Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Как отмечалось ранее, переход одного режима в другой оце­нивается критическим значением параметра Рейнольдса, причем для ньютоновских жидкостей ReKp=2320. При этом величина кри­тической скорости меняется, согласно зависимости

vnp= ReKp ^ = ReKp. (VI.41)

Аналогичная зависимость наблюдается и при движении вязко — лластичных жидкостей, но при условии, что вместо динамической вязкости р будет взята эффективная вязкость rj’. Однако сама ве­личина г]’ зависит от скорости и поэтому определение иКр по фор­муле типа (VI.41) для случая движения неньютоновских жидко­стей является, строго говоря, задачей невыполнимой. .

С другой стороны, было показано, что движение вязко-плас­тичной жидкости характеризуется одновременно двумя опреде-

TOC o "1-5" h z vdo ~ „

ляющими параметрами Re =——————— HRin— = pp2/T0. В каждый из

. ‘П ■

них входит величина скорости. Поэтому в любом случае при тече­нии вязко-пластичной жидкости должны одновременно удовлетво­ряться следующие два равенства: ■

и = Ке7Ги" = ]/~^Г’ (VL42)

откуда

= /,Re-I*ry (VI.43)

P 9d J или

Re2/Rin==_Io^L=He( (VI44)

где He — параметр (критерий) Хедстрема.

Используя зависимости (VI.42), (VI.44) и переходя к крити­ческим значениям ReKp, Rm. Kp, можно найти искомые выражения ДЛЯ

%р = и °«Р = "ф" VHeИш. кр. (VI.45)

В практике расчетов удобнее оказался первый вариант зави­симости для оКр, который чаще записывают в виде

аКр = С ТАо/р, где С = ReKp/l/He. (VI.46)

Численные значения коэффициента С могут быть найдены толь­ко на основании обработки экспериментальных данных. Впервые это сделали М. Н. Ализаде, Э. А. Багбанлы, А. X. Мирзаджанзаде, обрабатывая данные по перекачке парафинистых нефтей, цемент­ных растворов и газожидкостных смесей. Ими было найдено, что при Rs<Cl параметр Re’ (см. с. 68) обращается в параметр

2р2р

Е =——, причем если Е^Ю00, то происходит переход структур — то

ного режима в «квазиламинарный». Следовательно,

С = 22,4.

Много позже Э. К. Латыпов и Б. С. Филатов представляют величину Re* в виде

_1______ 1_____ а

Re* = Re + Re’

и утверждают, что при значениях параметра И>5, с точностью вполне допустимой для практических расчетов, величиной 1/Re можно пренебречь. С учетом того, что Re"=pu2/ro, из приведенного выше выражения получается

RiuTo

R<p«j/ -2*-.

а т0

По утверждению авторов, анализ экспериментальных данных показал’, что Re*pa = const = 25 и, следовательно,

Ркр = 251/Wp и С = 25. (VI.48)

Если И<5, то оКр рекомендуется определять по эмпирической формуле

Vkp = + 25 VVP •

Интересно отметить, что до появления параметра Re’ переход от структурного к квазиламинарному режиму Р. И. Шищенко рекомендовал определять по условию, что параметр Л >2. Если

(1^/

иметь в виду, что А=р/р0, p=yh; p0=4xo/yd; h = X——, то. , №р — ш / 8А -, / Ч

ио-|/ — у —•

Переходя к критическим значениям, можно принять, что в среднем ЯКр=0,029 и тогда

c-23i4> (VM9)

Хенке построил кривую зависимости ReKp=f(He) исходя из теоретических соображений, а несколько лет спустя группа авто­ров из ВНИИБТ выявила [38], что результаты многих исследова­ний по течению жидкостей с существенно различными реологиче­скими свойствами хорошо согласуются с этой кривой. Было най­дено, что для практических целей наиболее важным является диапазон 2-Ю^Не^Еб-105, для которого можно принять С = 25, что полностью совпадает с рекомендациями Э. К. Латыпова и Б. С. Филатова.

При иных значениях Не следует пользоваться — кривой (см. рис. 1[14]) либо таблицей (см. там же), упрощенный вариант жоторой приводится ниже (табл. 7).

