Тюрин С.Н., Кузнецов В.Г.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЗАБОЕ ПРИ ЦЕМЕНТИРОВАНИИ СКВАЖИНЫ *
Аннотация:
в статье рассматривается подход к управлению забойным давлением (ЗД) при цементировании нефтегазовых скважин с использованием устройства на базе эффекта Вентури. Основное внимание уделено гидродинамическому анализу и вычислению разницы давления в области горловины. Показано, что устройство обеспечивает существенное понижение давления на забое.
Ключевые слова:
цементирование продуктивного пласта, гидродинамическое давление, эффект Вентури, забойное давление
Цементирование скважин в условиях аномально низкого или нестабильного пластового давления сопровождается высокими рисками нарушения герметичности затрубного пространства, потерь раствора и межколонных перетоков. Классические подходы к стабилизации забойного давления основываются на подборе плотности тампонажного раствора, управлении скоростью закачки и установки пакеров, все эти методы не всегда обеспечивают надежное поддержания давления в допустимых пределах между забойным и пластовым давлением. Особенно это актуально при цементировании в пластах с поглощающей способностью и слабой несущей структурой, где малейшее превышение допустимого давления вызывает прорыв цемента или потерю циркуляции.В изучения проблемы, была создана полезная модель устройства, которая реализует эффект Вентури. Модель устройства представлена на рис.1.Рисунок 1. Модель устройства снижающее забойное давления.Эффект Вентури — это гидродинамическое явление, при котором жидкость проходя через разные сечения увеличивает, либо уменьшает скорость потока жидкости. Данный эффект позволяет в пределах технологического контура скважины локально снизить статическое и динамическое давление без изменения состава цементного раствора или внешнего расхода. Устройство, встроенное в колонну, создаёт управляемую зону разрежения, способную компенсировать избыточную репрессию, возникающую, например, при подъёме цементного раствора по кольцевому пространству.Снижение давления в зоне сужения описывается уравнением Бернулли:P1 + ½·ρ·v1² = P2 + ½·ρ·v2²где:P1, v1 — давление и скорость потока на входе в сужение,P2, v2 — соответствующие параметры в горловине,ρ — плотность тампонажного раствора.Так как v1 > v2, то P1 < P2 — возникает депрессия. Разность давлений при переходе можно выразить через геометрию сопла:ΔP = P2 - P1 = ½·ρ·(v2² - v1²)а скорость потока в горловине определяется выражением:v2 = v1·(A1 / A2)где A1, A2 — площади поперечных сечений входа и горловины соответственно.Таким образом, изменяя геометрию сужения (отношение A1/A2) и длину устройства, можно управлять величиной создаваемого разрежения в кольцевом пространстве. Это даёт возможность активно контролировать забойное давление в процессе цементирования, особенно на этапе подъёма тампонажного раствора, когда часто возникают пиковые гидродинамические нагрузки.Для оценки эффективности разработанного устройства проведены расчёты гидродинамики и распределения поля давления и скорости потока цементного раствора в кольцевом пространстве.На графике (рис. 2) показано изменение полного давления раствора по оси скважины при движении через устройство. Общая компоновка испытания составляет ≈ 36м. По оси абсцисс отложена длина участка, по оси ординат – давление в паскалях.Рисунок 2. График зависимости давления. Как видно из расчёта, перед входом в сужение давление составляет порядка 10,0 МПа, затем на участке 3–6 м наблюдается резкое падение до ≈ 9,5 МПа. Далее давление снижается почти линейно за счёт конвертации части статической энергии в кинетическую вследствие ускорения потока, и при выходе из вставки достигает ≈ 7,9 МПа.Таким образом, устройство обеспечивает локальное понижение репрессии в кольцевом пространстве на величину до 2,1 МПа (ΔP ≈ 2,1 МПа), что позволяет безопасно вывести давление за забоем в допустимый диапазон.Для подробного анализа внутри сужающейся части вставки выполнены сечения симметричного полупространства. На рис. 3 представлена карта распределения полного давления и траектории потока.Рисунок 3. Поле давления и линии тока раствора в продольном сечении устройства.Красная зона соответствует области высокого давления (≈ 10,5 МПа) перед сужением, тогда как в горловине цвет переходит в жёлто-синий (≈ 8,0 … 9,0 МПа). Линии тока демонстрируют ускорение центрального струйного потока и формирование кольцевого рециркуляционного завихрения в расширительной части после горловины. Такая рециркуляция дополнительно способствует гашению динамических пульсаций давления.На рис. 4 показана карта распределения скорости потока в том же сечении.Максимальные скорости (~ 9,5 м/с) фиксируются в горловине, где площадь сечения минимальна. В расширительной части скорость падает до 1-2 м/с, образуя широкую зону завихрений. Полученные данные согласуются с уравнением Бернулли и уравнением неразрывности, подтверждая расчётное значение ΔP через разницу кинетических энергий до и после сужения:ΔP = ½ ρ (v₂² − v₁²), v₂ = v1 (A1 / A2)Рисунок 4. Поле скоростей и траектории потока в продольном сечении устройства.Параметры A1/A2 и длина сужающегося участка определяют величину создаваемой депрессии и характер рециркуляции. Моделирование серии вариантов показало, что оптимальное соотношение площадей находится в диапазоне 1,5 … 2,5, при нём обеспечивается падение давления ∼ 2 МПа без чрезмерного увеличения гидравлических потерь на закачку. Удлинённая горловина способствует более равномерному распределению скоростей и снижает пиковые перепады давления за счёт более плавного перехода.Таким образом, результаты CFD анализа демонстрируют практическую эффективность устройства для активного контроля забойного давления при цементировании скважин, что особенно важно в условиях узкого окна между пластовым и забойным давлением.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 3
Ссылка для цитирования:
Тюрин С.Н., Кузнецов В.Г. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЗАБОЕ ПРИ ЦЕМЕНТИРОВАНИИ СКВАЖИНЫ // Вестник науки №5 (86) том 3. С. 1899 - 1905. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23223 (дата обращения: 12.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+