технология бурения 2

– ламинарное течение

– турбулентное течение

– ламинарное течение

– турбулентное течение

Не следует думать, что сразу, как Re станет больше критического, наступит турбулентный режим. Как правило, имеется область переходного режима, где наблюдается перемежающаяся турбулентность. При создании особых условий (плавный вход в трубопровод, отсутствие вибрации и частиц твёрдой фазы) ламинарное течение может сохраняться и при Re > Reкр. Но при любом внешнем воздействии оно необратимо переходит в турбулентное.

Структура турбулентного потока является достаточно сложной. Вблизи стенки канала образуется ламинарный слой, затем имеет место переходный слой, за ним – развитое турбулентное течение (рис. 9.36).

Рис. 9.36. Строение турбулентного потока:

1 – стенка канала; 2 – ламинарный подслой; 3 – переходный подслой; 4 – развитое турбулентное течение

Если толщина ламинарного подслоя ϭ больше шероховатости на стенках канала, канал считается гидравлически гладким. Если шероховатости больше, имеет место течение в гидравлически шероховатом канале.

В турбулентном потоке скорость течения жидкости в каждой точке канала даже при постоянном расходе изменяется во времени как по вели-

59

139

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

чине, так и по направлению, что обуславливает наличие значительных сил инерции.

Это делает невозможным аналитический вывод искомых зависимостей. Поэтому для расчетов турбулентного течения используются эмпирические и полуэмпирические формулы. Чаще всего используется формула Дарси – Вейсбаха

.

В области гидравлически гладких труб значения коэффициента определяется зависимостью . В области шероховатых труб зависит от

степени шероховатости и для бурильных труб принимает значения

. Значения коэффициента для различных условий при-

ведены в табл. 9.6.

Таблица 9.5

Коэффициенты местных сопротивлений

Замки бурильных труб

– длина одной трубы; – размер проходного отверстия в ниппеле замка.

60

140

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

9.4.1.3. Влияние эксцентриситета на перепад давления

ипрофиль скоростей в кольцевом пространстве

Ибурильные, и обсадные трубы располагаются в скважине, как правило, эксцентрично. Эксцентриситет есть расстояние между центрами внешней и внутренней окружностей (рис. 9.37). Более удобно пользоваться

d

R

D

h(f)=h0(1-ecosϕ) e=2Δ(D-d)

ϕ

Рис. 9.37. Схема эксцентричного кольцевого пространства

В эксцентричном кольцевом пространстве (e>0) ширина зазора изменяется по окружности по зависимости

61

141

Зависимости средней скорости течения U от перепада давления P и размера канала h можно описать выражением

(9.140)

Значения x и y для различных случаев приведены в таблице 9.7.

Элементарный расход жидкости, протекающей через сечение :

. (9.141)

После интегрирования (9.141) получим

(9.142)

Интеграл в выражении (9.142) не берется. Разлагая подинтегральную функцию в ряд Маклорена и ограничиваясь тремя членами ряда (ошибка при этом не превышает 5 %), получим

Тогда выражение (9.142) примет вид

(9.143)

Для конкретного кольцевого пространства (е = 0)

(9.144)

Из зависимости (9.144) следует, что эксцентриситет уменьшает перепад давления. При полном эксцентриситете (е =1) в случае течения в ламинарном течении ньютоновской жидкости перепад давления уменьшается на 60 %, в ламинарном течении ВПЖ (ППЖ) ≈ на 43–53 %, в турбулентном потоке – на 30–37 %.

Уменьшение потерь давления в КП за счет эксцентриситета, с одной стороны, является полезным, но его влияние на общие потери давления в циркуляционной системе и давление в скважине не превышает 2–3 %.

Более существенно влияние эксцентриситета на распределение осевой скорости течения буровых растворов по окружности эксцентричного кольцевого пространства. Рассчитанные в соответствии с зависимостью (9.140) распределение скоростей течения по окружности ЭКП показано на рис. 9.38. Из него видно, что разница скоростей течения в широкой и узкой частях КП максимальна, когда ВПЖ (ППЖ) движется в ламинарном, и ми-

62

142

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

нимальна – при турбулентном режиме течения. Очевидно, что эксцентриситет отрицательно влияет на транспортирование частиц шлама и равномерность заполнения КП тампонажным раствором при цементировании. Отрицательные последствия эксцентриситета минимальны при турбулентном режиме течения.

Рис. 9.38. Распределение ширины зазора 1 (е = 0,4) и скоростей течения жидкости (2–4) по окружности эксцентричного кольцевого пространства; 2 – турбулентный режим (х = 0,5), 3 – ламинарное течение ньютоновской жидкости (х = 2), 4 – ламинарное течение ППЖ (х = 3m = 0,5)

Кардинальным способом устранения отрицательных последствий эксцентриситета является вращение колонны труб, при котором скорости течения жидкости в широкой и узкой частях КП выравниваются.

9.4.2. Расчет потерь давления в местных сопротивлениях циркуляционных систем

Ранее было указано, что в ряде элементов циркуляционной системы потери давления связаны с диссипацией энергии при изменении скорости потока жидкости по величине и по направлению. К ним относятся замковые соединения бурильных труб, задвижки, вертлюг, забойные двигатели, переводники. Для простоты расчетов к местным сопротивлениям относят потери давления в поверхностной обвязке насосов в манифольде, стояке, буровом шланге, ведущей трубе.

Расчеты потерь давления в местных сопротивлениях производятся по формуле

где a – коэффициент потерь давления.

63

143

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Замковые соединения. Замковые соединения и внутренние утолщения бурильных труб вызывают местные сужения проходного сечения. То же имеет место и в кольцевом пространстве (рис. 9.39), что и обуславливает дополнительные потери давления.

