Расчёт расхода промывочной жидкости, обспечивающей вынос шлама на поверхность.

На процесс выноса шлама с забоя на поверхность влияют ряд факторов:

- режим течения промывочной жидкости в кольцевом пространстве;

- концентрация шлама в жидкости;

- размер и форма частиц выбуренной породы;

- положение бурильной колонны относительно оси скважины;

- геометрическая форма ствола скважины;

- устойчивость горных пород к воздействию жидкости;

- склонность горных пород к потере устойчивости и т.п.

Минимальная величина скорости u_{ki min} восходящего потока в i -м интервале кольцевого пространства ствола скважины, при которой начинается транспортировка частиц шлама на поверхность, должна быть не ниже скорости u_v свободного падения этих частиц в неподвижной жидкости.

Теоретическая скорость подъёма шлама в вертикальном стволе скважины приближённо соответствует разности между средней скоростью v_кп движения восходящего потока жидкости и скоростью v_ч свободного падения частиц шлама в неподвижной (той же жидкости) в неограниченном пространстве. Однако экспериментально доказано, что фактическая средняя скорость подъёма частиц шлама меньше теоретической на 10-15 % -при ламинарном режиме, и на 20-25 %- при турбулентном режиме течения промывочной жидкости. Отмеченное несоответствие обусловлено особенностями профиля скоростей в кольцевом пространстве, эксцентрисситетом и вращением колонны бурильных труб, разноразмерностью и конфигурацией частиц бурового шлама, взаймодействием частиц друг с другом и с ограждающими поверхностями, изменчивостью поперечных размеров и профиля ствола скважины и т.д. Необходимо отметить, что в наклонной части ствола скважины фактическая средняя скорость подъёма частиц шлама будет еще меньше, поскольку средний вектор скорости движения жидкости и вектор скорости свободногшо падения частиц шлама направлены под углом, равным зенитному.

Исходя из этого, минимальная скорость v_{кп min} восходящего потока промывочной жидкости, в любом интервале кольцевого пространства должна превышать скорость v_ч свободного падения подавляющего большинства частиц шлама в 1,2-1,3 раза, т.е. v_{кп min} = (1,2-1,3)· v_ч.

Величину минимальной скорости v_{кп min} восходящего потока промывочной жидкости принимают на основании опытных данных, либо вычисляют через скорость v_ч свободного падения (витания) частиц шлама, метод расчёта которой подробно рассмотрен в учебнике по гидроаэромеханике в бурении [7]. Кроме того, расчёт скорости восходящего потока промывочной жидкости в i -м интервале кольцевого пространства может быть произведён по формуле Фуллертона:

v_кп = , (8)

где D_д – диаметр долота, мм; ρ – плотность промывочной жидкости, кг/м³; v_кп – средняя скорость восходящего потока в кольцевом пространстве, м/с.

Тогда расход промывочной жидкости, обеспечивающей вынос шлама из i- го интервала кольцевого пространства, находят по формуле

Q_кп = v_кп ·F_кп (9)

Вычисляя расход промывочной жидкости необходимо учитывать и её реологические свойства. При использовании маловязких ньютоновских жидкостей предпочтительным является расход, при котором имеет место турбулентный режим течения, а при использовании вязко-пластичных жидкостей (ВПЖ) – ламинарный. Обусловлено это тем, что в центральной части сечения кольцевого пространства (как в первом так и во втором случае) эпюра распределения скрости является более благоприятной для выноса шлама.

Если принятое значение расхода приводит к размыву стенок скважины, или значительному росту давления на её забой (вследствие увеличения гидравлических потерь в кольцевом пространстве), то расход необходимо ограничить до минимально допустимого или повысить вязкость промывочной жидкости.

Выполнив расчёты по обоснованию расхода промывочной жидкости по формулам (7) и (9) производят сравнение полученных результатов и в последующих расчётах принимают большую (из двух) величин расхода.

При бурении скважин ГЗД расход промывочной жидкости должен обеспечить работу двигателя в пределах его рабочей области с технологически необходимым моментом на долоте.

4. Выбор гидравлического забойного двигателя.

Гидравлический забойный двигатель выбирают исходя из диаметра скважины, её профиля, момента для привода долота, расхода промывочной жидкости и забойной температуры.

Нормальная проходимость забойного двигателя в стволе скважины и вынос шлама обеспечиваются в том случае, если диаметр забойного двигателя меньше диаметра скважины на 10…15 мм. Кроме того, при бурении наклонно-направленных скважин длиназабойного двигателя L_д при заданом радиусе искривления R_i профиля на i- ом участке ствола скважины не должна превышать величины, вычисленной по формуле:

L_д= , (10)

где Δ – зазор между забойным двигателем и стенкой скважины.

