5. Расчет потерь давления в элементах циркуляционной системы

Общие потери давления ∆р при движении промывочной жидкости в элементах циркуляционной системы определяются из выражения

∆р = = + + ∆р_мт + ∆р_мк + ∆р₀ + ∆р_т + ∆р_д + ∆р_г, (1.7)

где и — потери давления на трение по длине в трубах и кольцевом пространстве, Па; ∆р_мт и ∆р_мк — потери давления в местных сопротивлениях в трубах и кольцевом про­странстве, Па; ∆р₀ — потери давления в наземной обвязке, Па; ∆р_т — перепад давления в турбобуре, Па; ∆р_д — потери давле­ния в промывочных отверстиях долота, Па; ∆р_г — разность между гидростатическими давлениями столбов жидкости в кольцевом пространстве и трубах, Па.

Для расчета потерь давления на трение при движении промы­вочной жидкости без шлама в трубах и кольцевом канале необхо­димо определить режим течения, в зависимости от которого выби­раются те или иные расчетные формулы. Для этого вычисляется значение критического числа Рейнольдса течения промывочной жидкости Re_кp, при котором происходит переход от структурного режима к турбулентному. Это число для вязкопластических жид­костей определяется из соотношения:

Re_кp = 2100 + 7,3Не^0,58, (1.8)

где Не = ρd_г²τ₀/η² — число Хедстрема; η — пластическая (дина­мическая) вязкость промывочной жидкости, Па∙с; τ₀ — динами­ческое напряжение сдвига, Па.

При течении жидкости внутри бурильной колонны значение d_r принимается равным внутреннему диаметру бурильных труб d_т. В затрубном пространстве d_r определяется как разность между диаметром скважины d_c и наружным диаметром бурильных труб d_н.

Если число Рейнольдса Re движения жидкости в трубах Re_т или кольцевом пространстве Re_кп больше вычисленного значения R_кp, то режим течения турбулентный. В противном случае движе­ние происходит при структурном режиме.

Значения Re_т и Re_кп определяются по формулам

Re_т = = , (1.9)

Rе_кп = = , (1.10)

где υ_т = ; υ_кп = —средняя скорость жидкости в тру­бах и кольцевом канале; d_т и d_н — внутренний и наружный диа­метры секций бурильной колонны состоящей из труб одного раз­мера, м.

При турбулентном режиме течения потери давления по длине канала определяются по формуле Дарси—Вейсбаха:

внутри труб

∆р_т = λ_т l = λ_т , (1.11)

в кольцевом пространстве

∆р_кп = λ_кп l, (1.12)

где l — длина секции бурильных труб одинакового диаметра d_т или d_н, м; λ_т и λ_кп — коэффициенты гидравлического сопротивле­ния трению в трубах и кольцевом пространстве. Их значения сле­дует вычислять по формулам:

λ_т = 0,1 ; (1.13)

λ_кп = 0,107 ; (1.14)

Принимаем шероховатость k примем для стенок трубного и обсаженных участков затрубного пространства равной 3 х 10^-4 м, а для необсаженных участков затрубного пространства — 3х10^-3 м. Формулы (1.13) и (1.14) получены для турбу­лентных течений в трубах и кольцевых каналах вязкой жидкости. Будем их использовать и для турбулентных течений неньютонов­ских жидкостей, поскольку для них нет полностью подтвержден­ных экспериментально аналогичных формул.

В случае структур­ного режима течений формулы для определения потерь давления по длине канала имеют вид:

∆р_т = ; (1.15)

∆р_кп = . (1.16)

где β_т и β_кп — коэффициенты, значения которых можно опреде­лить по графику рис.1. Предварительно вычислив число Сен-Венана для труб S_т или кольцевого пространства S_кп по формулам:

S_т = = , (1.17)

S_кп = = . (1.18)

Рис.1. Кривые зависимости β=β(S) для труб круглого сечения (1) и кольцевого (2) поперечного сечения

По формулам (1.12), (1.16) определяются потери давления в кольцевом канале между стенками скважины и турбобуром. При этом значениям d_н и l в формулах будут соответствовать на­ружный диаметр корпуса турбобура d_т и его длина l_т. Местные потери давления от замков в кольцевом пространстве определяются из выражения

∆р_мк = , (1.19)

где l_т — средняя длина трубы в данной секции бурильной ко­лонны, м; d_м — наружный диаметр замкового соединения, м; l — длина секции бурильных труб одинакового размера, м.

Наружный диаметр, мм		Величина радиального зазора, мм
обсадных труб	муфт
114; 127 140; 146; 168 178; 194 219; 245 273; 299 324; 340; 351	126; 141 159; 166; 188 198; 216 245; 270 299; 324 351; 365; 376	10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-40

Для секции бурильной колонны, состоящей из труб, имеющих внутреннюю высадку, вычисляются потери давления в местных сопротивлениях внутри труб по формуле

∆р_мт = . (1.20)

Потери давления в наземной обвязке находятся по формуле:

∆р₀ = (α_с + α_ш + α_в + α_к) ρQ², (1.21)

где α_с , α_ш ,α_в ,α_к — коэффициенты гидравлических сопротивлений различных элементов обвязки, определяемые поданным ВНИИБТ ( табл. 1).

Таблица 1.

элемент обвязки	условный размер,мм	диаметр проходного сечения,мм	обозначение в формуле	Значение α*10-5, м-4
Стояк	114	-	αс	3,4
	140			1,1
	168			0,4
буровой рукав	-	38	αш	38
		76		1,2
		80		0,93
		90		0,52
		102		0,3
Вертлюг	-	32	αв	27
		75		0,9
		80		0,7
		90		0,44
		100		0,3
Ведушая труба (квадрат)	65	32	αк	11
	80	40		7
	112	74		1,8
	140	85		0,9
	155	100		0,4

Перепад давления в турбобуре вычисляется:

∆р_т = ∆р_мт , (1.22)

где ∆р_тн, Q_тн— справочные данные турбобура при номинальном режиме его работы на жидкости известной плотности ρ_с.

Перепад ∆р_г вычисляется по формуле ∆р_г = (1 — φ) (ρ_ш — ρ) gL.

При промывке без углубления, когда плотность раствора на входе и выходе скважины сравняется, ∆р_г станет равным нулю.