Определение расхода воздуха и давления на компрессоре при продувке скважины
Расход воздуха (в м3/мин) при нормальном давлении рассчитывается по формуле
У0 = 47,1 — К Кх {Щ. — сР) V, (VI.24)
где £с— диаметр скважины с учетом ее разработки, м; й—диаметр бурильных труб, м; К — коэффициент, учитывающий неравномерность скорости потока по стволу из-за местной повышенной
разработки, наличия каверн и водопритоков в скважину (К=
= 1,3—1,5); К — коэффициент, учитывающий уменьшение подъ
емной силы воздуха в глубоких скважинах вследствие потерь давления в кольцевом пространстве; значения коэффициента К ориентировочно могут быть приняты по данным прил. 13 или рассчитаны по формуле
^1=1/ — . (У1.25)
где ръ — давление в призабойной. зоне кольцевого пространства
скважины, МПа; ро—атмосферное давление на поверхности, МПа
(Ро=1*105 Па); V — скорость восходящего потока воздуха, обеспечивающая вынос наиболее крупных частиц шлама и охлаждение породоразрушающего инструмента. Для практических расчетов скорость восходящего потока воздуха принимают в следующих пределах: при бес-
керновом бурении шарошечными и лопастными долотами 15— 18 м/с; при твердосплавном и алмазном бурении 10—12 м/с. При алмазном бурении следует брать высокие значения скорости восходящего потока воздуха в связи с худшими условиями охлаждения породоразрушающего инструмента при продувке.
Расчет давления воздуха при
Рнс. 9. Схема к расчету продувки скважины воздухом
продувке производится по методике, предложенной Б. Б. Кудряшовым [43].
Расчет потерь давления ведется в направлении, обратном движению воздуха. При этом весь путь движения воздуха разбивается на участки, отличающиеся разным сечением канала потока. Упрощенная схема движения потока воздуха в скважине приведена на рис. 9. Участки 1 и41 находятся в кольцевом пространстве скважины, где движется восходящий поток воздуха. Участки III, IV и V рассматриваются внутри колонковой трубы и бурильных труб,, где движется нисходящий поток воздуха.
Потери давления на любом участке кольцевого пространства скважины
= 10-.. У^+М1+**)«/ +рн(1+и)б/
1 — (I — 1Л) 6/ ’ 1 /
р
где а и Ь — сокращающие обозначения, рассчитываемые по следующим формулам:
о1ит
« —: (VI.27)
ь = £§^~, (VI. 28)
Рп> Рк — давление в начале и конце участка по ходу расчета, Па; (?о — массовый расход воздуха, кг/с; Т — средняя температура в скважине, К; — площадь сечения канала, м2; Я — газовая постоянная (для воздуха Я=287 Дж/(кг-К); А» — эквивалентный диаметр канала, м (для кольцевого пространства О0=Ос—<1, для круглого сечения Ц>=^1); Р — угол наклона скважины к горизонту, градус; / — длина участка, м; к — безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления для любого участка постоянного сечения, рассчитывается по формуле Веймаута
Я = 0,009407/£/Ц (VI .29)
1 — расходная концентрация породного шлама в потоке, определяемая как р. = 0п/0о, где — масса породы, выносимая с забоя скважины, кг/с,
0„ рпгмис, СПЩ
где ВК — выход керна, %; — диаметр керна, м; рп — плотность
горной породы, кг/м3; име1 — механическая скорость бурения, м/с. Безразмерный коэффициент Гастерштадта кг определяется в зависимости от вида породоразрушающего инструмента: для алмазных коронок и долот /гг=0,5-Ы; для твердосплавных коронок &г= 14-1,5; для шарошечных, лопастных долот и пикобуров 6Г= = 1,54-2 [43]. Значения кт в указанных пределах нужно принимать тем больше, чем мягче порода и крупнее шлам.
‘ 0Л.31)
60ЯГ ‘ ‘
Потери давления на участках нисходящего потока
, №32)
1 ы
где /э — длина бурильных труб, аэродинамические потери давления на которой эквивалентны потерям давления на преодоление местных сопротивлений в соединениях бурильной колонны, м.
Эквивалентная длина бурильных труб рассчитывается по формуле
где п — число местных сужений; £ — безразмерный коэффициент местного сопротивления, рассчитываемый по формуле (VI. 17).
Выбор компрессора для осуществления бурения с продувкой может быть произведен по расходу и давлению воздуха в соответствии £ данными прил. 7.
Пример 6. Рассчитать расход и давление воздуха при продувке скважины глубиной 500 м. Бурение производится твердосплавной коронкой СМ6 диаметром 76 мм, бурильные трубы 50МЗ, колонковая труба длиной 4,5 м диаметром 73 мм. Средняя температура воздуха 20 °С. Скважина вертикальная. Бурение производится по известнякам с механической скоростью Умех=1,9 м/ч, выход керна составляет 85 %.
На основании расчетов произвести выбор компрессора.
Решение. I. Расчет потребного расхода воздуха производится по формуле (У1.24). Задаваясь скоростью восходящего потока ^=12 м/с и принимая /С=1,3,
по данным прил.13 принимаем ориентировочно /С|=1,09. Получим расход возду
ха
V = 47,1 х 1,3 х 1,09(0,0783 — 0,050*) X 12 = 3 м8/мин.