Dc

а)

Dc

в)

г)

Рис. 9.39. Замковые соединения бурильных труб: а) трубы с высадкой наружу с замками ЗУ (dт≈dм≈dн);

б) трубы с высадкой вовнутрь с замками ЗШ (dт>dм≈dн); в) трубы с приварными замками (ТБПВ) (dт≈dм≈dн); г) трубы с высадкой вовнутрь, с замками ЗН (dт>dм>dн)

64

144

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Впервые гидравлические потери в замковых соединениях были определены Герриком, который выразил их в виде эквивалентной длины бурильных труб, найденной опытным путём.

П. П. Шумилов предложил для определения потерь в замках использовать формулу Борда – Карно для резкого сужения потока

где Dmm – диаметр суженного проходного сечения канала, D – диаметр сечения канала до и после сужения, придав ей следующий вид:

где – длина комплекта труб, – длина одной трубы.

Из рис. 9.38 видно, что сужения проходного сечения и, соответственно, дополнительные потери давления отсутствуют у труб с высадкой наружу с замками ЗУ и у труб ТБПВ.

В кольцевом пространстве против замков также происходит уменьшение площади проходного сечения, что тоже вызывает дополни-

тельные сопротивления. Значения коэффициентов и a приведены в таб-

лице 9.4. Следует, правда, отметить, что потери давлений у замковых соединений в кольцевом пространстве обычно малы. Они более или менее существенны при бурении скважины малого диаметра (менее 151 мм).

Промывочные отверстия долот. В промывочных отверстиях до-

лот происходит преобразование потенциальной энергии потока в кинетическую и часть энергии теряется на различного рода завихрениях. Уравнение Бернулли для сечений до и после промывочного отверстия

где – потери энергии вследствие диссипации энергии.

Учитывая, что U1<<U2, зависимость (9.148) может быть приведена к виду (9.145), где

– коэффициент расхода, характеризующий, какая доля потенциальной

энергии потока превращается в кинетическую энергию гидромониторной струи; Sн – площадь промывочных отверстий долота. Значения коэффици-

0,6–0,65 для цилиндрических отверстий до 0,9–0,95 для профилированных гидромониторных насадок (табл. 9.6).

Прочие местные сопротивления. Потери давления в турбобуре пропорциональны квадрату расхода и плотности жидкости

65

145

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где – потери давления при стендовых испытаниях с расходом жидкости , плотностью (приводятся в справочниках).

Для ВЗД

Коэффициенты местных сопротивлений в поверхностной обвязке циркуляционной системы приведены в табл. 9.8.

Ньютоновская жидкость

(Стокс)

(Блазиус)

ВПЖ Бингама

(Е. Г. Леонов) (Р. И. Шищенко)

66

146

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Продолжение табл. 9.8

ППЖ Оствальда де-Ваале

Вопросы охраны труда и техники безопасности при реализации гидравлических программ. Как показывают расчеты, при циркуляции промывочной жидкости в циркуляционной системе имеет место высокое давление 12–20 МПа, что предполагает особые меры предосторожности.

1.До начала работ по проводке скважин вся поверхностная обвязка циркуляционной системы должна быть опрессована на полуторакратное максимальное рабочее давление.

2.В циркуляционной системе должно быть установлено устройство (диафрагма, предохранительный клапан), срабатывающее при давлении на 25 % ниже опрессовочного.

3.Фланцевые соединения должны иметь защитные кожухи, предотвращающие травмы персонала при нарушении целостности прокладок.

4.Пуск насоса производится при открытой выпускной задвижке.

5.Грязевой шланг должен быть обмотан оцинкованным тросиком.

Список используемой и рекомендуемой литературы

1.Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности (ПБ 08-624- 03). – М.: ПИО, 2003.

2.Технология бурения нефтяных и газовых скважин / под ред. А. И. Спивака, Л. А. Алексеева. – М.: Недра, 2007.

3.Справочник бурового мастера / под ред. В. П. Овчинникова, С. П. Грачева,

А. А. Фролова. – М.: Инфра-Инженерия, 2006.

4. Нефтегазовая гидромеханика / К. С. Басниев, Н. М. Дмитриев, Г. Д. Розенберг. – М.:Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005.

5. Спутник буровика / К. В. Иогансен. – М.: Недра, 2011.

67

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ГЛАВА 10

АВТОМАТИЗАЦИЯ, ОПТИМИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ

Автор-составитель:

Двойников М. В.

10.1. Способы контроля веса бурового инструмента

Увеличение добычи углеводородов связано с поиском и разведкой новых месторождений, а также доразработкой нефтегазоносных объектов, освоенных в прошлом веке. Разработка новых площадей предусматривает и освоение шельфовых месторождений, увеличение глубин бурения, что влечет за собой усложнение горно-геологических и технологических условий проводки скважины. Такие скважины, как правило, имеют сложные профили, предусматривающие достаточно большие отходы от вертикали. Все это усложняет контроль параметров углубления забоя скважины.

Известно, например, что при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин часть осевой нагрузки до долота не доводится. Изменение осевой нагрузки и соответствующее ей изменение механической скорости бурения объясняется силами сопротивления (трения), возникающими между стенками скважины и бурильной колонной (БК). Трение бурильного инструмента обусловлено как неоднородностью разбуриваемых горных пород, так и углом закручивания бурильной колонны вследствие восприятия реактивного момента двигателя, влияющего на ее пространственное положение в скважине. Так, например, при работе объемного двигателя в тормозном режиме БК испытывает максимальные напряжения в нижней части компоновки. При достижении критических значений реактивного момента возможен отворот резьбовых соединений компоновки (шпинделя, корпуса двигателя и т.д.) или излом гибкого вала (торсиона) винтового забойного двигателя (ВЗД) (рис. 10.1).

148