Потери давления при бурении геологоразведочных скважин

Последовательность расчета потерь давления при бурении геологоразведочных скважин

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в бурильных трубах, УБТ и в наземной обвязке рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха

(14.21)

где λ — безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления; υ -средняя по сечению канала потока объемная скорость движения жидкости, м/с; ρ — плотность жидкости, кг/м3; l — длина канала потока, м; D э — эквивалентный диаметр канала потока (для бурильных труб D э =d 1 , где d 1 — внутренний диаметр труб; для кольцевого канала скважины D э = D c -d 2 , где d 2 — наружный диаметр бурильной трубы, D c — диаметр скважины, м).

Для одновременного определения потерь давления в бурильных и утяжеленных бурильных трубах (УБТ), в ведущей трубе, сальнике, шланге, поверхностной нагнетательной линии удобнее воспользоваться формулой

(14.22)

где все величины относятся к внутреннему каналу бурильных труб d 1 , а l э , эквивалентная длина бурильных труб, потери давления на которой приравниваются к потерям давления в УБТ, ведущей трубе, сальнике и т.д., м.

Наиболее сложным и ответственным при гидравлических расчетах является определение значений λ для конкретных условий. Коэффициент гидравлических сопротивлений зависит от свойств жидкостной среды, скорости ее движения, сечения канала, шероховатости стенок. Однако, до настоящего времени не найдено единой зависимости для аналитического вычисления λ с учетом перечисленных факторов.

При промывке скважины водой или другими маловязкими (ньютоновскими) жидкостями значение коэффициента λ 1 с достаточной точностью можно найти по приближенной формуле А.Д. Альтшуля

(14.23)

где К ш — эквивалентная шероховатость стенок трубопровода, м (для новых стальных цельнокатаных труб К ш =(0,02-0,07)·10 -3 м, для стальных труб бывших в употреблении К ш =(0,2-0,5)·10 -3 м и для старых сильно корродированных труб К ш = 1,0·10 -3 м); D э — эквивалентный диаметр канала потока, м (для внутреннего канала бурильных труб D э =d 1 ; Re — параметр Рейнольдса, рассчитываемый по следующей фомуле:

(14.24)

При промывке скважины глинистыми растворами или другими структурными жидкостями режим движения потока характеризуется обобщенным параметром Рейнольдса:

(14.25)

где η’ — эффективная вязкость глинистого раствора, определяемая по формуле:

(14.26)

где η — коэффициент структурной вязкости; τ 0 — динамическое напряжение сдвига. При расчетах в системе СИ можно для нормальных глинистых растворов принимать значения этих величин в пределах η=5·10 -3 ÷2·10 -2 Па·с; τ 0 =2÷10 Па и тем больше, чем выше их условная вязкость.

При значениях R* 2000÷3000 величина коэффициента λ 1 , рассчитывается по формуле Р.И.Шищенко:

(14.28)

При значениях Rе’>5000 можно считать λ 1 =const и значение коэффициента принимать равным 0,02.

Эквивалентная длина l э , бурильных труб определяется из соотношения

(14.29)

где l УБТ , l ш , l в , l с — длины соответственно УБТ, нагнетательного шланга, ведущей трубы, вертлюга — сальника и т.д., м.; d УБТ , d ш , d в , d c — внутренние диаметры соответственно УБТ, нагнетательного шланга, ведущей трубы, канала в вертлюге-сальнике, м.

Потери давления на гидравлические сопротивления при движении бурового раствора в соединениях бурильной колонны обычно определяют по формуле

(14.30)

где v 1 — средняя скорость течения в трубе за местным сопротивлением -м/с; n — число однотипных соединений в колонне; ζ — безразмерный коэффициент местного сопротивления, рассчитываемый по формуле Б.С.Филатова:

(14.31)

где а — опытный коэффициент, учитывающий особенности конфигурации местного сопротивления; для труб муфтово-замкового соединения a≈2, для — ниппельного a≈1,5; d0 — диаметр наименьшего проходного сечения в соединении, м.

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в кольцевом пространстве может быть приближенно рассчитано по следующей формуле:

(14.32)

где v- скорость восходящего потока промывочной жидкости, м/с; ρ’ -средняя плотность жидкости, обогащенной шламом, кг/м3; для осуществления качественной очистки забоя плотность жидкости в восходящем потоке не должна быть выше плотности в нисходящем потоке более чем на 3%; l -длина скважины, м; λ к.п. — безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления в кольцевом пространстве.

