vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть II. Раздел 9. Потери давления, обусловленные наличием соединений труб (замков, муфт)

9. Потери давления, обусловленные наличием соединений труб (замков, муфт).

Бурильные трубы имеют замки, обсадные и насосно-компрессорные трубы – муфты. При прохождении соединений как внутри труб, так и в заколонном пространстве, теряется энергия на преодоление гидравлических сопротивлений.

9.1. Потери давления в соединениях нефтепромысловых труб (внутри их).

В замках бурильных труб любых конструкций есть местные сужения и расширения. Это утверждение справедливо как для труб с навернутыми замками (рис. 9.1), так и для труб с приваренными замками. Наличие сужений вызывает изменения средней скорости движения потока в сторону увеличения, а в местах расширения канала, наоборот, наблюдается торможение потока. Всё это приводит к возникновению потерь давления, которые по своей природе являются типичными местными потерями.

Известно, что любые местные потери давления (за исключением "резкого расширения") определяются по формуле Вейсбаха:

где м - коэффициент местного сопротивления, определяемый экспериментально;

vм - средняя скорость потока в одном из произвольно выбранных характерных сечений местного сопротивления.

Поскольку vм2ρ/2 - это гидродинамическое давление потока (аналог понятия "скоростной напор"), то получается, что потери давления измеряются в единицах (в масштабе) гидродинамического давления в одном из сечений местного сопротивления. Следовательно, величина м для данного конкретного сопротивления (в том числе замкового соединения) зависят от выбора vм , поскольку величина рм остается, естественно, без изменения.

Если самое "узкое" сечение в замке имеет диаметр dо (рис. 9.1), а внутренний диаметр бурильных труб (до и после замка) равен dв , то в качестве характерной скорости можно выбрать сечения с диаметрами либо dо, либо dв.

Одни и те же трубы в принципе могут оснащаться (и оснащаются) замками, имеющими разные dо. В тоже время диаметр dв по сравнений с dо более стабилен, более "консервативен", наконец, более известен. Поэтому целесообразно в качестве характерной скорости принять среднюю скорость по телу грубы, то есть vм = vв.

Е.М. Курнев экспериментально установил, что с достаточной для практических расчетов точностью потери давления в любом замковом соединении бурильных труб, если в нём имеется сужение (dо < dв), можно определить по формулам:

Таким образом, достаточно знать dо , dв , vв , чтобы однозначно вычислить дополнительные потери давления, обусловленные наличием соединения.

Несмотря на очевидную завершенность вопроса, попробуем взглянуть на проблему несколько нетрадиционно.

Представляется целесообразным потери давления в соединениях определять в долях от линейных потерь в трубах между соединениями.

66

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть II. Раздел 9. Потери давления, обусловленные наличием соединений труб (замков, муфт)

Рис. 9.1. Соединение бурильных труб с помощью навернутых замков.

На одну трубу ("одиночку") приходится одно соединение. Следовательно, общие потери давления рт на

Если принять, что буровая промывочная жидкость движется в трубах в области квадратичного трения ( в = const), то получим:

Совершенно очевидно, что для любых труб, где есть местные потери в соединениях, Км > 1. Подставим в выражение (9.6) значения рм и рв:

Для квадратичной области можно принять в = 0,02 , тогда

Величину в мы условились принять постоянной, а величина lо определяется стандартом на бурильные трубы. Поскольку для каждого конкретного стандартного замкового соединения dо известно, то получается, что величина Км однозначно характеризует стандартную бурильную трубу с точки зрения соотношения линейных и местных сопротивлении. А это означает, что и Км становится "стандартной" характеристикой стандартной трубы. Использование коэффициента Км существенно упрощает определение общих потерь давления в бурильной колонне:

Если окажется, что фактическое значение в существенно отличается от 0,02, а фактическая длина "одиночки" lо.ф не равна стандартной длине lо , то можно легко пересчитать стандартное значение Км на фактические условия по формуле:

67

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть II. Раздел 9. Потери давления, обусловленные наличием соединений труб (замков, муфт)

В обсадных и насосно-компрессорных трубах, а также в соединениях некоторых конструкций бурильных труб (типа ТБНК, например) канал имеет местное расширение. В таких случаях можно принять Км

=1,05.

9.2.Потери давления при "обтекании" соединений труб

взаколонном пространстве.

При прохождении замков или муфт в заколонном пространстве (рис. 9.2) буровой раствор, приближающийся к соединению со средней скоростью vкт , входя в меньший зазор между скважиной и замком (муфтой), получает новую (большую) скорость vкм, которую вновь затем теряет, входя в зазор между скважиной и телом трубы.

Нетрудно заметить, что жидкость проходит три вида сопротивлений:

-местные при резком сужении при входе в зазор за замками (муфтой);

-линейные на участке длины замка;

-местные при резком расширении кольцевого канала.

Проведем два сечения (рис. 9.2). Сечение 1-1 разместим перед входом в узкий зазор, а сечение 2-2 - после прохождения места резкого расширения потока. Составим уравнение Бернулли для этих двух сечений, пренебрегая первым членом уравнения:

Рис. 9.2. Форма заколонного пространства в месте соединений труб.

Линейные потери, как известно, зависят от режима течения, поэтому ограничимся тем, что обозначим их через рлм .

Потери давления при резком расширении определим по известной формуле Борда:

В результате имеем (обозначим общие потери через ркм):

68

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть II. Раздел 9. Потери давления, обусловленные наличием соединений труб (замков, муфт)

Пользуясь уравнением неразрывности

Если vкм выразить через Q , а сечения fкм и fкт, в свою очередь, через диаметры, то получим расчетную формулу для колонны длиной l при длине каждой трубы lо:

Линейные потери давления рлм на длине одного замка lм определяют с учетом модели жидкости и режима течения по описанным в разделе 6 методикам. Порядок расчетов при этом традиционный. Вначале определяют Qк.кр затем по соотношению Q и Qк.кр определяют режим движения и выбирают соответствующую расчетную формулу для определения рлм .

69