Массовый расход воздуха находят по формуле (У1.31)
0 60 X 287 х 293
2. Определение давления воздуха:
а) расчет давления воздуха в конце I участка — от устья скважины до начала колонковой трубы по кольцевому пространству.
Исходные данные для расчета: длина участка /1=500—4,5=495,5 м, й9 = = 0.078-0,050=0,028 м; /?, = 0,785• (0,0782—0,0502) =0,0028 м2:
По формуле (У1.29) находим
^=м^ = 3>097.10_,
У 0,028
По формулам (У1.27) и (У1.28) рассчитываем значения
9,81 хэтЭО’ с.
1 2 X 287 х 293 ~
Поскольку в кольцевом пространстве воздух несет шлам, рассчитаем значение расходной концентрации. Для этого по формуле (У1.30) находим
0„ = ^0,078» — 0,057»^ 2900 X 3,17.10-« = 3,055-10-1 кг/с.
Значение рп взято из прил. 15; диаметр керна принят в соответствии с размером коронки. ♦
Безразмерный коэффициент Гастерштадта принимаем в соответствии с рекомендациями (Аг~1)-
Расходная концентрация составит ^=3,055* 10-70,059=5,18. По формуле (У1.26) рассчитаем значение давления в конце I участка
|
V |
(ЫО6)* + 3,097*10“* (1 + 1*5,18) 1,33* 10е* 495,6+
-Ы*10**5,83-10-5.495,5
Ркг =
1 —5,83*10—**495,5 = 0,366 МПа;
б) расчет давления воздуха в конце II участка — от верха колонковой трубы до забоя по кольцевому пространству.
Исходные данные для расчета: длина участка /г=4,5;
Д>а = 0,078 — 0,073 = 0,005 м; = 0,785 (0,078* — 0,073*) =. 5,92*10-* м*;
0,009407
=-—=7=5,4*10-»;
у 0,005 .
°,°59. X 287 у 29.3_ _ ,0
3 0,005+ 5,92** 10-е
*
Подставив исходные данные в формулу (У1.26) ,и приняв конечное давление на первом участке как начальное для второго, получим
рка=Ю-«1^ 3,662*101°+ 5,4*10-аХ 6,18 X 1,67*104×4,5 =0,62 МПа
в) расчет давления воздуха в конце III участка — от забоя до конца керна
в колонковой трубе.
Исходные данные для расчета: длина участка /з=3,83 м (выход керна 85 % при длине рейса 4,5 м); £>03=0,063—0,057=0,006 м (внутренний диаметр колонковой трубы принят по данным табл, 7);
?ь = 0,785 (0,063* —0,057*) — 5,65* 10“4 м*;
4 , 0,009407 г.
————— = 5.09-10“*;
^0^
0,059* X 287 X 293
= 1,53.1011.
3 0,006 х 5,65*. 10-е
В III участке движется нисходящий поток, поэтому расчет давления в конце участка производится по формуле (У1.32)
ркз = Ю-« уб,2.1010 + 5,09.Ю-* X 1,53-Ю11 X 3,83 = 0,64 МПа.
При расчете давлений воздуха на II и III участках в связи с малыми длинами этих участков формулы (У1.26) и (У1.32) упрощаются, так как вторыми членами в числителе и знаменателе можно пренебречь;
г) расчет давления в конце IV участка, т. е. давления на компрессоре. IV участок принимается от конца керна в колонковой трубе до компрессора внутри бурильных труб. Изменением диаметра канала потока на участке от верха колонковой до начала керна пренебрегаем в связи с малой его длиной (0,67 м).
Исходные данные для расчета: длина участка /4=500—3,83=496,17 м;
=^1 = 0,039 м; Л=0,785*0,0392= 11,9.10-* м2;
0,009407
4 ~ ’ _____ =2,77-10-»;
У 0,039 0.059» X 287 х 293 °* 0,039 X 11,9 X Ю-8 ’ ‘ •
Учтем потери давления в соединениях бурильной колонны, число которых составит
500 111
Тогда, рассчитав по формуле (VI. 17) значение безразмерного коэффициента
Г /0,039а I8
по формуле (У1.33) найдем значение эквивалентной длины бурильных труб, сопротивления в которых равны сопротивлениям при движении воздуха в соединениях,
/,== 0,039 2 77Х10-»7 = 276-15 м-
По формуле (У1.32), приняв давление в конце III участка как начальное для IV участка, получим величину давления воздуха в конце IV участка, т. е. на компрессоре
Рк. = 10-« X
У’б,4*>101#4- 2,77-10”*«5,3-10* (496,17 + 276,15) + 6-10®-5,83-10-*-496,17 Х 1 — 5,83-10-*-496,17 —
= 0,725 МПа.
Таким образом, для осуществления бурения с продувкой воздухом заданной скважины потребуется компрессор, развивающий давление не менее 0,725 МПа при расходе воздуха 3 м3/мин. По данным прил. 7 выбираем компрессор ПК-10.