Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Буровой насос (компрессор), обеспечивая принудительную цирку­ляцию промывочной жидкости (воздуха) по скважине, развивает дав­ление, вызванное силами сопротивления течению жидкости (воздуха). Поэтому обоснованный выбор насоса (компрессора) необходимо про­изводить по данным расчета гидросопротивлений (давлений воздуха) в скважине.

Расчет следует выполнять в единицах измерения СИ, исключени­ем является единица количества вещества (кмоль) и окончательные значения давления, расхода и мощности, служащие для выбора насоса (компрессора). В расчете, как правило, делают ряд допущений: не учи­тывают влияние вращения труб (потеря давления жидкости с учетом вращения может отличаться в ту или иную сторону на 10 % от потери без учета вращения), расположение труб в скважине принимают кон­центричным (при эксцентричном расположении труб потеря давления жидкости в 1,2—1,6 раз меньше), пренебрегают потерей давления во всасывающей линии насоса (компрессора), процесс движения воздуха по скважине принимают изотермным (учет переменной температуры потока для выбора компрессора не существенен, так как числовые значения температуры в кельвинах, входящие в расчет, велики, а ее 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 разбивают на отдель­ные участки движения, отличающиеся друг от друга поперечными размерами (рис. 5.9), и устанавливают геометрические характеристи­ки потоков: длины, диаметры и площади сечений.

Рис. 5.9. Расчетные схемы циркуляции в скважинах колонкового бурения: а —жидкости в нисходящей скважине при прямой промывке; /—буровой насос; //—манометр; ///—предохранительный клапан; IV— емкость (зумпф); К—фильтр с обратным клапаном; б— воздушного потока в нисходящей скважине при прямой продувке; VI — компрессор; VII — ре­сивер компрессора; К///—влагоотделитель; IX— расходомер; Л’—- термометр; XI — герметизатор устья скважины; XII— шламоотводящая труба; XIII — шламоуловитель. Ри1 — избыточное давление при входе на участки движения: /= 1 — между обсадной и бурильной колоннами; /= 2 — между бурильной колонной и стенками скважины; /=3 —между колонковой трубой и стенками скважины; / = 4 —в породоразрушающем инструменте; /= 5 — между керном и колонковой трубой; / = 6 —в колонне бурильных труб; 1=1 — в подводящей линии

Длины участков:

Ь = 1С, ^2 = Ьс — Ьок — 1КТ; = Ь5 = /кЬ6=ЬС — /кт, /,7 = /п

(при промывке обычно /п = 15—20 м, при продувке /п = 20 — ь 100 м), где Ьс — длина ствола скважины, м; 1о к — длина обсадной колонны, м;

/к т —длина колонковой трубы, м; /„ — длина подводящей линии, м.

Диаметры поперечных сечений:

Д. = Х>при + (5.99)

= ^при ~ 8; (5.100)

где Д и (I,- диаметр скважины и керна на конечной глубине соот­ветственно, м; ДПри и й? при — внешний и внутренний диаметры поро­доразрушающего инструмента (ПРИ), м; 8 — приращение диаметров скважины и керна, м.

Ориентировочные значения приращения диаметров скважины и керна (8, мм) зависят от категории пород по буримости при механи­ческом вращательном бурении: XII— 0— 1; XI — 1—2; X — 2—3; IX— 3-5; VIII— 4—10; VII—VI— 10—30.

Необходимо учитывать, 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 скважины:

Ря =/(^4р)’

а) для круглых в поперечном сечении потоков (/ = 6,7):

— в гладкой части магистрали (т. е. не снаружи и не внутри со­единительных элементов — ниппелей, муфт, бурильных замков)

/=^2, (5.Ю1)

где / — площадь поперечного сечения потока, м2; й — диаметр потока (внутренний диаметр нагнетательного шланга, бурильной трубы), м. Эквивалентные диаметры с1.л1 принимают по уравнению (5.56):

— внутри соединительных элементов бурильной колонны (1 = 6)

= (5.102)

где /* — площадь поперечного сечения потока, м2; (I — диаметр по­тока (минимальное значение внутреннего диаметра соединительного элемента), м;

б) для кольцевых в поперечном сечении потоков (/=1 — 3,5):

— в гладкой части магистрали

/ =|(/>2-<Я), (5.103)

где I) —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 d3i рассчитывают по формуле (5.57):

— снаружи и внутри соединительных элементов

/; = |(/)2-</2), (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. 5.9, а).

