книги из ГПНТБ / Щербань, А. Н. Прогноз и регулирование теплового режима при бурении глубоких скважин

потерь. Кроме того, тепловые потери через изоляцию опытного уча­ стка контролируются при помощи прибора ИТП-5. Внутреипие по­ верхности камер изолированы текстолитом. Для уменьшения по­ терь тепла через торцы внутренняя труба соединяется с хвостовиками через текстолитовые переводники. В корпусах подшипников пред­ усмотрены уплотнения во избежание утечек глинистого раствора.

Наружная и внутренняя трубы опытного участка в процессе опытов могут заменяться трубами другого диаметра.

Вход в опытный канал выполняется острым или плавным в зави­ симости от гидравлического режима течения модельной жидкости. Это достигается при помощи текстолитовых фланцев с требуемой фор­ мой входной рамки, которые одновременно выполняют роль тепло­ изоляции входной камеры.

При изготовлении опытного участка предусматривалось обеспе­ чение соосности цилиндрических поверхностей. Все необходимые узлы изготовлялись с одной установки на специальном токарном станке согласно разработанной для этой цели технологической карте. Все стыкующиеся детали выполнены со специальными фиксирующими приспособлениями, ограничивающими взаимное смещение деталей. Обеспечение заданного эксцентриситета в расположении внутрен­ ней и наружной труб достигается поворотом наружной трубы от­ носительно фиксаторов на верхнем и нижнем фланцах трубы, рас­ положенных соосно по образующей, параллельной осям обеих труб.

При проведении опытов в круглой трубе из опытного участка извлекается внутренняя труба вместе с корпусами подшипников, при этом торцовые камеры с внешних сторон закрываются глухими крышками.

На опытном участке перепад давления измеряется с помощью дифференциального манометра ДТ-50. Перед манометром располо­ жены отстойники из органического стекла для предохранения его от засорения. Для измерения перепада температур глинистого рас­ твора в начале и конце участка предусмотрены вводы десятиспайпой дифференциальной термопары. Для выравнивания температуры рас­ твора по сечению па выходе рабочего канала расположен перфори­ рованный диск.

Для измерения температуры стенки по периметру труб прорезаны канавки на 2/з периметра. В них уложены термопары из хромель-ко­

от электронагревателей. Горячие спаи термопар приварены к стен­ кам труб.

Канавки сверху зачеканены пластинками из того же материала, что и трубы. На внутренней трубе заделано 16 термопар, а на внеш­ ней трубе — 12 термопар. На обеих трубах термопары расположены в восьми сечениях. Термопары из внутренней трубы выводятся наружу к токосъемнику. Все термопары включались в схему потен­ циометра ППТН-1 с зеркальным гальванометром М-2517 в качестве нуль-прибора. Измерение температур проводилось с точностью

180

0,1° С, исключая измерения дифференциальной термопарой, которая градуировалась по термометру Бекмана с точностью до 0,02° С. Схема расположения термопар представлена на рис. 46.

Циркуляция глинистого раствора в процессе опытов происходит в цикле: насос — теплообменник — расходомер — опытный уча­ сток — мерная емкость — сборный бак.

Соединительные линии выполнены из бронированных шлангов. В схеме установки предусмотрена линия промывки циркуляционного контура. Перед включением экспериментальной установки в работу глинистый раствор предварительно перемешивался в сборном баке при помощи рамной мешалки. После разрушения таким образом структуры неподвижного раствора запускался циркуляционный насос, на байпасной линии которого полностью открывался вен­ тиль, при этом вентиль на напорном патрубке насоса оставался за­ крытым, в результате чего глинистый раствор с максимальным рас­ ходом циркулировал по короткому контуру: сборный бак — насос — сборный бак. В результате многократной прокачки по такому кон­ туру обеспечивалось равномерное перемешивание глинистого рас­ твора. Одновременно с пуском насоса включался электронагрева­ тель, расположенный в сборном баке. После нагрева раствора до требуемой температуры открывался напорный вентиль и вся система заполнялась глинистым раствором. При этом из воздушных крани­ ков, установленных в верхних точках теплообменника и смеситель­ ной камеры опытного участка, стравливался наружу воздух, нахо­ дящийся в системе. Затем включался измерительный блок расходо­ мера. Требуемый расход глинистого раствора устанавливался при помощи вентилей на напорной и байпасной линиях насоса. После этого включался электронагреватель опытного участка. Постоянная температура глинистого раствора на входе в опытный участок регу­ лировалась подачей холодной воды во вращающийся теплообменник. После выхода установки в стационарный режим производились не­ обходимые замеры.

