлением в динамических условиях будут гидравлические потери в дросселе +Pr.c.

Избыточное давление добавляется к давлению, действующему в рассматриваемой точке в статических и динамических условиях. Это положение является основополагающим в понимании методики глушения скважины.

Избыточное давление в бурильных трубах. Pиз.т. — кгс /_см 2 Pиз.т. — это давление на стояке при закрытой скважине без циркуляции. Pиз.т. равно разнице между пластовым давлением Pпл и гидростатическим давлением столба бурового раствора в бурильных трубах.

Избыточное давление в обсадной колонне, Pиз.к. — кгс/см 2 Pиз.к. — это давление в затрубном (кольцевом) пространстве на устье закрытой скважины при отсутствии циркуляции. Pиз.к. равно разнице между пластовым давлением и общим гидростатическим давлением столба флюидов в затрубном пространстве.

Пластовое давление, Pпл — кгс /_см 2 . Пластовое давление – есть давление флюида в рассматриваемом пласте. Пластовое давление равно гидростатическому давлению столба бурового раствора в бурильных трубах плюс Риз.т. при закрытой скважине. Нормальным пластовым давлением считается давление равное гидростатическому давлению столба воды на глубине залегания пласта. Пластовое давление выше давления столба воды называется аномально высоким пластовым давлением. Пластовое давление ниже давления столба воды называется аномально низким пластовым давлением.

Забойное давление, Рзаб — кгс /_см 2 Забойное давление есть общее давление на забое скважины (или под долотом) в любых условиях. Рзаб = Рr + Pr.ск + Риз.

Рзаб. в зависимости от условий может быть равно пластовому давлению, больше или меньше его:

— в нормальных условиях бурения Рзаб > Рпл;

— при ГНВП, когда скважина закрыта, Рзаб = Рпл.

Гидростатическое давление, давление гидроразрыва горной породы

Гидростатическое давление бурового раствора на забой p_б.р(МПа) — давление столба бурового раствора на забой на глубине H

Дифференциальное давление ∆_p — разность давления бурового раствора на забой скважины и пластового

где р_г.д — гидродинамическое давление, рассматриваемое в зависимости от выполняемой технологической операции: при циркуляции раствора в затрубном пространстве или при пуске насоса.

Величина ∆_p оказывает существенное влияние на увеличение сопротивления разрушению пород. С увеличением Н влияние ∆_p на показатели работы долот возрастает. В случае если p_б.р≈p_пл, то рост р_г.д (репрессия на пласт) может стать причиной поглощения бурового раствора.

Давление гидроразрыва горной породы р_г.д (МПа) — давление столба жидкости в скважине на глубине H, при котором происходит разрыв связной породы и образование в ней трещин. Определяется опытным путем.

При полном отсутствии данных

Давление поглощения p_погл — давление в скважине, при котором начинается утечка бурового раствора по искусственным трещинам, образующимся в результате гидроразрыва связной породы, либо по естественным каналам в трещиноватых и закарстованных породах. Принимается по фактическим данным или по опытным нагнетаниям (подача 1-2 л/с).

При отсутствии данных

Относительное давление по воде в закрытой скважине k_отн — отношение давления р_H на глубине Н в скважине с закрытым устьем, частично или полностью заполненной пластовой жидкостью, к давлению пресной воды

Индекс давления поглощения ρ’_погл представляет собой отношение ρ’погл, к давлению столба пресной воды:

где p_р.т — давление раскрытия микротрещин или давление гидроразрыва монолитных пород.

Для прогнозирования ориентировочных значений k_погл можно воспользоваться формулой

Величину 1,8 принимают близ дневной поверхности; 2.3-2.5 — на большой глубине. Значения ζ желательно определять по данным о давлениях разрыва горной породы (раскрытия микротрещин), полученных в ранее пробуренных скважинах на данной или других площадях со сходными горно-геологическими условиями.

Пример 1.9 Определить давление, оказываемое буровым раствором плотностью р_бр=1260 кг/м3 на стенки скважины на глубине 2000 м.

Решение. По уравнению (1.29) на глубине 2000 м.

Гидростатическое давление столба бурового раствора

Плотность бурового раствора r напрямую зависит от пластового давления. Поэтому точность выбора величины плотности в значительной степени связана с точностью прогноза пластового давления по интервалам глубин. Не нуждается в доказательстве утверждение о том, что следом за изменением р_пл должна меняться и величина регламентируемого r.

В пределах России выбор r осуществляется в соответствии с «Правилами безопасности….», утвержденными Госгортехнадзором РФ. И это совершенно не случайно, так как речь идет о предупреждении проявлений из проницаемых пластов при бурении с негерметизированным, открытым, устьем. При этом имеют в виду нефтяные или газовые проявления и фонтаны, поскольку именно они представляют особую опасность. В таблице 1 приведены нормативы для выбора плотности раствора, изложенные в упомянутых «Правилах».

