Расчет гидравлических сопротивлений

в циркуляцион­ной системе»

Давление, развиваемое 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 (в МПа):

(2.1)

где к₃ - коэффициент, учитывающий необходимость запаса давления на преодоление дополнительных сопротивлений при зашламовании сква­жин, образовании сальников и др. , р₁ - потери давления в бурильных и утяжеленных трубах, в ведущей трубе, сальнике, шланге и в поверхностной нагнетательной линии, р₂ - потери давления на пре­одоление местных сопротивлений в соединениях бурильной колонны, р₃ - потери давления в кольцевом канале скважины, р₄ - потери давле­ния на преодоление сопротивлений в долоте или колонковом наборе, р₅ - перепад давления в гидроударнике турбобура.

В уравнении баланса давления (2.1) также рекомендуется учитывать давление на преодоление гидростатических сил, обусловлен­ных разностью между гидростатическими давлениями столбов жидко­сти в кольцевом пространстве и трубах (р₆).

Последовательность расчета потерь давления

При бурении скважин

1. Потери давления в бурильных и утяжеленных трубах, в ведущей трубе, сальнике, шланге и в поверхностной нагнетательной линии.

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

(2.2)

где - безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления; υ- средняя по сечению канала потока объемная скорость движения жидко­сти, м/с; - плотность жидкости, кг/м³; l - длина канала потока, м; -эквивалентный диаметр канала потока (для бурильных труб где - внутренний диаметр труб; для кольцевого канала скважины , где d₂ - 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:

(2.3)

Где все величины относятся к внутреннему каналу бурильных труб d₁, аl_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 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 с учетом перечисленных факторов.

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

(2.4)

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^-3м); D_э - эквивалентный диаметр ка­нала потока, м (для внутреннего канала бурильных труб D_э=d₁, Rе - па­раметр Рейнольдса, рассчитываемый по следующей фоpмуле:

(2.5)

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

(2.6)

где ' - эффективная вязкость глинистого раствора, определяемая по формуле:

(2.7)

где - коэффициент структурной вязкости; - динамическое напря­жение сдвига. При расчетах в системе СИ можно для нормальных гли­нистых растворов принимать значения этих величин в пределах ; Па и тем больше, чем выше их условная вяз­кость.

При значениях R^*<2000-3000 отмечается структурный режим дви­жения. Коэффициент сопротивления в этом случае определяется по формуле Стокса:

(2.8)

При значениях Rе '>2000+3000 величина коэффициента рассчи­тывается по формуле Р.И. Шищенко:

(2.9)

При значениях Rе'>5000 можно считать и значение коэф­фициента принимать равным 0,02.

Эквивалентная длина l_э бурильных труб определяется из соотно­шения:

(2.10)

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

2. Потери давления на пре­одоление местных сопротивлений в соединениях бурильной колонны.

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

(2.11)

где v₁- средняя скорость течения в трубе за местным сопротивлением - м/с; п - число однотипных соединений в колонне; - безразмерный ко­эффициент местного сопротивления, рассчитываемый по формуле Б.С. Филатова:

(2.12)

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

3. Потери давления в кольцевом канале скважины.

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

(2.13)

где υ - скорость восходящего потока промывочной жидкости, м/с; р' -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; - безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления в кольцевом пространстве.

Для правильной оценки диаметра скважины при расчете р₃ можно воспользоваться приведенными ниже данными возможных значений приращений диаметров ствола скважины при геологоразведочном бу­рении:

Категория пород по буримости (вращательное механическое бурение)	XII	XI	X	IX	YIII	YII-YI
Приращение диаметров скважины, мм	0-1	1-2	2-3	3-5	4-10	10-30

При промывке скважины водой и другими маловязкими жидко­стями коэффициент может быть рассчитан по формуле Блазиуса:

(2.14)

где , D_э - эквивалентный диаметр канала потока, в этом случае равный ,м; d - наружный диаметр бурильных труб, м.

При промывке скважин глинистым раствором или другими струк­турными жидкостями рассчитывается по формуле Р.И. Шищенко,

справедливой в интервале .

(2.15)

При малых значениях Rе'_кп<1200 для расчета можно воспользоваться формулой Е.М. Соловьева

(2.16)

При Rе ' 50 000 для глинистого раствора рекомендуется прини­мать коэффициент сопротивления постоянным и равным 0,02.

4. Потери давле­ния на преодоление сопротивлений в долоте или колонковом наборе

Потери давления в колонковом наборе (или долоте) зависят от его конфигурации и степени изношенности, длины и степени разрушения керна в колонковой трубе, количества и качества промывочной жидко­сти. Часть этих факторов меняется в течение рейса, поэтому рекоменду­ется принимать р₄ =0,25 0,5 МПа. Большие значения потерь давле­ния берутся для больших расходов жидкости.

5. Перепад давления в гидроударнике (или малогабаритном турбобу­ре) р₅ принимается в соответствии с технической характеристикой за­бойного механизма.

Перепад давления в гидроударнике (или малогабаритном турбобу­ре) р₅ принимается в соответствии с технической характеристикой за­бойного механизма.

6. Давление на преодоление гидростатических сил, обусловлен­ных разностью между гидростатическими давлениями столбов жидко­сти в кольцевом пространстве и трубах.

При учете разности между гидростатическими давлениями столбов жидкости в кольцевом пространстве и бурильных трубах потери давле­ния (р₆) определяют по формуле:

(2.17)

где _ж.в. и _ж.н. - соответственно удельные веса жидкости в кольцевом пространстве и в бурильных трубах, Н/м³.

При высокочастотном алмазном бурении на коэффициент ока­зывает влияние окружная скорость вращения бурильной колонны. Для бурения с промывкой водой, полимерными растворами, водомасляными эмульсиями, водными растворами NаС1 и СаС1₂ имеется следующая формула:

(2.18)

где - окружная скорость вращения поверхности колонны бурильных труб, м/с; , п - частота вращения колонны бурильных труб,мин^-1; - коэффициент гидравлических сопротивлений при отсутствии вращения колонны, в данном случае вычисляемый по видоизмененной формуле Альтшуля:

(2.19)

Здесь коэффициент эквивалентной шероховатости для алмазного бурения стальными трубами принимается равным 0,03·10^{-3 м.}

Задача 2.1. Рассчитать потери давления в циркуляционной сис­теме при следующих условиях:

Таблица 2.1 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
Н (глубина скв), м
Q, л/мин	35,4	28,6	32,8	25,8	33,4	37,2	38,0	39,4	40,0	42,4
Рж, кг/м3
η,Па·с	0,099	0,086	0,094	0,078	0,096	0,09	0,099	0,086	0,094	0,078
τ0, Па	4,4	4,0	5,2	4,2	3,8	4,8	4,6	3,6	5,0	4,2
d0, м	0,036

бурильные трубы - ЛБТН-54