РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

КАФЕДРА СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

РАСЧЁТНАЯ РАБОТА ПО ТЕПЛОТЕХНИКЕ

Продувка скважины колонкового бурения воздухом и теплотехнический расчёт компрессора

Выполнил: ст. группы ЗРТ-09

Вишняков К.А.

Проверил: проф. Куликов В.В.

МОСКВА, 2014г.

Задание

Рассчитать параметры режима работы многоступенчатого поршневого компрессора с водяным охлаждением при прямой продувке скважины колонкового бурения. Произвести теплотехнический расчёт компрессора.

Параметрами режима работы компрессора являются подача (расход) воздуха, развиваемое давление и развиваемая мощность.

1. В соответствии с № варианта задания и результатами последующих расчётов заполнить таблицу исходных данных.

Таблица исходных данных

№	Обозначение величины и её размерность; вид агента	Значение величины; реологическая модель агента	Наименование величины; назначение агента
1	hc, м	1200	Глубина скважины
2	Hc, м	1280	Длина ствола скважины
3	hок, м	300	Глубина спуска обсадной колонны (ОК)
4	Hок, м	330	Длина ОК
5	Dок, мм	89	Наружный диаметр ОК
6	dок, мм	79	Внутренний диаметр ОК
7	DБК, мм	59	Наружный диаметр буровой коронки (БК)
8	dБК, мм	42	Внутренний диаметр БК
9	DКТ, мм	57	Наружный диаметр колонковой трубы (КТ)
10	dКТ, мм	48	Внутренний диаметр КТ
11	HКТ, м	3	Длина КТ
12	hКТ, м	3,47	Длина вертикальной проекции КТ
13	DБТ, мм	50	Наружный диаметр бурильных труб (БТ)
14	dБТ, мм	39	Внутренний диаметр БТ
15	HБТ, м	6.0	Длина одной БТ
16	DСЭ, мм	50	Наружный диаметр соединительного элемента (СЭ)
17	dСЭ, мм	28	Внутренний диаметр СЭ
18	HП, м	20	Длина подводящей линии (от компрессора до колонны БТ)
19	dП, мм	32	Внутренний диаметр подводящей линии
20	КЭ, мм	0.1	Эквивалентная шероховатость поверхности магистрали
21	δ, мм	1.0	Приращение диаметров скважины и керна
22	Dс, мм	60	Диаметр скважины
23	dК, мм	41	Диаметр керна
24	υмех, м/ч	24	Механическая скорость бурения
25	ρш, кг/м3	3000	Плотность частиц шлама
26	dш, мм	1.5	Эквивалентный диаметр частиц шлама
27	Воздух	Ньютоновская жидкость (НЖ)	Очистной агент (ОА)
28	t0, ºС	20	Средняя температура воздушного потока в скважине
	T, К	293
29	P0, ат	1.0	Атмосферное давление
30	μ, кг/кмоль	28.97	Средняя молярная масса воздуха
31	μR, Дж/(кмоль.К)	8314.51	Универсальная газовая постоянная
32	R, Дж/кг К	287	Удельная газовая постоянная воздуха
33	ρ0, кг/м3	1.20	Плотность атмосферного воздуха
34	μ0, Па с	18.13.10-6	Абсолютная вязкость воздуха
35	к	1.4	Показатель адиабаты для воздуха
36	n	1.25	Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре
37	Ср, Дж/кг К	1004.5	Удельная изобарная теплоемкость воздуха
38	Сv, Дж/кг К	717.5	Удельная изохорная теплоемкость воздуха
39	Cn, Дж/кг К	430.5	Удельная политропная теплоемкость воздуха
40	Cvв, Дж/кг К	4180	Удельная изохорная теплоемкость охлаждающей воды (хладагента)
41	Δtв ст = Δtв ох, ºC	40	Приращение температуры охлаждающей воды в ступени и охладителе
42	ρв, кг/м3	1000	Плотность охлаждающей воды
43	λст мах	10	Максимальная степень повышения абсолютного давления в ступени компрессора
44	РБК, ат	3	Потеря давления в БК
45	η	0.7	Полный КПД компрессора
46	ηп	0.9	КПД передачи от двигателя до компрессора
47	g, Н/кг	9.81	Ускорение силы тяжести

Примечания

1. При соединении бурильных труб (БТ) «труба в трубу» D_СЭ – наружный диаметр ttколонны в месте соединения, d_СЭ – внутренний диаметр колонны БТ в месте соединения.

