Расчет потерь на трение в трубе круглого сечения

Лабораторное занятие 3

 

Освоение скважин

Цель работы: ознакомление со способами освоения скважин

 

В результате выполнения задания формируются компетенции ПК – 2, ПК-8, в части способность осуществлять и корректировать технологические процессы при строительстве, ремонте и эксплуатации скважин различного назначения и профиля ствола на суше и на море,способность осуществлять в соответствии с технологическим регламентом оперативный контроль за техническим состоянием оборудования.

 

Теоретическое обоснование

Основная цель этого процесса — снижение забойного давления скважины и пуск ее в эксплуатацию. Существуют различные способы освоения скважин, Рассмотрим вопросы, связанные с освоением скважины заменой жидкости на более легкую без поглощения ее пластом. К рассчитываемым параметрам относятся: забойное давление Р_заб; давление закачки жидкости Р₃; объем закачиваемой жидкости V₃; продолжительность закачки Т₃.

При расчетах этого процесса необходимо определить потери на трение не только в трубах круглого сечения, но и в кольцевых зазорах при движении как ньютоновских, так и неньютоновских вязкопластичных жидкостей при ламинарном (структурном) и турбулентном режимах.

Оборудование и материалы:

1. Макет скважины.

 

Указания по технике безопасности

1. Перед началом работы в лаборатории необходимо внимательно ознакомиться с темой работы, уяснить цель работы, составить план её выполнения и лишь после этого приступить к анализу.

2. В лаборатории необходимо работать в халате. Верхнюю одежду следует оставлять в гардеробе или размещать в специально предназначенных для этого шкафах в лаборатории.

3. По окончании работы необходимо тщательно убрать рабочее место, выключить электрические приборы, закрыть воду и газ, закрыть окна и форточки, выключить вытяжную вентиляцию и освещение в лаборатории.

4. Категорически запрещается проводить опыты, не относящиеся к данной работе, без ведома преподавателя.

5. Бережно обращаться с машиной, не подвергать ее ударам, перегрузкам;

6. Включать и выключать оборудование сухими руками и только при помощи кнопок "пуск" и "стоп";

 

Методика и порядок выполнения работы

Расчет потерь на трение

 

Расчет потерь на трение в трубе круглого сечения

Задача 3.1. Рассчитать и сопоставить потери на трение в трубе круглого сечения при замещении вязкопластичной жидкости (глинистого раствора) ньютоновской жидкостью (водой) для следующих исходных данных: длина трубы Н = 2000 м; внутренний диаметр трубы D_т = 0,076 м; плотность глинистого раствора ρ_гл == 1200 кг/м³; плотность воды ρ_в = 1000 кг/м³; вязкость воды μ_в = 1 мПа·с; объемный расход воды: Q₁= 0,003 м³/с, Q₂ = 0,015 м³/с.

Решение.

В обоих случаях глинистый раствор выдавливается из трубы полностью. Так как глинистый раствор - вязко-пластичная жидкость, то для оценки пластической вязкости η и предельного динамического напряжения сдвига τ₀ воспользуемся формулами Б. С. Филатова:

 

η = 0,033·10^-3ρ_гл - 0,022, (3.1)

 

τ₀ = 8,5·10^-3ρ_гл - 7, (3.2)

 

Рисунок 3. 1 – Зависимость коэффициента β от параметра Сен-Венана – Ильюшина Sen:

1 – для круглого сечения, 2 – для кольцевого зазора

 

В нашем случае

η = 0,033·10^-3ρ_гл - 0,022 = 0,033·10^-3 1200-0,022 =0,0176 Па-с,

τ₀ = 8,5·10^-3ρ_гл – 7 = 8,510^-3 1200 - 7 = 3,2 Па.

Рассчитаем:

критическую скорость ω_крт в трубе

=1,29 м/с (3.3)

фактическую среднюю скорость глинистого раствора в трубе

Так как ω₁<ω_крт, режим движения ламинарный (структурный). Потери на трение в трубе ΔР_тгл определяем по формуле:

(3.4)

где β_т — коэффициент, зависящий от параметра Сен-Венана— Ильюшина Sеn (рис. 1).

 

. (3.5)

 

Рассчитываем параметр ,

По графику (рисунок 1) находим β_т = 0,61.

Находим потери на трение в трубе

Для определения потерь на трение при движении в трубе воды воспользуемся уравнением Дарси—Вейсбаха

(3.6)

где λ — коэффициент гидравлического сопротивления.

 

Рассчитаем число Рейнольдса:

Для определения λвоспользуемся формулой Блазиуса (т.к. Re< 100 000)

 

(3.7)

 

Потери на трение

 

Суммарные потери на трение в трубе составят

ΔР_{т 1}= 0,552 + 0,121 = 0,674 МПа.

Проведем аналогичные расчеты для расхода Q₂= 0,015 м³/с.

Фактическая средняя скорость движения глинистого раствора в трубе ω₂^:

Так как ω ₂> ω_{кр т}= 1,29 м/с, режим движения турбулентный.

Потери на трение в трубе рассчитываем по формуле

 

(3.8)

Таким образом

Для воды

При Rе > 100 000 коэффициент гидравлического сопротивления вычисляем по формуле Кольбрука

λ = 1/(1,81 lgRe- 1,52)²(3.9)

или Г. К- Филоненко

λ = 1/(1,82lgRe- 1,64)². (3.10)

Расчет по (3.9) дает λ₂ = 0,0148, а по (10) λ₂ = 0,0149. Принимаем λ₂ = 0,015

Потери на трение

Δр_тв2 = 0,0148-0,81-2000 (0,015)²- 1000/(0,076)⁵ =2,11 МПа.

Суммарные потери на трение в трубе составят

Δр_т2 = 4,15 + 2,11 = 6,26МПа.

Таким образом, увеличение объемного расхода жидкости в 5 раз (с 0,003 до 0,015 м³/с) приводит к возрастанию потерь на трение в трубе примерно в 9,3 раза.

Таблица 3.1 – Варианты для расчета потерь на трение в трубе круглого сечения

 

№вар-та
H, м
dвн, м	0,062	0,089	0,089	0,089	0,089	0,076	0,062	0,089	0,0886	0,059
ρр, кг/м3
ρв, кг/м3
μв, мПа·с	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001
Q1, м3/с	0,005	0,007	0,002	0,004	0,005	0,0045	0,005	0,006	0,006	0,0028
Q2, м3/с	0,02	0,025	0,014	0,026	0,03	0,03	0,02	0,024	0,03	0,018