Условные схемы соединительных элементов

Dбт

dсэ

dбт

Dсэ

а)

dбт

dсэ

Dбт=Dсэ

Dс

Dс

б)

 

 

а) – ниппельное соединение бурильных труб;

б) – муфтовое соединение бурильных труб;

d_сэ, D_сэ – внутренний и наружный диаметры соединительных элементов;

d_бт, D_бт – внутренний и наружный диаметры бурильных труб;

D_с – 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

L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEA0sbhXcIA AADbAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbESP0YrCMBRE34X9h3AXfNPUVax0jbIsCIL6YPUDLs3d ttjchCZrq19vBMHHYWbOMMt1bxpxpdbXlhVMxgkI4sLqmksF59NmtADhA7LGxjIpuJGH9epjsMRM 246PdM1DKSKEfYYKqhBcJqUvKjLox9YRR+/PtgZDlG0pdYtdhJtGfiXJXBqsOS5U6Oi3ouKS/xsF eUgP+86d5TZ1m/nNd6m/Jzulhp/9zzeIQH14h1/trVYwncHzS/wBcvUAAAD//wMAUEsBAi0AFAAG AAgAAAAhAPD3irv9AAAA4gEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQ SwECLQAUAAYACAAAACEAMd1fYdIAAACPAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAuAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQ SwECLQAUAAYACAAAACEAMy8FnkEAAAA5AAAAEAAAAAAAAAAAAAAAAAApAgAAZHJzL3NoYXBleG1s LnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQDSxuFdwgAAANsAAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAJgCAABkcnMvZG93 bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABAD1AAAAhwMAAAAA " fillcolor="black"/>

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).

P_иi – избыточное давление при входе на i-ый участок движения.

P_н – давление, развиваемое насосом.

P₀ – атмосферное давление.

IV. Длина вертикальной проекции УБТ

h_УБТ = H_УБТ ∙ (h_С – h_ОК) / (Н_С – Н_ОК) = 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

D_C = D_Д =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=d_убт=46 мм=0,046 м

 

f₅= πd²/4= π·0,046²/4=0,00166 м²;

dэ₅= d_убт= 46 мм= 0,046 м.

 

Участок i=6: d=d_бт=75 мм=0,075 м

 

f₆ = πd²/4= π·0,075²/4=0,00442 м²;

dэ₆ = d_бт= 75 мм= 0,075 м.

 

Участок i=7: d=d_п=100 мм=0,1 м

 

f₇ = πd²/4= π·0,1²/4=0,00785 м²;

dэ₇= d_п=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=D_бт= 89 мм=0,089 м D=d_ок=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=D_бт= 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= D_убт=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 = H_C – H_ОК – H_УБТ = 2000 – 900 – 50 = 1050 м

H₃ = H₅ =H_УБТ = 50 м

H₆ = H_С– H_УБТ = 2000 – 50 = 1950 м

= 20 м

Вертикальные проекции участков движения:

= 890 м

h₂ = h_C – h_ОК – h_УБТ =1550 – 890 – 30 = 630 м

h₃ = h₅ =h_УБТ =30 м

h₆ = h_С– h_УБТ = 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

 

d_{ш =} (D_c – D_УБТ) / 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^*→∞ V_в= 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

 

V_i = V_В∙ (1+k_i)/cosθ_i, м/с,

 

где . Выбираем k=0,2.

 

При V_В = 0 V_i = 0 (в этом случае значение V_i ниже будет уточняться исходя из других условий, а не из величины V_В).

 

V₁ = V_В∙ (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 · f_заб = … 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 · f_заб = 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

 

V_шi= V_i – V_В/ cosθ_i, м/с

V_ш1= V₁ – V_В/ cosθ₁ = 1,02 – 0,27 / cos(8,55°)=0,75 м/с

V_ш2= V₂ – V_В/ cosθ₂ = 1,35 – 0,27 / cos(53,13°)=0,9 м/с

V_ш3= V₃ – V_В/ 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

 

ρ_смi =ρ ∙ (1 – Ψ ) + ρ_ш ∙ Ψ, кг/м³

ρ_см1 =ρ ∙ (1 – Ψ₁ ) + ρ_ш ∙ Ψ₁ = 1300·(1 – 0,0124) + 2600·0,0124 = 1316,12 кг/м³

ρ_см2 =ρ ∙ (1 – Ψ₂ ) + ρ_ш ∙ Ψ₂ = 1300·(1 – 0,0136) + 2600·0,0136 = 1317,68 кг/м³

ρ_см3 =ρ ∙ (1 – Ψ₃ ) + ρ_ш ∙ 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 Re_i≥ Re_крi, то режим течения жидкости на участке турбулентный.

Если Re_i<Re_крi, 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

λ_i = a ∙ (1 + Sen_i / 6) / Re_i,

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:

λ_i = 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 D_СЭ = D_БТ, d_СЭ<d_БТ (ниппельное соединение БТ)b = 1,5;

- при D_СЭ>D_БТ, d_СЭ<d_БТ (муфтовое соединение БТ)b = 2;

- при D_СЭ = D_БТ, d_СЭ = d_БТ (соединение БТ «труба в трубу» или непрерывная колонна БТ без СЭ (колтюбинг)) ξ_i = 0.

Для участков i=3,4,5,7: ξ_i = 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 P_Д:

P _{т р i} = P_Д = ρ ∙ V_C²/ (2 ∙μ_н²) = … ∙ 10⁵, Па,

где μ_н – коэффициент расхода при истечении ПЖ из долота (гидромониторных насадков долота), μ_н = 0,7 – 0,95.

 

P _{т р i} = P_Д = ρ ∙ V_C²/ (2 ∙μ_н²) =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} = (ρ_смi – ρ)∙ g ∙ h_i = … ∙ 10⁵, Па.

 

P _{мех 1} = (ρ_см1 – ρ)∙ g ∙ h₁ =(1316,12 – 1300)·9,81·890 =140742,1 Па = 1,41 ∙ 10⁵ Па

P _мех2 = (ρ_см2 – ρ)∙ g ∙ h₂ =(1317,68 – 1300)·9,81·630 =109267,7 Па = 1,09 ∙ 10⁵ Па

P _мех3 = (ρ_см3 – 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;

P_и4 = P_и3 + P_тр4 = 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 = P_Н ∙ Q = 188,21 ∙ 10⁵·0,007 = 131,75 ∙ 10³ Вт = 131,75 кВт.

XXXIV. Мощность насоса

 

N_Н =N / η = 131,75 / 0,7 ∙ 10³ Вт = 188,2 кВт.

 

XXXV. Мощность двигателя насоса

N_ДВ =N_Н / η_п = 188,2 / 0,9 ∙ 10³ Вт = 209,1 кВт.

 

По рассчитанным значениям Q (л/c), Р_н (МПа) и N_дв (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.