2 Елементи гідроаеромеханіки в бурінні Теоретична частина

2.1 Основні критерії подібності при русі в’язких і в’язкопластичних рідин

Критерій Рейнольдса:

(2.1)

Критерій Сен-Венана:

(2.2)

Критерій пластичності:

(2.3)

Критерій Фруда:

(2.4)

Критерій Ейлера:

(2.5)

Критерій Хедстрема:

(2.6)

Критерій Архімеда:

(2.7)

Критерій Вебера:

(2.8)

Узагальнений критерій Рейнольдса:

(2.9)

У наведених вище формулах:

густина,

гідравлічний діаметр,м;

перепад тиску, Па;

пластична в’язкість, Па·с;

швидкість руху рідини, м/с

динамічне напруження зсуву, Па;

коефіцієнт поверхневого натягу,Н/м

g – прискорення вільного падіння, м/с²

При русі рідини всередині бурильних труб гідравлічний діаметр дорівнює внутрішньому діаметру труби ( ), а при русі рідини в кільцевому просторі гідравлічний діаметр дорівнює різниці діаметрів ( )

2.2 Визначення втрат тиску в елементах циркуляційної системи

2.2.1 Бурильні та обважнені труби.

При ламінарному режимі руху втрати тиску в бурильних (обважнених) трубах визначають за формулою:

(2.10)

де втрати тиску в трубах, Н/м²;

довжина труб однакового діаметра, м;

внутрішній діаметр труби, м;

_{к оефіцієнт, який залежить від критерія Сен-Венана}

_{Залежність показана на рисунку 2.1.}

Рисунок 2.1 – Залежність безрозмірного коефіцієнта β від параметра Сен-Венана:

1 – для труб; 2 – для кільцевого перерізу.

При турбулентному режимі руху втрати тиску в бурильних трубах визначають за формулою Дарсі-Вейсбаха:

, (2.11)

де густина промивальної рідини, кг/м³;

– коефіцієнт гідравлічного опору, який визначають за формулою Альтшуля:

(2.12)

де шорсткість труби, м; .

Перехід ламінарного режиму руху в турбулентний оцінюють критичним значенням середньої швидкості або критеріїв Рейнольдса, знайденими експериментально:

(2.13)

(2.14)

Якщо – режим руху ламінарний.

Якщо – режим руху турбулентний.

2.2.2 Кільцевий простір за бурильними та обважненими трубами.

При ламінарному режимі руху найточніше втрати тиску визначають за формулою:

(2.15)

_{коефіцієнт, який залежить від критерія Сен-Венана та зазору (рисунок 2.1);}

_{д іаметр свердловини, м;}

зовнішній діаметр бурильних (обважнених) труб, м.

Діаметр свердловини дорівнює:

• для відкритого (незакріпленого обсадною колоною) ствола

де об’ємний коефіцієнт кавернометрії;

діаметр долота, м;

• для закріпленого обсадною колоною (обсадженого) ствола – внутрішньому діаметру обсадної колони

Крім того, для визначення гідравлічних втрат тиску при ламінарному русі в’язкопластичної рідини у кільцевому просторі деколи використовують формулу Дарсі-Вейсбаха:

(2.16)

в якій коефіцієнт гідравлічного опору визначають за такими формулами:

(2.17)

(2.18)

(2.19)

Також, деякі автори для визначення втрат тиску при ламінарному русі в’язкопластичної рідини рекомендують використовувати таку формулу:

При турбулентному режимі руху гідравлічні втрати тиску в’язкопластичної рідини в кільцевому просторі визначають за формулою (2.16):

, (2.21)

де – шорсткість стінок свердловини або обсадних труб,м.

м – для обсаджених ділянок свердловини.

м – для необсаджених ділянок свердловини.

2.2.3 Бурильні замки

Втрати тиску в бурильних замках визначаються за формулою:

(2.22)

д е коефіцієнт місцевого опору;

_{густина промивальної рідини, кг/м}³_.

середня швидкість руху рідини в трубах або незвуженій частині кільцевого простору, м/с;

кількість бурильних замків;

При визначенні втрат тиску в бурильних замках всередині бурильної колони коефіцієнт місцевого опору визначають за формулою:

(2.23)

де найменший внутрішній діаметр бурильного замка,м.

При визначенні втрат тиску в кільцевому просторі за бурильними замками коефіцієнт місцевого опору визначають за формулою:

(2.24)

де зовнішній діаметр бурильного замка,м.

(2.25)

де довжина колони бурильних труб одного типорозміру (при визначенні втрат тиску в бурильних замках всередині бурильної колони), або довжина відкритого (незакріпленого) чи обсадженого (закріпленого) ствола однакового діаметра (при визначенні втрат тиску за бурильними замками);

довжина бурильної труби, м. У розрахунках беруть .

2.2.4. Бурові долота

Втрати тиску в прохідних каналах долота визначають за формулою:

, (2.26)

д е середня швидкість руху рідини у промивальних отворах долота, м/с;

_{кількість (витрата) промивальної рідини, м}³_/с;

коефіцієнт витрати, який залежить від форми отвору, фізичних властивостей рідини і тиску, при якому витікає рідина, (таблиця 2.1)

Таблиця 2.1 – Коефіцієнт витрати для різних форм насадок

Форма насадки	Циліндричний отвір(без насадки)	Y – подібна щілина	Цилінд-рична насадка	Цилінд-рична з конічним входом	Гідромоніторна насадка з округленим входом	Коної-дальна насадка
Коефіцієнт витрати	0,64-0,66	0,7-0,75	0,75-0,80	0,8-0,9	0,9-0,95	0,98

сумарна площа перерізу промивальних отворів долота, м²;

Якщо немає конкретних даних (геометричних розмірів) для визначення сумарної площі перерізу промивального каналу долота з центральною системою промивання, то для її визначення можна скористатись такими емпіричними залежностями:

Для

Для

2.2.5. Турбобури

Втрати тиску в турбобурі визначають за формулою:

, (2.27)

де постійна турбобура по перепаду тиску.

(2.28)

де відповідно перепад тиску в турбобурі при номінальному режимі його роботи на рідині з відомою густиною та витратою (за паспортними (табличними) даними конкретного турбобура).

2.2.6. Наземна обв’язка

Втрати тиску в наземній обв’язці циркуляційної системи визначають за формулою:

(2.29)

де відповідно коефіцієнти гідравлічних опорів у стояку, буровому шланзі, вертлюзі та ведучій трубі, м^-4. Значення коефіцієнтів гідравлічних опорів наведені в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 – Коефіцієнти гідравлічних опорів в наземній обв’язці циркуляційної системи.

Елемент обв'язки	Умовний діаметр (сторона квадрата), мм	Діаметр прохід­ного каналу, мм	, м4
Стояк	114		3,4
	140		1,1
	168		0,4
Буровий шланг		38	38
		76	1,2
		80	0,93
		90	0,52
		102	0,3
Вертлюг		32	27
		75	0,9
		80	0,7
		90	0,44
		100	0,3
Ведуча труба	65	32	11
	80	40	7,0
	112	74	1,8
	140	85	0,9
	155	100	0,4