Технологический расчет

Задача 3. Произвести гидравлический расчет промывки скважины для удаления песчаной пробки. Определить: 1) давление на выкиде насоса; 2) давление на забое скважины; 3) необходимую мощность двигателя; 4) время на промывку скважины для удаления пробки и 5) разрушающее действие струи при промывке скважины.

Исходные данные: глубина скважины H=4500 м; диаметр эксплуатационной колонны D=168 мм; диаметр промывочных труб d=73 мм; максимальный размер песчинок, составляющих пробку, δ=0,45 мм; глубина фильтра скважины 4350-4300 м; уровень пес­чаной пробки равен 4200 м.

Для промывки используется насосная установка УН1Т=100Х Х200.

В таблице 1.15 приведена характеристика насоса НП-100ХЛ1 на­сосной установки УН IT-100X200 при частоте вращения вала дви­гателя, равном 1070 об/мин, общем коэффициенте полезного дей­ствия η=0,8 и диаметре плунжера, равном 125 мм.

Таблица 8 – Подача и давление, развиваемые насосом НП-100ХЛ1

Скорость коробки передач	Число двойных ходов плунжера в минуту	Подача, дм3/с	Давление, МПа
I	49,8	3,8	20,0
II	72,8	5,6	17,1
III	110,0	8,4	11,3
IV	168,0	12,9	7,4

Прямая промывка водой

Решение.

1) Определяем потери напора на гидравлические сопротивления при движении жидкости в промывочных трубах диаметром 73 мм по формуле:

(1)

где λ — коэффициент трения при движении воды в трубах (дан­ные приведены ниже); d_B — вну­тренний диаметр промывочных труб, мм; v_H -скорость нисходя­щего потока жидкости, м/с.

На рисунке 9, находим скорости нисходящего потока воды при соответствующей подаче на­соса, т.е.

Подача V_H

на I 3,8 дм³/с l,26 м/с

II 5,6 дм³/с 1,85 м/с

Ш 8,4 дм³/с 2,78 м/с

IV 12,9 дм³/с 4,27 м/с

Ниже приведены коэффициенты гидравлического со­противления.

Диаметр труб, мм ... 48 60 73 89 102 114

λ …… 0,040 0,037 0,035 0,034 0,033 0,032

Подставив численные значения величин, входящих в формулу (1), находим потери напора h, при работе установки на IV скоростях:

2) Определяем потери напора на гидравлические сопротивления при движении смеси жидкости с песком в затрубном пространстве скважины по формуле:

(2)

где φ — коэффициент, учитывающий повышение гидравлических потерь напора в результате содержания песка в жидкости. Находится в пределах 1,1-1,2, принимаем φ=1,2; λ - коэффициент трения при движении воды в затрубном пространстве, определяет­ся по разности диаметров 168 мм (D_в=150 мм) и 73 мм (d_H=73 мм) труб: 150-73=77 мм, что почти соответствует внутреннему диаметру 89-мм труб, для которых λ=0,034; d_H—наружный диаметр промывочных труб; v_в — скорость восходящего потока жидкости в затрубном пространстве, м/с (определяем по таблице 1.16).

Таблица 9 – Скорость движения жидкости в затруб. пространстве (м/с)

Расход жидкости q, дм3/с	Диаметр эксплуатационной колонны, мм
	146			168
	Диаметр насосно-компрессорных труб, мм
	60	73	89	60	73	89	102	114
1	0,10	0,11	0,14	0,06	0,07	0,09	0,10	0,13
2	0,19	0,22	0,28	0,13	0,15	0,17	0,21	0,27
3	0,29	0,33	0,42	0,20	0,22	0,27	0,31	0,40
4	0,38	0,44	0,56	0,27	0,30	0,34	0,41	0,54
5	0,48	0,55	0,70	0,34	0,37	0,43	0,52	0,67
6	0,57	0,66	0,85	0,40	0,44	0,52	0,62	0,81
7	0,67	0,77	0,99	0,47	0,52	0,61	0,73	0,95
8	0,77	0,88	1,13	0,54	0,60	0,70	0,83	1,08
9	0,86	0,99	1,27	0,60	0,66	0,78	0,93	1,21
10	0,96	1,10	1,41	0,67	0,74	0,87	1,04	1,35
12	1,15	1,32	1,69	0,81	0,88	1,04	1,25	1,62
15	1,44	1,65	2,11	1,01	1,11	1,36	1,56	2,02
17	1,63	1,87	2,39	1,15	1,25	1,48	1,77	2,30
20	1,92	2,20	2,82	1,35	1,49	1,74	2,08	2,70

Для расходов жидкости на I, II, III и IV скоростях насосной установки УН1Т-100Х200 по таблице находим соответ­ствующие значения скоростей восходящего потока для 73 мм про­мывочных труб, спущенных в 168 мм колонну: они равны v'_в=0,28; v''_в =0,41; v'''_в =0,62; v^IV_в=0,96 м/с.

