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:

(2.20)

При ламинарном режиме течения вязкопластичной жидкости:

(2.21)

а вязкой жидкости по формуле (2.20) при:

(2.22)

Здесь - коэффициент гидравлических сопротивлений труб; l -длина труб, м; - средняя скорость течения раствора м/с; - внутренний диаметр труб, м; - безразмерный коэффициент, определяемый по кривым рис. 2.1 в зависимости от числа Сен-Венана - Ильюшина (Sen):

(2.23)

(2.24)

При расчете гидравлических потерь в кольцевом пространстве: при турбулентном режиме:

(2.25)

При ламинарном течении вязкопластичной жидкости:

(2.26)

При ламинарном течении вязкой жидкости р_е определяться по формуле (2.25) при:

(2.27)

В выражениях (2.25)-(2.27) _к - коэффициент гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве; l _к - длина участка кольцево­го пространства с диаметральным зазором , м; - средний диа­метр рассматриваемого участка скважины, м; d - наружный диаметр бурильной колонны, м; _к - безразмерный коэффициент, определяемый по кривым рисинка 2.1 для кольцевого пространства; Rе_к - число Рейнольдса для кольцевого пространства.

 

 

Рисунок 2.1 - Зависимость безразмерного коэффициента β_k от числа Сен-Венана – Ильюшина: 1 -для труб; 2 -для соосного кольцевого пространства

 

Числа Сен-Венана и Рейнольдса для кольцевого пространства:

(2.28)

(2.29)

Гидравлические потери при турбулентном течении можно рассчи­тать по формуле (2.20), если λ вычислить по формуле Блазиуса:

(2.30)

где =0,3164 - для труб круглого поперечного сечения; =0,339 - для кольцевого пространства; 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:

(2.31)

а в сужениях кольцевого пространства бурильными замками:

(2.32)

где i _б.з. ^_ число бурильных замков в рассматриваемом участке.

Коэффициенты местных сопротивлений бурильного замка ЗН и ЗШ соответственно:

(2.33)

- минимальный диаметр проходного канала высаженного внутрь конца трубы, м; - наименьший диаметр проходного канала бурильного замка, м.

Коэффициент местных сопротивлений сужения кольцевого про­странства бурильным замком:

(2.34)

В других элементах циркуляционной системы кроме долотных насадок и ГЗД:

(2.35)

где а_i - коэффициент сопротивлений элемента циркуляционной системы, м^-4 значения которого можно найти в таблице 2.2.

 

Таблица 2.2 - Значение коэффициентов потерь давления в поверхностной обвязке буровой

 

Стояк	Шланг	Вертлюг	Ведущая труба	Манифольд
Диаметр, мм	а·10-5, м-4	Внутренний диаметр, мм	а·10-5, м-4	Диаметр проходного отверстия, мм	а·10-5, м-4	Условный диаметр, мм	Диаметр проходного отверстия, мм	а·10-5, м-4	Диаметр, мм	а·10-5, м-4
	16,9		36,4 9,7		27,2 4,57			16,5 10,2	- -	- -
	3,35	63,5	2,93 1,2		1,1 0,9			1,8		13,3
	1,07		0,93 0,52		0,70 0,44			0,9		2,3
	0,4		0,28		0,29			0,4		1,2

 

Смене ламинарного режима турбулентным соответствует критиче­ское значение числа Рейнольдса:

(2.36)

где Не - число Хедстрема,

(2.37)

в кольцевом пространстве

(2.38)

Вычислив число Хедстрема, , можно найти также по графику (рис. 2.2).

 

 

Рис. 2.2 – Кривая критических значений числа Рейнольдса

перехода в турбулентный режим

 

При турбулентном режиме v>v_кр. Для потока в трубах:

(2.39)

а в кольцевом пространстве:

(2.40)

При роторном бурении гидромониторными долотами необходимая гидравлическая мощность N_{r min} приближенно может быть оценена в зависимости от удельной осевой нагрузки на долото Р_ул, частоты его вращения п_л и диаметра D_Д по рис. 2.3.

