20

РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

Кафедра нефтегазовой и подземной гидромеханики

Курсовая работа по гидравлике на тему:

«Анализ течения вязкопластического бурового раствора в бурящейся наклонной скважине

и построение графика давления»

Вариант №3

Выполнил: Стародубцев А.О.

Группа: НД-10-3

Проверила: Исакова Е.А.

Москва, 2012 г.

Содержание:

Введение 3

Теоретическая часть 6

Расчетная часть 7

Интервал 1 7

Интервал 2 8

Интервал 3 9

Интервал 5 10

Интервал 6 11

Интервал 7 12

Интервал 8 13

Иные потери давления 14

Расчет давления в точках 15

Графическая часть 16

Приложения 17

Выводы 18

Использованная литература 19

Введение

Что такое, вообще говоря, жидкость? Жидкость — агрегатное состояние вещества, обладающее свойством, отличающим её от других агрегатных состояний — способность неограниченно менять форму под действием механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём. Это свойство называется текучестью, и именно благодаря нему мы отличаем жидкость от остальных агрегатных состояний. Собственно, жидкость и считается чем-то промежуточным между твердым телом и газом — газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое.

Другое важное свойство жидкостей, роднящее их с газами — это вязкость. Она определяется, как способность оказывать сопротивление перемещению одной из части относительно другой — то есть как внутреннее трение.

Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к тому, которое обусловлено тепловым движением. Возникают силы, затормаживающие упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую — энергию хаотического движения молекул.

Все обладающие вязкостью жидкости подразделяются на ньютоновские и неньютоновские.

Н ьютоновскими называются жидкости, течение которых подчиняется уравнению Ньютона-Петрова:

где — градиент скорости, показывающий изменение скорости течения жидкости du при переходе от слоя к слою, dn — расстояние между слоями жидкости; τ — касательное напряжение (напряжение трения); F — сила внутреннего трения; S — площадь поверхности соприкасающихся слоев жидкости; η — динамический коэффициент вязкости, или ньютоновская вязкость.

Кривая течения ньютоновских жидкостей, т.е. график зависимости касательного напряжения от градиента скорости, представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат, с тангенсом угла наклона η (рис.1, линия 4).

Р ис.1. Кривые течения жидкостей:

1 — нелинейновязкопластичная,

2 — вязкопластичная,

3 — псевдопластичная,

4 — ньютоновская,

5 — дилатантная.

Ньютоновская вязкость η представляет собой силу трения, приходящуюся на единицу длины площади поверхности при градиенте скорости, равной единице. Она зависит только от температуры и давления и полностью характеризует поведение жидкости. Ньютоновскими, или нормальными характеристиками течения, обладают все газы, жидкости и растворы, имеющие небольшую молекулярную массу (вода, бензин и т. д.).

Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности.

Все неньютоновские жидкости можно разделить на три группы:

1. Неньютоновские вязкие жидкости.

2. Неньютоновские нереостабильные жидкости.

3. Неньютоновские вязкоупругие жидкости.

Неньютоновские вязкие жидкости характеризуются тем, что их свойства не зависят от времени, а касательное напряжение является простой функцией градиента скорости. Они подразделяются на:

• вязкопластичные жидкости;

• псевдопластичные жидкости;

• дилатантные жидкости;

• нелинейно-вязкопластичные жидкости.

К ривая течения вязкопластичных жидкостей (рис. 1, линия 2) представляет собой прямую линию, пересекающую ось напряжений τ на расстоянии τ₀ её начала. Течение таких жидкостей может быть описано уравнением Шведова-Бингама:

г де τ₀ — статическое (предельное) напряжение; η — пластическая вязкость, численно равная тангенсу угла наклона кривой течения:

Если к вязкопластичной жидкости прикладывать напряжение сдвига, меньшим по величине, чем τ₀, то такая жидкость будет оставаться в покое. Как только напряжение сдвига превысит τ₀ вязкопластик начнет течь, как обычная ньютоновская жидкость. Иначе говоря, привести в движение вязкопластичную жидкость можно, лишь преодолев её статическое (предельное) напряжение — это полностью соответствует уже рассмотренной нами реологической модели Бингама.

Такое поведение вязкопластиков объясняется тем, что в жидкости, находящейся в покое, образуется жесткая пространственная структура, оказывающая сопротивление любому напряжению, меньшему τ₀. При напряжениях, больших τ₀, структура полностью разрушается и не препятствует движению жидкости. При напряжениях, меньших τ₀, структура вновь восстанавливается, а жидкость перестает течь.

К вязкопластичным жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту и т. д.

