Условные схемы соединительных элементов

Министерство образования и науки Российской Федерации

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

_________________________________________________________________________ ­­­­­­

КАФЕДРА СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ ПРОЦЕССАМ

Циркуляционные процессы при промывке скважины роторного бурения жидкостью

Выполнил:

Проверил: проф. Куликов В.В.

МОСКВА, 2016 г.

Задание

Рассчитать параметры режима работы бурового насоса при прямой промывке нефтяной скважины роторного бурения.

Параметрами режима работы насоса являются подача (расход) промывочной жидкости, развиваемое давление и развиваемая мощность.

I.В соответствии с № варианта задания и результатами последующих расчётов заполнить таблицу исходных данных.

Таблица исходных данных

№	Обозначение величины и её размерность; вид агента	Значение величины; реологическая модель агента	Наименование величины; назначение агента
	hc, м		Глубина скважины
	Hc, м		Длина ствола скважины
	hок, м		Глубина спуска обсадной колонны (ОК)
	Hок, м		Длина ОК
	Dок, мм		Наружный диаметр ОК
	dок, мм		Внутренний диаметр ОК
	DД, мм		Диаметр долота
	DУБТ, мм		Наружный диаметр утяжелённых бурильных труб (УБТ)
	dУБТ, мм		Внутренний диаметр УБТ
	HУБТ, м		Длина УБТ
	hУБТ, м		Длина вертикальной проекции УБТ
	DБТ, мм		Наружный диаметр бурильных труб (БТ)
	dБТ, мм		Внутренний диаметр БТ
	HБТ, м		Длина одной БТ
	DСЭ, мм		Наружный диаметр соединительного элемента (СЭ)
	dСЭ, мм		Внутренний диаметр СЭ
	HП, м		Длина подводящей линии (от бурового насоса до колонны БТ)
	dП, мм		Внутренний диаметр подводящей линии
	КЭ, мм		Эквивалентная шероховатость поверхности магистрали
	Dс, мм		Диаметр скважины
	Vмех, м/ч		Механическая скорость бурения
	ρш, кг/м3		Плотность частиц шлама
	Ψ		Допускаемая максимальная объёмная концентрация шлама в восходящем потоке промывочной жидкости (ПЖ)
	ТВ или ГР	НЖ или БЖ	Очистной агент (ОА)
	ρ, кг/м3		Плотность ПЖ
	τ0, Па		Начальное напряжение сдвига ПЖ
			Абсолютная вязкость ПЖ
	t0, ºС		Средняя температура ПЖ
	VC, м/с		Скорость струи ПЖ при выходе из долота (гидромониторных насадков долота)
	η		Полный КПД насоса
	ηп		КПД передачи от двигателя до насоса
	g, Н/кг		Ускорение силы тяжести

Примечания

1. При соединении бурильных труб (БТ) «труба в трубу» D_СЭ – наружный диаметр колонны в месте соединения, d_СЭ – внутренний диаметр колонны БТ в месте соединения.

2. Рекомендуемые значения величин: H_П = 20 м; d_П = 100 мм; К_Э = 0,1 мм; V_мех = 20 – 50 м/ч; ρ_ш = 2600 кг/м³; t₀ = 10 ºС; η = 0,7; η_п = 0,9; g = 9,81 Н/кг; Ψ = 0,05. Диаметр скважины D_с можно условно принять равным диаметру долота D_Д.

3. При τ₀ = 0 реологическая модель – НЖ (ньютоновская жидкость), если r = 1000 кг/м³ – техническая вода (ТВ).

При τ₀ > 0 реологическая модель – БЖ (бингамовская жидкость), если r > 1000 кг/м³ – глинистый раствор (ГР).

4. Расчёты выполнять в СИ, ответы (где это необходимо) переводить в единицы, принятые в бурении – МПа и др.

5. Ответы округлять, указывая после запятой не более двух знаков, например: 161 × 10^{-3 м; 3,48} × 10^{-3 м2}; 43,86 × 10⁵ Па; 0,88 МПа; 8,33 × 10^-4 м³/с; 140 × 10³ Вт и т.п.

Варианты заданий

II. Конструкция скважины

Схема циркуляции промывочной жидкости в скважине при прямой промывке

1 – направление; 2 – кондуктор; 3 – обсадная колонна; 4 – бурильные трубы;

5 – соединительные элементы; 6 – УБТ (утяжеленные бурильные трубы);

7 – буровое долото; 8 – нисходящий поток; 9 – восходящий поток, обогащенный шламом;

H_ок – длина обсадной колонны; H_с – длина ствола скважины; D_с – диаметр скважины.

