Dбт
dсэ
dбт
Dсэ
а)
dбт
dсэ
Dбт=Dсэ
Dс
Dс
б)
а) – ниппельное соединение бурильных труб;
б) – муфтовое соединение бурильных труб;
dсэ, Dсэ – внутренний и наружный диаметры соединительных элементов;
dбт, Dбт – внутренний и наружный диаметры бурильных труб;
Dс – диаметр скважины;
1 – круглый (в поперечном сечении) поток жидкости;
2 – кольцевой (в поперечном сечении) поток жидкости;
3 – области (зоны) вихрей.
III. Расчетная схема циркуляции жидкости
P0 |
Pн |
Hок |
Hубт |
Hс |
II |
I |
V |
IV |
VI |
III |
Pи6 |
Pи5 |
Pи4 |
Pи3 |
Pи2 |
Pи1 |
i=7 |
i=6 |
i=5 |
i=4 |
i=3 |
i=2 |
i=1 |
|
|
I – буровой насос;
II – манометр;
III – предохранительный клапан;
IV – емкость (зумпф);
V – фильтр с обратным клапаном (храпок);
VI – система очистки промывочной жидкости.
Магистраль разделена на 7 (i = 1,2,…7) участков движения жидкости.
i – номер участка движения. Участки i = 5-7 в поперечном сечении круглые, а участки i = 1-3 – кольцевые.
i = 1 – между обсадной и бурильной колоннами;
i = 2 – между стенками скважины и бурильной колонной;
i = 3 – между стенками скважины и УБТ;
i = 4 – на забое скважины и в буровом долоте;
i = 5 – внутри УБТ;
i = 6 – внутри бурильной колонны;
i = 7 – в устьевой обвязке (в подводящей линии от бурового насоса до колонны бурильных труб).
Pиi – избыточное давление при входе на i-ый участок движения.
Pн – давление, развиваемое насосом.
P0 – атмосферное давление.
IV. Длина вертикальной проекции УБТ
hУБТ = HУБТ ∙ (hС – hОК) / (НС – НОК) = 50 ∙ (1550 – 890) / (2000 – 900)=50 ∙ 660 / 1100 == 30 м
V. Геометрические характеристики участков движения промывочной жидкости
a. Геометрические характеристики поперечных сечений участков
V.1. Диаметр скважины
DC = DД =0,1206 м
V.2. Площадь проекции забоя скважины на плоскость, перпендикулярную её оси
V.3. Площадь и эквивалентный диаметр поперечного сечения потока промывочной жидкости
Для круглого сечения геометрическим диаметром d:
В гладкой части магистрали, i = 5, 6,7
Участок i=5: d=dубт=46 мм=0,046 м
f5= πd2/4= π·0,0462/4=0,00166 м2;
dэ5= dубт= 46 мм= 0,046 м.
Участок i=6: d=dбт=75 мм=0,075 м
f6 = πd2/4= π·0,0752/4=0,00442 м2;
|
|
dэ6 = dбт= 75 мм= 0,075 м.
Участок i=7: d=dп=100 мм=0,1 м
f7 = πd2/4= π·0,12/4=0,00785 м2;
dэ7= dп=100 мм=0,1 м.
Внутри соединительного элементаколонны БТ, i = 6
d =dсэ=64,3 мм=0,0643 м.
f6*= π·0,06432/4=0,00325 м2.
Для кольцевого сечения, имеющего геометрические диаметрыD и d:
В гладкой части магистрали, i = 1– 3
Участок i=1: d=Dбт= 89 мм=0,089 м D=dок=129,1 мм=0,1291 м
f1= π(D2-d2)/4= π(0,12912-0,0892)/4=0,00687 м2;
dэ1= (D-d)=0,1291-0,089 =0,0401 м.
Участок i=2: d=Dбт= 89 мм=0,089 м D= Dс=Dд =120,6 мм=0,1206 м
f2 = π(D2-d2)/4= π(0,12062-0,0892)/4=0,0052 м2;
dэ2 = (D-d)=0,1206 -0,089 =0,0316 м.
Участок i=3: d= Dубт=108 мм=0,108 м D= Dс=Dд =120,6 мм=0,1206 м
f3 = π(D2-d2)/4= π(0,12062-0,1082)/4=0,00226 м2;
dэ3 = (D-d)=0,1206 -0,108 =0,0126 м.