Для правильной оценки диаметра скважины при расчете р 3 можно воспользоваться приведенными ниже данными возможных значений приращений диаметров ствола скважины при геологоразведочном бурении :

Категория пород по буримости (вращательное механическое бурение)

Источник

Потери давления при бурении на нефть и газ

Последовательность расчета потерь давления при бурении на нефть и газ

При турбулентном режиме течения в бурильных трубах и УБТ гидравлические потери (в Па) вычисляют по формуле Дарси-Вейсбаха

(14.39)

при ламинарном режиме течения вязкопластичной жидкости

а вязкой жидкости по формуле (11.20) при

Здесь λ т — коэффициент гидравлических сопротивлений труб; l -длина труб, м; v — средняя скорость течения раствора м/с; d 1 — внутренний диаметр труб, м; β — безразмерный коэффициент, определяемый по кривым рис. 14.4 в зависимости от числа Сен-Венана — Ильюшина (Sen),

При расчете гидравлических потерь в кольцевом пространстве:

при турбулентном режиме (14.44)

при ламинарном течении вязкопластичной жидкости (14.45)

при ламинарном течении вязкой жидкости р е определяться по формуле (11.25) при

(14.46)

В выражениях (14.44)-(14.46) λ к — коэффициент гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве; l к — длина участка кольцевого пространства с диаметральным зазором D c — d, м; D c — средний диаметр рассматриваемого участка скважины, м; d — наружный диаметр бурильной колонны, м; β к — безразмерный коэффициент, определяемый по кривым рис. 14.4 для кольцевого пространства; Re к — число Рейнольдса для кольцевого пространства.

Рис.14.4. Зависимость безразмерного коэффициента β к , от числа Сен-Венана — Ильюшина: 1 — для труб; 2 — для соосного кольцевого пространства

Числа Сен-Венана и Рейнольдса для кольцевого пространства

(14.47)

(14.48)

Гидравлические потери при турбулентном течении можно рассчитать по формуле (14.39), если λ вычислить по формуле Блазиуса:

где ψ=0,3164 — для труб круглого поперечного сечения; ψ=0,339 — для кольцевого пространства; λ для ЛБТ на 10-15% меньше, чем для стальных труб.

Потери давления при течении раствора в бурильных замках приближенно можно рассчитать по формуле Борда — Карно

(14.50)

а в сужениях кольцевого пространства бурильными замками

(14.51)

где i б.з — число бурильных замков в рассматриваемом участке.

Коэффициенты местных сопротивлений бурильного замка ЗН и ЗШ соответственно

(14.52)

d min — минимальный диаметр проходного канала высаженного внутрь конца трубы, м; d б.э.н — наименьший диаметр проходного канала бурильного замка, м.

Коэффициент местных сопротивлений сужения кольцевого пространства бурильным замком

(14.53)

В других элементах циркуляционной системы кроме долотных насадок и ГЗД

где а i — коэффициент сопротивлений элемента циркуляционной системы, м -4 .

Смене ламинарного режима турбулентным соответствует критическое значение числа Рейнольдса:

He=ReSen=τ 0 ρ б.р d 2 /η 2 (14.56)

(14.57)

Вычислив число Хедстрема, Re кр , можно найти также по графику ( рис. 14.5 ).

При турбулентном режиме v>v кр . Для потока в трубах

а в кольцевом пространстве

(14.59)

Рис. 14.5. Кривая критических значений числа Рейнольдса перехода в турбулентный режим

При роторном бурении гидромониторными долотами необходимая гидравлическая мощность N r min приближенно может быть оценена в зависимости от удельной осевой нагрузки на долото Р уд , частоты его вращения n д и диаметра D д по рис. 14.6.

Рис. 14.6. Зависимость между минимально необходимой гидравлической мощностью на забое и удельной осевой нагрузкой, частотой вращения при роторном бурении гидромониторными шарошечными долотами с симметричной схемой промывки. Числа у кривых указывают диаметр долота в мм.

Во избежание преждевременного выхода из строя промывочных узлов гидромониторных долот перепад давлений в насадках не должен превышать р пред ≈13 МПа. Поэтому перепад давлений в насадках долота при роторном бурении нужно выбрать с соблюдением следующих условий:

(14.60)

где р нм — наибольшее давление, которое может создавать насос при подаче Q, Па; Σр k — гидравлические потери в кольцевом пространстве скважины, Па; N г — гидравлическая мощность, найденная по рис. 14. 6; Σр т — гидравлические потери в бурильных трубах, УБТ и бурильных замках.

(14.61)

где р з.д — перепад давления в забойном двигателе, Па, при турбинном бурении

(14.62)

где p табл — перепад давлений при расходе Q табл бурового раствора с плотностью р табл , Па.

При отсутствии опытных данных, объемную скорость утечек (в м3/с) через уплотнительный узел вала ГЗД можно вычислить по эмпирической формуле

(14.63)

Для реализации перепада давлений рд в долоте при бурении с ГЗД необходимы насадки с площадью выходных сечений (м2)

(14.64)

По величине ƒ н устанавливают диаметр и число насадок гидромониторных долот.