Таблица 1 — Нормативы выбора плотности бурового раствора

Глубина кровли проявляюшего пласта L, м

Превышение гидростатического давления над пластовым, %

Предельно нормируемая репрессия на пласт, МПа

Допустимое отклонение фактической плотности от номинальной (±), кг/м 3

4 — 7

Пример расчета плотности бурового раствора:

Предположим, что на глубине 1700 м находится кровля газового пласта с давлением 20,8 МПа. Минимально допустимое превышение столба раствора над пластовым для этой глубины: в процентах — 5% и по величине — 2,5 МПа.

Расчет плотности по 1-му условию (по условию превышения в %):

r = [(20,8*10 6 *1,05)/ (9,81*1700)] +20 = 1330 кг/м 3 .

Комментарий: вначале определяется плотность из условия обеспечения минимально необходимого запаса (коэффициент 1,05), а затем добавляется 20 кг/м 3 для обеспечения колебания плотности в допустимых границах.

Расчет плотности по 2-му условию (по величине допустимой репрессии):

r = [(20,8+2,5)*10 6 / (9,81*1700)] -20 =1380 кг/м 3 .

Комментарий: Перед цифрой «20» стоит знак минус, так как при неизбежном колебании плотности относительно номинального значения предельно допустимая репрессия (в нашем случае это 2,5 МПа) не должна быть превышена.

Из двух результатов выбираем меньший: при плотности 1330 кг/м 3 оба условия соблюдаются.

Проектируя величину r имеют в виду, как правило, только нефте- или газопроявляющие пласты. Водопроявляющие пласты обычно в расчет не берут. Если «открытый» ствол (не обсаженный) составляет несколько сот метров, а плотность поддерживается без изменения, ориентируясь на открытый продуктивный пласт, то всегда найдутся пласты проницаемые, где рассмотренные условия не будут соблюдаться, особенно в отношении водоносных пластов. До вскрытия нефтяных или газовых пластов в достаточно изученных площадях строгое соблюдение перечисленных условий не столь обязательно. Излишняя репрессия приводит к снижению показателей работы долот и провоцирует осложнения в скважине.

График изменения гидростатического давления в скважине имеет вид ломаной линии, расположенной строго на лучах, исходящих из начала координат, так как скважина при нормальном бурении заполнена до устья.

Переход на буровой раствор другой плотности осуществляют за 30-50 м до вскрытия того пласта, пластовое давление которого требует изменения плотности (чаще – увеличения) раствора.

Гидростатическое давление

Калькулятор находит неизвестные величины по заданным, используя формулу давления столба жидкости.

Калькулятор ниже предназначен для расчета неизвестной величины по заданным, используя формулу давления столба жидкости.
Сама формула:

Калькулятор позволяет найти

• давление столба жидкости по известным плотности жидкости, высоте столба жидкости и ускорению свободного падения
• высоту столба жидкости по известным давлению жидкости, плотности жидкости и ускорению свободного падения
• плотность жидкости по известным давлению жидкости, высоте столба жидкости и ускорению свободного падения
• ускорение свободного падения по известным давлению жидкости, плотности жидкости и высоте столба жидкости

Вывод формул для всех случаев тривиален. Для плотности по умолчанию используется значение плотности воды, для ускорения свободного падения — земное ускорение, и для давления — величина равная давлению в одну атмосферу. Немного теории, как водится, под калькулятором.

Гидростатическое давление

Гидростатическое давление — давление столба воды над условным уровнем.

Формула гидростатического давления выводится достаточно просто

Из этой формулы видно, что давление не зависит от площади сосуда или его формы. Оно зависит только от плотности и высоты столба конкретной жидкости. Из чего следует, что, увеличив высоту сосуда, мы можем при небольшом объеме создать довольно высокое давление.
В 1648 г. это продемонстрировал Блез Паскаль. Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, узкую трубку и, поднявшись на балкон второго этажа, влил в эту трубку кружку воды. Из-за малой толщины трубки вода в ней поднялась до большой высоты, и давление в бочке увеличилось настолько, что крепления бочки не выдержали, и она треснула.

Также это приводит к такому явлению как гидростатический парадокс.

Гидростатический парадокс — явление, при котором сила весового давления налитой в сосуд жидкости на дно сосуда может отличаться от веса налитой жидкости. В сосудах с увеличивающимся кверху поперечным сечением сила давления на дно сосуда меньше веса жидкости, в сосудах с уменьшающимся кверху поперечным сечением сила давления на дно сосуда больше веса жидкости. Сила давления жидкости на дно сосуда равно весу жидкости лишь для сосуда цилиндрической формы.

На картинке вверху давление на дно сосуда по всех случаях одинакова и не зависит от веса налитой жидкости, а только от ее уровня. Причина гидростатического парадокса состоит в том, что жидкость давит не только на дно, но и на стенки сосуда. Давление жидкости на наклонные стенки имеет вертикальную составляющую. В расширяющемся кверху сосуде она направлена вниз, в сужающемся кверху сосуде она направлена вверх. Вес жидкости в сосуде будет равен сумме вертикальных составляющих давления жидкости по всей внутренней площади сосуда