РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

В данном разделе курсовой работы производится расчёт потерь давления во всех элементах циркуляционной системы: бурильных трубах, кольцевом пространстве, бурильных замках, долоте, забойном двигателе, поверхностной обвязке насосов. Расчеты допускается производить на персональном компьютере, но один расчёт в каждом элементе должен быть выполнен и приведен в курсовом проекте со всеми выкладками. Результаты расчётов необходимо оформлять в виде таблицы, форма которой приведена в приложении 2. В таблицу заносятся только те данные, которые нужны для расчёта потерь давления. Например, при турбулентном режиме используется величина λ, а при ламинарном параметр Sен и β.

При течении жидкости в трубах и кольцевом пространстве потери давления определяются трением жидкости о стенки канала и зависят от режима течения, свойств жидкости и размеров канала, в частности его длины.

6.1. Критерии режима течения

Для ньютоновской жидкости режим течения определяется величиной параметра Рейнольдса Rе. Для ВПЖ Бингама режим течения определяется двумя критериями - Рейнольдса и Хедстрема. Приближенно режим течения ВПЖ может быть определен и по обобщенному параметру Рейнольдса Rе*. Формулы для расчета этих критериев и их критические значения приведены в табл. 4.

Таблица 4

Критерии турбулентности

Закон течения	Режим движения
Ламинарный	Турбулентный
Ньютона	U< U_кр Rе < 2300	U> U_кр Rе> 2300
Rе= U_кр= (29)
Бингама-Шведова	U< U_кр Rе < Rе_кр Rе* < 2000	U> U_кр Rе> Rе_кр Rе*> 3000
U_кр≈ 25 (30) Rе_кр=2100+7, 3 Hе^{0, 58} (31) Rе*= (32)
Освальда де-Вааля τ =к ^m τ =(η ´ dU/dr)m	U< U_кр	U> U_кр
U_кр^2-^m= (33) для затрубного пространства, U_кр^2-m= (34) для кольцевого пространства.

6.2. Основные расчетные формулы

Выбор расчетной зависимости зависит от вида жидкости и режима течения (табл. 4). Эксцентриситет кольцевого пространства приводит к уменьшению потерь давления особенно при ламинарном режиме течения. Зависимость коэффициента β от параметра Сен-Венана, используемого для расчета потерь давления ВПЖ в ламинарном режиме, дана на рис.2.

Рис 2. Зависимость коэффициента β от параметра Сен- Венана:

1-труба, 2-кольцевое пространство.

Таблица 5

Уравнения для расчета потерь давления

В трубах	В концентричном кольцевом пространстве	В эксцентричном кольцевом зазоре
Ньютоновская жидкость Δ P=λ ·L·U²·p_ж/2·D (35)
Rе < 2300
λ =64/Re	λ =96/Re	λ =96/Re(1+1, 5 e²) (36)
2300 < Rе < 50000
λ =0, 316/	λ =0, 316/∜ Re	λ = (0, 316-0, 093e) /∜ Re (37)
Rе > 50000
λ =0, 0121/D^{0, 2}²⁶	λ =0, 02	λ =0, 02
ВПЖ Бингама-Шведова τ =τ ₀ +η (dU/dr), Rе < Rе_кр, U< U_кр, Rе* < 2000 Δ P= (38)
Sen_T =	β =β (Sen_k ) Sen_k = τ ₀ (D_c- D_т)/η U	β =β (Sen_э ) Sen_э=
U> U_кр, Rе> Rе_кр, Rе> 3000 Δ Р= λ L U²p_ж/ 2D Rе ≤ 50000, Rе < 50000 λ = , λ = , (39) Rе > 50000, Rе* > 50000 λ = 0, 018- 0, 022 (40)

6.3. Расчет местных сопротивлений

В циркуляционную систему буровой входят элементы, в которых гидравлические потери не связаны с линейными размерами и могут быть определены по формуле

Δ Р = а Q² р_ж (41)

или

Δ Р = 0, 5ξ U² р_ж. (42)

Потери давления в них вызваны рассеиванием энергии при резком изменении скорости потока жидкости. К ним относятся бурильные замки, задвижки, колена и т.д. По этой же формуле могут рассчитываться и потери давления в долоте, турбобуре, поверхностной обвязке буровой.

Выражения для расчета коэффициентов а и ξ и их численные значения для некоторых участков циркуляционной системы показаны в приложении 1.