Таблица 7

Не. 10—2	Re-IO-1	с	Не-10~2	Re-10-1	С	Не-1 О-2	Re-10—1	с
99,5	333	33,4	455	* 525	24,6	2545	967	19,2
147	370	30,5	672	598	23,1	4355	1180	17,8
214	412	28,1	1010	690	21,7	808	1450	16,2
311	462	26,4	1575	803	20,2	16 800	1850	14,3

Известны и другие исследования в области определения кри­териев переходной зоны [9, 16, 28 и др.], в частности попытки выразить зависимость ReKp=f(He) через логарифмические фор­мулы [28 и др.]. Однако последние намного сложнее выражения (VI.46) и вряд ли найдут практическое применение.

§ 5. Гидравлические потери в замковых соединениях бурильных труб

Нормалью АзНИИбурнефти Н-780—65 предусматриваются бурильные замки, следующих трех типов: а) с нормальным про­ходным отверстием (ЗН); б) с широким проходным отверстием (ЗШ); в) с увеличенным проходным отверстием (ЗУ)[15].

	■’ N <*т						т—		di
*/■		‘*}		1 dH	d м	di си
	(От			й		шн	г (Ом
			/—1ч

h, h2 h3 Л4. hs hs h7 Рис. 26. Схематический разрез замкового соединения буриль­ных труб

По данным М. М. Никанорова и В. Г. Беликова, потери дав­ления в замковых соединениях бурильных труб с высаженными внутрь, концами могут составлять 19—60% от потерь давления в самих трубах. Поэтому изучение данного вопроса имеет не только теоретический, но и значительный практический интерес. Чаще всего в качестве расчетной используется формула Борда— Карно в записи П. П. Шумилова:

‘ р-=т^[(1г)2-(тг) ‘■

где d3—наименьший диаметр проходного сечения замка; dT — внутренний диаметр бурильной трубы.

Однако использование формулы (VI.50) для нахождения по­терь в замковых соединениях вызывает ряд серьезных возраже­ний. Основное из них заключается в том, что эта формула имеет в виду не какое угодно изменение сечения потока, а только вне­запное его расширениё. Между тем, рассматривая схематический разрез замкового соединения (риё. 26), без труда можно заметить — по крайней мере семь самостоятельных участков, на которых при переходе от одного сечения к другому поток жидкости вынужден то сужаться, то вновь расширяться. Поэтому применять в данном случае только формулу для внезапного расширения неверно.

Первые попытки учесть указанное обстоятельство принадлежат А. Г. Васильеву, а также Г. С. Баршаю и Н. И. Буяновскому. Но, рассматривая только замки ЗШ и чрезмерно упрощая схему замкового соединения, авторы тем самым поставленную задачу до

конца не решили. Ниже предлагается новый вариант ее решения при условии, что определению подлежат потери лишь в трубах с высаженными внутрь концами с замками ЗШ и ЗН. В трубах же с высаженными наружу концами, гладких по всей длине, уста­навливать подобные потери вообще нет смысла ввиду их малости.

Общие потери напора во всем замковом соединении (h3^y должны определяться как сумма потерь на отдельных участках, т. е.

(VI. 51 у

Поскольку же после последнего изменения сечения в замковом соединении поток снова попадает в трубу и приобретает свою первоначальную скорость vT, при определении суммарных* потерь /i3s в формуле (VI.51) целесообразно иметь величину именно этой скорости. Соответственно должна быть произведена замена v{ на vt в каждом отдельном случае, для чего достаточно воспользоваться известным условием неразрывности (II 1.6). Тогда, обозначая потери при переходе от сечения с площадью сот к сече­нию с площадью col—/4 (см. рис. 26); от он к ал —/г2; от ал к о)н—h3; от toH к от а>м к со i —h5 от ал к ал—Л6 и от ал

к сот—hlt можно после суммирования записать:

h у — 2/z,

‘з2.

2*[(%) Ki + £. + £. + S7) +

(VI. 52)*

Анализ полученной формулы показывает, что потери в замко­вом соединении складываются из трех частей: 1) потерь в вы­садке; 2) потерь в элементах замка при изменении диаметра до dH;

3) потерь в элементах замка при изменении диаметра до dM. Таким образом, потери в замковом соединении равны потерям в высадке плюс потери в самом замке, а для замков ЗШ суммар­ные потери складываются только из потерь в высадке, поскольку в самих замках потери пренебрежимо малы.

