Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Выбор насоса

ф

Давление, развиваемое насосом, должно быть достаточным для преодоления гидравлических сопротивлений и гидростатических сил в циркуляционной системе скважины при прокачивании жид­кости в заданном количестве. — Циркуляционная система включает в себя: обвязку насоса, бурильные трубы, кольцевое пространство,’ колонковый снаряд, породоразрушающий инструмент и другие, по которым протекает промывочная жидкость при бурении.

Общее потребное давление, которое должен развивать насос,

Р = Ь(Р1 + Р2 + Рэ + Р* + Р6), 0^1.7)

где к — коэффициент, учитывающий необ­ходимость запаса давления на преодоление дополнительных сопротивлений при зашла — мовании скважины, образовании сальников и т. п. (Л= 1,3ч-1,5); рI — давление на пре­одоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в нагнетательном шланге, сальнике, ведущей трубе, буриль­ных и утяжеленных трубах, МПа; р2 — давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в соединениях бурильной колонны, МПа; р3 — давление на преодоление сопротив­лений при движении жидкости в кольцевом пространстве скважины, МПа; р4 — дав­ление на преодоление сопротивлений в колонковом снаряде, коронке или долоте,

Рис. 8. Схема к расче­ту промывки скважины

МПа; ръ — давление, равное перепаду в гидроударнике в случае применения гид- роударно-вращательного способа бурения,

МПа (рис. 8).

1. Давление на преодоление гидравли­ческих сопротивлений при движении жид­кости в бурильных, утяжеленных трубах

и в наземной обвязке рассчитывается по формуле, в основу ко­торой положена формула Дарси—Вейсбаха,

(У1.8)

где V -^средняя по сечению канала потока скорость движения жидкости, м/с; р — плотность жидкости, кг/м3; й — внутренний диаметр бурильных труб, м; / — длина бурильных труб, м; /э — эквивалентная длина бурильных труб, потери давления на которой приравниваются к потерям давления в УБТ, ведущей т^убе, саль­нике и т. д., м; 7,1 — безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления в бурильных трубах.

Значение коэффициента % зависит от характера движения по­тока, свойств жидкости, сечения канала потока и шероховатости его стенок.

При промывке скважины водой или другими маловязкими жид­костями (ньютоновскими) значение коэффициента Х определяется по универсальной приближенной формуле А. Д. Альтшуля

(VI. 9)

ъ = 0,1 + ™-)ол5,

п £>Э Ие )

где Кт — гидравлическая или эквивалентная шероховатость,, м (для новых стальных труб Кт = 0,02—0,07-10-3 м, для стальных труб с незначительной коррозией ^Сш — 0,2—0,5-10-3 м и для ста-

рых труб сильно корродированных /Сщ — 1,0• 10 3 м); — экви­

валентный диаметр канала потока, м (для внутреннего канала бурильных труб А)=е?|); Ие — параметр Рейнольдса, рассчитывае­мый по формуле (У1.2) или по следующей формуле:

(VI. 10)

Re = vDJv.

При промывке скважины глинистыми растворами или другими структурными жидкостями режим движения потока характеризу­ется обобщенным параметром Рейнольдса

(VI. 11)

Re’ = »Цр/г)’,

где т)’ — эффективная вязкость глинистого раствора, определяемая по формуле •

(VI. 12)

т)’ = г)+ 0,17^к

»

V

где т] — коэффициент структурной вязкости, Па-с; то — динами­ческое напряжение сдвига, Па. При практических расчетах зна­чение г] для нормальных глинистых раство’ров может быть приня­то в пределах 5-10~3—2-10-2 Па-с и то в пределах 2—10 Па.

При значениях Не'<2000-=-3000 величина коэффициента рассчитывается по формуле Стокса

(VI. 13)

При значениях Ие’>20004-3000 величина коэффициента рас­считывается по формуле Р. И. Шищенко

(VI. 14)

К = 0,075/^Re’ .

При значениях Re’>50000 можно считать A, i = const и значение коэффициента принимать равным 0,02.

