Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Теоретическое решение задачи об истечении жидкости из от­верстий при постоянном уровне принадлежит Бернулли и описы­вается зависимостью ‘

3-]/ 2г(й+-атй-) • <v-‘)

где р и р2— давления на свободной поверхности жидкости в со­суде и в среде, в которую происходит истечение; Н — разность отметок сечений I—/ и II—II над выбранной координатной плос­костью (рис. 13).

Однако в большинстве случаев Р = р2 и выражение (V.1) при­нимает вид формулы (V.2), которая была получена Торичелли примерно на сто лет раньше на основе опытных данных:

о/= 1/5р". (V *2)

Реальную скорость истечения и определяют как произведение теоретической скорости vt на некоторый коэффициент ф, назы­ваемый коэффициентом скорости:

(V. 3)

v — <pvt = ф ~[/2gH,

Рис. 13. Схема истече­ния при ПОСТОЯННОМ уровне

В обычных условиях происходит явление, известное под назва­нием сжатия струи. Обозначая площадь сечения самого отверстия (см. рис. 13) со, площадь наименьшего сжа­того сечения струи сосж и вводя понятие коэффициента сжатия струи е (для воды е = 0,62—0,65), можно написать:

сосж = есо, (V.4)

Называя произведение коэффициентов сжатия и скорости коэффициентом расхода р=еф, выражение для действительного рас­хода можно записать в виде

Q = navt = iQt = рш ~/2gH » (V.5)

Коэффициент расхода и наиболее важен в практическом отношении и обычно опре­деляют только его, используя соотношение

Установлено, что в общем случае значе­ние коэффициента р зависит от физических свойств жидкости, формы отверстия, а так­же от величины абсолютного значения напора, под которым про­исходит истечение. Среднее значение р для воды равно 0,62.

Опыты по определению коэффициентов расхода при истечении глинистых растворов из отверстий в тонкой стенке, выполненные Р. И. Шищенко, показали, что величины этих коэффициентов больше, чем для воды, и зависят от эффективной вязкости, т. е. от т), то и градиента скорости. Так, например, при истечении из отверстия диаметром 45 мм при высоте напора #t=45 см коэффициент р оказался равным 0,63 для раствора с параметрами, р = 1,13 г/см3, г] = 0,002 Па-с; т0=2 Па, а при параметрах — р = 1,29 г/см3, т] = 0,017 Па-с; то=24 Па; величина р возросла до 0,69.

В случаях истечения из отверстий не в газообразную среду, а в жидкость, уровень которой стоит выше отверстия, говорят об истечении из затопленного отверстия или об истечении под уровень.

Если отверстие сделано не в тонкой, а в толстой стенке или в тонкой стенкё, но к нему присоединена короткая трубка того же внутреннего диаметра, что и отверстие, то истечение будет иметь несколько иной характер. Подобные трубки называются насад­ками при условии, что соблюдается неравенство 3d^l^5d, где I—i длина трубки; d — ее внутренний диаметр.. По своей форме на­садки бывают цилиндрические, конические и коноидальные.

В наиболее простой насадке — цилиндрической (рис. 14) — струя на некотором расстоянии от входа подвергается сжатию 1, а затем снова расширяется до полного своего сечения 2. Поэтому сжатия струи при ее выходе не наблюдается и, следовательно, коэффициент сжатия е= 1.

На основании многочисленных опытов коэффициент расхода р, для цилиндрических насадок оказался равным в среднем около _ 0,82 вместо 0,62 для тонкой стен­

ки. Следовательно, цилиндриче-

/……………… -…….. т ская насадка увеличивает расход

— воды при той же площади отвер-

стия в тонкой стенке в 1,3 раза,

4X0 происходит за счет вакуума в сжатом сечении, который созда­ет подсос ЖИдК0СТИ — хак как ПрИ

.? цилиндрической насадке е=1, то

‘л Ф = ц=0,82; для тонкой же стен­

ки е«0,64 и фСр=0,97. Следова — Рис. 14. Схема истечения из цилин — тельно, в то время как расход

дрическои насадки ПрИ истечении жидкости через

насадку увеличивается, скорость уменьшается. Это объясняется тем, что вокруг сжатого сечения струи образуется зона мертвого пространства, заполненная жид­костью, находящейся в вихревом движении, которое приводит к дополнительной потере энергии.