стенки канала, мощность электронагревателя, тепловые потери рабочего участка через изоляцию в окружающую среду.

Показания расходомера ИР-1М контролировались измерениями расхода объемным способом при помощи мерной емкости, снабжен­ ной смотровым стеклом с тарпровочиыми отметками. Для этой цели закрывались краны на обводной линии мерной емкости и на выходе самой емкости, заполняемой при этом раствором. Время заполнения емкости глинистым раствором фиксировалось секундомером.

Показания термопар фиксировались поочередным подключением термопар к потенциометру при помощи переключателей в зависи­ мости от того, температура стенки какой трубы измерялась в данном опыте, причем одним из переключателей осуществляется общее переключение термопар внутренней и наружной труб опытного участка, а на остальных предусмотрены клеммы для подключения

181

дифференциальной термопары для измерения температуры раствора на входе в опытный участок.

Тепловые потери рабочего участка измерялись с помощью дат­

зиметре (см. рис. 34) производились после охлаждения проб до

водится горизонтальная прямая до пересечения с осью ординат lg ReKP,

-182

а также по разности тепловыделений электронагревателя и тепловых потерь в окружающую среду. Разбаланс этих величин ие превы­ шал 5%.

При расчете критериев подобия в качестве определяющей темпе­ ратуры, при которой выбирались значения входящих в них реоло­ гических и теплофизических параметров, была принята средняя

с учетом глубины заложепия горячих спаев термопар. Из получен­ ных локальных значений температуры рассчитывалась средняя тем­

пература стеики

k

где — расстояние между точками заложения термопар; tt и £г+1 — температура стенки в начале и конце участков.

Результаты оценки погрешиостей в экспериментальных исследо­ ваниях теплоотдачи приведены в табл. 13.

УРАВНЕНИЕ ПОДОБИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА И РАСЧЕТНЫ Е ЗАВИСИМ О СТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ

ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ В БУРЯ Щ И ХС Я С К В А Ж И Н А Х

Из теории теплообмена известно, что для изучения явлений те­ плообмена необходимо располагать совокупностью соответствующих безразмерных комплексов, из которых можно было бы выбрать необходимые критерии подобия применительно к той или иной кон­ кретной постановке задачи.

Для оценки результатов экспериментальных исследований уста­ навливают количественную связь между критериями подобия, пред­ ставляемую в виде степенных критериальных зависимостей. Такие зависимости сохраняют свою справедливость для всех явлений, которые происходят в геометрически подобных системах и для кото­ рых характерны одни и те же диффёренциальные уравнения и усло­ вия однозначности. Критериальные зависимости являются наиболее простыми и удобными для практических расчетов.

Некоторые авторы предлагают использовать при обработке экс­ периментальных данных по конвективному теплообмену неныотоиовских жидкостей критериальные зависимости для ньютоновских

183

жидкостей с применением соответствующим образом вязкости (эф­ фективной или рассчитанной при напряжении сдвига иа стенке).

Мак-Адамс предлагает вводить в уравнение подобия модифици­ рованное число Пекле для потока твердых частиц в жидкости, пред­ ложенное Зингером и Вильгельмом,

где Dp — диаметр твердой частицы; Gn — расход в единицу времени; (.1 — вязкость жидкости; ср — теплоемкость жидкости при постоян­

ном давлении; к — теплопроводность; а — молекулярная теплопро­ водность жидкости; Е — температуропроводность.

В. И. Кофанов вывел уравнение подобия конвективного тепло­

Завпспмость (9.29) справедлива для жидкостных суспензий, не проявляющих аномальный характер течения.

Как указывают Б. И. Есьман и Г. Г. Габузов, иа теплообмен глинистого раствора, движущегося в круглой трубе, влияют сле­ дующие группы переменных:

1)величины геометрического характера — диаметр d и абсо­ лютная шероховатость стенок трубы А;

2)кинетические и динамические характеристики течения и тепло­

раствора к стейкам трубы а; 3) физические и теплофизические свойства глинистого раствора —

плотность р, теплопроводность X, температуропроводность а, струк­ турная вязкость г], динамическое напряжение сдвига т0.