Снаружи соединительного элементаколонны БТ, i = 1, 2
Участок i=1: d=Dсэ=110 мм=0,11 м D=dок= 129,1 мм=0,1291 м
f1*= π(D2-d2)/4= π(0,12912-0,112)/4=0,00359 м2;
Участок i=2: d=Dсэ=110 мм=0,11 м D= Dс= 120,6 мм=0,1206 м
f2*= π(D2-d2)/4= π(0,12062-0,112)/4=0,00192 м2.
b. Линейные геометрические характеристики участков
Длины участков движения:
м
H2 = HC – HОК – HУБТ = 2000 – 900 – 50 = 1050 м
H3 = H5 =HУБТ = 50 м
H6 = HС– HУБТ = 2000 – 50 = 1950 м
= 20 м
Вертикальные проекции участков движения:
= 890 м
h2 = hC – hОК – hУБТ =1550 – 890 – 30 = 630 м
h3 = h5 =hУБТ =30 м
h6 = hС– hУБТ = 1550 – 30 = 1520 м
VI. Начальное напряжение сдвига ПЖ
Если ПЖ – техническая вода (ТВ), то τ0 = 0, r = 1000 кг/м3.
Поскольку в исходных данных ПЖ – глинистый раствор (ГР) и ρ = 1300 кг/м3, то в соответствии с производственными данными можно принять:
при r = 1200 – 1800 кг/м3
τ0 = (ρ – 1150) ∙ 2,8 ∙ 10-2 =(1300 – 1150) ∙ 2,8 ∙ 10-2 =4,2 Па
VII. Абсолютная вязкость промывочной жидкости (ПЖ)
Если ПЖ – ТВ, то
, Па ∙ с –
– эмпирическая формула Ж. Л. М. Пуазёйля.
Поскольку в исходных данных ПЖ – глинистый раствор (ГР) и ρ = 1300 кг/м3, то в соответствии с производственными данными можно принять:
при r = 1200 – 1800 кг/м3
μ0 = (ρ – 1150) ∙ 44,2 ∙ 10-6= (1300 - 1150)∙ 44,2 ∙ 10-6= 0,00663 Па ∙ с,
VIII. Эквивалентный диаметр частиц шлама
dш = (Dc – DУБТ) / 2 = (0,1206 – 0,108)/2 = 0,0063 м
IX. Числа Архимеда и Хедстрёма для относительного движения частиц шлама и ПЖ
94308,38
Число Архимеда характеризует взаимосвязь веса тела в жидкости (газе), вязкости и плотности жидкости (газа).
Число Хедстрёма характеризует взаимосвязь касательной силы трения на поверхности тела, возникающей от действия начального напряжения сдвига, вязкости и плотности жидкости (газа).
X. Коэффициент лобового сопротивления при витании частиц
Для НЖ:
С* = ((36 / (3 ∙ Ar)0,5 + 0,67) /(1 – 6 ∙ He / Ar))2,где(6 ∙ He / Ar)<1.
Для БЖ вначале нужно установить знак сравнения между величинами Ar и (6 ∙ He). Если Ar > (6 ∙ He), то частицы шлама будут тонуть в БЖ, С* определяется как и для НЖ. Если Ar ≤ (6 ∙ He), то частицы шлама тонуть в БЖ не будут, С*→∞.
Поскольку (6 ∙ He = 6 ∙ 4930 = 29580) <(Ar = 94308,38), то частицы шлама будут тонуть в БЖ. Определим С*:
С* = ((36 / (3 ∙ Ar)0,5 + 0,67) /(1 – 6 ∙ He / Ar))2 = ((36 / (3 ∙ 94308,38)0,5 + 0,67) /(1 – 6 ∙ 4930 / 94308,38))2 = ((36 / (3 ∙ Ar)0,5 + 0,67) /(1 – 6 ∙ He / Ar))2 = (0,73768 / 0,68635)2 = 1,155
XI. Скорость витания частиц шлама в ПЖ
Формула П. Р. Риттингера (при С*→∞ Vв= 0):
м/с
XII. Среднее значение зенитного угла скважины на участках движения i=1–3
i=1:
i=2–3:
XIII. Средняя скорость движения потока промывочной жидкости на участке i=1,определяемая исходя из скорости витания
Vi = VВ∙ (1+ki)/cosθi, м/с,
где . Выбираем k=0,2.
При VВ = 0 Vi = 0 (в этом случае значение Vi ниже будет уточняться исходя из других условий, а не из величины VВ).