1. Коэффициент силы лобового сопротивления.

Для ньютоновской жидкости (НЖ, т0 = 0) — по (5.48), для бинга — мовской жидкости (БЖ, т0 > 0) при выполнении (5.49) по (5.48), если справедливо неравенство (5.50), то Слс не существует, скорость вита­ния ик = 0, и следует перейти к расчету объемного расхода исходя из условия очистки забоя скважины и охлаждения породоразрушающего инструмента — 02.

2. Скорость витания (5.45).

3. Средняя скорость восходящего потока в кольцевом простран­

стве наибольшего сечения (/= 1):

<5-105)

где А",— опытный коэффициент, = 0,1—0,3; о, cos 0 — вертикальная составляющая скорости жидкости, м/с.

4. Теоретическое значение объемного расхода промывочной жид­кости:

(а, если а > &

|02, если 02 > 0,;

— из условия выноса шлама:

G. = 0|/; (5.107)

— из условия очистки забоя и охлаждения ПРИ:

2 = qDnm, (5.108)

где q — рекомендуемое опытное значение удельного расхода,

q=(6 н — 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 / = 4—7 Мш, = 0.

7. Средняя скорость движения жидкости в гладкой части магист — ‘рали на участках /=1—3; 5—7:

8. Режим течения жидкости (5.54) на участках /=1—3; 5—7. Нужно иметь в виду, что ламинарный режим течения при про­мывке почти не наблюдается.

9. Коэффициент линейных сопротивлений (5.71) — (5.73) на участ­ках /=1—3; 5—7.

10. Линейная потеря давления на всех участках движения:

Рл1=0,5Х1^1, (5.110)

“Э /

для /=4 РЯ1 = 0.

11. Степень изменения площади поперечного сечения участков /=1,2,6:

(5.111)

12. Коэффициент сжатия транзитной струи жидкости при резком сужении (5.76) на участках /=1, 2, 6.

13. Коэффициент местных сопротивлений (5.78) на всех участках. Для /=3-5, 7 £, = 0.

14. Местная потеря давления на всех участках движения жидкости. Для /= 1, 2, 6:

7>м,= 0,5^ри,2-^-, (5.112)

‘б. г

где /6 т — длина одной бурильной трубы, м.

Для /=3—5, 7 Рм= 0.

15. Механическое давление (5.80) на всех участках движения. Для / = 4—7 Рмех. = 0.

16. Суммарная потеря давления на каждом из участков движения:

Р? =РЛ, + Ры,- + РМ1. (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

Д, т = £/>*. (5.114)

; = 1

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

=РёЬжсо$в +Р?’, (5.115)

2 2

Р»2 = рвХд+ !/>*; (5.116)

I = 1 » = 1

Дз =р§4со8 е + Х^Е; / = 1	(5.117)
^и4 = ^иЗ + ^ПРИ 9	(5.118)
5 = рв^6со8 е + Х^1; / = 1	(5.119)
^„6 = / = 1	(5.120)
Рц 7 ~ Рц. т >	(5.121)
где РПРИ — потеря давления в ПРИ, при обычных расходах для твердосплавных коронок Рпт = (0,5—1,5) • 105 Па, для алмазных — РПри = 4 • 105 Па. Ответы удобнее перевести в МПа. 19. Теоретическая мощность потока жидкости:
К = рн. л	(5.122)
20. Теоретическая мощность насоса:
Ан. Г =^т,	(5.123)
где т| — полный КПД насоса, г| = 0,7. 21. Теоретическая мощность двигателя насоса:
N — —N двт г|„„ н т ’	(5.124)

где тц — КПД передачи от двигателя до насоса, т|пр = 0,9.

22. Выбор насоса.

