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, (6.10.7)

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, (6. 10.8)

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 = = , (6.10.9) Rе_кп = = , (6.10.10)

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 (6.5.1):

внутри труб

∆р_т = λ_т l = λ_т , (6.10.11)

в кольцевом пространстве

∆р_кп = λ_кп l, (6.10.12)

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 (6.5.38) и (6.5.58):

λ_т = 0,1 ; (6.10.13)

λ_кп = 0,107 ; (6.10.14)

Согласно подразделу 6.5, 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 (6.10.13) и (6.10.14) 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 = ; (6.10.15)

∆р_кп = . (6.10.16)

где β_т и β_кп — коэффициенты, значения которых можно опреде­лить по графику рис.6. Предварительно вычислив число Сен-Венана для труб S_т или кольцевого пространства S_кп по формулам (6.3.29) или (6.3.46):

S_т = = , (6.10.17)

S_кп = = . (6.10.18)

По формулам (6.10.12), (6.10.16) 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 (6.9.4), которое с учетом (6.9.8) — (6.9.10) примет вид

∆р_мк = , (6.10.19)

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.

Для секции бурильной колонны, состоящей из труб, имеющих внутреннюю высадку, вычисляются потери давления в местных сопротивлениях внутри труб по формуле (6.9.4), которая с учетом (6.9.5) — (6.9.7) примет вид

∆р_мт = . (6.10.20)

Потери давления в наземной обвязке находятся по формуле (6.9.1) с учетом (6.9.2):

∆р₀ = (α_с + α_ш + α_в + α_к) ρQ², (6.10.21)

где α_с , α_ш ,α_в ,α_к — коэффициенты гидравлических сопротивлений различных элементов обвязки, определяемые из табл. 6.1.

Перепад давления в турбобуре вычисляется исходя из кинема­тического подобия по формуле (6.9.1) с учетом (6.9.3):

∆р_т = ∆р_мт , (6.10.22)

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.