Последовательность расчета потерь давления при бурении скважин

1. Потери давления в бурильных и утяжеленных трубах, в ведущей трубе, сальнике, шланге и в поверхностной нагнетательной линии.

Давление на преодоление гидравличе­ских сопротивлений при движении жидкости в бурильных трубах, УБТ и в наземной обвязке рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха:

(2.2)

где - безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления; υ- средняя по сечению канала потока объемная скорость движения жидко­сти, м/с; - плотность жидкости, кг/м³; l - длина канала потока, м; -эквивалентный диаметр канала потока (для бурильных труб где - внутренний диаметр труб; для кольцевого канала скважины , где d₂ - наружный диаметр бурильной трубы, D_c - диаметр скважи­ны, м).

Для одновременного определения потерь давления в бурильных и утяжеленных бурильных трубах (УБТ), в ведущей трубе, сальнике, шланге, поверхностной нагнетательной линии удобнее воспользоваться формулой:

(2.3)

Где все величины относятся к внутреннему каналу бурильных труб d₁, а l_э - эквивалентная длина бурильных труб, потери давления на которой приравниваются к потерям давления в УБТ, ведущей трубе, сальнике и т.д., м.

Наиболее сложным и ответственным при гидравлических расчетах является определение значений для конкретных условий. Коэффици­ент гидравлических сопротивлений зависит от свойств жидкостной сре­ды, скорости ее движения, сечения канала, шероховатости стенок. Однако, до настоящего времени не найдено единой зависимости для ана­литического вычисления с учетом перечисленных факторов.

При промывке скважины водой или другими маловязкими (ньюто­новскими) жидкостями значение коэффициента с достаточной точно­стью можно найти по приближенной формуле А.Д. Альтшуля:

(2.4)

где К_ш - эквивалентная шероховатость стенок трубопровода, м (для но­вых стальных цельнокатаных труб К_ш=(0,02-0,07)10^-3 м, для стальных труб бывших в употреблении К_ш=(0,2-0,5)10^-3 м и для старых сильно корродированных труб К_ш=1,0 10^-3м); D_э - эквивалентный диаметр ка­нала потока, м (для внутреннего канала бурильных труб D_э=d₁, Rе - па­раметр Рейнольдса, рассчитываемый по следующей фоpмуле:

(2.5)

При промывке скважины глинистыми растворами или другими структурными жидкостями режим движения потока характеризуется обобщенным параметром Рейнольдса:

(2.6)

где ' - эффективная вязкость глинистого раствора, определяемая по формуле:

(2.7)

где - коэффициент структурной вязкости; - динамическое напря­жение сдвига. При расчетах в системе СИ можно для нормальных гли­нистых растворов принимать значения этих величин в пределах ; Па и тем больше, чем выше их условная вяз­кость.

При значениях R^*<2000-3000 отмечается структурный режим дви­жения. Коэффициент сопротивления в этом случае определяется по формуле Стокса:

(2.8)

При значениях Rе '>2000+3000 величина коэффициента рассчи­тывается по формуле Р.И. Шищенко:

(2.9)

При значениях Rе'>5000 можно считать и значение коэф­фициента принимать равным 0,02.

Эквивалентная длина l_э бурильных труб определяется из соотно­шения:

(2.10)

где - длины соответственно УБТ, нагнетательного шланга, ведущей трубы, вертлюга - сальника и т.д., м.; - внутрен­ние диаметры соответственно УБТ, нагнетательного шланга, ведущей трубы, канала в вертлюге-сальнике, м.

2. Потери давления на пре­одоление местных сопротивлений в соединениях бурильной колонны.

Потери давления на гидравлические сопротивления при движении бурового раствора в соединениях бурильной колонны обычно опреде­ляют по формуле:

(2.11)

где v₁- средняя скорость течения в трубе за местным сопротивлением - м/с; п - число однотипных соединений в колонне; - безразмерный ко­эффициент местного сопротивления, рассчитываемый по формуле Б.С. Филатова:

(2.12)

где а - опытный коэффициент, учитывающий особенности конфигура­ции местного сопротивления; для труб муфтово-замкового соединения а 2, для - ниппельного $ d₀ - диаметр наименьшего проходного сечения в соединении, м.

3. Потери давления в кольцевом канале скважины.

