1.2 Гидродинамика

1.2.1 Потери давления

Возьмем горизонтальный трубопровод, оснащенный манометрами в точках А и В, по которому циркулирует флюид (см. рис. 1.3). Отметим, что давление в точке А выше давления в точке В. Разница давлений р = P_A - P_B соответствует потерям давления между А и В.

Потери давления выражаются обычными единицами давления.

Рис. 1.3 Определение потерь давления

Потери давления в трубопроводе представляют собой сопротивление флюида при течении. Уменьшение давления вызывается наличием трения между движущимся флюидом и стенками трубопровода, а также между различными струями флюида, которые перемещаются с разной скоростью. Трение молекул флюида выражается превращением энергии движения в тепло. Потери давления следует рассматривать как постепенное поглощение по длине схемы циркуляции исходной энергии, поставляемой буровыми насосами.

Эти потери давления зависят от многих факторов. При управлении притоком пластовых флюидов считается, что в первом приближении они будут:

• прямо пропорциональны плотности флюида ( );

• прямо пропорциональны квадрату расхода флюида ( );

• прямо пропорциональны длине трубопровода ( ),

• обратно пропорциональны пропускной способности в пятой степени внутреннего диаметра трубопровода ( ).

Нижеприведенная формула позволяет нам связать потери давления в состоянии 1 и состоянии 2:

(1.3)

Состояние 1: р₁ - потери давления на участке схемы циркуляции длиной L₁ и диаметром D₁, в котором циркулирует флюид плотностью _бр с расходом Q₁.

Состояние 2: р₂ - потери давления на участке схемы циркуляции длиной L₂ и диаметром D₂, в котором циркулирует флюид плотностью _{пр бр} с расходом Q₂.

р₁ и р₂ выражаются одинаковыми единицами давления, Q₁ и Q₂ - одинаковыми единицами расхода, а L₁ и L₂, D₁ и D₂ - одинаковыми единицами длины.

Примечание: Поскольку расход пропорционален производительности насоса, перепады давления будут пропорциональными квадрату производительности насоса.

Эта приближенная формула в общем правильна для турбулентного потока, но не действительна для ламинарного потока. Она позволяет получить приблизительную величину потерь давления при изменении гидравлических и геометрических параметров. Действительные величины могут быть получены только с помощью измерений с измененными параметрами (например, в случае измерений потерь давления при уменьшенном расходе).

В скважинах с циркулирующим флюидом потери давления происходят на всех участках циркуляционной системы.

• при прямой или обратной циркуляции учитываются :

р_обв - потери давления в наземном оборудовании,

р_бт - потери давления в бурильных трубах,

р_убт - потери давления в утяжеленных бурильных трубах,

р_дол - потери давления в насадке долота,

р_кп - потери давления в кольцевом пространстве (в обсадной колонне и открытом стволе),

р_бк = р_бт + р_убт + р_дол, где р_бк представляет потери давления в бурильной колонне.

Потери давления значительны на долоте (от 50 до 70% суммарных потерь в системе циркуляции) и в утяжеленных бурильных трубах (порядка 4 бар/100 м утяжеленных труб внутренним диаметром меньше 2¹³/₁₆" при расходе 1000 л/мин и с буровым раствором плотностью 1,15).

Потери давления незначительны в бурильных трубах (для труб 5” они примерно в 10 раз меньше, чем в утяжеленных бурильных трубах). В кольцевом пространстве они, как правило, меньше, чем внутри бурильных труб.

Потери давления в наземном оборудовании составляют порядка 0,5 бар при расходе 1000 л/мин и при плотности 1,15.

• при циркуляции с использованием штуцера к вышеперечисленным потерям давления следует добавить :

р_{отв.канал} - потери давления в отводном канале между превентором и манифольдом штуцеров (штуцерная линия),

р_шт - потери давления в штуцере штуцерного манифольда и после этого штуцера.

При изменении проходного сечения штуцера для флюида изменяются потери давления в штуцере.

Потери давления в отводном канале незначительны для случая наземного ПВО, но они могут достигать нескольких десятков бар в случае подводного ПВО.

Примечание: р_шт представляет величину, которую показывает манометр перед штуцером. Когда скважина закрыта на штуцере (статическое состояние), этот манометр показывает величину давления, компенсирующего дисбаланс в скважине, если он имеет место. При циркуляции с использованием штуцера этот манометр показывает величину потерь давления в штуцере и на участке после штуцера.