Файл: 1. основные результаты и направления развития гидроаэромеханики буровых процессов.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 140
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
. Потери давления в замковых соединениях бурильной колонны составляют 5—10 % потерь давления в бурильных трубах.
Для геологоразведочных труб муфто-замкового соединения в (2) используют коэффициент 2, для труб ниппельного соединения – 1,5.
Потери давления на местных сопротивлениях (у замковых соединений) в кольцевом пространстве скважин, как правило, незначительны. Однако в узком кольцевом пространстве их следует учитывать по формуле (1), в которой ξ определяют по формуле
, (3)
где Dc – диаметр скважины; dн – наружный диаметр труб; dз – наружный диаметр соединений.
При бурении электробурами в соединениях находятся кабельные разъемы, увеличивающие гидравлические сопротивления, при этом потери давления в замках составляют 60÷80% потерь давления в гладкой части труб.
Потери давления в насадках долота
При истечении жидкости через отверстие перепад давления ∆p происходит из-за деформации потока (его сжатием и расширением) и преобразования потенциальной энергии течения в кинетическую.
Схема истечения через отверстие.
Уравнение Бернулли для потока несжимаемой жидкости между сечениями 1-1 и 2-2
, (4)
где ∆p1-2 – местные потери давления вследствие диссипации энергии. Их можно определить по формуле (1), используя среднюю скорость в сечении 2‑2.
Уравнение (4) примет вид
(5)
Из уравнения неразрывности потока
(6)
получим
(7)
Если использовать коэффициент сжатия струи
, (8)
то
(9)
Следует отметить, что
(10)
и
, (11)
где φ – коэффициент скорости; μ – коэффициент расхода.
С учетом этих коэффициентов
(12)
При F0<<F1 получим
(13)
Коэффициент сжатия струи ε зависит от конфигурации входной кромки насадки, Re, свойств жидкости, отношения
и даже от природы жидкости.
Коэффициент скорости φ зависит от формы отверстия, соотношения между длиной и диаметром канала в насадке, Re, шероховатости канала, эти же факторы влияют и на коэффициент расхода μ. Для насадки долота число Re относительно велико и влияние его на эти коэффициенты незначительно.
Для отверстий μ определяют опытным путем. Для отверстий выполненных в тонкой стенке μ≈0,6, для насадок с эллиптическим или гиперболическим профилем μ≈0,99.
Для обычных насадок, используемых в шарошечных долотах с улучшенным входом
и 
. Как правило, принимается μ≈0,95.
Потери давления в наземной обвязке
При бурении скважин на нефть и газ
, (14)
где a – суммарный коэффициент сопротивления обвязки (стояка, шланга, вертлюга и ведущей трубы); Q – объемный расход, м3/с; ρ – плотность, кг/м3.
(15)
Значения коэффициентов a можно найти в справочной литературе. Они зависят от диаметра соответствующих элементов обвязки.
При геологоразведочном бурении обычно рассчитывают давление в бурильных трубах и наземной обвязке вместе
, Па (16)
где
(17).
ПРОДУВКА
1. Кольцевой канал
, м3/с
k1=1,3÷1,5;v2=10÷12 м/с; 15÷20 м/с;
(1)
1 – потери давления на преодоление аэродинамического сопротивления;
2, 3 – давление для поддержания на весу воздуха и шлама;
4, 5 – давление для кинетического разгона воздуха и шлама.
В (1) входят 5 переменных: p, l, ρг, v, u. Для интегрирования необходимо, чтобы (1) выражало связь только между p и l.
; (2)
v – скорость газа; u – скорость шлама.
(3)
w – скорость проскальзывания шлама относительно воздуха.
Предположим, что u прямо пропорционально v и всегда составляет определенную долю
, (4)
т.е. ε=const.
; 
; 
; 
Подставим (2) и выражения для ρг, v, u в (1):
(5)
, кг/с
, кг/м3
, доли ед.
, кг/м3
, м/с
, Па·с
; 
, с-1
; 
При Re<Reкр
; 
При Re≥Reкр
В (5) переменные легко разделяются. Учитывая, что
и 
, интегрируем (5) в пределах от конечного давления на устье pк=pат до начального pн на глубине l. Временно введем сокращение
После интегрирования
(6)
Уравнение (6) трансцендентное и относительно pн аналитически не разрешается. Однако, второй член правой части очень мал (доли % от общего значения l) и им можно пренебречь. Это равносильно пренебрежению четвертым и пятым членами в (1) и (5).
Тогда, после преобразований, получим
(7)
При большой глубине скважины следует учесть аэростатическое давление смеси через ее среднюю плотность
(8)
, (9)
или
(10)
В призабойной зоне
, (11)
на устье
. (12)
Среднюю плотность смеси ρсм ср можно определить как полусумму плотностей ρсм ни ρсм к. Тогда аэростатическое давление
(13)
В результате получаем удобную для расчетов формулу
(14)
kг=0,5÷1 (алмазный породоразрушающий инструмент)
kг=1÷1,5 (твердосплавные коронки)
kг=1,5÷2 (шарошечные, лопастные, пикобуры)
Чем крупнее шлам и мягче порода, тем больше kг.
, кг/с (
)
– бескерновое
– с отбором керна
B – выход керна, %; Dk – диаметр керна
2. Нисходящий поток
(15)
Упрощенная формула:
(16)
(17)
Расчет ведется в направлении, обратном направлению движения воздуха.