2. Рекомендуемые значения величин: H_КТ = 1,5; 3 или 6 м; H_БТ = 1,5; 3; 4,5 или 6 м; H_П = 20 –100 м; d_П = 32, 38 или 50 мм; К_Э = 0,1 мм; δ = 0,1 – 2 мм; υ_мех = 10 – 30 м/ч; ρ_ш = 3000 кг/м³; t₀ = 20 ºС; P₀ = 1 ат; = 28,97 = 8314,51 ; к = 1,4; n = 1,25; = 4180 ; _{в ох} = 40 ºC = 40 К; = 1000 кг/м³; = 10; P_БК = 1 – 4 ат; η = 0,7; η_п = 0,9; g = 9,81 Н/кг.

3. Расчёты выполнять в СИ, ответы (где это необходимо) переводить в единицы, принятые в бурении – МПа и др.

4. Ответы округлять, указывая после запятой не более двух знаков, например: 3,86  10⁵ Па; 0,88 МПа; 0,26 м³/с; 2,33  10^-5 м³/с; 0,52  10³ Вт; 9,57  10⁵ Дж/кг и т.п.

Варианты заданий

№ вариант задания	№ пункта таблицы исходных данных
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	13	14	16	17
9	1200	1280	300	330	89	79	59	42	57	48	50	39	50	28

2. Конструкция скважины

Условные схемы соединительных элементов

а) – ниппельное соединение бурильных труб;

б) – муфтовое соединение бурильных труб;

d_сэ, D_сэ – внутренний и наружный диаметры соединительных элементов;

d_бт, D_бт – внутренний и наружный диаметры бурильных труб;

D_с – диаметр скважины;

1 – круглый (в поперечном сечении) поток воздуха;

2 – кольцевой (в поперечном сечении) поток воздуха;

3 – области (зоны) вихрей.

3. Расчетная схема циркуляции воздушного потока

I .Компрессор

II. Ресивер компрессора

III. Предохранительный клапан

IV. Манометр

V. Термометр

VI. Расходометр

VII. Герметизатор устья скважины

VIII. Вентиль

IX. Вентилятор (эжектор)

X. Шламоуловитель

Магистраль разделена на 7 (i = 1,2,…7) участков движения жидкости.

i – номер участка движения. Участки i = 5-7 в поперечном сечении круглые, а участки i = 1-3 – кольцевые.

i = 1 – между обсадной и бурильной колоннами;

i = 2 – между стенками скважины и бурильной колонной;

i = 3 – между стенками скважины и колонковой трубой;

i = 4 – на забое скважины и в буровом долоте;

i = 5 – внутри колонковой трубы;

i = 6 – внутри бурильной колонны;

i = 7 – в устьевой обвязке (в подводящей линии от бурового насоса до колонны бурильных труб).

P_иi – избыточное давление при входе на i-ый участок движения.

P_н – давление, развиваемое насосом.

P₀ – атмосферное давление.

4. Длина вертикальной проекции колонковой трубы

h_КТ = 3*(1200-300)/(1280-330)= 3.47 м

5. Геометрические характеристики участков движения воздушного потока

1. Геометрические характеристики поперечных сечений участков

V.1. Диаметр скважины и керна

D_С = (59 + 1)*10^-3 = 60*10^-3 м,

d_К = (42 – 1)*10^-3 = 41*10^-3 м.