Конические насадки могут быть сходящимися и расходящи­мися. При входе в конически сходящуюся насадку — струя сжи­мается меньше, чем при насадке цилиндрической; при выходе происходит второе сжатие, после чего жидкость течет параллель­ными струйками. При угле конусности от 0 до 8° значение е близ­ко к единице, затем оно постепенно понижается. Коэффициент рас­хода ц в этом случае больше, нежели при цилиндрической насадке (угол конусности равен 0°), и возрастает до угла 13° (ц = 0,945), после чего снова постепенно убывает, а коэффициент скорости постепенно возрастает. ‘

Если насадка конически расходящаяся, струя тоже сжимается, однако жидкость не вытекает ровной струей, в ней заметно стрем­ление к разрывам. При некотором угле расхождения подобной насадки жидкость перестает смачивать стенки и вытекает как из отверстия в тонкой стенке.

Форма коноидальных насадок (рис. 15) приблизительно повто­ряет форму струи; следовательно, в этом случае коэффициенты г, ц, ф должны быть больше, чем во всех остальных насадках. Так, при истечении из коноидальной насадки воды ц = 0,98; Ф = 0,98; е= 1,0.

Следует отметить, что форма насадки влияет не только на величину коэффициента ц, но и на характер выходящей струи, точнее, на ее компактность. Расход при истечении жидкости из насадок определяется по уже известной формуле (V.5).

Как показали исследования С. А. Абдурашитова, Ю. И. Мамед — заде, Н. 3. Френкеля, А. Д. Альтшуля и др., при истечении через насадки жидкости повышенной вязкости коэффициент расхода ц будет уменьшаться. Аналогичные результаты были получены Р. И. Шищенко в опытах с глинистыми растворами.

Рис.

15. Коноидальная садка

Значение коэффициента ц для насадок может в значительной мере изменяться не только от величины вязкости, но и от отно­шения длины насадки к ее диаметру, т. е, от параметра Цй1 Так, Н. 3. Френ­кель и П. С. Мучник в своих опытах, проводившихся при значениях Re=

= 10 000, определили, что с изменени­ем l/d от 3,33 до 20 коэффициент рас­хода р уменьшался от 0,814 до 0,725.

В основном все долотные отверстия работают по принципу насадок. Стро­го говоря, буровой раствор, вытекаю­щий из отверстий долота, должен рас­сматриваться как затопленная несво­бодная струя, ибо, как уже отмечалось ранее, забойная зона представляет

собой пространство, сильно ограниченное стенками скважины, корпусом долота и утяжеленными бурильными трубами,

а в этом пространстве находится жидкость со взвешенными в ней частицами разбуренной породы. Затопленная струя по выходе из

насадки параллельными струйками с большой скоростью прохо­дит через массу жидкости, захватывая при этом окружающие частицы. Таким ■ образом, происходит постепенное торможение струи и ее растекание. Выходящая из насадки струя расширяется, приобретая форму конуса, причем угол конусности зависит от формы насадки и величины скорости. На рис. 16 приведена схема растекания затопленной струи (по А. К. Козодою). Точка О (вер­шина конуса, определяющая форму струи) называется полюсом

струи. Обозначая I расстояние от насадки, a d диаметр струи в любом сечении, согласно схеме имеем:

d = d0 + kl, (V.6)

где d0 — диаметр насадки.

По данным А. К. Козодоя и других авторов, величина k. зави­сит от формы входных кромок, длины насадки и может изменяться в пределах от 0,22 до 0,443.

Очевидно, что длина участка /0 (см. рис. 16) увеличивается с уменьшением k. С ростом /0 возрастает эффективность действия струи на забой (происходит более интенсивная промывка), а мяг­кие грунты забоя в результате гидромониторного эффекта даже разрушаются. Вместе с тем следует иметь в йиду, что влияние таких ограничивающих факторов, как стеснение пространства, увеличение плотности раствора и др., оказалось столь незначи­тельным, что струи, вытекающие из долотных насадок, можно рассматривать как свободные.

В практике бурения до сих пор еще можно встретить различ­ные типы долот, у которых промывочные отверстия выполнены с острыми входными краями и со значительной шероховатостью стенок. Долота с отверстиями такого типа имеют сравнительно низкий коэффициент расхода, который, по данным Б. И. Митель — мана и Б. С. Филатова, находится в пределах от 0,64 до 0,67, что приводит к значительным потерям энергии при истечении жидкости из насадок. В гидромониторных долотах применяют более совершенные (с гидравлической точки зрения) насадки с закругленными входными краями, конические и коноидальные с коэффициентом расхода р, = 0,94—0,95.