По давлению Рн (МПа), указанному в технической характеристике насоса (табл. 4.5; 4.6) для каждого значения объемного расхода (2а

(л/мин) ступенчатой подачи, произвести в соответствии с системой

неравенств (5.125) первичный выбор насоса:

Р„ > к3Р„т:

о. о. <5Л25)

где к3 — коэффициент запаса давления, развиваемого насосом, к3= 1,1—1,3.

Далее необходимо уточнить теоретические значения давления и мощности двигателя. Учитывая примерный вид связи между потерей давления и расходом жидкости, уточнить теоретические значения дав­ления (МПа) и мощности двигателя (кВт).

Р»,у = к3Ри,[^ , (5.126)

(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 расчет дан­ного пункта.

Рекомендуемая последовательность расчета прямой продувки воздухом нисходящей скважины колонкового бурения (рис. 5.9, б).

1. Коэффициент силы лобового сопротивления в атмосферных условиях (Тп = 300 К, Р(1 = 105 Па, р0= 1,19 кг/м3). Воздух можно отне­сти к НЖ (в широком понимании), поэтому в уравнении (5.48) т0 = 0. Значения вязкости приведены в табл. 5.2.

2. Скорость витания (5.45) при выходе шлама из скважины.

3. Теоретическое значение средней скорости воздушного потока вблизи устья скважины находят по формуле

где Кх — по (5.105); и0 cos 0 — вертикальная составляющая скорости воздуха, м/с.

4. Массовый расход шлама на всех участках (5.81) — (5.82).

Для участков /’ = 4—7; Мш, = 0.

5. Степень изменения площади поперечного сечения (5.111) участ­ков /’ = 1, 2, 6.

6. Коэффициент сжатия транзитной струи воздуха при резком сужении (5.76) на участках / = 1, 2, 6.

7. Коэффициент местных сопротивлений (5.78) на всех участках.

Для / = 3—5,7; ^, = 0.

8. Абсолютное и избыточное давления при входе воздуха на учас­ток /=1. Неявный вид и громоздкость уравнения, связывающего аб­солютное давление РI с длиной X, = Ьок первого участка, вызывают необходимость поэтапного расчета численным методом (подбором).

Задаваясь значениями степени повышения давления Р^Р0 на участ­ке 1=1, следует подбором искать по формуле (5.84) такое значение Ьх, которое было бы равно (с точностью ±Д, где 0<Д<5 м) длине пер­вого участка Ьок.

Наиболее вероятные подходящие значения Рх/Рй лежат в диапазо­не 1,001—2,5: чем больше выбранное значение Р/Р0, тем больше ве­личина Ьх и наоборот.

8.1. Массовый расход воздуха на всех участках.

Пусть Р1/Рп = …, тогда

(5.130)

8.2. Режим течения воздуха (5.54) на участке /=1.

Ламинарный режим течения воздуха при продувке отсутствует.

8.3. Коэффициент линейных сопротивлений (5.71), (5.73) на участ-

ке /= 1.

8.4. Величины А1 (5.85) и В, (5.86) для движения на участке / = 1.

8.5. Величина Ьх (5.84) для /= 1.

8.6. Абсолютное Р, и избыточное Рш давления при входе на учас-

ток /= 1.

(5.131)

(5.132)

Значения избыточных давлении здесь и далее для удобства пере­вести в МПа.

9. Режим течения (5.54) на участках / = 2, 3, 5—7.

10. Коэффициент линейных сопротивлений (5.71), (5.73) на уча­стках / =2, 3, 5—7.

11. Абсолютное Р1 (5.87) и избыточное РИ1 (5.132) давления при входе на участки / = 2, 3: А, определяют по (5.85), Д —по (5.86), Я — по (5.27), цм = 28,97 кг/кмоль.

12.

(5.133)

Абсолютное Р, (5.87) и избыточное Рк1 (5.132) давления при входе на участок / = 4.

Л — Р:- + ^*ПРИ>

где РпРИ — потеря давления в породоразрушающем инструменте, при обычных расходах воздуха Рпт = (0,5 — 2) • 105 Па.

13. Абсолютное Р, (5.87) и избыточное Ри1 (5.132) давления при вхо­де на участки /=5,6.