V.2. Площадь проекции забоя скважины на плоскость, перпендикулярную её оси

f_ЗАБ = (3.14*(60²-41²)*10^-6)/4= 1506*10^-6 м²

V.3. Площадь и эквивалентный диаметр поперечного сечения воздушного потока

Для круглого сечения геометрическим диаметром d:

В гладкой части магистрали, i = 6, 7

_{f6= 3.14*(33*10}^-3₎²_{/4= 855*10}^-6 _м² _{dЭ6= 33*10}^-3_м,

_{f7= 3.14*(32*10}^-3₎²_{/4= 804*10}^-6 _м² _{dЭ7= 32*10}^-3 _м.

Внутри соединительного элемента колонны БТ, i = 6

_f6^*_{= 3.14*(16*10}^-3₎²_{/4= 201*10}^-6 _м²_,

Для кольцевого сечения, имеющего геометрические диаметры D и d:

В гладкой части магистрали, i = 1– 3, 5

_{f1= 3.14*((63*10}^-3₎²_-(42*10^-3₎²_{)/4= 1731*10}^-6 _м² _dЭ1=21*10^-3 _м,

_{f2= 3.14*((60*10}^-3₎²_-(42*10^-3₎²_{)/4= 1441*10}^-6 _м² _dЭ2=18*10^-3 _м,

_{f3= 3.14*((60*10}^-3₎²_-(57*10^-3₎²_{)/4= 276*10}^-6 _м² _dЭ3=3*10^-3 _м,

_{f5= 3.14*((48*10}^-3₎²_-(41*10^-3₎²_{)/4= 489*10}^-6 _м²_{, dЭ5=7*10}^-3 _м.

Снаружи соединительного элемента колонны БТ, i = 1, 2

_f1^*_{= 3.14*((63*10}^-3₎²_-(57*10^-3₎²_{)/4= 565*10}^-6 _м²_,

_f2^*_{= 3.14*((60*10}^-3₎²_-(57*10^-3₎²_{)/4= 276*10}^-6 _м²_,

2. _{Линейные геометрические характеристики участков}

Длины участков движения:

=330 м,

= 1280-3-330= 947 м,

= 3 м,

= 1280-3=1277 м,

= 20 м.

Вертикальные проекции участков движения:

= 300 м,

= 500-2.55-80= 417.45 м

= 2.55 м

= 500-2.55= 497.45 м

6. Эквивалентный диаметр частиц шлама

dш = (60*10^-3-57*10^-3)/2=1.5*10^-3 м

7. Абсолютная температура воздушного потока

Процесс движения воздуха в скважине принимаем изотермным, происходящем при некоторой средней температуре

, K

Т=273.15+20=293.15, К

8. Удельная газовая постоянная воздуха

R=8314.51/28.97=287 Дж/кг^.К

9. Плотность воздуха при выходе из скважины

кг/м³

ρ₀=101.3^.10³/(287^.293.15)=1.20 кг/м³

10. Абсолютная вязкость воздуха

– эмпирическая формула Д.М. Сазерленда.

μ₀ =1.46^.10^-6.293.15^1.5/(293.15+111)= 18.13^.10^-6 Па^.с

11. Теплоемкость воздуха

Удельная изобарная

С_р= 3.5^.287= 1004.5 Дж/кг^.К;

Удельная изохорная

С_v= 2.5. 287 = 717.5 ж/кг^.К;

Удельная политропная

Сn= 717.5^.(1.40-1.25)/(1.25-1)=430.5 Дж/кг^.К;

12. Среднее значение зенитного угла скважины на участках движения воздушного потока i = 1 – 3, 5 – 6

i = 1;

Θ₁=arccos 300/330= arcсos 0.941176=19.85 град

i = 2, 3, 5;

Θ₂= Θ₃ =Θ₅=arccos (1200-300)/(1280-330)= arcсos 1100/950= arcсos 0.848485=31.95 град

i = 6;

Θ₆= arccos (1200-3,47)/(1280-3)= arcсos 497.45/577= arcсos 0.862132=30.44 град