Для неньютоновских вязких жидкостей используется понятие кажущейся или эффективной вязкости. Использование эффективной вязкости позволяет приближенно рассчитывать движение аномальных сред по уравнениям и формулам, полученным для ньютоновских жидкостей.

Теоретическая часть

– Формула для нахождения числа Рейнольдса, где V – скорость,

– плотность раствора, – динамический коэффициент вязкости, Q – расход.

– Формула для нахождения критического числа Рейнольдса, также может быть найдено по кривой (Приложение 2).

– Формула для нахождения числа Хендстрена, где – динамическое напряжение сдвига.

– Формула для нахождения числа Сен – Венана.

– Формула для перепада давления в кольцевом пространстве при ламинарном режиме течения, где – длина участка, – коэффициент.

– Формула для вычисления коэффициента Сен–Венана – Ильюшина, также может быть найден по графику (Приложение 1).

– Формула Дарси – Вейсбаха для определения перепада давления в трубах, при турбулентном режиме течения.

– Формула для определения коэффициента гидравлического сопротивления в трубах.

Расчетная часть

Интервал 1 (кольцевое пространство между диаметром долота и наружным диаметром БТ – наклонный участок).

• Вычислим число Рейнольдса:

• Вычислим число Хендстрена:

• Вычислим критическое число Рейнольдса:

• Определим режим течения, сравнив значения критических чисел Рейнольдса с числами Рейнольдса:

• Вычислим числа Сен-Венана:

• Из графика зависимости параметра β от Se определим (приложение 1):

β₁ = 0,8

• Вычислим потери давления по длине:

Интервал 2 (кольцевое пространство между диаметром долота и наружным диаметром БТ – горизонтальный участок).

• Вычислим число Рейнольдса:

• Вычислим число Хендстрена:

• Вычислим критическое число Рейнольдса:

• Определим режим течения, сравнив значения критических чисел Рейнольдса с числами Рейнольдса:

• Вычислим числа Сен-Венана:

• Из графика зависимости параметра β от Se определим (приложение 1):

β₂ = 0,8

• Вычислим потери давления по длине:

Интервал 3 (кольцевое пространство между диаметром долота и наружным диаметром УБТ).

• Вычислим число Рейнольдса:

• Вычислим число Хендстрена:

• Вычислим критическое число Рейнольдса:

• Определим режим течения, сравнив значения критических чисел Рейнольдса с числами Рейнольдса:

• Вычислим числа Сен-Венана:

• Из графика зависимости параметра β от Se определим (приложение 1):

β₃=0,6

• Вычислим потери давления по длине:

Интервал 5 (трубное пространство - внутренний диаметр УБТ):.

• Вычислим число Рейнольдса:

• Вычислим число Хендстрена:

• Вычислим критическое число Рейнольдса:

• Определим режим течения, сравнив значения критических чисел Рейнольдса с числами Рейнольдса:

• Рассчитаем значение потерь давления по длине:

, где

Интервал 6 (трубное пространство - внутренний диаметр ТБТ).

• Вычислим число Рейнольдса:

• Вычислим число Хендстрена:

• Вычислим критическое число Рейнольдса:

• Определим режим течения, сравнив значения критических чисел Рейнольдса с числами Рейнольдса:

• Рассчитаем значение потерь давления по длине:

, где

Интервал 7 (трубное пространство на горизонтальном участке - внутренний диаметр БТ).

• Вычислим число Рейнольдса:

• Вычислим число Хендстрена:

• Вычислим критическое число Рейнольдса:

• Определим режим течения, сравнив значения критических чисел Рейнольдса с числами Рейнольдса:

• Рассчитаем значение потерь давления по длине:

, где

Интервал 8 (трубное пространство на наклонном участке - внутренний диаметр БТ).

• Вычислим число Рейнольдса:

• Вычислим число Хендстрена:

• Вычислим критическое число Рейнольдса:

• Определим режим течения, сравнив значения критических чисел Рейнольдса с числами Рейнольдса:

• Рассчитаем значение потерь давления по длине:

, где

Иные потери давления:

В обвязке –

За счёт замков в БТ –

За счёт замков в КП –

В долоте –

Расчет давления в точках:

Точка давления	1	2	3	забой	4	5	6	7	8	9
Значение (МПа)	0	18,72	19,98	20,06	21,28	22,03	23,46	26,52	19,26	19,34

Г рафическая часть

Р ис.2 График зависимости давления от глубины бурения скважины

Рис.3 График зависимости давления от длины бурения скважины

Приложения

П риложение 1

График зависимости безразмерного коэффициента βк, от числа Сен-Венана – Ильюшина: 1 - для труб; 2 - для соосного кольцевого пространства.

П риложение 2

Кривая критических значений числа Рейнольдса перехода в турбулентный режим

Выводы