Подставляя численные значения величин, входящих в формулу (2), получим потери напора h₂ при движении жидкости с пе­ском в затрубном пространстве:

на I скорости

на II скорости

на III скорости

на IV скорости

3) Определяем потери напора на уравновешивание столбов жид­кости разной плотности в промывочных трубах и в затрубном про­странстве по формуле К. А. Апресова:

(3)

где т - пористость песчаной пробки (принимаем равной 0,3); F - площадь проходного сечения 168-мм эксплуатационной колонны (F=177 см²); l - высота пробки промытой за один прием (длина двухтрубки равна 14 м); f — площадь поперечного сечения кольце­вого пространства между 168-мм и 73-мм трубами (f=135 см²); р_п - плотность зерен песка (р_п=2600 кг/м³); р_ж - плотность промывочной жидкости - воды (р_ж=1000 кг/м³); V_кр - скорость сво­бодного падения песчинок в воде для песчинок размером δ=0,45 мм равна 4,90 см/с (берется из данных таблицы 1.17); V_в - скорость вос­ходящего потока жидкости, см/с.

Подставляя численные значения величин, входящих в формулу (3), находим потери напора h₃ при работе установки:

на I скорости

на II скорости

на III скорости

на IV скорости

Таблица 10 – Скорость свободного падения песчинок в воде Vкр

Размер зерен, мм	Скорость свободного падения, см/с	Размер зерен, мм	Скорость свободного падения, см/с	Размер зерен, мм	Скорость свободного падения, см/с
0,01	0,01	0,17	2,14	0,45	4,90
0,03	0,07	0,19	2,39	0,50	5,35
0,05	0,19	0,21	2,60	0,60	6,25
0,07	0,36	0,23	2,80	0,70	7,07
0,09	0,60	0,25	3,00	0,80	7,89
0,11	0,90	0,30	3,50	0,90	8,70
0,13	1,26	0,35	3,97	1,00	9,50
0,15	1,67	0,40	4,44	1,20	11,02

1. Определяем потери напора на гидравлические сопротивления в шланге и вертлюге при движении воды. Эти потери находим по таблице 1.18 путем интерполирования.

Потери напора, возникающие в шланге h₄ и вертлюге h₅, со­ставляют в сумме при работе:

на I скорости (h₄+h₅)_I=7,2 м;

на II скорости (h₄+h₅)_II =15 м;

на III скорости (h₄+h₅)_III=31,8 м;

на IV скорости (h₄+h₅)_IV=128 м.

Таблица 11 – Гидравлические потери напора в шланге и вертлюге

Расход воды, дм3/с	Потери напора, м	Расход воды, дм3/с	Потери напора, м
3	4	8	29
4	8	9	36
5	12	10	50
6	17	12	104
7	22	15	186

5) Находим потери напора h₆ на гидравлические сопротивления в 73-мм нагнетательной линии от насоса агрегата до шланга. При­нимаем длину этой линии l=50 м. Тогда по формуле (2.1) на­ходим потери напора:

на I скорости

на II скорости

на III скорости

на IV скорости

6) Определяем давление на выкиде насоса (в МПа):

(2.4)

где - сумма потерь, м.

Подставляя значения, имеем:

на I скорости

на II скорости

на III скорости

на IV скорости

7) Определяем давление на забое скважины при работе уста­новки:

(2.5)

где Н — глубина скважины, м.

Подставляя данные в формулу (2.5), получим давление на забое скважины:

8) Определяем мощность, необходимую для промывки скважины от песчаной пробки, по формуле

(2.6)

где η_а - общий механический к. п. д. насосной установки (прини­маем равным η_а = 0,8).

Подставляя в формулу (6) полученные данные, будем иметь:

Из расчета видно что, так как насосная установ­ка УН1Т-100Х200 имеет номинальную полезную мощность 83 кВт, то работа ее на III скорости невозможна. Поэтому все дальнейшие расчеты будем вести для первых трех скоростей установки.

