Параметры насыщенного пара воды

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВО «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Серго Орджоникидзе» (МГРИ-РГГРУ)

_________________________________________________________________________ ­­­­­­

КАФЕДРА СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

В.В. Куликов

ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Учебное пособие

МОСКВА, 2016г.

Куликов В.В. Циркуляционные процессы. Учебное пособие. Москва, МГРИ-РГГРУ, 2016 год.

Оглавление

Литература

Общие вопросы гидравлики, гидромашин и гидропривода:

1. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. – М.: Недра, 1982

2. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1987.

3. Башта Т.М. Объёмные насосы и гидродвигатели гидросистем: Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1974.

4. Васильев Б.А., Грецов Н.А. Гидравлические машины: Учебник для вузов. – М.: Агропромиздат, 1988.

5. Гейер В.Г., Дулин В.С., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. – М.: Недра, 1991.*

6. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика: Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1987.

7. Задачник по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу: Учебное пособие для вузов./Б.Б.Некрасов, И.В.Фатеев, Ю.А. Беленков и др. Под ред. Б.Б.Некрасова. – М.: Высш. шк., 1989.

8. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1975.

9. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. – Л.: Машиностроение, 1988.

10. Сборник задач по гидравлике. Под. ред. Л.Г.Колпакова – М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2007.

11. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. – М.: Энергоатомиздат, 1989.

12. Чугаев Р.Р. Гидравлика: Учеб. для вузов. – Л.: Энергоиздат, 1982.

13. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учеб. для вузов. – в 2-х кн. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

Промывка скважин жидкостями:

1. Астрахан И.М., Иванников В.Г., Кадет В.В., Кочина И.Н., Евгеньев А.Е., Розенберг Г.Д. Сборник задач по гидравлике и газодинамике для нефтегазовых вузов. – М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2007.

2. Беликов В.Г., Булатов А.И., Уханов Р.Ф., Бондарев В.И. Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин. – М.: Недра, 1974.

3. Булатов А.И., Просёлков Ю.М., Рябченко В.И. Технология промывки скважин. – М.: Недра, 1981.

4. Бурение разведочных скважин: Учеб. для вузов / Н.В. Соловьев, В.В. Кривошеев, Д.Н. Башкатов и др.; Под общ. ред. Н.В. Соловьева. – М.: Высш. школа, 2007.*

5. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Никитин Б.А. Инженерные расчеты при бурении глубоких скважин: Справочное пособие / Под ред. А.Г. Калинина. – М.: РГГРУ, 2007.*

6. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Сердюк Н.И. Расчеты в бурении: Справочное пособие / Под ред. А.Г. Калинина. – М.: РГГРУ, 2007.*

7. Дерусов В.П. Обратная промывка при бурении геологоразведочных скважин. – М.: Недра, 1984.

8. Есьман Б.И., Габузов Г.Г. Термогидравлические процессы при бурении скважин. – М.: Недра, 1991.

9. Калинин А.Г., Радин А.И., Соловьев Н.В., Бронников И.Д., Тунгусов А.А. Учебное пособие по курсу «Технология бурения разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые» (Первая часть). – М.: РГГРУ, 2007.*

10. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении: Учеб. для вузов. – М.: Недра, 1987.

11. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин. Ч.1. Гидроаэромеханика в бурении. - М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2006.

12. Маковей Н. Гидравлика бурения. – М.: Недра, 1986.*

13. Рабинович Е.З. Гидравлика. – М.: Недра, 1980.

14. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. –
в 2-х томах. / Под общ. ред. Е.А. Козловского. – М.: Недра, 1984.*

15. Шищенко Р.И., Есьман Б.И. Практическая гидравлика в бурении. – М.: Недра, 1966.

Промывочные жидкости и тампонажные смеси:

1. Боголюбский К.А., Соловьёв Н.В., Букалов А.А. Практикум по курсу «Промывочные жидкости и тампонажные смеси» с основами гидравлики. – М.: МГРИ, 1991.*

2. Данюшевский В.С., Алиев Р.М., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. – М.: Недра, 1987.

3. Ивачёв Л.М. Промывочные жидкости и тампонажные смеси: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987.*

Промывка скважин газожидкостными смесями (ГЖС) и продувка воздухом:

1. Бурение разведочных скважин: Учебник для вузов./Н.В. Соловьев, В.В. Кривошеев, Д.Н. Башкатов и др.; Под общей редакцией Н.В. Соловьева. – М.: Высшая школа, 2007.*

2. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Никитин Б.А. Инженерные расчеты при бурении глубоких скважин: Справочное пособие./Под редакцией А.Г. Калинина. – М.: ОАО Издательство «Недра», 2000.*

3. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Сердюк Н.И. Расчеты в бурении: Справочное пособие. /Под редакцией А.Г. Калинина. – М.: РГГРУ.2007.*

4. Инструкция по бурению скважин и вскрытию продуктивных пластов с использованием газообразных агентов. / И.В.Белей, И.П.Елманов, Р.Г.Карлов и др. – М.: ВНИИБТ, 1994.