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в кольцевом пространстве может быть приближен­но рассчитано по следующей формуле:

(2.13)

где υ - скорость восходящего потока промывочной жидкости, м/с; р' -средняя плотность жидкости, обогащенной шламом, кг/м³; для осуще­ствления качественной очистки забоя плотность жидкости в восходя­щем потоке не должна быть выше плотности в нисходящем потоке бо­лее чем на 3%; l - длина скважины, м; - безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления в кольцевом пространстве.

Для правильной оценки диаметра скважины при расчете р₃ можно воспользоваться приведенными ниже данными возможных значений приращений диаметров ствола скважины при геологоразведочном бу­рении:

Категория пород по буримости (вращательное механическое бурение)	XII	XI	X	IX	YIII	YII-YI
Приращение диаметров скважины, мм	0-1	1-2	2-3	3-5	4-10	10-30

При промывке скважины водой и другими маловязкими жидко­стями коэффициент может быть рассчитан по формуле Блазиуса:

(2.14)

где , D_э - эквивалентный диаметр канала потока, в этом случае равный ,м; d- наружный диаметр бурильных труб, м.

При промывке скважин глинистым раствором или другими струк­турными жидкостями рассчитывается по формуле Р.И. Шищенко,

справедливой в интервале .

(2.15)

При малых значениях Rе'_кп<1200 для расчета можно воспользоваться формулой Е.М. Соловьева

(2.16)

При Rе' 50 000 для глинистого раствора рекомендуется прини­мать коэффициент сопротивления постоянным и равным 0,02.

4. Потери давле­ния на преодоление сопротивлений в долоте или колонковом наборе

Потери давления в колонковом наборе (или долоте) зависят от его конфигурации и степени изношенности, длины и степени разрушения керна в колонковой трубе, количества и качества промывочной жидко­сти. Часть этих факторов меняется в течение рейса, поэтому рекоменду­ется принимать р₄=0,25 0,5 МПа. Большие значения потерь давле­ния берутся для больших расходов жидкости.

5. Перепад давления в гидроударнике (или малогабаритном турбобу­ре) р₅ принимается в соответствии с технической характеристикой за­бойного механизма.

Перепад давления в гидроударнике (или малогабаритном турбобу­ре) р₅ принимается в соответствии с технической характеристикой за­бойного механизма.

6. Давление на преодоление гидростатических сил, обусловлен­ных разностью между гидростатическими давлениями столбов жидко­сти в кольцевом пространстве и трубах.

При учете разности между гидростатическими давлениями столбов жидкости в кольцевом пространстве и бурильных трубах потери давле­ния (р₆) определяют по формуле:

(2.17)

где _ж.в. и _ж.н. - соответственно удельные веса жидкости в кольцевом пространстве и в бурильных трубах, Н/м³.

При высокочастотном алмазном бурении на коэффициент ока­зывает влияние окружная скорость вращения бурильной колонны. Для бурения с промывкой водой, полимерными растворами, водомасляными эмульсиями, водными растворами NаС1 и СаС1₂ имеется следующая формула:

(2.18)

где - окружная скорость вращения поверхности колонны бурильных труб, м/с; , п - частота вращения колонны бурильных труб,мин^-1; - коэффициент гидравлических сопротивлений при отсутствии вращения колонны, в данном случае вычисляемый по видоизмененной формуле Альтшуля:

(2.19)

Здесь коэффициент эквивалентной шероховатости для алмазного бурения стальными трубами принимается равным 0,03·10^-3 м.

Задача 2.1. Рассчитать потери давления в циркуляционной сис­теме при следующих условиях:

Таблица 2.1 – Данные для различных вариантов задач

Параметры	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8		9	10
Н (глубина скв), м	880	900	920	870	990	958	1010	800		960	868
Q, л/мин	35,4	28,6	32,8	25,8	33,4	37,2	38,0	39,4	40,0		42,4
Рж, кг/м3	1050	1100	1120	1030	1200	1015	1218	1178		1142	1206
η,Па·с	0,099	0,086	0,094	0,078	0,096	0,09	0,099	0,086		0,094	0,078
τ0, Па	4,4	4,0	5,2	4,2	3,8	4,8	4,6	3,6		5,0	4,2
d0, м	0,036

бурильные трубы - ЛБТН-54