Будем искать значения величин, входящих в (VI.52), считая, режим течения квадратичный, при котором любой буровой рас­твор подчиняется тем же закономерностям, что и вода. Рассматри­вая рис. 26, убеждаемся, что переход от гладкой части трубы к вы­саженной выполнен весьма плавным и может быть приравнен к соплу. Для такого случая значения £ могут изменяться от 0 до 0,1 (см. с. 45). Примем для нашего случая, что £i = £7 = 0,05.

Выполнив геометрическое построение по известным значениям du di и расстояниям между ними [61], нетрудно убедиться, что переход от сечения ал к сечению ал представляет собой диффу­зор с углом конусности 12—14°, а переход от ал к со — конфузор
с тем же углом конусности. Согласно данным [1 и др.}, в таком случае можно принять, что £2=0,22, a g6=0,18.

Величину £3 можно рассматривать как коэффициент, характе­ризующий постепенный переход от широкого сечения к узкому, и определять его по формуле (III.33), где по рекомендации [1], величина рс может быть найдена из специального гркфика в зави­симости от угла конусности, а величина е — по формуле (111.36). Так как для рассматриваемого случая угол конусности а=90° [61], величину рс = Р можно принять равной 0,35. Имея в виду найден — дые значения р3 и подставляя (III.36) в (III.33), для перехода от сечения coi к сечению сон получаем:

£*“°’2(т&)2’где"-“(-^)2- (VI-53>

Коэффициенты £4 и £5, как характеризующие расширение по­тока, определяем по формуле (III.34), имея в виду, что я4 = = (rfH/dM)2 и n5=(1rfM/d1)2. Поскольку входные края сечений сре­заны под углом 45° (т. е. а=90°), то с некоторым запасом прини­маем р4 = Рб= 1,1.

В результате полученных данных можно записать

£i + £2 + S. + £7 = 0,5; £5= 1,1(1 — п6У;

£3 + £4 = 0,2 ( — т-^Г — n*J + 1 • 1 (1 — «Л*

1 — П3 2

1,175

Кроме того, численные расчеты, выполненные для наиболее ходовых типоразмеров замков, показывают, что с некоторым запа­сом можно принять: £3+£4=0,5, а £б = 0. Тогда для замков ЗН фор­мула (VI.52) примет вид:

“ 2g а для замков ЗШ —

причем £зн = 0,5[(-^)4 + (-^-)4], (VI.54)

/1зш = £зш-^-> причем ^зш = 4 (VI.55)

Значения £зн и £зш, подсчитанные по формулам (VI.54) и (VI.55), сведены в табл. 8. Там же даны значения £зн и £зш, рас­считанные по формуле Борда—Шумилова, а также полученные во всех известных нам опытах различных авторов. Хотя часть опы­тов проводилась с замками и трубами, имевшими несколько иные размеры, чем те, которые употребляются в настоящее время, и не во всех опытах соблюдались необходимые длины начальных и конечных участков, тем не менее можно констатировать, что результаты опытных данных более удовлетворительно согласуются с данными, полученными по новой формуле, нежели по формуле Борда—Шумилова. При этом методологически весьма важно, что в отличие от формулы Борда—Шумилова, которая фактически не

Трубы ТБВ			мм	Значения £
					Замки ЗН	Замки ЗШ
D,		di Для ЗН и ЗШ, мм			по формулам		по формулам
н’	dB, мм		ЗН	ЗШ
мм							по данным опытов
					(VI. 50)	(VI. 54)		(VI. 50)	(VI. 55)
73	59	45	32	54	5,71	7,2	8.3(H)
	55	32			3,84	8,8	8.8(E); 9,1 (АК)
89	75	60	38	62	8,29	8,7	9,4’(А)
	71	49			6,25	8,4	7,5 (АК)
	67	45			4,41	7,3	7.1(E)
114	100,3	82	58	80	3,84	5,4	7,0 (А)	0,314	1,05
	98,3	78			3,46	5,3		0,348	1,26	1,27 (М)
	96,3	74			3,09	5,2		0,476	1,43
	94,3	70			2,62	5,1		0,672	1,65	2,43 (Е)
	92,3	68			2,34	5,0		0,722	1,71
140	123,7	105	70	101	4,41	5,8		0,202	0,94	2,0 (Ш); 0,62 (М)
	121,7	101			4,12	5,4		0,063	1,04	1,6 (Ш)
	119,7	97			3,69	5,4		0,260	1,14
	117,7	91			3,31	5,4		0,440	1,38
168	150,3	128	89	127	3,46	5,0	4,1 (А)	0,152	0,94	2,0 (Ш)
	148,3	124			3,20	5,0		0,176	1,00	1,6 (Ш); 0,63 (Ф)