5. Инструкция по применению ПАВ при бурении с продувкой. / А.С.Бронзов, Н.С.Макурин, В.М.Васюк, Т.И.Вадовская. – М.: ВНИИБТ, 1968.

6. Козловский А.Е., Козлов А.В. Бурение скважин с промывкой пеной (основы теории и эксперимента). Техн. и технол. геол.-развед. работ. Обзор. – М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1999.

7. Кудряшов Б.Б., Кирсанов А.И. Бурение разведочных скважин с применением воздуха. – М.: Недра, 1990.*

8. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении: Учеб. для вузов. – М.: Недра, 1987.

9. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин. Ч.1. Гидроаэромеханика в бурении. - М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2006.

10. Маковей Н. Гидравлика бурения. – М.: Недра, 1986.*

11. Межлумов А.О. Использование аэрированных жидкостей при проводке скважин. – М.: Недра, 1976.

12. Методические рекомендации по бурению скважин бескерновым способом с очисткой забоя пенами (на примере Норильского рудного района)./ А.И.Кирсанов, В.Г.Вартыкян, Н.С.Вулисанов и др. – Л.: ВИТР, 1985.

13. Методические рекомендации по бурению скважин с пеной на твёрдые полезные ископаемые. / А.М.Яковлев, В.И.Коваленко, В.Г.Вартыкян и др. – Л.:ЛГИ, 1985.

14. Соловьёв Н.В., Чихоткин В.Ф., Богданов Р.К., Закора А.П. Ресурсосберегающая технология алмазного бурения в сложных геологических условиях. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 1997.*

15. Яковлев А.М., Коваленко В.И. Бурение скважин с пеной на твёрдые полезные ископаемые. – Л.: Недра, 1987.

Скважинные гидромашины и буровой гидропривод:

1. Алексеев В.В., Сердюк Н.И. Рациональный выбор средств подъёма воды (раствора) по гидрогеологическим скважинам: Учебное пособиею – М.: МГГРУ, 2005.*

2. Бурение разведочных скважин: Учебник для вузов./Н.В. Соловьев, В.В. Кривошеев, Д.Н. Башкатов и др.; Под общей редакцией Н.В. Соловьева. – М.: Высшая школа, 2007.*

3. Ибатулов К.А. Гидравлические машины и механизмы в нефтяной промышленности. – М.: Недра, 1972.

4. Караев М.А. Гидравлика буровых насосов. – М.: Недра, 1983.

5. Кирсанов А.Н., Зиненко В.П., Кардыш В.Г. Буровые машины и механизмы. – М.: Недра, 1981.*

6. Симонянц С.Л. Технология бурения скважин гидравлическими забойными двигателями: Учебное пособие. / РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина. – Н.Новгород, изд-во «Вектор ТиС», 2007.

7. Специальные работы при бурении и оборудовании скважин на воду. / Д.Н.Башкатов, С.Л.Драхлис, В.В.Сафонов, Г.П.Квашнин. – М.: Недра, 1988.*

8. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. –
в 2-х томах. / Под общ. ред. Е.А. Козловского. – М.: Недра, 1984.*

9. Теория и практика газлифта. / Ю.В.Зайцев, Р.А.Максутов, О.В.Чубанов и др. – М.: Недра, 1987.

10. Ушаков А.М. Гидравлические системы буровых установок. – Л.: Недра, 1988.

* - имеется в учебном фонде библиотеки МГРИ-РГГРУ

Гидропривод

Гидропривод – это совокупность устройств, предназначенных для передачи посредством жидкости механической энергии от источника (приводящего двигателя) потребителю (рис.1).

Рис. 1. Структурная блок-схема гидропривода:

1-

2- напорная гидролиния;

3- гидродвигатель (гидромотор);

4- аппаратура управления, контроля и защиты;

5- гидробак;

6- всасывающая гидролиния;

7- сливная гидролиния;

8-

9- потребитель энергии.

В состав гидропривода в общем случае входят:

- гидропередача (насос + напорная гидролиния + гидродвигатель);

- аппаратура управления, контроля и защиты (клапаны, дроссели, манометры, расходомеры и т.д.);

- гидробак (емкость для рабочей жидкости);

- всасывающая магистраль насоса;

- сливная магистраль гидродвигателя.