Рассмотрим случай конвективного теплообмена глинистого рас­ твора, движущегося в гладком канале кольцевого сечения, когда в группу величин геометрического характера, влияющих на процесс, должны войти диаметры образующих кольцевой канал труб и вели­ чина их эксцентрического смещения. Кроме того, необходимо учи­ тывать переменный характер коэффициента теплоотдачи вдоль канала длиной L.

В силу изложенного выше можно представить функциональную

где Э — эксцентриситет, равный расстоянию между центральными осями труб.

184

Величины, входящие в уравнение (9.30), могут быть составлены из основных единиц размерности: длина — м, масса — кг, время — с, температура — градус. В качестве независимых переменных можно принять эквивалентный диаметр d3KB, скорость ѵ, плотность р и коэффициент теплоотдачи а.

Согласно П-теореме уравнение (9.30) можно заменить следующей функциональной зависимостью, в которую входят восемь безраз­

Каждый П-член включает пять переменных, из которых четыре ; независимые и одна новая для каждого П-члена.

В результате имеем следующие безразмерные комплексы: -J p ;

критерий пластичности (Re" или В), предложенный Н. В. Стаб-

никовым и Р. И. Шищенко; ^ — критерий Рейнольдса (Re).

Итак, функциональная зависимость, связывающая безразмерные комплексы, имеет вид

Первые два симплекса в уравнении (9.32) можно переписать

в виде ~ — 1 и 1 — откуда видно, что их можно заменить

Таблица 14

Теплоотдача воды прп турбулентном течении в круглой трубе

185

Для случая конвективного теплообмена в круглой трубе из

зовать при обобщении экспериментальныхданных по конвективному

в табл. 13 и на рис. 44. Теплоемкость растворов определялась по формуле (8.1), а теплопроводность — по формулам (8.3) и (8.2) с ис­ пользованием данных по теплопроводности глинопорошков, приве­ денных в гл. 8.

А. ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ В КРУГЛОЙ ТРУБЕ

При турбулентном режиме теплоотдача глинистых растворов исследовалась в двух каналах круглого сечения с внутренним диа­ метром 0,02 м и 0,025 м. Вход в трубу — острый. Результаты опытов (табл. 15) сравнивались с обобщенной критериальной зави­ симостью для ньютоновских жидкостей (рис. 50). Как видно из рис. 50, экспериментальные точки для глинистых растворов легли несколько ниже кривой, вычисленной по «ньютоновской» формуле. В связи с этим была сделана попытка учесть отклонение теплоот­ дачи глинистых растворов от теплоотдачи ньютоновских жидкостей

186

І 8 7

введением параметра Re" согласно критериальному уравнению (9.33).

Однако показатель степени при Re" определить не удалось ввиду его малости. Это говорит о том, что при турбулентном течении структура глинистых растворов настолько разрушается, что они приближаются к ньютоновским жидкостям.

Рис. 50. Сравнение экспериментальных данных по тепло­ отдаче глинистых растворов с расчетной зависимостью по теплоотдаче пыотоновских жидкостей прп турбулентном течении в круглой трубе:

1 — раствор Л5 1; 2 — раствор Л'» 2; 3 — раствор ЛІ 4.

Незначительные отклонения были учтены введением средней поправки в числовой коэффициент «ньютоновской» формулы, после чего она приобрела вид

Б. СТРУКТУРНОЕ ТЕЧЕНИЕ

При структурном течении теплоотдача глинистых растворов исследовалась в круглых трубах диаметром 0,0139 м (раствор № 1), 0,02 м (раствор № 2) и 0,025 м (раствор № 3) (табл. 16), в каналах кольцевого сечения с наружным диаметром внутренней трубы 0,02 м

довалась теплоотдача на внутренней трубе.

Для обработки экспериментальных данных по теплоотдаче при структурном течении использовался метод выбранных точек, при­ менявшийся В. И. Кофановым.

Как было ранее установлено, экспериментальные данные должны обрабатываться в виде критериальной зависимости (9.33). Функция

188

189