– Веймаута (для чистого воздуха)
Для геологоразведочных труб муфто-замкового соединения в (2) используют коэффициент 2, для труб ниппельного соединения – 1,5.
Потери давления на местных сопротивлениях (у замковых соединений) в кольцевом пространстве скважин, как правило, незначительны. Однако в узком кольцевом пространстве их следует учитывать по формуле (1), в которой ξ определяют по формуле
, (3)где Dc – диаметр скважины; dн – наружный диаметр труб; dз – наружный диаметр соединений.
При бурении электробурами в соединениях находятся кабельные разъемы, увеличивающие гидравлические сопротивления, при этом потери давления в замках составляют 60÷80% потерь давления в гладкой части труб.
Потери давления в насадках долота
При истечении жидкости через отверстие перепад давления ∆p происходит из-за деформации потока (его сжатием и расширением) и преобразования потенциальной энергии течения в кинетическую.
Схема истечения через отверстие.
Уравнение Бернулли для потока несжимаемой жидкости между сечениями 1-1 и 2-2
, (4)где ∆p1-2 – местные потери давления вследствие диссипации энергии. Их можно определить по формуле (1), используя среднюю скорость в сечении 2‑2.
Уравнение (4) примет вид
(5)Из уравнения неразрывности потока
(6)получим
(7)Если использовать коэффициент сжатия струи
, (8)то
(9)Следует отметить, что
(10)и
, (11)
где φ – коэффициент скорости; μ – коэффициент расхода.
С учетом этих коэффициентов
(12)При F0<<F1 получим
(13)Коэффициент сжатия струи ε зависит от конфигурации входной кромки насадки, Re, свойств жидкости, отношения
и даже от природы жидкости.Коэффициент скорости φ зависит от формы отверстия, соотношения между длиной и диаметром канала в насадке, Re, шероховатости канала, эти же факторы влияют и на коэффициент расхода μ. Для насадки долота число Re относительно велико и влияние его на эти коэффициенты незначительно.
Для отверстий μ определяют опытным путем. Для отверстий выполненных в тонкой стенке μ≈0,6, для насадок с эллиптическим или гиперболическим профилем μ≈0,99.
Для обычных насадок, используемых в шарошечных долотах с улучшенным входом
и . Как правило, принимается μ≈0,95.Потери давления в наземной обвязке
При бурении скважин на нефть и газ
, (14)где a – суммарный коэффициент сопротивления обвязки (стояка, шланга, вертлюга и ведущей трубы); Q – объемный расход, м3/с; ρ – плотность, кг/м3.
(15)Значения коэффициентов a можно найти в справочной литературе. Они зависят от диаметра соответствующих элементов обвязки.
При геологоразведочном бурении обычно рассчитывают давление в бурильных трубах и наземной обвязке вместе
, Па (16)где
(17).
ПРОДУВКА
1. Кольцевой канал
, м3/сk1=1,3÷1,5;v2=10÷12 м/с; 15÷20 м/с;
(1)1 – потери давления на преодоление аэродинамического сопротивления;
2, 3 – давление для поддержания на весу воздуха и шлама;
4, 5 – давление для кинетического разгона воздуха и шлама.
В (1) входят 5 переменных: p, l, ρг, v, u. Для интегрирования необходимо, чтобы (1) выражало связь только между p и l.
; (2)v – скорость газа; u – скорость шлама.
(3)w – скорость проскальзывания шлама относительно воздуха.
Предположим, что u прямо пропорционально v и всегда составляет определенную долю
, (4)т.е. ε=const.
; ; ; Подставим (2) и выражения для ρг, v, u в (1):
(5) , кг/с , кг/м3 , доли ед.
, кг/м3
, м/с , Па·с ; , с-1 ; При Re<Reкр
; При Re≥Reкр
В (5) переменные легко разделяются. Учитывая, что
и , интегрируем (5) в пределах от конечного давления на устье pк=pат до начального pн на глубине l. Временно введем сокращение После интегрирования
(6)Уравнение (6) трансцендентное и относительно pн аналитически не разрешается. Однако, второй член правой части очень мал (доли % от общего значения l) и им можно пренебречь. Это равносильно пренебрежению четвертым и пятым членами в (1) и (5).
Тогда, после преобразований, получим
(7)При большой глубине скважины следует учесть аэростатическое давление смеси через ее среднюю плотность
(8) , (9)или
(10)В призабойной зоне
, (11)на устье
. (12)Среднюю плотность смеси ρсм ср можно определить как полусумму плотностей ρсм ни ρсм к. Тогда аэростатическое давление
(13)В результате получаем удобную для расчетов формулу
(14) kг=0,5÷1 (алмазный породоразрушающий инструмент)
kг=1÷1,5 (твердосплавные коронки)
kг=1,5÷2 (шарошечные, лопастные, пикобуры)
Чем крупнее шлам и мягче порода, тем больше kг.
, кг/с ( ) – бескерновое – с отбором кернаB – выход керна, %; Dk – диаметр керна
2. Нисходящий поток
(15)Упрощенная формула:
(16) (17) Расчет ведется в направлении, обратном направлению движения воздуха.
– Веймаута (для чистого воздуха)