Следует иметь в виду, что значительные потери энергии могут происходить не только в самих насадках, но и на подходе к ним, что следует учитывать еще при проектировании корпуса долота.

При гидравлических расчетах обычно определяют напор /гд или давление рд, которое требуется для того, чтобы обеспечить заданный расход жидкости Q через долото. Из (V.5) имеем (при замене Я на р)

" _vQl_ = _Q! e_ (v. 7)

Ия 2g(x2coa 2н.2со2

где Q, р — расход и плотность жидкости; со — суммарная площадь насадок; р, — коэффициент расхода, который для практических расчетов задается обычно в пределах 0,8—0,92.

Чаще всего по формуле (V.7) заранее рассчитывают значения рд для различных расходов и диаметров насадок, затем строят номограммы, что позволяет значительно упростить расчеты. Однако формула (V.7) совершенно не учитывает конструктивные особенности внутренней полости долота, а значит, условия под­хода жидкости к промывочным каналам и конфигурацию самих каналов. Между тем неучет подобного рода обстоятельств может в значительной мере исказить конечные результаты расчетов. Для’

выяснения величины возникающих при этом погрешностей рядом исследователей (Р. И. Шищенко; Б. С. Филатов; Б. И. Мительман;

С. А. Абдурашитов; В. В. Симонов; А. К. Козодой; С. М. Кулиев, М. А. Абдинов, Б. И. Есьман, Ю. В. Садыхов и др.) были постав­лены опыты с натурными долотами различных типоразмеров.

Новые опыты проводили на стенде в АзНИПИнефти с до­лотами следующих типоразмеров: Ш190,5С-ГН; 5-ЗЛГ-269;

ДСГЗЛИР-269; Ш169,9СГНУ; Ш190.5МЗ-ГАУ; К214МСГ. Не оста­навливаясь на деталях проведения этой работы [57], ограничимся конечными ее результатами, из которых следует, что определение гидравлических потерь в промывочных отверстиях по номограмме (по Б. И. Мительману) во всех случаях приводит к заниженным результатам по сравнению с экспериментально определенными потерями.

Таблица 2 Шифр долота Диаметр промывочных отверстий, мм Q=14,I л/с Q=22,4 л/с р0-ря, МПа ро^рв ро~рв’ МПа Р0/РЯ Ш1905С-ГН 12,0 0,344 1,32 0,81 1,30 5-ЗЛГ-269 16,0 0,471 2,60 1,02 2,37 ДСГЗ ЛИР-269 16,5 0,265 1,90 0,73 1,97 III269, 9СГНУ 13,0 0,540 1,79 1,21 1,69 III190, 5МЗ-ГАУ 12,0 0,118 1.11 0,51 1,18 7К214 МСГ 14,5 0,393 1,67 1,20 2,11

Примечания. 1. Все долота имеют по три промывочных отверстия. — 2. р, — потери давления, найденные из опыта; рн — по номограмме.

Представление о величине возникающих при этом погрешно­стей дают данные табл. 2, из которой видно, что при определении величины потерь в промывочных отверстиях по номограммам величина абсолютной погрешности (р0—рн) при Q=22,4 л/с может достичь 1,2. МПа. Это можно объяснить тем, что рекомендуемые номограммы совершенно не учитывают конструкцию внутренней полости долота. Отсюда следует, что об истинной гидравлической характеристике долот любого типоразмера следует судить по сумме потерь давления, возникающих как в промывочных кана­лах, так и на пути к ним во внутренней полости долота.

Суммарные потери в долотах не могут быть рассчитаны по существующим теоретическим формулам и должны определяться опытным путем в условиях, максимально приближенных к реаль­ным, т. е. на буровой или на специальном стенде.

Подобные исследования необходимо начать в ближайшее время с тем, чтобы данные о гидравлической характеристике долот новейших типоразмеров внести в их технический паспорт наравне с другими характеристиками.

Заметим, что иногда формулу (V.7) преобразовывают до вида

(V.8)

Рд = yaQ*,

где

(V.9)

а = 1 /2gn2a>3.

В ряде случаев такая запись во многом облегчает расчеты. •

Комментарии запрещены.