ВЫБОР НАСОСА

Выбирается насос, максимально допустимое давление которого [Р] при данном диаметре втулок (плунжеров) не меньше суммы потерь давления в элементах циркуляционной системы, а подача Q_H не меньше расчетного расхода Q_р, т.е.

[Р]> Σ Δ Р; Σ Q_H≥ Qр (43)

Если один насос не может удовлетворить этим условиям, выбираем

два насоса.

Следует иметь в виду, что в справочной литературе чаще всего указывается теоретически возможная производительность насоса Q₀; фактическая производительность насоса Q_ф, как правило, меньше и определяется в основном условиями всасывания.

При работе под залив коэффициент наполнения

К_н = Q₀ /Q_ф ≈ 0, 90÷ 0, 95.

При работе на всасывание К_н = 0, 8 - 0, 9. И лишь при работе с подпором К_н=1, 0.

Привод насоса может быть регулируемым (ДВС или электродвигатель постоянного тока), при этом частота ходов поршней (плунжеров) и, следовательно, подача насоса может изменяться в достаточно широком диапазоне. Если же привод насоса осуществляется от синхронного электродвигателя, то подача насоса может изменяться только при смене втулок (плунжеров).

Современные буровые установки имеют, как правило, один насос с регулируемым приводом. Буровые насосы могут быть двухпоршневыми двойного действия или трехплунжерными одинарного действия. Последние являются предпочтительными, т.к. обеспечивают менышие пульсации расхода и давления.

ВЫБОР РЕЖИМА РАБОТЫ НАСОСА

Он включает в себя выбор необходимого диаметра втулок (плунжеров) насоса и частоты ходов (при регулируемом приводе). Удобнее всего режим работы насоса выбирать исходя из НТС (НС) - номограмм.

НТС - номограммой называется график совмещенных гидравлических характеристик насоса, гидравлического двигателя (ГЗД) и скважины.

Гидравлической характеристикой бурового насоса называется зависимость его производительности, допустимого давления и мощности от диаметра втулок и частоты ходов в координатах Р - Q, N -Q. При регулируемом приводе производительность насоса может плавно изменяться изменением частоты ходов. При нерегулируемом приводе возможность плавного регулирования производительности насоса отсутствует. Это определяет различие характеристик насоса в зависимости от вида привода (рис. 3).

Гидравлической характеристикой ГЗД является зависимость перепада давления Δ Р_Т и гидравлической мощности N_т, срабатываемой в нем, от расхода. Строится в тех же координатах, что и характеристика насоса.

Гидравлической характеристикой скважины называется зависимость потерь давления и мощности во всех элементах циркуляционной системы, исключая ГЗД, от расхода промывочной жидкости и глубины скважины Δ Р_С=f(Q, L), N_С=f(Q, L).

Рис. 3. Характеристика насоса У8-6М с нерегулируемым (а) и регулируемым (б) приводом

Потери давления и мощности в циркуляционной системе откладываются на графике влево от линии давления или мощности насоса (рис. 5). Совмещая характеристики насоса, ГЗД и скважины, получаем НТС- номограмму (рис. 4). На НТС-номограмме можно построить характеристики нескольких ГЗД с тем, чтобы выбрать оптимальный вариант.

НС - номограмма строится аналогично. Только вместо характеристики ГЗД в координатах Р-Q, N-Q строится гидравлическая характеристика долота. Соответственно в характеристику скважины не включаются потери давления и мощности в долоте (рис. 6). На НС-номограмме также можно изобразить гидравлические характеристики долот с различной площадью промывочных отверстий.

Рис. 5. Совмещенные характеристики насоса и скважины в координатах

Рис. 6 HC – номограмма

Рис. 7. Режим промывки скважины при регулируемом (а) и нерегулируемом (б) приводе

Для выбора наилучшего ГЗД необходимо знать показатели бурения с каждым ГЗД. При отсутствии таких данных следует выбрать ГЗД с максимальным отношением М/п. При прочих равных условиях этот ГЗД обеспечивает более устойчивую работу долота при меньшей частоте вращения.

Возможные режимы промывки скважины по НС-номограмме (рис. 6) показаны в табл. 6. Оптимальным может считаться тот вариант, при котором к забою подводится наибольшая гидравлическая мощность и в то же время выполняются требования по выносу шлама на поверхность, недопущения гидроразрыва пород на стенках скважины, минимизации дифференциального давления. Из рис. 6 видно, что максимальная гидравлическая мощность на забое скважины во всём интервале бурения L₁-L₆ обеспечивается при гидромониторных насадках площадью S_нз

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