Перепад давления в промывочных насадках буровых долот можно рассчитать по формуле

р д =ρ б.р. Q 2 /2μ 2 н ƒ 2 н (14.65)

В формулах (14.64) и (14.65) μ н — коэффициент расхода, зависящий от конфигурации насадки, отношения длины проходного канала к диаметру и числа Рейнольдса; при приближенных расчетах принимают для обычных долот μ н ≈0,64÷0,7,

а для гидромониторных долот с более совершенной конфигурацией входного участка μ н =0,9÷0,95; ƒ н — площадь выходных сечений насадок, м2; Q — в м3/с.

Для обеспечения циркуляции бурового раствора в заданном количестве насос должен развивать давление, которое складывается из суммы потерь давления (в Па) на всех участках циркуляционной системы

р Σ =р m +р к +p б.з. +р б.з +р ц.с +р з.д +р д (14.66)

Источник

Гидравлический расчет промывки ствола скважины при бурении роторным и турбинным способами

Гидравлический расчет сводится к определению потерь давления и к выбору необходимого типа буровых насосов. Давление, создаваемое буровым насосом, должно быть больше или равно потерям давления на преодоление гидравлических сопротивлений и гидростатических сил в циркуляционной системе скважины при прокачивании жидкости с заданным расходом Q (МПа)

Кз – коэффициент, учитывающий необходимость запаса давления на преодоление дополнительных сопротивлений при зашламовании скважин, образовании сальников и др. (Кз=1,3÷1,5),

Р₁ – потери давления в бурильных и утяжеленных трубах, в ведущей трубе, в сальнике, в шланге, в поверхностной нагнетательной линии;

Р₂ – потери давления на преодоление местных сопротивлений в соединениях бурильной колонны;

Р₃ — потери давления в кольцевом пространстве скважины;

Р₄ — потери давления на преодоление сопротивлений в долоте;

Р₅ — перепад давления в забойном двигателе.

а). Определение потерь давления в бурильных трубах.

Определим режим течения бурового раствора в бурильных трубах:

, (37)

– плотность бурового раствора, кг/м 3 ;

– средняя скорость течения жидкости в трубах, м/c;

(38)

d – внутренний диаметр бурильных труб, м;

— структурная вязкость раствора, Н*с/м 2 ;

;

Q -расход бурового раствора, м 3 /c;

d – внутренний диаметр бурильных труб, м;

При обобщенном критерии Рейнольдса Re ≤ 2300 режим течения будет ламинарным, а при Re > 2300 – турбулентным.

Определим потери давления в бурильных трубах по формуле

, (39)

– длина УБТ, м;

– безразмерный коэффициент гидравлических сопротивлений;

При турбулентном режиме определяется по формуле:

(40)

Определим коэффициент потери давления в бурильных трубах:

(41)

б). Определение потерь давления в кольцевом пространстве

Определим режим течения бурового раствора в кольцевом пространстве:

(42)

– средняя скорость течения жидкости по кольцевому пространству, м/с;

(43)

– диаметр скважины (долота), м;

D – наружный диаметр бурильных труб, м;

Q – расход бурового раствора, м 3 /c;

(44)

(45)

(46)

=0,025 (47)

Коэффициент потерь давления в кольцевом пространстве:

(48)

в). Определение потерь давления в УБТ

Эти потери наиболее удобно определять по методу эквивалентных длин по формуле:

(49)

– длина утяжеленных бурильных труб, м;

d – внутренний диаметр бурильных труб, см;

– внутренний диаметр утяжеленных труб, см;

(50)

Коэффициент потерь давления в трубах УБТ:

(51)

г). Определение потерь давления в бурильных замках

Потери давления в замковых соединениях могут быть определены через эквивалентную длину местных сопротивлений по формуле:

(52)

= 0,0236 – безразмерный коэффициент гидравлических сопротивлений замка. (этот коэффициент равен коэффициенту гидравлических сопротивлений труб, так как внутренний диаметр бурильных труб с высаженными наружу концами и внутренний диаметр замка (ЗУ) примерно равны)

= kd — эквивалентная длина замкового соединения, м (табличные данные);

k – эквивалентная длина, выраженная в долях внутреннего диаметра труб (табличные данные);

L – длина колонны бурильных труб, м;

– среднее расстояние между замками, м;

Коэффициент потери давления в бурильных замках:

(53)

д). Определение потерь давления в промывочных отверстиях долота

Эти потери с достаточной для практических расчетов точностью можно определить по формуле:

(54)

F — суммарное сечение промывочных отверстий долота, см;

Коэффициент потери давления в долоте:

(55)

Примечание: более точно значение может быть определено по формуле:

(56)

Для серийных долот принимается равным 0,67, а для сменных насадок – 0,94 — 0,98.

Последнее изменение этой страницы: 2019-03-29; Просмотров: 277; Нарушение авторского права страницы

Источник