Расчет аэродинамических сопротивлений (потерь давления) в циркуляционной системе при бурении с продувкой в «сухих» разрезах
Наиболее приемлемой методикой расчета потерь давления в циркуляционной системе для колонкового бурения в отечественной практике является методика, предложенная Н.С.Макуриным и К.С.Филатовым. При расчетах для бурения сплошным забоем из-за наличия большого количества выбуренной породы (особенно при высоких механических скоростях бурения рекомендуется пользоваться методиками, предложенными Б.Б.Кудряшовым, Е.Г.Леоновым и В.И.Исаевым. Для различных участков циркуляционной системы можно Б.Б.Кудряшов рекомендует упрощенные формулы, удобные при инженерных расчетах:
- для горизонтального потока в выкидной линии и горизонтальных участках
поверхностной обвязки при условии, что на указанных участках смонтировано
специальное оборудование (шламоуловитель, вентилятор)
(15.9)
- для восходящего потока в кольцевом пространстве
(15.10)
- для нисходящего потока по бурильным трубам и УБТ
(15.11)
где а1, а2, и b - сокращающие обозначения, рассчитываемые по следующим уравнениям:
(15.12)
В приведенных формулах РК - давление в конце расчетного участка (для каждого последующего этапа расчета конечное давление принимают равным начальному давлению предыдущего этапа) с постоянным поперечным сечением в Па; kг - безразмерный коэффициент Гастерштадта, определяемый в зависимости от вида породоразрушающего инструмента: для шарошечных и лопастных долот kг=1,5÷2,0; для алмазных коронок и долот kг=0,5÷1,0 для твердосплавных коронок kг=1÷1,5 (значение kг в указанных пределах нужно принимать тем больше, чем мягче порода и крупнее шлам); μ1 - расходная концентрация выбуренной породы в потоке воздуха; l - текущая координата для нисходящего - от забоя к устью; Lэ - эквивалентная длина канала бурильной колоны, потери давления на которой равны потерям давления на преодоление местных сопротивлений в бурильной колонне длиной l, м; λ - безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления; G - массовый расход газообразных агентов, кг/с; R - газовая постоянная, для воздуха нормальной плотности R=287,4 Дж (кг·К); Тср - средняя температура в циркуляционной системе скважины в К; Dэ - эквивалентный диаметр канала потока (для круглого канала равный его диаметру; для кольцевого - разности диаметров скважины Dc и наружного диаметр бурильных труб dн в м; S - площадь сечения канала потока в м2; α - угол наклона скважины к горизонту, градусах.
Расходная концентрация выбуренной породы в потоке воздуха
μ1=Gп/G (15.13)
где Gп - масса породы, выносимая с забоя (кг/ч):
Gп=(π/4)·D2c·ρn·vм (15.14)
при бурении с отбором керна
(15.15)
где ВК - выход керна в %; dк - диаметр керна, м; G - массовый расход воздуха, в кг/с
G=p0Q0/RTcp, (15.16)
где р0 - атмосферное давлении в Па; Q0 - объемный расход воздуха, приведенный к нормальным условиям, м3/с.
Действительная концентрация выбуренной породы в потоке воздуха
μ*=μ1/ε1 (15.17)
где ε1 - коэффициент проскальзывания воздуха относительно выбуренной породы, принимаемый для практических расчетов ε1=0,5.
Коэффициент аэродинамического сопротивления для любого участка может быть определен по формуле Веймаута
(15.18)
Средняя температура потока воздуха на заданной глубине (в К)
Tср=Tу+gradTL/2, (15.19)
где Ту - температура потока в кольцевом пространстве на устье скважины в К; gradT - геотермический градиент в °С/м.
Эквивалентную длину замковых соединений по отношению к бурильным трубам определяют из выражения
lэ=dвnзсζ/λ (15.20)
где nзс - число замковых соединений в колонне; ζ - коэффициент местных сопротивлений, определяемый по формуле Бордо-Карно
(15.21)
где kк - опытный коэффициент, учитывающий особенности конфигурации
проходного отверстия: kк≈2 для муфтово-замковых соединений и
kк=1,5 для приварных замков; d0 - наименьший диаметр
проходного сечения в соединении.
Потери давления в долоте можно учитывать по
опытным данным и согласно ряда авторов принимаются равными р0=0,11
Мпа.
Пример 15.4. Определить давление воздуха на компрессоре при бурении вертикальной скважины диаметром Dc=200 мм и глубиной L=1840 м в необводненных породах плотностью ρп=2680 кг/м3 для следующих условий: наружный диаметр бурильных труб dн=101,6 мм; внутренний диаметр dв=83,6 мм; число соединений -149; замковые соединения ЗШ - 113 с минимальным проходным отверстием диаметром d0=7l мм; УБТС2 - 120 внутреннего диаметра dву=64 мм длиной lу=90 м; бурение ведется трехшарошечными долотами; механическая скорость бурения vм=17,3 м/ч; расход воздуха Q=30 м3/мин; температура воздуха на устье Tу=300 К; геотермический градиент gradT=0,0l °С/м; атмосферное давление р0=9,8·104Па; потери давления в обвязке нагнетательной линии составляют 0,2 МПа.
Решение. Потерями давления на выкидной линии в связи с отсутствием шламоуловителя пренебрегаем. Для определения потерь давления сначала найдем значения неизвестных величин, входящих в формулы (15.10) и (15.11).
Средняя температура потока воздуха по формуле (15.19).
Тср=300+0,01·300·1840/2=309,2К.
Массовый расход воздуха из выражения (15.16)
Эквивалентный диаметр кольцевого пространства над УБТ Dэ=0,200-0,1016=0,0984.
Коэффициент аэродинамических сопротивлений для кольцевого пространства над УБТ
λ=0,009407/3√0,00984=0,02037
Площадь кольцевого пространства S=3,14/4 (0,22-0,10162)=0,0233 м2=23,3·10-3 м2.
Величины а и b расчетного участка кольцевого пространства над УБТ из выражений (15.12)
Расходная концентрация выбуренной породы в потоке воздуха μ1, из выражения (15.13)
Действительная концентрация выбуренной породы в потоке воздуха
μ*=0,722/0,5=144
Принимаем безразмерный коэффициент Гастерштадта kг=1,7 из уравнения (15.10) абсолютное давление над УБТ в кольцевом пространстве скважины
Давление воздуха на забое скважины также определяется по формуле (15.10) Рнз≈0,4 МПа; при этом S=2·10-2м2; Dэ=0,08; λ=0,022; а2=59,6·106.
Потери давления в долоте Рд принимается равными Рд=0,11 МПа.
Тогда абсолютное давление воздуха над долотом
Рн.д=Рн.з+ Рд=0,4+0,11=0,55 Мпа.
Для расчета давления воздуха в бурильных трубах над УБТ по формуле (15.11) определяем
S=0,785·0,0642=3,2·10-3 м2
Давление в бурильных трубах у устья скважины также определяем по формуле (15.11), при этом λ=0,0215; S=5·10-3м2; =10,2·108;
Давление на компрессоре с учетом потерь давления в обвязке нагнетательной линии равно
РΣ-0,99+0,2=1,19МПа.