Момент на валу ГЗД M (в рабочей области его характеристики) должен превышать расчётный момент привода долота M_д на 20%. Следовательно, между моментом на валу двигателя M и моментом на долоте M_д существует зависимость:

M = 1,2M_д (11)

Виличину момента на долоте M_д вычисляют через удельный момент M_у и силу осевого давления G_o, приложенную к долоту:

M_д = G_o·M_у (12)

Удельный момент долота зависит от его типа, размера, качества изготовления, диапазона нагрузок и частоты вращения, плотности и пластичности разбуриваемой породы. Существенное влияние на величину удельного момента оказывает состояние вооружения долота. На это указывает тот факт, что в конце рейса момент на долоте может возрастать в 2-3 раза по сравнению с первоначальным его значением. С достаточной для практических расчётов точностью, удельный момент шарошечных долот (в Н·м/кН) можно вычислить по формуле:

M_у=bD_д ² , (13)

где b - коэффициент, зависящий от диаметра долота (см. таблицу);

D_д - диаметр долота, см; k - коэффициент, зависящий от прочности породы (для мягких пород k = 3,3, для средних - k = 3,0, для твёрдых - k = 2,5); n - частота вращения долота, об./мин.; A - коэффициент, зависящий от частоты вращения долота (A = 200 при n 420 об./мин. и A = 150 при n < 420 об./мин.

Значения коэффициента b в зависимости от даметра долота

Диаметр долота, мм	190,5	215,9	269,9	295,3	393,7
Коэффициент b	0,33	0,28	0,19	0,16	0,10

 

При рсчете M_у по формуле (13) силу осевого давления G_o в выражении (12) необходимо подставлять в кН.

Для долот фрезерного типа удельный момент в 1,5-2 раза больше, чем для шарошечных долот того же диаметра. Для алмазных долот удельный момент составляет 6 - 8 и 7 - 12 Н·м/кН при диаметрах до 165,1 и 190,5 - 215,9 мм соответственно.

Силу осевого давления на долото G_o обычно принимают на основе опытно-производственных данных, полученных при бурении скважин в аналогичных горно-геологических условиях.

После выполнения соответствующих расчётов по формулам (10) - (13) производят выбор ГЗД, параметры которых приведены, например, в справочных пособиях [1, 2, 4, 5].

Если расчётные значения плотности и расхода промывочной жидкости не совпадают со справочными данными, то производят пересчёт момента и перепада давления на ГЗД по формулам подобия:

M=M_гдп , (14)

 

∆P_гд=∆P_гдп . (15)

 

В формулах (14) и (15) индексом «п» отмечены справочные параметры ГЗД, приведенные в [1,2,4,5].

Параметры ГЗД, приведённые в справочных пособиях, получены при испытании двигателей на воде без создания осевой нагрузки на вал ГЗД, образующейся в результате влаимодействия долота с забоем. Вместе с тем известно, что величина этой нагрузки оказывает существенное влияние на энергетические параметры гидродвигателя и, в особенности, при использовании осевой опоры с резино-металлическими опорными элементами. Поэтому значения параметров ГЗД с резино-металлической осевой опорой следует рассматривать как приближённые и отражающие не столько машину в целом, сколько её двигательную часть. Кроме того, пересчёт параметров ГЗД по формулам подобия (14) и (15) даёт удовлетворительные результаты если относительная (по воде) плотность жидкости ρ_о ≤1,2, динамическая вязкость μ≤ 14 мПа∙с и динамическое напряжение сдвига τ_о≤ 31 Па. При дальнейшем увеличении плотности и вязкопластичных параметров жидкости характеристика ГЗД существенно изменяется в сторону ухудшения её рабочих параметров.

Часто бывает так, что ни один из ГЗД, приведнных в справочниках, по требуемому моменту и расходу не удовлетворяет величине расчётных параметров. В таких случаях приходится либо принимать компромисное решение, либо отказываться вообще от использования ГЗД для бурения скважины в каком-то интервале. Компромисное решение, как правило, направлено по пути изменения режимно-технологических параметров в направлении, повышающем или, по крайней мере, существенно не ухудшающем технико-экономических показателей проводки скважины.

Выбирая ту или иную типо-модель ГЗД необходимо иметь в виду, что двигатели с проточной резино-металлической осевой опорой не могут эффективно работать совместно с гидромониторными долотами, так как уплотнение их шпинделя не рассчитано на большие перепады давления, возникающие на насадках этих долот. Например, при минимально необходимой скорости истечения жидкости из насадок гидромониторных долот 80 м/с перепад на шпинделе составит не менее 3,5 МПа из-за чего часть жидкости, подаваемой насосами, будет вытекать через уплотнение шпинделя, не достигая забоя. В силу этого условия очистки забоя и вынос шлама станут менее благоприятными.

