3.2. Определение оптимального расхода
Оптимальным расходом считается такой, при котором давление столба жидкости на забой при бурении, а, следовательно, и дифференциальное давление будут минимальными. Давление жидкости на забой при бурении определяется из выражений
Рз = Рг ст + ΔРкп (3.7)
(3.8)
ΔРкп
= 
Задаваясь различными значениями расхода бурового раствора, определяют для них значения Р3 и по графику Р3 = Р (Q) находят оптимальный расход, при котором Р3 будет минимальным. Поскольку зависимость Р – Р (Q) достаточно пологая, оптимальной можно считать область значений расходов, в которой
Рз – Рз min ≤ (0,1 – 0,15) МПа.
Задачи
3.1.Найти значение расхода промывочной жидкости, удовлетворяющее условиям (3.1) - (3.4).
Найти расход жидкости, обеспечивающий ламинарный режим течения.
Найти область оптимальных значений расхода, обеспечивающего минимальное угнетающее давление.
4. Расчет потерь давления в элементах циркуляционной системы
4.1. Расчет потерь давления в трубах и кольцевом пространстве
При течении жидкости в трубах и кольцевом пространстве потери давления определяются трением жидкости о стенки канала и зависят от режима течения, свойств жидкости и размеров канала, в частности, его длины.
Критерии режима течения
Для ньютоновской жидкости режим течения определяется величиной параметра Рейнольдса Re. Для ВПЖ Бингама режим течения определяется двумя критериями - Рейнольдса и Хедстрема. Приближенно режим течения ВПЖ может быть определен и по обобщенному параметру Рейнольдса Re*. Формулы для расчета этих критериев и их критические значения приведены в табл. 4.1.
Основные расчетные формулы
Выбор расчетной зависимости зависит от вида жидкости и режима течения (табл. 4.2). Эксцентриситет кольцевого пространства приводит к уменьшению потерь давления особенно при ламинарном режиме течения. Зависимость коэффициента β от параметра Сен-Венана, используемого для расчета потерь давления ВПЖ в ламинарном режиме, дана на рис. 4.1.
Рис. 4.1: 1 – труба, 2 - кольцевое пространство
Таблица 4.1
Закон течения |
Режим движения |
|
Ламинарный |
Турбулентный |
|
Ньютона
|
U > Uкр Re < 2300 Re = UDρж / μ |
U > Uкр Re > 2300 Uкр = 2300μ/ Dρж (4.1) |
Бингама-Шведова
|
U < Uкр Re < Reкp, Re* < 2000 |
U > Uкр Re > Reкp, Re* > 3000 |
Uкр
≈ 25
|
||
Освальда де-Вааля
|
U < Uкр U > Uкр
|
|
(4.2)
(4.3)
(4.4)
(4.5)
4.2. Расчет местных сопротивлений
В циркуляционную систему буровой входят элементы, в которых гидравлические потери не связаны с линейными размерами и могут быть определены по формуле
ΔP = aQ2ρж (4.14)
или
ΔP = 0,5ξU2ρж (4.15)
Потери давления в них вызваны рассеиванием энергии при резком изменении скорости потока жидкости. К ним относятся бурильные замки, всякого рода задвижки, колена и т.д. По этой же Формуле могут рассчитываться и потери давления в долоте, турбобуре, поверхностной обвязке буровой.
Таблица 4.2
В трубах |
В концентричном кольцевом пространстве |
В эксцентричном кольцевом зазоре |
|
Ньютоновская
жидкость ΔP = λLU2ρж/2D (4.6) |
|||
λ = 64/Re
λ
= 0,316/ λ = 0,0121/D0,226 |
Re < 2300 λ = 96/Re 2300 < Rc < 50000 λ = 0,316/ Re > 50000 λ = 0,02 |
λ = 96/Rе(1 + 1.5e2) (4.7) λ
=
0,316 - 0,093e/ λ = 0,02 (4.9) |
|
ВПЖ
Бингама-Шведова Re < Rekp, U < Uкр, Re* < 2000 ΔP = 4Lτ0/βD (4.10) |
|||
β = β(senT)
|
β = β(senK)
|
β = β(senЗ)
|
|
Re > Rekp, U > Uкр, Re* > 3000 ΔP = λLU2ρж/2D
Re*
< 50000 λ
=0,075/ Re* > 50000 λ = 0,018 – 0,022 |
|||
BПЖ
Освальда де-Вааля U < Uкр |
|||
|
|
|
|
U > Uкр
|
|||
(4.8)
dr
(4.11)
Выражения для расчета коэффициентов "а" и "ξ" и их численные значения для некоторых участков циркуляционной системы показаны в табл. 4.3 и 4.4.
Таблица 4.3
Элемент циркулярной системы |
Выражения для расчета коэффициентов "а" и "ξ" |
Замки бурильных груб |
|
Кольцевое пространство против замка |
|
Турбобур |
a = ΔPс /Qс2 ρc |
Долото |
a = 0,5/μН2f2 (4.19) μн = 0,9 - 0.95 для гидромониторных насадок μн =0,64 - 0,66 для цилиндрических отверстий μн = 0,7 - 0.75 для щелевых отверстий |
Угольник |
ξ = 0,153*10-3 |
Тройник |
ξ = 0,264*10-3 |
Задвижка |
ξ = 0,661*10-3 |
(4.16)
(4.17)
(4.18)
Таблица 4.4 – Значение коэффициентов потерь давления в поверхностной обвязки буровой
Стояк |
Шланг |
Вертлюг |
Ведущая труба |
Манифольд |
|||||||
Диаметр, мм
|
а*10-5, Па*с2/м3кг |
Внутренний диаметр, мм |
а*10-5, Па*с2/м3кг |
Диаметр проходного отв., мм |
а*10-5, Па*с2/м3кг |
Условный диаметр, мм |
Диаметр проходного отв., мм |
а*10-5, Па*с2/м3кг |
Диаметр, Пас2/м3кг |
а*10-5, Па*с2/м3кг |
|
88 |
16,9 |
38 |
36,4 |
32 |
27,2 |
63 |
30 |
16,5 |
- |
- |
|
|
|
50 |
9,7 |
50 |
4,57 |
89 |
33 |
10,2 |
- |
|
|
114 |
3,35 |
63,5 |
2.93 |
65 |
1.1 |
114 |
174 |
1,8 |
114 |
13,2 |
|
|
|
76 |
1,2 |
75 |
0,9 |
|
|
|
|
|
|
140 |
1,07 |
80 |
0,93 |
80 |
0,70 |
146 |
85 |
0,9 |
140 |
2,3 |
|
|
|
90 |
0,52 |
90 |
0,44 |
|
|
|
|
|
|
168 |
0,4 |
102 |
0,28 |
100 |
0,29 |
168 |
100 |
0,4 |
168 |
1.2 |
|