У насоса давление на выходе при работе выше, чем на входе. У гидродвигателя – наоборот. На выходе из насоса получают поток жидкости, на выходе из гидродвигателя – перемещение его выходного звена (штока поршня, ротора, винта, турбинного колеса и пр.).

Гидравлические машины (насосы и гидродвигатели) бывают объемные и динамические. К объемным машинам можно отнести поршневые (плунжерные; плунжер – это поршень, длина которого превышает диаметр), пластинчатые, винтовые, роторно-поршневые, шестеренные, аксиально-поршневые и др. К динамическим машинам относятся лопастные (центробежные и осевые) и нелопастные (вихревые, струйные, шнуровые и пр.).

Объемные поршневые насосы в бурении применяют для промывки и цементирования скважин, а объемные поршневые гидродвигатели – в качестве силовых гидроцилиндров различного назначения. Забойными объемными гидродвигателями являются винтовые машины, а забойными динамическими (центробежными) – турбобуры. Центробежные и струйные насосы применяют для скважинных откачек воды и нефти.

В составе разделенной (не имеющей единого корпуса) объемной гидропередачи имеются объемный насос, напорная гидролиния и объемный гидродвигатель (пример – поршневой насос + колонна бурильных труб + винтовой забойный двигатель). Динамическая разделенная гидропередача (в бурении отсутствует) включает динамический насос, напорную гидролинию и динамический гидродвигатель. Комбинированная разделенная передача состоит из объемного насоса, напорной гидролинии и динамического двигателя (пример – поршневой насос + колонна бурильных труб + турбобур) или из динамического насоса, напорной гидролинии и динамического двигателя (в бурении отсутствует).

К неразделенным (в едином корпусе) динамическим гидропередачам относят гидротрансформаторы и гидромуфты (пример – гидродинамический тормоз буровой лебедки). У неразделённых гидропередач напорная гидролиния отсутствует.

Принцип действия поршневого насоса (рис. 2) заключается в следующем: при перемещении поршня вправо объем рабочей камеры насоса (поршневой полости цилиндра) увеличивается, давление в ней снижается, становится меньше атмосферного. За счет разницы давлений (атмосферного P₀ и абсолютного P в рабочей камере) открывается всасывающий клапан, и жидкость из емкости поступает в насос. При движении поршня влево увеличивается давление P, закрывается всасывающий клапан, открывается нагнетательный и жидкость поступает в нагнетательную магистраль.

Перекачиваемая жидкость выполняет по отношению к насосу функции охлаждающего и смазывающего агентов. Недопустима работа насоса «всухую» (трение, нагрев, износ). Препятствует вытеканию жидкости из всасывающей линии обратный клапан.

Рис. 2. Упрощенная схема поршневого насоса простого действия:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – шток поршня;

5 – шатун;

6 – кривошип;

7 – нагнетательная магистраль; 8 – нагнетательный клапан; 9 – всасывающий клапан; 10 – всасывающая магистраль;

12 – фильтр;

13 – емкость;

Ω_угл – угловая скорость кривошипа;

P₀ – атмосферное давление;

P – абсолютное давление в рабочей камере;

H_вс.max – максимальная высота всасывания жидкости насосом.

Гидравлика

Термин «циркуляционные процессы» при бурении нефтяных и газовых скважин используется как обобщающий применительно к движению жидкостей как в поверхностных условиях (например, в системе очистки и приготовления бурового раствора), так и в условиях внутрипластового и скважинного пространства (например, при фильтрации пластового флюида к скважине, при течении промывочной жидкости в бурильном инструменте и затрубном пространстве).

Циркуляционные процессы при бурении нефтяных и газовых скважин исследуются и описываются при помощи методов технической механики жидкости, называемой, для краткости, гидравликой.

Гидравлика(техническая механика жидкости) – это наука о законах равновесия и движения жидкостей и тел в жидкостях.

Гидравлика включает в себя не только собственно механику жидкости, но и необходимые разделы химии, термодинамики и др. наук.

Жидкость– это физическое тело (жидкое агрегатное состояние тела), обладающее свойством текучести, т.е. способное течь (флюид).

Жидкости, как и газы, легко изменяют форму, но, в отличие от газов, малосжимаемы.

Гидравлика состоит из следующих разделов:

1.Гидростатика – изучает равновесие жидкостей и тел в жидкостях.

2.Кинематика – изучает геометрию движения жидкостей (без учета сил).

3.Гидродинамика – изучает движение жидкостей и тел в жидкостях с учетом действующих сил.

Основные параметры состояния и свойства жидкости

Параметрами состояния называют физические величины, характеризующие состояние жидкости в данный момент времени.

Основными параметрами являются:

1. Абсолютное давление Р [Па] = [Н/м²],

,

(1)

где F - сила, Н; f - площадь, м².

Давление вызвано силами отталкивания молекул при приложении сжимающих усилий к жидкости.