Эквивалентная длина /э бурильных труб

(VI. 15)

где /увт» 1т, /в, 1с — длина УБТ, нагнетательного шланга, веду­щей трубы, сальника и т. д., м; с? убт, Лш, (1В, йс — внутренний диаметр УБТ, нагнетательного шланга, ведущей трубы, сальника и т. д., м.

2. Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении промывочной жидкости в соединениях бурильной колонны
где п — число соединений в колонне бурильных труб; 5 — безраз­мерный коэффициент местного сопротивления, рассчитываемый по формуле Б. С. Филатова,

‘Т — <и-|7>

где йо — диаметр наименьшего проходного канала в соединениях, м; а — опытный коэффициент, принимаемый равным 2 для труб муфтово-замкового соединения и 1,5 — для ниппельного соедине­ния.

3. Давление на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости в кольцевом пространстве может быть при­ближенно рассчитано по следующей формуле:

Рз = Як. п^-М°-в. ‘ (VI. 18)

где V — скорость восходящего потока промывочной жидкости, м/с; р’— средняя плотность жидкости, обогащенной шламом, кг/м3; для осуществления качественной очистки забоя плотность жидко­сти в восходящем потоке не должна быть выше плотности в нис­ходящем потоке более чем на 3%; Оэ — эквивалентный диаметр канала потока, м; 09=й—с/; I — длина скважины, м; А, к.п— без­размерный коэффициент гидравлического сопротивления в коль­цевом пространстве.

При промывке скважины водой и другими маловязкими жид­костями коэффициент Хк. п может быть рассчитан по формуле Бла — зиуса

Як. п = 0,3164/^е;.п, (VI. 19)

где Яе’к. п = иО0/V, Д} — эквивалентный диаметр канала потока, в этом случае равный О—й, м; й — наружный диаметр бурильных труб, м.

При промывке скважины глинистым раствором или другими структурными жидкостями Як. п рссчитывается по формуле Р. И. Шищенко, справедливой в интервале Не’к. п= 1200ч-10 ООО

Я,.,, = 0,075/у/’яе«.п. (VI.20)

При малых значениях Ие/к. п<1200 для расчета Хк. п можно воспользоваться формулой Е. М. Соловьева

Як. п = 14,6/(1?ек. п)0,9. 0Л.21)

4. Давление на преодоление гидравлических сопротивлений в колонковом снаряде и коронке (или долоте), как правило, не рас­считывается, а принимается на основании практических данных в зависимости от длины колонкового снаряда, наличия керна, рас­хода и свойств промывочной жидкости. Для практических расче­тов можно принимать р4 в пределах 0,1—0,35 МПа.

5. Перепад давления в гидроударнике принимается в соответ­ствии с технической характеристикой (прил. 5).

Современное алмазное бурение характеризуется малыми зазо­рами между стенкой скважины и колонной бурильных труб, осо­бенно при работе снарядами ССК, высокими частотами вращения бурового снаряда, В этих условиях характер потока ттромывочной жидкт)сти и гидравлические сопротивления при его движении в кольцевом пространстве скважины зависят также от частоты вра­щения колонны бурильных труб.

Для случая высокочастотного алмазного бурения с промывкой водой, полимерными растворами, водомасляными эмульсиями, водными растворами ЫаС1 и СаС12 предложена И. А. Запевало — вым и В. М. Бухаловым методика расчета потерь давления в коль­цевом пространстве с учетом вращения колонны бурильных труб [10].

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве рассчитывается в целом по формуле (VI. 18), но расчет безразмерного коэффициента сопротивлений производится следующим образом:

ЯК. П = Я[1+0,45^)2]М, (У122)

где (о — окружная скорость вращения поверхности колонны бу­рильных труб, м/с; со=яс? л/60, п — частота вращения колонны бурильных труб, об/мин; X — коэффициент гидравлических сопро­тивлений при отсутствии вращения колонны, в данном случае вы­числяемый по формуле

я = 0,09 (+ — У’25, (У1.23)

^9 Ив /

где Кш — для алмазного бурения для стальных бурильных труб принимается равным 0,03-1(>“3 м.

