 |
Влияние параметров на потерю давления в системе для потока в трубе
|
|
|
|
| Режим течения | Скорость потока | Диаметр | Вязкость | Шероховатость трубы |
| Ламинарный | Q | 1/D4 | m | Не влияет |
| Турбулентный | Q1.8 | 1/D5 | m0.3 | Растет при увеличении шероховатости |
| Промывочные насадки | Q | Нет данных | Не влияет | Нет данных |
Рисунок 1-2 Зависимость потери давления для потока в трубе
При ламинарном течении жидкостей с хорошо известными свойствами в каналах определенных геометрических размеров потери давления можно рассчитать достаточно точно, если поведение жидкостей подчиняется простым реологическим моделям: степенной или модели Бингама. Зависимости для турбулентного течения являются эмпирическими. Эти зависимости справедливы для ньютоновских жидкостей. Зависимости для определения потерь давления при турбулентном течении неньютоновских жидкостей не в такой степени точны. Но вообще-то турбулентность потока оказывает более существенное влияние, чем вязкость и гидравлические сопротивления сильно зависят от расхода жидкости и шероховатости стенок труб. В большинстве учебников и служебных руководств различных фирм приводятся примеры таких зависимостей.
Наилучший совет разработчикам гидравлических программ: применять эти зависимости с осторожностью. Результаты расчетов не следует считать точными. Размеры бурильных труб и УБТ точно определены. Следовательно, расчетные значения гидравлических потерь в них достаточно точны. Точны результаты расчетов перепада давления в насадках долота, где перепад не зависит от вязкости. Для расчетов гидравлических потерь в кольцевом пространстве характерна наименьшая точность, поэтому:
· Гидравлические потери при ламинарном течении очень сильно зависят от вязкости (Рис. 1-2)
|
|
|
· Зависимость вязкостных свойств от температуры и давления точно не установлена
· Из-за наличия каверн неизвестна точно геометрия ствола скважины
·
Типичное распределение гидравлических потерь в циркуляционном тракте, выраженных в процентах, таково:
Наземная обвязка 3-5%
Долотные насадки 50-60%
Бурильная колонна 30-40%
Кольцевое пространство 5-10%
В расчете гидравлических потерь в кольцевом пространстве много неопределенностей. Престон Моор предлагает определять эти потери как разность между фактическим давлением в стояке и суммой расчетных потерь давления во всех остальных элементах циркуляционного тракта.
Итак, гидравлические программы могут быть полезны для оценки гидравлических потерь, но пользователь должен помнить о возможных погрешностях в расчетах.
Многие нефтедобывающие и сервисные фирмы имеют компьютерные программы для гидравлических расчетов. Из-за присущих этим программах неточностей ни одной из них нельзя отдать предпочтения. Большинство сервисных фирм имеют программы, базирующиеся на различных реологических моделях. Рекомендуется пользоваться той моделью, расчеты по которой дают наиболее пессимистический результат.
Удержание твердой фазы во взвешенном состоянии
Буровая промывочная жидкость должна удерживать во взвешенном состоянии утяжелитель (например, бариты, карбонат кальция) и в то же время легко освобождаться от выбуренной породы на поверхности.
Следовательно, между этими двумя функциями должен быть определенный компромисс. Скорость осаждения отдельной частицы зависит от ее размера, плотности и вязкости жидкости. При оценке скорости осаждения, так же, как и при гидравлических расчетах при течении в трубах, используют критерий Рейнольдса частицы. Как было сказано выше, уравнения, характеризующие движения частицы в жидкости, будут разными, в зависимости от режима ее обтекания.
|
|
|
Конечная скорость осаждения в жидкости отдельной сферической частицы под действием силы тяжести определяется по закону Стокса:
2R2(p-pIII)g
Vo=-----------------, где:
9mIII
Vo -cкорость осаждения частицы, м/с
R -радиус частицы, м
p -плотность частицы, кг/м3
рIII - плотность дисперсионной среды, кг/м3
g -ускорение свободного паления, м/сек2
m -вязкость, Н - сек/м2
Закон Стокса справедлив только при очень небольших скоростях осаждения. Если скорость увеличивается, ее зависимость от вязкости жидкости и радиуса частиц меняется. (Рис. 1-3).
Закон Стокса и его эквивалент для турбулентного обтекания - закон Ноютона справедливы для случая осаждения одиночной частицы. Практически на процесс осаждения влияют соседние частицы, т.е. твердая фаза осаждается в стесненных условиях. Это обстоятельство снижает скорость осаждения. Поскольку осаждение в покоящейся жидкости происходит при очень малых скоростях сдвига, вязкость жидкости следует оценивать точнее при малых скоростях сдвига. Было установлено, что хорошим показателем удерживающей способности жидкости может служить показание ротационного вискозиметра Фэнн при частоте вращения n = 3 об/мин (скорость сдвига == 5,1 сек-1). Однако, поскольку вязкость сильно зависит от температуры, скорость осаждения в стволе скважины будет, вероятно, больше. Например повышение температуры от комнатной до 1000 может в 10 раз увеличить скорость осаждения.
| Влияние параметров на конечную скорость | ||
| Режим течения | Радиус частицы | Вязкость |
| Ламинарный | R2 | 1/m |
| Переходный | R | 1/m0.33 |
| Турбулентный | R0,5 | Зависимость от вязкости отсутствует |
Рисунок 1-3. Влияние размеров частиц и вязкости жидкости на скорость скважины
Транспортировка шлама
Это очень сложная проблема, которую активно исследовали в течение последних 30-40 лет. По существу это - проблема осаждения частиц в потоке жидкости. Хотя для такого случая справедливы зависимости, представленные рис. 1-3, трудность состоит в выборе надлежащего значения критерия Рейнольдса. Практическое правило таково: если режим течения жидкости в кольцевом пространстве турбулентный, то и режим обтекания падающей частицы тоже будет турбулентным. В зависимости от геометрических особенностей частицы и вязкости жидкости режим обтекания частицы, падающей в ламинарном потоке, может быть турбулентным, переходным или ламинарным. Транспортировка шлама - процесс очень сложный, но приведенные ниже положения могут прояснить механизм этого процесса:
|
|
|
· Вынос шлама можно обеспечить при промывке водой, если скорость восходящего потока достаточно велика. Это свидетельствует о том, что для транспортировки шлама жидкость не обязательно должна иметь динамическое напряжение сдвига, отличное от нуля.
· Обычный метод определения динамического напряжения сдвига у жидкостей, для которых характерно сдвиговое разжижение, может привести к ошибочным результатам.
· Большинство исследователей утверждает, что при турбулентном режиме течения вынос шлама улучшается. Одно из возможных объяснений этого явления заключается в том, что профиль скоростей при турбулентном режиме более плоский, чем при ламинарном режиме течения и частицы породы поднимаются в виде скопления частиц. Однако вследствие опасности размыва стенок скважины стараются избежать турбулентного режима течения бурового раствора в кольцевом пространстве.
· Благодаря способности к сдвиговому разжижению растворы полимеров даже при ламинарном режиме течения имеют плоский профиль скоростей. Чем сильнее поведение таких растворов отличается от поведения ньютоновских жидкостей, тем более плоским становится профиль скоростей.
СМАЗОЧНЫЕ СВОЙСТВА
Выбор смазочной добавки и ее концентрация в буровом растворе являются очень важным фактором. Однако следует отметить, что смазочные добавки благоприятно проявляют себя при бурении. Хорошие смазочные свойства увеличивают долговечность долота, снижают крутящий момент и, возможно, уменьшают опасность возникновения прихвата бурильной колонны.
|
|
|