Примечания, l. rf, — наименьший диаметр конфузора или диффузора в замковом соединении. 2. dR — наименьший диаметр замкового соединения. 3. В круглых скобкох — начальные буквы фамилии авторов опытов: (н) — Наджафов Н. И.; (Е) — Есьман Б. И.; (АК) — Ахундов У. X., Ку­лиев С. М.; (А)— Абдурашитов С. А.; (М) — Мительман Б. И.; (Ш) — Шищенко Р. И.; (Ф) — Филатов Б. С.

115

отражает ни качественную, ни количественную сторону явления протекания жидкости в замковых соединениях, предлагаемая фор­мула полностью удовлетворяет этим требованиям без применения. каких-либо поправочных коэффициентов.

Поскольку для практических целей более удобна формула типа (III.25), то с учетом размерностей: р в 0,1 МПа; р в г/см3; Q в л/с; d в мм; g в м/с2 — формулы (V.54) и (VI.55) могут быть Приведены к виду:

_Ji_ ‘

Р— .4 Q2pgm 8,26-103. (VI.56)

Т

Размещение в замковых соединениях труб для электробурения токоподводного кабеля настолько усложняет их внутреннюю кон­фигурацию, что определение значений £ для данного случая воз­можно только на основании опытных данных.

Большая серия опытов (на воде) в замковых соединениях для •бурильных труб трех типоразмеров: Н-140 {йв=2 мм), В-127

(dB=110 мм) и Нт114 (dB = 94 мм) была поставлена автором сов­местно с Н. В. Никоноровым, С. П. Лысенко и др. Опыты проводились ^ в трубах без кабеля и в тех же трубах, но заряженных круглым кабелем КТШЭ 3×50 (dK=41,5 мм), КТШЭ 2×50 (dK= 33 мм) :и плоским кабелем КРЭП 2X50 (40×25) при Re^lO5.

Учитывая незначительную разницу абсолютных величин, по­тери от круглого кабеля были приняты равными потерям от плоского. Средние величины найденных таким образом значе­ний а3 [размерность (с2/см5) 10~10] для всех исследованных комби­наций приведены в табл. 9. В этой же таблице даны значения коэффициента £.

Таблица 9 Трубы Значения коэффициентов ад и t3 без кабеля КТШЭ #Х50 (dK=4l,5) КТШЭ 2X50 (dK= 34) КРЭП 2X50 (40X25) “з г *3 fl3 £3 вз £3 Н-140 0,126 0,0264 1,33 0,218 0,843 0,150 Н-127 0,34 0,0478 — — 4,8 а, 554 Н-114 1,89 0,145 — — 6,55 0,375

Принимая значения а3 для случаи замков без кабеля за эта­лон сравнения, можно заметить, что наличие кабеля КТШЭ 2X50 при с? к = 34 или КРЭП 2×50 (40X25) увеличивает гидравлические потери в 6,7; 14 и 3,4 раза в трубах Н-140, В-127 и Н-114 соот­ветственно. Наличие же кабеля КТШЭ 3×50 при dK=41,5 в тру­бах Н-140 увеличивает гидравлические потери примерно в 10 раз.

Известны опыты по определению гидравлических потерь в зам­ковых соединениях труб, предназначенных для электробурения, которые проводились на вертикальных экспериментальных уста­новках. Трубы, имевшие внутренний диаметр 121,7; 98; 149 и 118 мм, заряжались круглым и плоским кабелем различных раз­меров (dK = 41,5, 34; 40X25). Как указывают А. О. Асан-Нури и Б. И. Мительман, результаты их измерений достаточно близко совпадают с данными, полученными Б. И. Есьманом, Н. В. Нико — норовым и С. П. Лысенко, и потери давления, возникающие за счет кабельных разъемов, достигают 60—80 % от потерь давления в гладкой части труб, что приводит к увеличению общего гидрав­лического сопротивления бурильной колонны в 1,6—1,8 раза.

Комментарии запрещены.