9) Определим коэффициент использования максимальной мощно­сти насосной установки:

(2.7)

Подставляя данные в формулу (7), получим K установки:

на I скорости

на II скорости

10) Определим скорость подъема размытого песка, который нахо­дится как разность скоростей:

(2.8)

Подставляя фактические данные в формулу (2.8), получим значения скоростей подъема:

на I скорости

на II скорости

11) Определим продолжительность подъема размытой пробки пос­ле промывки скважины на длину колена (двухтрубки) до появления чистой воды по формуле:

(2.9)

Итак, продолжительность подъема песка:

12) Определяем размывающую силу (силу удара) жидкости по формуле:

(2.10)

где Q - подача агрегата, дм³/с; f – площадь поперечного сечения струи жидкости, нагнетаемой в скважину, т.е. площадь поперечно­го сечения промывочных труб (для 73-мм колонны f=30,19 см²); F —площадь проходного сечения эксплуатационной колонны (для 168-мм колонны равна 177 см²).

Подставляя эти данные в формулу (2.10), получим значе­ния Р:

Обратная промывка водой

1) Определим потери напора на гидравлические сопротивления при движении жидкости в затрубном пространстве между 168-мм и 73-мм трубами по формуле:

(1)

Подставляя численные значения величин, входящих в формулу (1), будем иметь для работы агрегата:

на I скорости

на II скорости

на III скорости

на IV скорости

2) Определяем потери напора на гидравлические сопротивления при движении смеси жидкости с песком в 73-мм трубах по фор­муле:

(2)

где v_в - скорость восходящего потока (равна скорости нисходящего потока v_H при прямой промывке). Поэтому в расчетах воспользуемся значениями скоростей, определенных ранее по рисунке 8. Подставляя данные в формулу (2), получим значение h₂ при работе агрегата:

3) Определяем потери напора на уравновешивание разности плот­ности жидкостей в промывочных трубах и в кольцевом простран­стве по формуле К.А. Апресова, в которую вместо площади сечения коль­цевого пространства подставляют площадь внутреннего сечения 73-мм труб, равную 30,19 см². Следовательно, имеем следующие значения h₃ при работе агрегата:

Гидравлические потери напора в шланге и вертлюге при обрат­ной промывке отсутствуют: h₄+h₅=0

4) Определяем потери напора h₆ на гидравлические сопротивле­ния в нагнетательной линии. Они будут такими же, как и при пря­мой промывке:

h_6I=2,28 м h_6II=4,92м

h_6III=11,11м h_6IV=26,23м

5) Определяем давление на выкиде насоса по формуле (2.4) при прямой промывке:

на I скорости

на II скорости

на III скорости

на IV скорости

6) Определяем давление на забое скважины по формуле (2.5) при прямой промывке:

на I скорости

на II скорости

на III скорости

на IV скорости

7) Определяем мощность, необходимую для промывки скважины от песчаной пробки по формуле (6):

на I скорости

на II скорости

на III скорости

на IV скорости

Как видно из расчетов, работа на III и IV скорости на­сосной установки невозможна.

Сравнивая мощности, необходимые для промывки скважины от пробки при прямой и обратной промывках (на одной и той же ско­рости установки), можно убедиться, что соответствующие мощ­ности при обратной промывке больше, чем при прямой.

8) Определяем коэффициент использования максимальной мощно­сти насосной установки по формуле (7):

на I скорости

на II скорости

9) Определяем скорость подъема размытого песка по формуле (8) при работе агрегата:

на I скорости

на II скорости

10) Определяем продолжительность подъема размытого песка по формуле (9):

на I скорости

на II скорости

11) Определяем, размывающую силу струи жидкости по формуле (10), в которую вместо f подставляем значение площади коль­цевого пространства между 168-мм эксплуатационной колонной и 73-мм промывочными трубами (f - 135 см²):

на I скорости

на II скорости

Определяя гидравлический расчет промывки скважины для удаления песчаной пробки, можно сказать, что обратная промывка водой является более эффективной, чем прямая промывка водой. Потому что, время на промывку скважины для удаления пробки уходит гораздо меньше, чем при прямой промывки, размывающая сила струи жидкости также меньше и сравнивая мощности, необходимые для промывки, можно убедиться, что мощности при обратной промывке больше, чем при прямой промывке.