При бурении наклонно-направленных скважин зачастую возникает задача, связанная с удалением шлама по стволу скважины в наклонной его части [4][6]. Когда речь идет о вертикальной части ствола скважины, то на шлам действуют основные силы, направленные противоположно друг другу: сила лобового сопротивления, сила тяжести и сила Архимеда [14]. При изменении зенитного угла скважины сила Архимеда и сила тяжести остаются разнонаправленными, а сила лобового сопротивления начинает менять свое направление сообразно изменению направления движения потока (рис. 1а) [5]. В предельном случае она становится направлена перпендикулярно силе Архимеда и силе тяжести [3]. В общем же случае результирующую силу можно найти из выражения (1):

R = FТ – FА + FЛС · cos(α). (1)

В случае же когда частица шлама ляжет на стенку скважины, опустившись под действием силы тяжести, возникнет сила трения между ней и стенкой скважины, в этом случае выражение (1) можно записать в следующем виде [11]:

R = FТ – FА – FТР · cos(α) + FЛС · cos(α). (2)

Как несложно заметить, в выражении (2) добавляется сила трения FТР, которая препятствует движению частицы по стенке, затрудняя вынос шлама.

В общем виде силу трения можно найти из выражения (3):

FТР = µ · N. (3)

Очевидно, что для уменьшения силы трения необходимо снижать коэффициент трения µ, но, по сути, это можно сделать, только изменив рецептуру бурового раствора, добавив компонент, оказывающий смазывающее действие. Вторым вариантом можно рассмотреть возможность уменьшения силы реакции опоры (силы прижатия) N. Силу реакции опоры на некоторый период времени возможно уменьшить путем привнесения вибрации [2][13]. В скважине вибрационное воздействие может быть получено за счет применения пульсирующего потока, такой поток позволит колебать не поверхность, на которой лежат частицы шлама, а непосредственно сами частицы. С этой точки зрения промывка скважин пульсирующим потоком представляется перспективной и требует более подробного рассмотрения.

Пульсирующий поток представляет собой поток с переменным расходом, вследствие чего происходит резкое изменение скоростей вблизи стенки скважины (трубопровода). Такое изменение скоростей возможно использовать при воздействии на частицы шлама, находящиеся на нижней части поверхности скважины в горизонтальной части ствола.

Описание применения пульсирующего потока для промывки гидравлических систем приведено в ГОСТ 31303-2006 [1]. В данном документе речь идет об использовании потока с вынужденными колебаниями в качестве средства промывки гидросистем, при этом длина трубопроводов может составлять до 140 м. Приведены параметры потока для очистки проточных и непроточных агрегатов. Рассмотрено стендовое оборудование для гидродинамической очистки.

Так, в общем случае для гидродинамической очистки предлагается использовать устройство, приведенное на рисунке 2.

Стенд для гидродинамической очистки представляет собой отдельные блоки, включающие насосную станцию и пульт гидродинамической очистки.

Насосная станция должна быть укомплектована источником давления, гидробаком, регулятором давления, предохранительным устройством, охладителем моющей жидкости, фильтрующими устройствами с номинальной тонкостью фильтрации не более 5 мкм, средствами контроля давления, расхода и температуры моющей жидкости и электрическими устройствами.

Пульт для гидродинамической очистки в зависимости от объекта очистки состоит из блоков акустической развязки, блоков граничных условий и генератора колебаний жидкости, соединенных трубопроводными магистралями.

В качестве блока граничных условий используют гасители колебаний давления жидкости.

Для очистки проточных и непроточных агрегатов применяются различные схемы пультов. При этом частоту колебаний жидкости генератора регулируют изменением частоты вращения приводного электродвигателя. Расход моющей жидкости Q, м³/с, принимают одинаковым по всей длине трубопровода и рассчитывают по формуле (4):

Q = Q0 + AQ × sin wt, (4)

где: Q0 — постоянная (статическая) составляющая расхода моющей жидкости, м³/с;

AQ — переменная (амплитудная) составляющая расхода моющей жидкости, м³/с;

w — частота колебаний потока моющей жидкости, с–1;

t — время колебаний потока моющей жидкости, с.

Переменную (амплитудную) составляющую расхода моющей жидкости на входе в очищаемый трубопровод AQ, м³/с, рассчитывают по формуле (5):

AQ = Ap / Zвх, (5)

где: Ap — переменная (амплитудная) составляющая давления потока моющей жидкости на входе в очищаемый трубопровод, кг/(м·с²);

Zвх — входной импеданс очищаемого трубопровода с учетом присоединенной стендовой системы, кг/(м⁴·с).

Переменную (амплитудную) составляющую давления потока моющей жидкости определяют с учетом действующих напряжений в материале трубопровода, а также условий эквивалентности физических процессов накопления усталостных напряжений в процессе эксплуатации.