V1 = VВ∙ (1+k1)/cosθ1=0,27∙ (1+0,2)/cos(8,55°)=0,33 м/с,
XIV. Объёмный расход промывочной жидкости
Для охлаждения долота и очистки забоя скважины от шлама
Q1 = а · fзаб = … м3/с = … л/с,
а = 0,35 – 0,5 м/с при роторном и электробурении;
a = 0,5 – 0,7 м/с при бурении гидравлическими забойными двигателями.
|
|
Для роторного бурения выбираем а = 0,4. Тогда:
Q1 = а · fзаб = 0,4·0,0114 = 0,00456 м3/с = 4,56 л/с,
Для выноса шлама на поверхность
Q2= V1×f1 = 0,33·0,00687= 0,00227 м3/с = 2,27 л/с.
Для охлаждения долота, очистки забоя и выноса шлама на поверхность
Q ≥ Q3= 4,56 л/с
гдеQ – выбранное значение объёмного расхода.
Принимаем Q = 7 л/с = 0,007 м3/с.
XV. Массовый расход жидкости
XVI. Массовый расход шлама на всех участках
для участковi = 1–3:
для участковi = 4–7: .
XVII. Средняя скорость жидкости на всех участках i = 1–3, 5–7
XVIII. Средняя скорость движения частиц шлама на участках i=1–3
Vшi= Vi – VВ/ cosθi, м/с
Vш1= V1 – VВ/ cosθ1 = 1,02 – 0,27 / cos(8,55°)=0,75 м/с
Vш2= V2 – VВ/ cosθ2 = 1,35 – 0,27 / cos(53,13°)=0,9 м/с
Vш3= V3 – VВ/ cosθ3 = 3,08 – 0,27 / cos(53,13°)=2,63 м/с
XIX. Время движения частицы шлама от забоя к устью скважины
XX. Объёмная концентрация частиц шлама в смеси на всех участках
XXI. Плотность смеси на всех участках
ρсмi =ρ ∙ (1 – Ψ ) + ρш ∙ Ψ, кг/м3
ρсм1 =ρ ∙ (1 – Ψ1 ) + ρш ∙ Ψ1 = 1300·(1 – 0,0124) + 2600·0,0124 = 1316,12 кг/м3
ρсм2 =ρ ∙ (1 – Ψ2 ) + ρш ∙ Ψ2 = 1300·(1 – 0,0136) + 2600·0,0136 = 1317,68 кг/м3
ρсм3 =ρ ∙ (1 – Ψ3 ) + ρш ∙ Ψ3 = 1300·(1 – 0,0106) + 2600·0,0106 = 1313,78 кг/м3
На участкахi = 5–7:Ψ = 0.
XXII. Числа Сен-Венана, Рейнольдса и Хедстрёма для течения промывочной жидкости на участках i = 1–3, 5–7
Число Сен-Венана учитывает силы трения в трубопроводах.
Число Рейнольдса характеризует отношение кинетической энергии потока жидкости (газа) и напряжения сдвига.
Число Хедстрёма характеризует взаимосвязь касательной силы трения на поверхности трубопровода, вязкости и плотности жидкости (газа).
XXIII. Режим течения промывочной жидкости на участках i= 1–3, 5–7
–
эмпирическая формула Е.М. Соловьёва.
Для ТВ:
C=2100 для круглых сечений;
C=1600 для кольцевых сечений.
Для ГР:
C=2100 для круглых и кольцевых сечений.
Если Rei≥ Reкрi, то режим течения жидкости на участке турбулентный.
|
|
Если Rei<Reкрi, то режим течения жидкости на участке ламинарный (НЖ) или структурный (БЖ).
(структурный режим)
(структурный режим)
(турбулентный режим)
(турбулентный режим)
(турбулентный режим)
(структурный режим)
XXIV. Коэффициент линейных сопротивлений на всех участках
Для участков i = 1–3, 5–7:
· Если режим течения промывочной жидкости на участке турбулентный, то
– полуэмпирическая формула А.Д. Альтшуля.
Тогда:
· Если режим течения промывочной жидкости на участке ламинарный или структурный, то
λi = a ∙ (1 + Seni / 6) / Rei,
где a = 64 для круглых сечений;
a = 96 для кольцевых сечений.
Тогда:
λ1 = a ∙ (1 + Sen1 / 6) / Re1=96·(1+24,93/6)/8011,53 =0,062
λ2 = a ∙ (1 + Sen2 / 6) / Re2=96·(1+14,87/6)/8340,87 =0,04
λ7 = a ∙ (1 + Sen7 / 6) / Re7=96·(1+71,04 / 6) / 17484,7 =0,07
Дляучасткаi = 4:
λi = 0.
XXV. Линейная потеря давления на всех участках
= … ∙ 105, Па – формула Дарси – Вейсбаха.
