vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть II. Раздел 10. Перепад давления в промывочной системе долот

10. Перепад давления в промывочной системе долот.

Как известно, существуют две разновидности промывочной системы долот: гидромониторная, при которой формируются достигающие забоя затопленные высокоскоростные струи, и негидромониторная, примером которой являются долота с так называемой "центральной" промывкой или алмазные долота. И те, и другие для обеспечения очистки забоя требуют "разгона" потока до некоторой скорости, на что необходимо иметь определенный перепад давления. С чисто гидравлической точки зрения промывочный узел долот является типичным местным сопротивлением, где присутствует ускорение скорости потока на участке сужения с приращения кинетической энергии потока в узком сечении с последующей потерей этой энергии после прохождения промывочного узла. Строго говоря, здесь перепад давления на долоте тут же теряется на нагревание потока в результате интенсивного перемешивания жидкости, в этом смысле следовало бы говорить о потере давления на долоте, а не о перепаде давления. Но все дело в том, что жидкость, проходя промывочную систему долот, совершает несомненную полезную работу по очистке забоя и долота, мера которой тем больше, чем больше перепад давления.

10.1. Методика расчета перепада давления на долоте.

Промывочный узел любого шарошечного долота состоит из участка, где поток ускоряет свое движение (плавное или резкое сужение) и участка свободного истечения (струйного) течения. Таким образом, происходит превращение потенциальной энергии (перепада давления) в кинетическую энергию потока. Любое превращение энергии, как известно, сопровождается потерями.

Если условно кинетическую энергию струи считать "полезной", то потери энергии будут сосредоточены на участке сужения потока. Тогда перепад давления на долоте можно выразить уравнением:

где д - коэффициент местных сопротивлений промывочной системы долота на участке сужения потока;

vo - характерная скорость в одном из сечений местного сопротивления; в данном случае - это скорость в самом узком сечении промывочного канала.

Первое слагаемое - это безвозвратные потери давления на "разгон" потока, а второе – "полезная" часть приобретенной энергии, которую буровик надеется с пользой употребить на очистку забоя или долота от шлама.

Представим формулу (10.1) несколько иначе.

Если выразить vo через Q, а суммарное сечение промывочных каналов долота обозначить через fд , то получим формулу, пригодную для долот любого типа:

70

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть II. Раздел 10. Перепад давления в промывочной системе долот

Коэффициент расхода д характеризует степень гидродинамического совершенства промывочного узла конкретного долота, величина д 2 - это, по существу, к.п.д. превращения удельной энергии рд в кинетическую энергию струй vo 2 /2 . Поэтому д всегда меньше 1. Каждое долото, строго говоря, имеет свое конкретное значение д. Величину д гидромониторного долота, оснащенного конкретными насадками, можно точно рассчитать. Получению расчетной формулы для определения д посвящен следующий подраздел.

10.2.Влияние подводящего канала на потери давления

впромывочных каналах гидромониторных долот.

На рис. 10.1. показана стандартная схема установки, герметизации и крепления сменной износостойкой гидромониторной насадки в корпусе долота.

Поток промывочной жидкости, распределяясь по промывочным отверстиям, попадает вначале в подводящий канал 1 с диаметром dn, а затем - в плавно сужающуюся насадку 2 с выходным отверстием do .

Проведем два сечения. Начальное сечение I-I разместим перед входом в подводящий канал, а сечение II-II совместим с выходным сечением насадки.

Если пренебречь разницей в отметках z1 и z2, то уравнение Бернулли для указанных сечений будет иметь

вид:

Рис. 10.1. Насадка гидромониторного долота.

Рис. 10.2. Схема промывочного узла гидромониторного долота.

где р1-2 - потери давления на участке от первого сечения до второго.