 

 

Рисунок 2.3 - 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 13 МПа. Поэтому перепад давлений в насадках долота при роторном бурении нужно выбрать с соблюдением следую­щих условий:

(2.41)

Где - наибольшее давление, которое может создавать насос при по­даче Q, Па; ∑р_к - гидравлические потери в кольцевом пространстве скважины, Па; - гидравлическая мощность, найденная по рис. 2.3; ∑ Р_т - гидравлические потери в бурильных трубах, УБТ и бурильных замках.

При бурении ГЗД

(2.42)

Где p_з.д. - перепад давления в забойном двигателе, Па при турбинном бурении.

(2.43)

где перепад давлений при расходе бурового раствора с плот­ностью , Па.

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

(2.44)

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

(2.45)

По величине f _н из таблицы 2.3 устанавливают диаметр и число насадок гидромониторных долот.

Перепад давления в промывочных насадках буровых долот можно рассчитать по формуле:

(2.46)

В формулах (2.45) и (2.46) _н - коэффициент расхода, зависящий от конфигурации насадки, отношения длины проходного канала к диа­метру и числа Рейнольдса; при приближенных расчетах принимают для обычных долот а для гидромониторных долот с более совершенной конфигураци­ей входного участка ; - 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:

 

(2.47)

 

Таблица 2.3 – Суммарная площадь сечений промывочных отверстий гидромониторных долот

Суммарная площадь сечения ƒн·106, м2	Сочетание диаметров насадок, мм	Суммарная площадь сечения ƒн·106, м2	Сочетание диаметров насадок, мм
			11-11-12
			10-17
			10-17
			10-11-13
			13-15
	10-10		10-10-14
	10-11		12-16
			10-12-12
	11-11		11-17
	10-12		11-11-13
			10-12-13
	11-12		10-11-14
	10-13		14-15
	12-12		10-18
			13-16
	11-13		12-12-12
	10-14		12-17
	10-10-10		11-12-13
	12-13		10-13-13
	11-14		11-11-14
	10-10-11		10-12-14
			11-18
	10-15		10-11-15
	13-13		14-16
	12-14		10-10-16
	10-11-11		12-12-13
	10-10-12		13-17
	11-15		11-13-13
	11-16		11-12-14
	11-11-11		10-13-14
	13-14		11-11-15
	10-11-12		12-18
	12-15		10-12-15
	11-16		10-11-16

Задача 2.2. Вычислить гидравлические потери давления при бу­рении скважины роторным способом глубиной H м с промывкой глинистым раствором для следующих условий: в скважину до глубины Н1 м спущена обсадная колонна наружным диаметром D_ok мм и средним внутренним диаметром ; ниже скважина бурилась долотами диаметром D₂; по данным кавернометрии средний диаметр открытого ствола _с; бурильная колонна включает УБТС-146 длиной l _у= и внутренним диаметром d _в.у., сталь­ные бурильные трубы ТБВК диаметром d_бт (внутренний диаметр d _бт, наименьший внутренний диаметр высаженных концов 76 мм; бурильный замок ЗУК-146 диаметром d₃ (наименьший внутренний диаметр d _в.б.з.); ведущую трубу 112x112 мм с диамет­ром проходного канала d_п.к., средняя длина одной трубы l_тр; стояк диаметром d_ст; буровой рукав диаметром проходного канала d_п.к.р и короткий нагнетательный трубопровод диаметром d_н.п от стояка до буровых насосов; реологические характеристики бурового раствора: , η; ₀; режим бурения Р_д; ; Q =18 л/с.

Таблица 2.4 – Данные для различных вариантов задач

 

Параметры	Варианты
H, м
Н1
Dok, мм
dо.к, мм
D2, мм	190,5
Dc, мм
Lу, м
dв.у, мм
dбт, мм	114,3
dбт, мм	94,3
d3, мм
dв.б.з, мм
dп.к., мм
lтр, м
dст, мм
dп.к.р, мм
dн.п, мм
Ρб.р., кг/м3
η,Па·с
τ 0, Па
Рд, кН
n, мин-1
Q, л/с