Условные схемы соединительных элементов

а) – ниппельное соединение бурильных труб;

б) – муфтовое соединение бурильных труб;

d_сэ, D_сэ – внутренний и наружный диаметры соединительных элементов;

d_бт, D_бт – внутренний и наружный диаметры бурильных труб;

D_с – диаметр скважины;

1 – круглый (в поперечном сечении) поток жидкости;

2 – кольцевой (в поперечном сечении) поток жидкости;

3 – области (зоны) вихрей.

III. Расчетная схема циркуляции жидкости

I – буровой насос;

II – манометр;

III – предохранительный клапан;

IV – емкость (зумпф);

V – фильтр с обратным клапаном (храпок);

VI – система очистки промывочной жидкости.

Магистраль разделена на 7 (i = 1,2,…7) участков движения жидкости.

i – номер участка движения. Участки i = 5-7 в поперечном сечении круглые, а участки i = 1-3 – кольцевые.

i = 1 – между обсадной и бурильной колоннами;

i = 2 – между стенками скважины и бурильной колонной;

i = 3 – между стенками скважины и УБТ;

i = 4 – на забое скважины и в буровом долоте;

i = 5 – внутри УБТ;

i = 6 – внутри бурильной колонны;

i = 7 – в устьевой обвязке (в подводящей линии от бурового насоса до колонны бурильных труб).

P_иi – избыточное давление при входе на i-ый участок движения.

P_н – давление, развиваемое насосом.

P₀ – атмосферное давление.

IV. Длина вертикальной проекции УБТ

h_УБТ = H_УБТ ∙ (h_С – h_ОК) / (Н_С – Н_ОК), м

V. Геометрические характеристики участков движения промывочной жидкости

a. Геометрические характеристики поперечных сечений участков

V.1. Диаметр скважины

D_C = D_Д, м

V.2. Площадь проекции забоя скважины на плоскость, перпендикулярную её оси

V.3. Площадь и эквивалентный диаметр поперечного сечения потока промывочной жидкости

Для круглого сечения геометрическим диаметром d:

В гладкой части магистрали, i = 5, 6, 7

Внутри соединительного элемента колонны БТ, i = 6

Для кольцевого сечения, имеющего геометрические диаметры D и d:

В гладкой части магистрали, i = 1– 3

Снаружи соединительного элемента колонны БТ, i = 1, 2

b. Линейные геометрические характеристики участков

Длины участков движения:

= … м

H₂ = H_C – H_ОК – H_УБТ = … м

H₃ = H₅ = H_УБТ = …м

H₆ = H_С – H_УБТ = … м

= … м

Вертикальные проекции участков движения:

= … м

h₂ = h_C – h_ОК – h_УБТ = … м

h₃ = h₅ = h_УБТ = … м

h₆ = h_С – h_УБТ = … м

VI. Начальное напряжение сдвига ПЖ

Если ПЖ – техническая вода (ТВ), то τ₀ = 0, r = 1000 кг/м³.
Если ПЖ – глинистый раствор (ГР), то в соответствии с производственными данными можно принять:

при r < 1200 кг/м³

τ₀ = 1,4 Па,

при r = 1200 – 1800 кг/м³

при r = 1800 – 2300 кг/м³

VII. Абсолютная вязкость промывочной жидкости

Если ПЖ – ТВ, то

, Па ∙ с –

– эмпирическая формула Ж. Л. М. Пуазёйля.

Если ПЖ – ГР, то в соответствии с производственными данными можно принять:

при r < 1200 кг/м³

μ₀ = 0,00221 Па ∙ с,

при r = 1200 – 1800 кг/м³

μ₀ = (ρ – 1150) ∙ 44,2 ∙ 10^-6, Па ∙ с,

при r = 1800 – 2300 кг/м³

μ₀ = (ρ – 1450) ∙ 69,7 ∙ 10^-6, Па ∙ с.

VIII. Средняя скорость движения потока промывочной жидкости на участке i=1

В соответствии с производственными данными можно принять:

V₁ = 0,3 – 0,5 м/с – при промывке скважины ГР;

V₁ = 0,5 – 0,7 м/с – при промывке скважины ТВ.

Принимаем V₁ = … м/с.

IX. Объёмный расход промывочной жидкости

Для охлаждения долота и очистки забоя скважины от шлама

Q₁ = а · f_заб = … м³/с = … л/с,

а = 0,35 – 0,5 м/с при роторном и электробурении;

a = 0,5 –0,7 м/с при бурении гидравлическими забойными электродвигателями.

Для выноса шлама на поверхность

Q₂ = V₁ × f₁ = … м³/с = … л/с.

Для охлаждения долота, очистки забоя и выноса шлама на поверхность

Q ≥ Q₃,

где Q – выбранное значение объёмного расхода.

Принимаем Q = … л/с = …м³/с.