9,53 ∙105 Па
= 15,96 ∙105 Па
= 45,75 ∙105 Па
= 16,86 ∙105 Па
= 49,78 ∙105 Па
= 0,07 ∙105 Па
XXVI. Коэффициент местных сопротивлений движению ПЖ снаружи и внутри СЭ на всех участках
–эмпирическая формула Б.С. Филатова.
Для участков i=1,2,6:
- при DСЭ = DБТ, dСЭ<dБТ (ниппельное соединение БТ)b = 1,5;
- при DСЭ>DБТ, dСЭ<dБТ (муфтовое соединение БТ)b = 2;
- при DСЭ = DБТ, dСЭ = dБТ (соединение БТ «труба в трубу» или непрерывная колонна БТ без СЭ (колтюбинг)) ξi = 0.
Для участков i=3,4,5,7: ξi = 0.
XXVII. Местная потеря давления в соединительном элементе на всех участках
= … ∙ 105, Па – формула Вейсбаха.
∙ 105 Па
∙ 105 Па
∙ 105 Па
XXVIII. Потеря давления на трение в промывочной жидкости на всех участках
На участках i=1–3; 5–7:
= … ∙ 105, Па.
11,24 ∙ 105 Па
28,21 ∙ 105 Па
45,75 ∙ 105
16,86 ∙ 105 Па
51,15 ∙ 105 Па
0,07 ∙ 105 Па
На участке i=4: потеря давления на трение ПЖ в буровом долоте PД:
P т р i = PД = ρ ∙ VC2/ (2 ∙μн2) = … ∙ 105, Па,
где μн – коэффициент расхода при истечении ПЖ из долота (гидромониторных насадков долота), μн = 0,7 – 0,95.
P т р i = PД = ρ ∙ VC2/ (2 ∙μн2) =1300·102/ (2·0,82)=101562,5 Па =1,02 ∙ 105 Па
XXIX. Механическое давление, расходуемое на подъем шлама на всех участках
P мех i = (ρсмi – ρ)∙ g ∙ hi = … ∙ 105, Па.
P мех 1 = (ρсм1 – ρ)∙ g ∙ h1 =(1316,12 – 1300)·9,81·890 =140742,1 Па = 1,41 ∙ 105 Па
P мех2 = (ρсм2 – ρ)∙ g ∙ h2 =(1317,68 – 1300)·9,81·630 =109267,7 Па = 1,09 ∙ 105 Па
P мех3 = (ρсм3 – ρ)∙ g ∙ h3 =(1313,78 – 1300)·9,81·30 =4055,5 Па = 0,04 ∙ 105 Па
XXX. Избыточное давление при входе на все участки
=12755863,1Па = 127,56 ∙ 105 Па = 12,756 МПа;
= 23829755,8 Па = 238,3 ∙ 105 Па = 23,83 МПа;
= 28795184,7 Па = 287,95 ∙ 105 Па = 28,8МПа;
Pи4 = Pи3 + Pтр4 = 28795184,7 + 101562,5 = 28896747,2 Па = 289 ∙ 105 Па = 28,9МПа;
= 29946082,8 Па = 299,5 ∙ 105 Па = 29,95МПа;
= 15676961,2 Па =156,77 ∙ 105 Па = 15,68 МПа;
= 15684169,3 Па =156,84 ∙ 105 Па = 15,68МПа.
XXXI. Диаграммы избыточного давленияи скорости промывочной жидкости (в вертикальном масштабе)
XXXII. Давление, развиваемое насосом
= 1,2·156,84 ∙ 105 Па = 188,21∙ 105 Па = 18,82 МПа,
XXXIII. Мощность потока жидкости
N = PН ∙ Q = 188,21 ∙ 105·0,007 = 131,75 ∙ 103 Вт = 131,75 кВт.
XXXIV. Мощность насоса
NН =N / η = 131,75 / 0,7 ∙ 103 Вт = 188,2 кВт.
XXXV. Мощность двигателя насоса
NДВ =NН / ηп = 188,2 / 0,9 ∙ 103 Вт = 209,1 кВт.
По рассчитанным значениям Q (л/c), Рн (МПа) и Nдв (кВт) производится выбор насоса и сменных втулок насоса.
По расчетным параметрам выбираем буровую насосную установку СИН50.4.33, в состав которой входят:
ü Силовая установка с дизелем ЯМЗ-7511.10 номинальной мощностью 294 кВт (400 л.с.);
ü Коробка передач ЯМЗ-239 с системой охлаждения;
ü Трехплунжерный насос СИН63 с системой смазки;
ü Планетарный редуктор с системой смазки.