71

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть II. Раздел 10. Перепад давления в промывочной системе долот

Скорость v1 несоизмеримо мала по сравнению со скоростью в сечении II-II, и поэтому ею можно пренебречь. Скорость v2 равна начальной скорости струи vo. Потери давления p1-2 равны сумме местных потерь давления: на входе в подводящий канал (резкое сужение) и в насадке (плавное сужение). По определению (обозначим коэффициенты местных сопротивлений соответственно п и н):

где fп и fо - площади сечения соответственно подводящего канала и насадки. Подставим последнее выражение в уравнение (10.9), помня о том, что р1 – р2 = рд – общий перепад давления на промывочном канале:

72

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть II. Раздел 10. Перепад давления в промывочной системе долот

Эта формула справедлива для случая применения на долоте одинаковых по диаметру отверстий насадок. Величины коэффициентов расхода п и н хорошо известны.

Экспериментально установлено [1], что величина п равна:

0,7, если из долота удалены гидромониторные насадки, и промывочный канал, представляет собой, по существу, диафрагму с диаметром отверстия, равным диаметру подводящего канала;

0,82, если насадка в долоте установлена, но диаметр отверстия насадки равен диаметру подводящего канала, что имитирует наличие длинного подводящего канала, а не короткого, что имеет место в реальных долотах.

Многочисленные гидравлические испытания насадок [1] показали, что у насадок с плавным оформлением проточной части, например коноидальных, н=0,985.

С учетом взаимовлияния насадки и подводящего канала в отношении коэффициента расхода следует принять вариант п = 0,82.

Если в формулу (10.13) подставить п = 0,82, н=0,985, то получим формулу:

Величину dп изменить в условиях буровой невозможно, поскольку это предопределено конструкцией долота. Из формулы (10.13) следует, что dп должен быть по возможности больше, так как в этом случае д будет больше (а это всегда выгодно). Но, к сожалению, изменять dп в нужном направлении (повторяем) технологу недоступно. С другой стороны, уменьшение dо , что доступно технологу (при dп = const), тоже выгодно, потому что в этом случае тоже будет расти д. Следовательно, применение насадок с меньшим dо энергетически предпочтительно, так как при этом уменьшается относительная доля потерь давления на входе в подводящий канал в общем перепаде давления на долоте. Более конкретный пример. Предположим, что на первом долоте установлены 3 насадки, а на втором 2, причем суммарное сечение отверстий насадок в обоих случаях одинаково. Это означает, что во втором случае будут установлены насадки с большим dо, чем в первом. Вследствие этого д во втором случае уменьшится. Увеличится несколько при этом рд (как следствие уменьшения д), хотя скорость течения струи из насадок vo останется без изменения. Впрочем, надо оговориться, что выгоду оцениваем сугубо с энергетической точки зрения, а не с технологической.

С учетом (10.15) формулу (10.14) можно преобразовать к виду:

73

10.3.Расчет коэффициента расхода промывочного узла

ираспределение жидкости между насадками

с различными диаметрами отверстий.

На рис. 10.2 показана схема размещения в долоте трех насадок разного диаметра (d1 > d2 > d3). Диаметры подводящих каналов dп у всех трех каналов одинаковы. Следовательно, в соответствии с формулой (10.15) коэффициенты расхода у всех трех промывочных каналов тоже будут разными ( 1 < 2 < 3).

Истечение из всех насадок происходит под действием одного и то же перепада давления рд. Если известен коэффициент расхода промывочного канала i и площадь сечения fi , то расход через отверстие будет равен:

Предположим, что известен коэффициент расхода промывочной системы долота д , тогда в соответствии с формулой (10.5)

74

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часть II. Раздел 10. Перепад давления в промывочной системе долот

Расход жидкости через любую насадку вычисляется по формуле (10.18) или (10.18)'.

Разделим расход Q на fi в формуле (10.18), чтобы найти скорость истечения vi из отдельно взятых насадок:

Из этой формулы видно, что при dп =const скорость истечения будет меньше там, где больше dоi (разумеется, при рд=const), так как, в соответствии с формулой (10.15), с увеличением dоi значение i уменьшается. С наибольшей скоростью жидкость будет истекать из насадки с наименьшим диаметром отверстия. Разница между скоростями истечения из насадок разного диаметра может быть не очень большой, и она будет тем больше, чем меньше dп.

В заключение заметим, что методики расчётов i, д и рд не зависят от реологической модели жидкости.

75