X. Массовый расход жидкости

XI. Массовый расход шлама на всех участках

для участков i = 1–3:

для участков i = 4–7: .

XII. Средняя скорость жидкости на всех участках i = 1–3, 5–7

XIII. Плотность смеси на всех участках

ρ_{см i} = ρ ∙ (1 – Ψ ) + ρ_ш ∙ Ψ , кг/м³

На участках i = 5–7: Ψ=0.

XIV. Числа Сен-Венана, Рейнольдса и Хедстрёма для течения промывочной жидкости на участках i = 1–3, 5–7

Число Сен-Венана учитывает силы трения в трубопроводах.

Число Рейнольдса характеризует отношение кинетической энергии потока жидкости (газа) и напряжения сдвига.

Число Хедстрёма характеризует взаимосвязь касательной силы трения на поверхности трубопровода, вязкости и плотности жидкости (газа).

XV. Режим течения промывочной жидкости на участках i = 1–3, 5–7

–

эмпирическая формула Е.М. Соловьёва.

Для ТВ:

C = 2100 для круглых сечений;

C = 1600 для кольцевых сечений.

Для ГР:

C = 2100 для круглых и кольцевых сечений.

Если Re_i ≥ Re_крi , то режим течения жидкости на участке турбулентный.

Если Re_i < Re_крi , то режим течения жидкости на участке ламинарный (НЖ) или структурный (БЖ).

XVI. Коэффициент линейных сопротивлений на всех участках

Для участков i = 1–3, 5–7:

· Если режим течения промывочной жидкости на участке турбулентный, то

–

полуэмпирическая формула А.Д. Альтшуля.

· Если режим течения промывочной жидкости на участке ламинарный или структурный, то

λ_i = a ∙ (1 + Sen_i / 6) / Re_i ,

где a = 64 для круглых сечений;

a = 96 для кольцевых сечений.

Для участка i = 4:

λ_i = 0.

XVII. Линейная потеря давления на всех участках

= … ∙ 10⁵, Па –

формула Дарси - Вейсбаха.

XVIII. Коэффициент местных сопротивлений движению ПЖ снаружи и внутри СЭ на всех участках

–

эмпирическая формула Б.С. Филатова.

Для участков i = 1, 2, 6:

- при D_СЭ = D_БТ, d_СЭ < d_БТ (ниппельное соединение БТ) b = 1,5;

- при D_СЭ > D_БТ, d_СЭ < d_БТ (муфтовое соединение БТ) b = 2;

- при D_СЭ = D_БТ, d_СЭ = d_БТ (соединение БТ «труба в трубу» или непрерывная колонна БТ без СЭ (колтюбинг)) ξ_i = 0.

Для участков i = 3, 4, 5, 7: ξ_i = 0.

XIX. Местная потеря давления в соединительном элементе на всех участках

= … ∙ 10⁵, Па –

формула Вейсбаха.

XX. Потеря давления на трение в промывочной жидкости на всех участках

На участках i = 1–3; 5–7:

= … ∙ 10⁵, Па.

На участке i = 4: потеря давления на трение ПЖ в буровом долоте P_Д

P_трi = P_Д = ρ ∙ V_C²/ (2 ∙ μ_н²) = … ∙ 10⁵, Па,

где μ_н – коэффициент расхода при истечении ПЖ из долота (гидромониторных насадков долота), μ_н = 0,7 – 0,95.

XXI. Механическое давление, расходуемое на подъем шлама на всех участках

P_мехi = (ρ_смi – ρ) ∙ g ∙ h_i = … ∙ 10⁵, Па.

XXII. Избыточное давление при входе на все участки

= … ∙ 10⁵ Па = … МПа;

= … ∙ 10⁵ Па = … МПа;

= … ∙ 10⁵ Па = … МПа;

P_и4 = P_и3 + P_тр4 = … ∙ 10⁵ Па = … МПа;

= … ∙ 10⁵ Па = … МПа;

= … ∙ 10⁵ Па = … МПа;

= … ∙ 10⁵ Па = … МПа.

XXIII. Давление, развиваемое насосом

= … ∙ 10⁵ Па = … МПа,

XXIV. Мощность потока жидкости

N = P_Н ∙ Q = … ∙ 10³ Вт = … кВт.

XXV. Мощность насоса

N_Н = N / η = … ∙ 10³ Вт = … кВт.

XXVI. Мощность двигателя насоса

N_ДВ = N_Н / η_п = … ∙ 10³ Вт = … кВт.

По рассчитанным значениям Q (л/c), Р_н (МПа) и N_дв (кВт) производится выбор насоса и сменных втулок насоса.

Литература

Общие вопросы гидравлики, гидромашин и гидропривода:

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

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

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

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

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

Промывка скважин жидкостями: