 |
5.14. Расчёт промывки (продувки) скважин и выбор бурового
|
|
|
|
5. 14. Расчёт промывки (продувки) скважин и выбор бурового
насоса (компрессора)
Буровой насос (компрессор), обеспечивая принудительную циркуляцию промывочной жидкости (воздуха) по скважине, развивает давление, вызванное силами сопротивления течению жидкости (воздуха). Поэтому обоснованный выбор насоса (компрессора) должен производиться по данным расчёта гидросопротивлений (давлений воздуха) в скважине.
Расчёт следует выполнять в единицах измерения СИ, исключение – единица количества вещества (кмоль) и окончательные значения давления, расхода и мощности, служащие для выбора насоса (компрессора).
В расчёте, как правило, делают ряд допущений: не учитывают влияние вращения труб (потеря давления жидкости с учётом вращения может отличаться в ту или иную сторону на 10% от потери без учёта вращения), расположение труб в скважине принимают концентричным (при эксцентричном расположении труб потеря давления жидкости в 1, 2 ÷ 1, 6 раз меньше), потерей давления во всасывающей линии насоса (компрессора) пренебрегают, процесс движения воздуха по скважине принимают изотермным (учет переменной температуры потока для выбора компрессора не существенен, т. к. числовые значения температуры в кельвинах, входящие в расчет, велики, а её изменения по скважине сравнительно малы) и др.
Принятые с разными знаками допущения должны взаимно уравновешивать друг друга, приводя к ответу, близкому к фактическому.
До расчета промывки (продувки) магистраль разбивается на отдельные участки движения, отличающиеся друг от друга поперечными размерами (рис. 5. 9) и устанавливаются геометрические характеристики потоков: длины, диаметры и площади сечений.
|
|
|
Длины участков:
L1 = Lc, L2 = Lc - Lok - lкт; L3 = L5 = lкт; L6 = Lc – lкт; L7 = lп (при промывке обычно
lп = 15 – 20 м, при продувке lп = 20 ÷ 100 м),
где Lc – длина ствола скважины, м;
Lok – длина обсадной колонны, м;
lкт – длина колонковой трубы, м;
lп – длина подводящей линии, м.
Диаметры поперечных сечений:
, (5. 99)
, (5. 100)
где Dс и dк– диаметр скважины и керна на конечной глубине соответственно, м;
Dпри и dпри – внешний и внутренний диаметры породоразрушающего инструмента(ПРИ), м;
δ – приращение диаметров скважины и керна (таблица 5. 8), м.
Таблица 5. 8. Ориентировочные значения приращений диаметров скважины и керна
| Категория пород по буримости при механическом вращательном бурении | XII | XI | X | IX | VIII | VII-VI |
| Приращение диаметров δ, мм | 0 – 1 | 1 – 2 | 2 – 3 | 3 – 5 | 4 – 10 | 10 – 30 |
Следует иметь ввиду, что диаметр скважины может не только увеличиваться по (5. 99) за счет вибрации инструмента, выкрашивания частиц породы, размыва и т. д., но и уменьшаться при образовании глинистой корки на стенках скважины. Линейная потеря давления существенно зависит от диаметра: 
.
а) для круглых в поперечном сечении потоков (i = 6, 7).
- в гладкой части магистрали (т. е. не снаружи и не внутри соединительных элементов – ниппелей, муфт, бурильных замков)
, (5. 101)
где fi – площадь поперечного сечения потока, м2;
d – диаметр потока (внутренний диаметр нагнетательного шланга, бурильной трубы), м.
Рис. 5. 9. Расчётные схемы циркуляции в скважинах колонкового бурения
а) жидкости в нисходящей скважине при прямой промывке;
I – буровой насос; II - манометр; III – предохранительный клапан; IV – ёмкость (зумпф); V-фильтр с обратным клапаном;
|
|
|
б) воздушного потока в нисходящей скважине при прямой продувке;
VI - компрессор; VII – ресивер компрессора; VIII - влагоотделитель; IX - расходомер; X - термометр; XI – герметизатор устья скважины;
XII – шламоотводящая труба; XIII – шламоуловитель.
Риi – избыточное давление при входе на участки движения:
i = 1 – между обсадной и бурильной колоннами; i = 2 – между бурильной колонной и стенками скважины; i = 3 – между колонковой трубой и стенками скважины; i = 4 – в породоразрушаюем инструменте; i = 5 – между керном и колонковой трубой; i = 6 – в колонне бурильных труд; i = 7 – в подводящей линии.
Эквивалентные диаметры dэi принимаются по (5. 56).
- внутри соединительных элементов бурильной колонны (i = 6)
, (5. 102)
где f*I – площадь поперечного сечения потока, м2;
d – диаметр потока (минимальное значение внутреннего диаметра соединительного элемента), м.
б) для кольцевых в поперечном сечении потоков (i = 1 ÷ 3, 5)
- в гладкой части магистрали
, (5. 103)
где D – больший диаметр потока (внутренний диаметр обсадной трубы, диаметр скважины, внутренний диаметр колонковой трубы), м;
d – меньший диаметр потока (внешний диаметр бурильной трубы, колонковой трубы, диаметр керна), м.
Эквивалентные диаметры dэi рассчитываются по (5. 57).
- снаружи и внутри соединительных элементов
, (5. 104)
где D – внутренний диаметр обсадной трубы и диаметр скважины, м;
d – внешний диаметр соединительного элемента, м.
Рекомендуемая последовательность расчета прямой промывки нисходящей скважины колонкового бурения (рис. 5. 9а).
1. Коэффициент силы лобового сопротивления.
Для ньютоновской жидкости (НЖ, τ 0 = 0) – по (5. 48), для бингамовской жидкости
(БЖ, τ 0 > 0) при выполнении (5. 49) – по (5. 48), если справедливо неравенство (5. 50), то Слс не существует, скорость витания vв = 0 и следует перейти к расчету объемного расхода исходя из условия очистки забоя скважины и охлаждения породоразрушающего инструмента (ПРИ) – Q2.
2. Скорость витания (5. 45).
|
|
|
3. Средняя скорость восходящего потока в кольцевом пространстве наибольшего сечения (i = 1)
, (5. 105)
где К1 – опытный коэффициент, К1 = 0, 1 ÷ 0, 3;
v1× cosθ – вертикальная составляющая скорости жидкости, м/с.
4. Теоретическое значение объёмного расхода промывочной жидкости.
, (5. 106)
из условия выноса шлама:
, (5. 107)
из условия очистки забоя и охлаждения ПРИ:
, (5. 108)
где q – рекомендуемое опытное значение удельного расхода, q = (6÷ 9)× 10-3, м2/с. Ответ для удобства выбора насоса перевести в л/мин.
5. Массовый расход промывочной жидкости (5. 58).
6. Массовый расход шлама (5. 81) ÷ (5. 82) на всех участках движения.
Для участков i = 4 ÷ 7 Мшi = 0.
7. Средняя скорость движения жидкости в гладкой части магистрали на участках
i = 1÷ 3, 5 ÷ 7.
, (5. 109)
8. Режим течения жидкости (5. 54) на участках i = 1 – 3, 5 – 7.
Нужно иметь ввиду, что ламинарный режим течения при промывке почти на наблюдается.
9. Коэффициент линейных сопротивлений (5. 71) – (5. 73) на участках i = 1 – 3, 5 – 7.
10. Линейная потеря давления на всех участках движения.
, (5. 110)
для i = 4 Pлi = 0.
11. Степень изменения площади поперечного сечения участков i = 1, 2, 6
, (5. 111)
12. Коэффициент сжатия транзитной струи жидкости при резком сужении (5. 76) на участках i = 1, 2, 6
13. Коэффициент местных сопротивлений (5. 78) на всех участках.
Для i = 3 – 5, 7 ξ i = 0.
14. Местная потеря давления на всех участках движения жидкости.
Для i = 1, 2, 6
, (5. 112)
где lбт – длина одной бурильной трубы, м.
Для i = 3 ÷ 5, 7 Рмi = 0.
15. Механическое давление (5. 80) на всех участках движения.
Для i = 4 ÷ 7 Рмехi = 0.
16. Суммарная потеря давления на каждом из участков движения.
, (5. 113)
|
|
|
17. Теоретическое давление, развиваемое насосом.
Решая уравнение Бернулли (5. 67) для замкнутого потока жидкости от сечения на выходе из насоса до этого же сечения и пренебрегая потерей давления во всасывающей линии насоса, получим:
, (5. 114)
Ответ для удобства выбора насоса следует перевести в МПа.
18. Избыточное давление при входе жидкости на все участки движения. Решая уравнение Бернулли (5. 67) для каждого участка движения получим:
; (5. 115)
; (5. 116)
; (5. 117)
; (5. 118)
; (5. 119)
; (5. 120)
, (5. 121)
где РПРИ – потеря давления в ПРИ, при обычных расходах для твёрдосплавных коронок РПРИ = (0, 5 ÷ 1, 5)× 105 Па, для алмазных – РПРИ = 4× 105 Па.
Ответы удобнее перевести в МПа.
19. Теоретическая мощность потока жидкости.
, (5. 122)
20. Теоретическая мощность насоса.
, (5. 123)
где η – полный КПД насоса, η = 0, 7.
21. Теоретическая мощность двигателя насоса.
, (5. 124)
где 
- КПД передачи от двигателя до насоса, = 0, 9.
22. Выбор насоса. По давлению Рн, указанному в технической характеристике насоса (таблицы 4. 5; 4. 6) для каждого значения объёмного расхода Qн ступенчатой подачи, произвести в соответствии с системой неравенств (5. 125) первичный выбор насоса.
, (5. 125)
где кз – коэффициент запаса давления, развиваемого насосом, кз = 1, 1 ÷ 1, 3.
Уточнить теоретические значения давления и мощности двигателя. Учитывая примерный вид связи между потерей давления и расходом жидкости точнить теоретические значения давления и мощности двигателя.
, МПа, (5. 126)
, кВт, (5. 127)
где индексом «у» обозначены уточненные значения.
Проверить правильность первичного выбора насоса.
(5. 128)
Если система неравенств (5. 128) справедлива, то первичный выбор насоса можно считать окончательным. Если система (5. 128) не выполняется, то первично выбранный насос не обеспечит качественную промывку скважины. В этом случае в качестве первично выбранного следует принять насос (диаметр плунжера, сменной втулки), развивающий большее давление и повторить расчёт данного пункта.
|
|
|
Рекомендуемая последовательность расчёта прямой продувки воздухом нисходящей скважины колонкового бурения (рис. 5. 9б).
1. Коэффициент силы лобового сопротивления в атмосферных условиях (Т0 = 300К,
Р0 = 105Па, ρ о = 1, 19 кг/м3). Воздух можно отнести к НЖ (в широком понимании), поэтому в (5. 48) τ о = 0. Значения вязкости приведены в табл. 5. 5.
2. Скорость витания (5. 45) при выходе шлама из скважины.
3. Теоретическое значение средней скорости воздушного потока вблизи устья скважины
, (5. 129)
где К1 – по (5. 105); v0× cosθ - вертикальная составляющая скорости воздуха, м/с.
4. Массовый расход шлама на всех участках (5. 81) – (5. 82).
Для участков i= 4÷ 7 Мшi = 0.
5. Степень изменения площади поперечного сечения (5. 111) участков i = 1, 2, 6.
6. Коэффициент сжатия транзитной струи воздуха при резком сужении (5. 76) на участкх i = 1, 2, 6.
7. Коэффициент местных сопротивлений (5. 78) на всех участках.
Для i = 3÷ 5, 7 ξ i = 0.
8. Абсолютное и избыточное давления при входе воздуха на участок i = 1. Неявный вид и громоздкость уравнения, связывающего абсолютное давление Р1 с длиной L1 = Lок первого участка вызывают необходимость поэтапного расчёта численным методом (подбором).
Задаваясь значениями степени повышения давления Р1/Р0 на участке i = 1 следует подбором искать по формуле (5. 84) такое значение LХ, которое было бы равно (с точностью ±Δ, где 0≤ Δ ≤ 5м) длине первого участка Lок.
Наиболее вероятные подходящие значения Р1/Р0 лежат в диапазоне 1, 001 – 2, 5. Чем больше выбранное значение Р1/Ро, тем больше величина Lх и наоборот.
8. 1. Массовый расход воздуха на всех участках.
Пусть Р1/Ро = ……, тогда
, (5. 130)
8. 2. Режим течения воздуха (5. 54) на участке i = 1.
Следует иметь ввиду, что ламинарный режим течения воздуха при продувке отсутствует.
8. 3. Коэффициент линейных сопротивлений (5. 71), (5. 73) на участке i = 1.
8. 4. Величины Аi (5. 85) и Вi (5. 86) для движения на участке i = 1.
8. 5. Величина Lх (5. 84) для i = 1.
8. 6. Абсолютное Рi и избыточное Риi давления при входе на участок i = 1.
, (5. 131)
, (5. 132)
Значения избыточных давлении здесь и далее для удобства перевести в МПа.
9. Режим течения (5. 54) на участках i = 2, 3, 5÷ 7.
10. Коэффициент линейных сопротивлений (5. 71), (5. 73) на участках i = 2, 3, 5÷ 7.
11. Абсолютное Рi (5. 87) и избыточное Риi (5. 132) давления при входе на участки
i = 2, 3.
Аi определяется по (5. 85), Вi – по (5. 86), R – по (5. 27), μ м = 28, 97 кг/кмоль.
12. Абсолютное Рi (5. 87) и избыточное Риi (5. 132) давления при входе на участок i=4.
, (5. 133)
где РПРИ – потеря давления в породоразрушающем инструменте, при обычных расходах воздуха РПРИ = (0, 5 – 2)× 105 Па.
13. Абсолютное Рi (5. 87) и избыточное Риi (5. 132) давления при входе на участки i = 5, 6.