 

5. Выбор буровых насосов и режима их работы

Известно, что основными параметрами, характеризующими работу насоса, являются его производительность и давление. Однако к моменту выбора насоса известно значение только одного из них - производительности. Давление на выкиде насоса может быть найдено только после выполнения расчёта гидравлических потерь во всех элементах циркуляционной системы буровой. По этому насос, подобранный только с учётом производительности, может оказаться не пригодным к применению по величине давления, создавемого в циркуляционной системы буровой. В этой связи встаёт вопрос о методе прогнозировании реального значения второго параметра - давления на выкиде насоса.

Расмотрим основные теоретические положения этого вопроса.

Запишем выражение для давления на выкиде насоса:

P_н=∆P_o+∆Ρ_т+∆P_кп+∆Р_гд+∆P_д, (16)

где ∆P_о - перепад давления в устьевой обвязке; ∆Ρ_т - перепад давления в внутри труб бурильной колонны; ∆P_кп - перепад давления в кольцевом пространстве за бурильной колонной; ∆Р_гд - перепад давления в гидродвигателе; ∆P_д - перепад давления в долоте.

При бурении ротором четвертое слагаемое в правой части выражения (16) будет отсутствовать, а при электробурении оно будет незначительным.

Сумму первых трёх слагаемых правой части выражения (16) представим в виде:

(∆P_o+∆Ρ_т+∆P_кп) = αρQ², (17)

где а=а₁L_ц+а₂; а₁ - коэффициент потерь давления, зависящий от длины L_ц канала циркуляции (в бурильной колонне и в кольцевом пространстве); а₂ - коэффициент потерь давления, не зависящий от L_ц (исключая потери в насадках долота и гидродвигателе).

Перепишем уравнение (16) с учётом (17):

P_н = аρQ² + ∆Р_гд + ∆P_д (18)

Перепад давления в гидродвигателе ∆Р_гд к моменту выбора насоса известен; известены и пределы изменения перепада давления в долоте ∆P_д. Как отмечалось ранее, минимальное значение перепада давления в долоте ∆P_д составляет 3,5 МПа, а максимальное - 13 МПа.

Умножив правую и левую часть выражения (18) на расход Q, получим выражение баланса гидравлической мощности для циркуляционной системы буровой:

P_нQ = αρQ³ + ∆Р_гдQ+ ∆P_дQ (19)

или

P_нQ = αρQ³ + N_гд+ N_д (19^а)

где P_нQ - гидравлическая мощность насоса; αρQ³ - потери гидравлической мощности на преодоление гидравлических сопротивлений в бурильной колонне и кольцевом пространстве скважины; Р_гдQ=N_гд – гидравлическая мощность, затрачиваемая в гидродвигателе; N_д = ∆P_дQ - гидравлическая мощность, затрачиваемая в насадках долота.

По мере углубления ствола скважины гидравлическая мощность,затрачиваемая на циркуляцию, будет возрастать; мощность, затрачиваемая в гидродвигателе (при постоянном осевом давлении на долото), должна оставаться постоянной, а мощность, затрачиваемая в насадках долота N_д, при постоянной приводной а, следовательно, и гидравлической мощности насоса P_нQ, должна уменьшаться.

Разделив уравнение (19^а) на расход Q насоса и взяв производную по Q, получим:

, (20)

откуда

(21)

Подставив выражение (21) в (19) и выполнив некоторые преобразования, получим выражение для давления на выкиде насоса при котором реализуется максимум гидравлической мощности на забое:

P_н = (∆Р_гд + ∆P_д). (22)

Полученное значение давления должно быть меньше паспортного на 20-25 %. Принимая большую величину (25%) снижения давления, получим выражение для паспортного давления на выкиде насоса:

P_нп = 2 (∆Р_гд + ∆P_д) (23)

Основные параметры буровых насосов, используемых при бурении глубоких разведочных и эксплуатационных скважин, приведены, например, в [2, 5,].

В приложении 2 приведены примеры решения некоторых гидравлических задач, которые ставит перед инженером практика современного бурения.

 

Приложение 1

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Факультет Горно-нефтяной

Кафедра «Нефтегазовые технологии»

 

 

Специальность 130504.65 “Бурение нефтяных и газовых скважин”

 

 

Курсовая работа

по дисциплине:

гидроаэромеханика в бурении

 

Тема: Гидравлическая программа промывки скважины №

месторождения

 

Разработал: студент гр. БНГС

 

Руководитель,проф. кафедры БНГС

Плотников В. М.

 

Пермь 2013 г.

 

 

Приложение 2

 

Примеры расчета некоторых гидравлических задач при бурении скважин.