Потери давления при бурении геологоразведочных скважин

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в бурильных трубах, УБТ и в наземной обвязке рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха

            (14.21)

где λ - безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления; υ -средняя по сечению канала потока объемная скорость движения жидкости, м/с; ρ - плотность жидкости, кг/м3; l - длина канала потока, м; D_э - эквивалентный диаметр канала потока (для бурильных труб D_э=d₁, где d₁ - внутренний диаметр труб; для кольцевого канала скважины D_э= D_c-d₂, где d₂ - наружный диаметр бурильной трубы, D_c - диаметр скважины, м).

Для одновременного определения потерь давления в бурильных и утяжеленных бурильных трубах (УБТ), в ведущей трубе, сальнике, шланге, поверхностной нагнетательной линии удобнее воспользоваться формулой

              (14.22)

где все величины относятся к внутреннему каналу бурильных труб d₁, а l_э, эквивалентная длина бурильных труб, потери давления на которой приравниваются к потерям давления в УБТ, ведущей трубе, сальнике и т.д., м.

Наиболее сложным и ответственным при гидравлических расчетах является определение значений λ для конкретных условий. Коэффициент гидравлических сопротивлений зависит от свойств жидкостной среды, скорости ее движения, сечения канала, шероховатости стенок. Однако, до настоящего времени не найдено единой зависимости для аналитического вычисления λ с учетом перечисленных факторов.

При промывке скважины водой или другими маловязкими (ньютоновскими) жидкостями значение коэффициента λ₁ с достаточной точностью можно найти по приближенной формуле А.Д. Альтшуля

             (14.23)

где К_ш - эквивалентная шероховатость стенок трубопровода, м (для новых стальных цельнокатаных труб К_ш=(0,02-0,07)·10^-3 м, для стальных труб бывших в употреблении К_ш=(0,2-0,5)·10^-3 м и для старых сильно корродированных труб К_ш= 1,0·10^-3 м); D_э - эквивалентный диаметр канала потока, м (для внутреннего канала бурильных труб D_э=d₁; Re - параметр Рейнольдса, рассчитываемый по следующей фомуле:

           (14.24)

При промывке скважины глинистыми растворами или другими структурными жидкостями режим движения потока характеризуется обобщенным параметром Рейнольдса:

              (14.25)

где η' - эффективная вязкость глинистого раствора, определяемая по формуле:

                (14.26)

где η - коэффициент структурной вязкости; τ₀ - динамическое напряжение сдвига. При расчетах в системе СИ можно для нормальных глинистых растворов принимать значения этих величин в пределах η=5·10^-3÷2·10^-2 Па·с; τ₀ =2÷10 Па и тем больше, чем выше их условная вязкость.

При значениях R*<2000-3000 отмечается структурный режим движения. Коэффициент сопротивления λ в этом случае определяется по формуле Стокса

             (14.27)

При значениях Re'>2000÷3000 величина коэффициента λ₁, рассчитывается по формуле Р.И.Шищенко:

              (14.28)

При значениях Rе'>5000 можно считать λ₁=const и значение коэффициента принимать равным 0,02.

Эквивалентная длина l_э, бурильных труб определяется из соотношения

              (14.29)

где l_УБТ, l_ш, l_в, l_с - длины соответственно УБТ, нагнетательного шланга, ведущей трубы, вертлюга - сальника и т.д., м.; d_УБТ, d_ш, d_в, d_c - внутренние диаметры соответственно УБТ, нагнетательного шланга, ведущей трубы, канала в вертлюге-сальнике, м.

Потери давления на гидравлические сопротивления при движении бурового раствора в соединениях бурильной колонны обычно определяют по формуле

       (14.30)

где v₁ - средняя скорость течения в трубе за местным сопротивлением -м/с;  n - число однотипных соединений в колонне; ζ - безразмерный коэффициент местного сопротивления, рассчитываемый по формуле Б.С.Филатова:

            (14.31)

где а - опытный коэффициент, учитывающий особенности конфигурации местного сопротивления; для труб муфтово-замкового соединения a≈2, для - ниппельного a≈1,5; d0 - диаметр наименьшего проходного сечения в соединении, м.

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в кольцевом пространстве может быть приближенно рассчитано по следующей формуле:

          (14.32)

где v- скорость восходящего потока промывочной жидкости, м/с; ρ' -средняя плотность жидкости, обогащенной шламом, кг/м3; для осуществления качественной очистки забоя плотность жидкости в восходящем потоке не должна быть выше плотности в нисходящем потоке более чем на 3%; l -длина скважины, м; λ_к.п. - безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления в кольцевом пространстве.

Для правильной оценки диаметра скважины при расчете р₃ можно воспользоваться приведенными ниже данными возможных значений приращений диаметров ствола скважины при геологоразведочном бурении :

Категория пород по буримости (вращательное механическое бурение)	XII	XI	X	IX	YIII	YII- YI
Приращение диаметров скважины, мм	0-1	1- 2	2-3	3-5	4-10	10-30

При промывке скважины водой и другими маловязкими жидкостями коэффициент λ_к.п. может быть рассчитан по формуле Блазиуса:

         (14.33)

где формула Re'_к.п.=υD_э/v, D_э - эквивалентный диаметр канала потока, в этом случае равный D_c-d, м; d - наружный диаметр бурильных труб, м.

При промывке скважин глинистым раствором или другими структурными жидкостями λк.п рассчитывается по формуле Р.И. Шищенко, справедливой в интервале Re'_к.п = 1200÷10000.

         (14.34)

При малых значениях Re'_к.п<1200 для расчета λ_к.п. можно воспользоваться формулой Е.М.Соловьева

             (14.35)

При Re'≥50 000 для глинистого раствора рекомендуется принимать коэффициент сопротивления постоянным и равным 0,02.

Потери давления в колонковом наборе (или долоте) зависят от его конфигурации и степени изношенности, длины и степени разрушения керна в колонковой трубе, количества и качества промывочной жидкости. Часть этих факторов меняется в течение рейса, поэтому рекомендуется принимать р₄=0,25÷10,5 МПа. Большие значения потерь давления берутся для больших расходов жидкости.
Перепад давления в гидроударнике (или малогабаритном турбобуре) р₅ принимается в соответствии с технической характеристикой забойного механизма.

При учете разности между гидростатическими давлениями столбов жидкости в кольцевом пространстве и бурильных трубах потери давления (р₆) определяют по формуле

р₆=10^-6l(γ_ж.в-γ_ж.н).          (14.36)

где γ_ж.в и γ_ж.н - соответственно удельные веса жидкости в кольцевом пространстве и в бурильных трубах, Н/м3.

При высокочастотном алмазном бурении на коэффициент λ_к.п оказывает влияние окружная скорость вращения бурильной колонны. Для бурения с промывкой водой, полимерными растворами, водомасляными эмульсиями, водными растворами NaCl и СаСl₂ предложена следующая формула.

            (14.37)

где ω - окружная скорость вращения поверхности колонны бурильных труб, м/с;  ω=πdn/60, n - частота вращения колонны бурильных труб, мин-1; λ - коэффициент гидравлических сопротивлений при отсутствии вращения колонны, в данном случае вычисляемый по видоизмененной формуле Альтшуля:

                    (14.38)

Здесь коэффициент эквивалентной шероховатости для алмазного бурения стальными трубами принимается равным 0,03·10^-3 м.