14. Абсолютное Р7 (5. 88) и избыточное Ри7 (5. 132) давления при входе воздуха на участок i = 7, а также давление Рк, развиваемое компрессором и абсолютное давление Р7к при выходе из компрессора.
, (5. 134)
, (5. 135)
где кз – коэффициент запаса давления, развиваемого компрессором, кз = 1, 1 – 1, 3.
15. Объёмный расход воздуха, всасываемого компрессором.
. (5. 136)
Значение Q0 для удобства перевести в м3/мин.
16. Уточненное значение средней скорости восходящего потока при выходе из скважины.
. (5. 137)
17. Степень повышения абсолютного давления воздуха в компрессоре.
. (5. 138)
18. Минимальное количество ступеней сжатия воздуха в компрессоре.
, (5. 139)
где […. ] – целая часть числа 
;
- максимальная степень повышения абсолютного давления в ступени компрессора, = 10.
Нормальная работа поршневого компрессора возможна, если температура воздуха не превышает температуру самовоспламенения (вспышки) компрессорного масла, применяемого для смазки кривошипно-шатунного механизма и уплотнения зазора между компрессорными поршневыми кольцами и стенками цилиндра. Если принять процесс сжатия воздуха в компрессоре политропным (5. 64) с показателем n = 1, 25, а температуру вспышки 500К, то получим 
=10.
В пластинчатом (ротационном) и винтовом компрессорах холодное турбинное масло впрыскивается непосредственно в сжатый горячий воздух с целью его охлаждения, а также для снижения трения и уплотнения зазоров. На выходе из компрессора масло отделяется. Ограничение = 9, 0 ÷ 10 у этих компрессоров вызвано не возможностью воспламенения турбинного масла, а высокими затратами энергии при высоких перепадах давления.
19. Удельная теоретическая работа компрессора
, Дж/кг, (5. 140)
где n – показатель политропы, у компрессоров при сжатии в среднем n=1, 18÷ 1, 3.
20. Удельная фактическая работа компрессора.
, Дж/кг, (5. 141)
где 
- полный КПД компрессора, = 0, 7.
21. Фактическая мощность компрессора.
, (5. 142)
22. Мощность двигателя компрессора.
, (5. 143)
где 
- КПД передачи от двигателя до компрессора, =0, 9.
23. Выбор компрессора.
Подходящий компрессор (табл. 5. 9), развивающий максимальное давление Ркmax, создающий расход Q0max и имеющий мощность двигателя Nдвкmax, должен удовлетворять системе неравенств (5. 144).
(5. 144)
Таблица 5. 9. Технические характеристики компрессоров
|
Шифр компресс- сора
|
База компрессора
| Подача Qo max, м3/мин
| Давление Pк max, МПа
|
Тип приводного двигателя | Мощность двигателя Nдвк max, кВт |
Габаритные Размеры, мм | Масса, кг | ||
| Длина | Ширина | Высота | |||||||
| О – 39А | Рама | 0, 25 | 0, 7 | Электродвигатель | |||||
| О – 16А | То же | 0, 5 | 0, 4 | » | |||||
| ВУ-0, 6/8 | Стационарный | 0, 6 | 0, 8 | » | 4, 5 | ||||
| К – 75 | Рама | 1, 25 | 0, 7 | » | |||||
| ЭК - 16 | Стационарный | 2, 5 | 0, 8 | » | |||||
| ВК – 3/5 | То же | 0, 5 | » | ||||||
| ВК – 3/8 | То же | 0, 8 | » | ||||||
| КСЭ–3М | То же | 0, 8 | » | ||||||
| ПКС-3М | Колес- ное шасси | 0, 7 | ЗИЛ – 120 | 51, 5 | |||||
| КС – 5З | То же | 4, 5 | 0, 6 | 1 - МА | - | ||||
| ЗИФ-51 | То же | 4, 6 | 0, 7 | Электродвигатель | |||||
| КСЭ-5М | Стационарный | 0, 8 | » | ||||||
| ЗИФ-55 | Колесное шасси | 0, 7 | ЗИЛ - 157 | ||||||
| ПКС - 5 | То же | 0, 7 | КАЗ - 120 | ||||||
| ЗИФ-ВКС - 5 | То же | 0, 7 | Электродвигатель МАК – 926 | ||||||
| ЗИФ-55В | То же | 5, 5 | 0, 7 | ЗИЛ – 157М | |||||
| ЗИФ-ПР-6 | То же | 6, 3 | 0, 7 | СМД – 14А | |||||
| ПВ – 10 | То же | 0, 7 | ЯМЗ – 236 | ||||||
| ЗИФ-ВКС-10 | То же | 0, 7 | КДМ – 46 | ||||||
|
|
|