Давление на преодоление гидравлических сопротивлений в нисходящем потоке внутри бурильных труб в меньшей степени за­висит от вращения бурильных труб и рассчитывается обычным методом по формулам (У1.8), (VI.!}) и (VI. 15).

Проверочные расчеты подачи насоса и давления нагнетания производятся с целью определения пригодности бурового насоса для бурения скважины в конкретных условиях бурения, входяще­го в комплект бурового агрегата, выбранного для бурения на ос­новании применяемого способа бурения и конструкции скважины. Техническая характеристика буровых насосов, применяемых в настоящее время на геологоразведочных работах, приведена в прил. 4.

Пример 3. Рассчитать потребное давление на насосе при промывке скважи­ны диаметром 76 мм и глубиной 700 м. Бурение гидроударно-вращательное, бу­рильные трубы 50МЗ. В качестве промывочной жидкости используется вода.

Решение. 1. Определение давления на преодоление гидравлических сопротив­лений при движении жидкости в бурильных трубах, нагнетательном шланге и сальнике при Уо=120 л/мнн.

Исходные данные для расчета: ^1 = 0,039 м, р=1000 кг/м3; принимаем /а = =50 м.

Скорость движения потока внутри бурильных труб

0,120

1,1 = 60-0,785-0,039* = 1-675 м/с-

Коэффициент гидравлических сопротивлений рассчитывается по формулам (У1.9), (VI.10), Кш принимаем равным 0,2* Ю~3 м.

1,675*0,039 ч /1,46.0,2.10-® 00 .25

03

Ие =———^———— = 65325, Л,. = 0,1 ( ———— :———— +———— )—————————— =0,

МО’« 11 0,039 ^ 65 325 /

2,8-1000

и р!= 0,03*10-в-т—_ . 750 = 0,807 МПа.

. 20,039

2. Определение гидравлических сопротивлений в соединениях бурильной колонны.

Исходные данные для расчета: ^0=0,028 м, ?| = 1,675 м/с, число соединений /1=700/4,5= 156.

По формуле (VI.17)

£

г/ 0,039 2 П2

Подставив исходные данные в формулу (VI. 16), получим

„ 2,8*1000 />*= 1,77 ——————————— -156.10-« = 0,386 МПа.

3. Определение гидравлических сопротивлений при движении потока жид­кости в кольцевом пространстве.

Исходные данные для расчета: £=0,076 м, (2=0,050 м, /=700 м, £)я = = 0,076—0,050=0,026 м, площадь сечения кольцевого пространства = = 0,785 (0,076* — 0,0502) *= 2,8*10-3 м2; скорость восходящего потока и = =0,12/60*2,8* 10-3=0,78 м/с. По формуле (VI.10) параметр Рейнольдса будет равен

0,78*0,026

Ке= Ы0-* = 2028°-

По формуле (VI.19)‘находим значение безразмерного коэффициента гидрав­лических сопротивлений

0,3164

^•к. п— ^ __ —0,026.

У 20 280

По формуле (VI. 18)., подставив все данные, находим

р3 = 0,026* 10-«*0,782* 1020*700/2-0,026 = 0,217 МПа.

4. Давление на преодоление сопротивлений в колонковом снаряде и коронке принимаем равным р4=0,3 МПа.

5. Перепад давления в гидроударнике Г76В по данным прнл. 5 составит р5=2 МПа.

6. Потребное давление на насосе определим по формуле (У1.7): *

р= 1,3(0,807 + 0,386 + 0,217 + 0,3 + 2,0) = 4,82 МПа.

Пример 4. Определить потребное давление на насосе и выбрать буровой насос для бурения скважины на глубину 300 м диаметром 112 мм. Промывка скважины осуществляется глинистым раствором с р = 1200 кг/м3, 11=9,9х

ХЮ-3 Па-с и то=4,4 Па, Уо=280 л/мин. Буровой снаряд состоит из колонны бурильных труб диаметром 63,5 мм М3 и УБТ-РПУ-89 длиной 23,’1 м.