14. Абсолютное Р1 (5.88) и избыточное Ри1 (5.132) давления при входе воздуха на участок / = 7, а также давление Рк, развиваемое ком­прессором, и абсолютное давление Р1к при выходе из компрессора:

Рк = к,(Р,- Ро), Рук = Ро + Р*1	(5.134) (5.135)

где /с3 — коэффициент запаса давления, развиваемого компрессором,

(5.136)

МЯТ,,

Значение 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:

; X ст тах — максимальная степень

(5.139)

повышения абсолютного давления в ступени компрессора, Лсттах = 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 и =1,25, а температуру вспышки 500 °К, то получим

1 — 1П

^ст тах

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 X

сттах — 9,0—10 у этих компрессоров вызвано не возмож­ностью воспламенения турбинного масла, а высокими затратами энер­гии при высоких перепадах давления.

19. Удельная теоретическая работа (Дж/кг) компрессора:

(5.140)

где п — показатель политропы, у компрессоров при сжатии в среднем п= 1,18-1,3.

20. Удельная фактическая работа (Дж/кг) компрессора:

= (5-141)

где TiK — полный КПД компрессора, г|к = 0,7.

21. Фактическая мощность компрессора:

NK = MlK, (5.142)

22. Мощность двигателя компрессора:

NaB. K = — J-NK, (5.143)

1 1п. К

где г|п к — КПД передачи от двигателя до компрессора, г|„ к = 0,9.

23. Выбор компрессора.

Подходящий компрессор (табл. 5.4), развивающий максимальное давление _РКПИХ (МПа), создающий расход Q0 max (м3/мин) и имеющий мощность двигателя ктах (кВт), должен удовлетворять системе не­равенств (5.144).

Р > Р ‘

-* к шах — ■* к 5

•Цomax^Яo; (5144)

N > N

1 ’ яв. к шах — 11 дв. к *

Таблица 5.4. Технические характеристики компрессоров Шифр База Подача Дав­ ление Тип Мощ­ ность двига­ Габаритные размеры, мм Масса, компрессора Кимнрсс- сора C/O шах» м3/мин Р« max. МПа двигателя теля Л»..« max, кВт длина ши­ рина вы­ сота кг 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0-39А Рама 0,25 0,7 Электро­ двигатель 3 1200 490 900 112 0-16А То же 0,5 0,4 То же 3 1175 430 840 168 ВУ-0,6/8 Стацио­ нарный 0,6 0,8 » 4,5 1040 745 655 312 К-75 Рама 1,25 0,7 10 1850 855 1470 770 ЭК-16 Стацио­ нарный 2,5 0,8 » 20 2000 957 1280 1560 ВК-3/5 То же 3 0,5 » 20 1446 860 1300 632 ВК-3/8 » 3 0,8 » 28 2410 1180 1398 1268 ксэ-зм * 3 0,8 » 20 1970 1000 1280 1110 пкс-зм Колес­ ное шасси 3 0,7 ЗИЛ-120 51,5 3545 1490 1235 1707 КС-53 То же 4,5 0,6 1-МА — 4700 1870 1960 3000

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ЗИФ-51	Колес­ ное шасси	4,6	0,7	Электро­ двигатель	45	3450	1820	1770	2306
КСЭ-5М	Стацио­ нарный	5	0,8	То же	40	2245	1035	1380	1725
ЗИФ-55	Колес­ ное шасси	5	0,7	ЗИЛ-157	72	3450	1820	1770	2750
ПКС-5	То же	5	0,7	АЗ-120	70	3830	1870	1550	2650
ЗИФ-ВКС-5	»	5	0,7	Электро­ двигатель МАК-926	45	4255	1880	1715	3000
ЗИФ-55В	»	5,5	0,7	ЗИЛ-157М	78	3400	1820	1770	2050
ЗИФ-ПР-6	»	6,3	0,7	СМД-14А	56	3270	1750	2020	2300
ПВ-10		7	0,7	ЯМЭ-236	90	3370	1730	1870	3200
ЗИФ-В КС-10	»	10	0,7	КДМ-46	68	100	1180	1513	4650

Один комментарий на “Расчет промывки (продувки) скважин и выбор бурового насоса (компрессора)”