Р_о - атмосферное давление: Р = Р_о ≈ 1 ат = 1кгс/см² ≈ 10⁵ Па ≈ 10 мвс.

Давление всегда нормально поверхности, на которую оно действует.

2. Абсолютная температура Т [К]

,

(2)

где t - температура в °С.

3. Плотность ρ [кг/м³]

где m - масса, кг; V - объём, м³; М – массовый расход, кг/с; Q – объёмный расход, м³/с.

Плотность жидкости в бурении измеряют ареометром. Для воды при
t₀ = 4 °С плотность равна 1000 кг/м³, обычно для глинистых растворов
ρ = 1000 ÷ 1300 кг/м³, для газожидкостных смесей (ГЖС - аэрированных жидкостей, пен, аэрозолей) ρ < 1000 кг/м³, для воздуха (при атмосферном давлении) ρ = 1,3 кг/м³, для цементных растворов ρ = 1500 ÷ 3000 кг/м³, для нефти ρ = 800 ÷ 980 кг/м³.

Если при данной температуре t_нп (температура насыщенного пара) давление жидкости снизится до величины Р_нп (давление насыщенного пара) или при данном Р_нп температура увеличится до t_нп, жидкость начнет переходить в пар. Если пузырьки пара всплывают на поверхность, то процесс называют кипением жидкости. Если пузырьки пара попадают в условия (высокое давление, низкая температура), где пар переходит в жидкость, то процесс называют кавитацией жидкости (табл. 1).

Параметры насыщенного пара воды

Таблица 1

Давление, возникающее в процессе кавитации при почти мгновенном переходе пара в жидкость, составляет десятки мегапаскалей и может приводить к кавитационной эрозии поверхностей. По этой причине ограничивают максимальную высоту всасывания насосов, применяют кавитационностойкие покрытия и материалы. Искусственно создаваемая кавитационная эрозия может способствовать разрушению горных пород при бурении и декольматажу фильтров и прифильтровых зон буровых скважин.

Вязкость - способность жидкостей оказывать сопротивление сдвигу.

Вязкость проявляется в виде сил внутреннего трения при сравнительно малых скоростях сдвига.

Поведение многих буровых жидкостей подчиняется двум базовым законам трения - Ньютона и Бингама.

Жидкости, подчиняющиеся первому закону называются ньютоновскими жидкостями (НЖ - вода, нефть, эмульсии, масла гидросистем, а также воздух, газы и их смеси. аэрозоли и пр.). НЖ приходят в движение при касательных напряжениях τ > 0, начальное напряжение сдвига τ_о, определяющее начало движения, отсутствует: τ_о = 0.

Жидкости, подчиняющиеся второму закону трения называются бингамовскими жидкостями (БЖ - глинистые растворы, пены, аэрированные жидкости, цементные растворы, некоторые пасты и пр.). БЖ начинают течь только при превышении значения τ_о, т.е. для БЖ τ_о > 0.

где µ₀ - абсолютная (динамическая) вязкость, Па^.с; ν₀ - кинематическая вязкость, м²/c.

Абсолютная вязкость глинистых растворов, называемая пластической (структурной), может колебаться в широком диапазоне:

µ₀ = 0,004 ÷ 0,02 Па·с.

Кинематическая вязкость нефти также сильно варьирует:

ν₀= 1,2 ÷ 55·10^-6 м²/с.

Вязкость существенно зависит от температуры t₀(°С) и не зависит от давления. Для воды справедлива формула Пуазёйля (5):

, Па × с.

(5)

Добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) в промывочную жидкость существенно снижают вязкость.

Часто применяемое на практике понятие "условная вязкость" (время истечения из воронки фиксированного объёма жидкости), строго говоря, вязкостью вообще не является, а представляет собой обобщенный показатель реологических свойств. Точный пересчёт условной вязкости в абсолютную невозможен.

Абсорбцией называется поглощение объёмом жидкости газа, контактирующего с её поверхностью. Абсорбируемое (растворённое) количество газа приблизительно пропорционально его давлению (закон Генри).

При повышении температуры и при понижении давления растворённые газы выделяются из жидкости. Выделившиеся газы (воздух) ухудшают рабочие свойства масел гидроприводов буровых установок. Выделившийся в пласте из нефти или воды газ снижает проницаемость коллектора. Давление насыщения пластовой нефти Р_нас (не путать с Р_нп) - избыточное давление, при котором из нефти при данной температуре начинают выделяться первые пузырьки растворённого в ней газа. Если над пластовой нефтью имеется газовая шапка, то Р_нас = Р_пл (пластовое давление). Если Р_пл > Р_нас, то нефть недосыщена газом, свободный газ в пласте отсутствует.