Рассмотренный пример очистки гидросистем, в том числе имеющих в своем составе длинные протяженные трубопроводы, может рассматриваться как аналог промывки стволов скважин. Стоит особо отметить, что до недавнего времени применение пульсирующего потока промывки в скважинах не имело особой актуальности, так как значительная часть скважин имела вертикальные стволы. В подобных условиях не происходило накопления шлама на стенках ствола скважин, хотя и делались попытки применения пульсирующего потока с целью улучшения очистки ствола скважины.

Одной из первых попыток улучшить характеристики потока промывочной жидкости при бурении скважин можно считать создание ВНИИБТ долота со вставкой, исполняющей роль турбины, полезная модель № SU 630394, опубл. 30.10.1978 [10]. Конструкция данного долота предусматривает помещение в ниппельную полость долота вставки в виде крыльчатки, которая позволяет улучшить характеристики потока промывочной жидкости независимо от перепада давления на долоте.

Применение пульсирующего потока как попытки борьбы со шламовой подушкой на забое скважины и сальникообразованием рассмотрено в статье [7]. В работе показано разбуривание глинисто-алевритового комплекса пород: как известно, в таких породах действительно могут образовываться сальники на долоте, что приводит к падению механической скорости бурения. Также авторы отмечают малую эффективность традиционных методов борьбы с подобными явлениями (повышение осевой нагрузки, «расходка» бурильной колонны, изменение режима промывки).

В качестве решения подобной задачи авторы рассматривают предложение ВНИИнефтемаша по созданию в потоке промывочной жидкости колебаний (пульсаций) давления с определенной частотой и амплитудой. По замыслу в результате этого в призабойной зоне должен образоваться высокотурбулентный режим течения бурового раствора. При этом, как указывается в работе, частота волнового пакета давления бурового раствора в призабойной зоне составляла от 10 до 60 Гц. При таком режиме пульсационного потока удалось добиться практически двукратного повышения механической скорости при бурении в вязкопластичных породах. Компоновка же бурового инструмента включала в себя винтовой забойный двигатель и стандартное трехшарошечное долото как при бурении с обычным режимом бурения, так и при бурении с пульсационным режимом промывки, т.е. сравнение результатов опыта корректно.

Еще одним немаловажным фактом, показанным в работе, стоит считать влияние пульсирующего потока на механическую скорость бурения с учетом осевой нагрузки. Авторы наглядно продемонстрировали увеличение механической скорости бурения при одинаковых осевых нагрузках с использованием пульсирующего потока, а также показали всю бесполезность увеличения осевой нагрузки при использовании стационарного потока промывочной жидкости. Те же результаты были подтверждены позже автором в работе [12], в которой рассматривался процесс бурения алмазными коронками.

Учитывая положительные стороны применения пульсирующего потока промывочной жидкости, был создан ряд устройств для его реализации. Так, например, в патенте № RU 2065916, опубл. 27.08.1996 [8], предлагается устройство для бурения скважин. Устройство представляет собой наддолотный переводник, скомпонованный со струйным насосом, с размещенным в нем шаровым вибратором, состоящим из шарового бойка и наковальни, сопло струйного насоса выполнено кольцевым и образовано шаром вибратора и внутренней поверхностью патрубка, центральная внутренняя поверхность наддолотного переводника выполнена конической, расширяющейся в сторону промывочного канала бурового долота. По замыслу подобное устройство, включенное в состав бурового инструмента, должно оказывать вибрационное воздействие на долото в процессе бурения, вместе с тем оно будет создавать и пульсирующий поток промывочной жидкости.

Следующим шагом по улучшению технологии создания пульсирующего потока промывочной жидкости можно считать конструкцию долота, описанную в патенте № RU 2256058, опубл. 10.07.2005 [9]. Конструкция предусматривает создание вибрационного воздействия на долото и создание колебаний в потоке промывочной жидкости высокой амплитуды. Также эта конструкция позволяет создать динамическую нагрузку, достаточную для интенсивного разрушения горной породы. Вибродолото состоит из корпуса, лапы, шарошек, оси, опор. Внутри корпуса долота установлены подпружиненное седло и подпружиненный клапан, также имеются промывочные каналы. Подобная конструкция позволяет создать пульсации потока промывочной жидкости в непосредственной близости от забоя скважины, что, в свою очередь, обеспечивает их эффективное воздействие на процесс удаления шлама в призабойной зоне.

Можно видеть, что для бурения скважин с использованием пульсирующего потока неоднократно делались попытки создания технических устройств, которые в целом были положительными. Стоит отметить и тот факт, что в некоторых областях техники используется промывка пульсирующим потоком именно с целью удаления загрязнений. Несмотря на обилие технических средств для создания пульсаций в потоке, на сегодня не существует стройной теории переноса твердой частицы (шлама) пульсирующим потоком. Нет достоверного способа определения необходимой частоты колебаний потока. Применительно к очистке забоя при бурении скважин очевидно, что частота пульсаций должна зависеть от частоты вращения породоразрушающего инструмента. Применительно же к выносу шлама по стволу скважины частота пульсации потока промывочной жидкости должна зависеть от длины ствола скважины или длин его участков.