Решение. I. Определение гидравлических сопротивлений в бурильных тру­бах, УБТ и наземной обвязке.

Исходные данные для расчета: ^ = 0,0515 м, <*увт =0,045 м, с1с — 0,04 м„

4га=0,038 м, /УБТ =23,1 м, =0,895 м и /ш — 20 м. Скорость потока глинисто­го раствора внутрнбурильных труб составит

*

к, = 0,280/60-0,785-0,0515»= 2,25 м/с.

По формуле (VI. 12) эффективная вязкость раствора составит

4,4-0,0515

т)’ »= 9,9-10—* -|- 0,17 2 ^—— = 2,7-10-*,

тогда по формуле (VI. 11) получим

2,25-0,0515-1200

Ке = ’ » I, .————- = 5150.

2,7-10—»

При Яе’>2000—3000 значение коэффициента рассчитывается по формуле (VI.14):

°’07— =0,0257.

/5150

Эквивалентная длина /э рассчитывается по формуле (VI.15) и составит

л «г… ( °.895 20 23,1

1Э= 0,0515» [———- ——- ——————- +———— -1— 1 ) = 168,6 м.

0,040» ^ 0,038® ^ 0,045» )

Подставив исходные данные в формулу (У1.8), получим

2 25*«1200

= 0,0257> 10—* ~2~о‘7>515 (300 + 168’[3]) = °»71 МПа-

2. Определение гидравлических сопротивлений в соединениях.

Исходные данные для расчета: количество соединений л = 300/4,5 = 67, </0= =0,040 м. По формуле (VI.17)

К

0,0515 № 2

— ) —1 =0,865.

0,040 )

Подставив в формулу (VI.16), находим

2.25М200

р% = 0,865-10—* ■ 1 ———— . 67 = 0,176 МПа.

Для расчета Хк. п при Не’=1585 следует пользоваться формулой (VI.20):

0,075

^к. п— я________ —0,03.

уТбШГ

Подставив данные в формулу (VI. 18), получим

0,7**1220 *

р3= 0,03• 10“в ■ Л ~’ — ог — 300 = 0,57 МПа.

2*0,0485

4. Величину гидравлических сопротивлений на долоте принимаем равной 0,35 МПа.

5. Давление на насосе при прокачивании глинистого раствора при расходе У0=280 л/мин составит

/?= 1,3(0,71 + 0,17&+0,57+0,35) =2,35 МПа.

В этом случае следует использовать насос НБ4-320/63 (прил. 3).

Пример 5. Рассчитать давление на насосе при бурении скважины на глуби­ну 1000 м снарядом ССК-59 с частотой вращения 600 об/мин. В качестве про­мывочной жидкости применяется вода, Уо=15 л/мин. Бурильные трубы наруж­ным диаметром 55 мм, внутренним диаметром 45,4 мм.

Решение. 1. Расчет гидравлических сопротивлении при движении потока в бурильных трубах.

Исходные данные для расчета: скорость потока внутри бурильных труб составит 01 = 0,015/60*0,785-0,0454[4]=0,15 м/с. По формуле (VI.10)

0,15-0.0454 =681()

1 • ю—в

По формуле (У1.23) получим

/ 0,03-10_3 68 o.25

Л, = 0,09 ( —: + —г—) =2,8.10“*.

1 * V 0,0454 ^ 6810 }

Примем /э=30 м и по формуле (У1.8) получим

0,15*-1000

рт = 0,028.10-*—————————— 1030 = 0,00715 МПа.

Иг 20,454

Таким образом, величина давления‘на насосе при работе сна­рядом ССК-59 определяется гидравлическими сопротивлениями при движении жидкости в кольцевом пространстве. Потерями дав­ления в бурильных трубах можно пренебречь.

Один комментарий на “Определение давления нагнетания буровых насосов”