Потери давления при бурении на нефть и газ

При турбулентном режиме течения в бурильных трубах и УБТ гидравлические потери (в Па) вычисляют по формуле Дарси-Вейсбаха

     (14.39)

при ламинарном режиме течения вязкопластичной жидкости

p_m=4τ₀l/βd₁(14.40)

а вязкой жидкости по формуле (11.20) при

λ_m=64/Re.              (14.41)

Здесь λ_т - коэффициент гидравлических сопротивлений труб; l -длина труб, м; v - средняя скорость течения раствора м/с; d₁ - внутренний диаметр труб, м; β - безразмерный коэффициент, определяемый по кривым рис. 14.4 в зависимости от числа Сен-Венана - Ильюшина (Sen),

Sen = τ₀d /(ηv)           (14.42)

Re=vdρ_б.р/η         (14.43)

При расчете гидравлических потерь в кольцевом пространстве:

при турбулентном режиме                    (14.44)

при ламинарном течении вязкопластичной жидкости                     (14.45)

при ламинарном течении вязкой жидкости р_е определяться по формуле (11.25) при

                (14.46)

В выражениях (14.44)-(14.46) λ_к - коэффициент гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве; l_к - длина участка кольцевого пространства с диаметральным зазором D_c - d, м; D_c - средний диаметр рассматриваемого участка скважины, м; d - наружный диаметр бурильной колонны, м; β_к - безразмерный коэффициент, определяемый по кривым рис. 14.4 для кольцевого пространства; Re_к - число Рейнольдса для кольцевого пространства.

Рис.14.4. Зависимость безразмерного коэффициента βк, от числа Сен-Венана - Ильюшина: 1 - для труб; 2 - для соосного кольцевого пространства

Числа Сен-Венана и Рейнольдса для кольцевого пространства

                   (14.47)

                 (14.48)

Гидравлические потери при турбулентном течении можно рассчитать по формуле (14.39), если λ вычислить по формуле Блазиуса:

λ=ψ/Re0,25,            (14.49)

где ψ=0,3164 - для труб круглого поперечного сечения; ψ=0,339 - для кольцевого пространства; λ для ЛБТ на 10-15% меньше, чем для стальных труб.

Потери давления при течении раствора в бурильных замках приближенно можно рассчитать по формуле Борда — Карно

              (14.50)

а в сужениях кольцевого пространства бурильными замками

               (14.51)

где i_б.з - число бурильных замков в рассматриваемом участке.

Коэффициенты местных сопротивлений бурильного замка ЗН и ЗШ соответственно

             (14.52)

d_min - минимальный диаметр проходного канала высаженного внутрь конца трубы, м; d_б.э.н - наименьший диаметр проходного канала бурильного замка, м.

Коэффициент местных сопротивлений сужения кольцевого пространства бурильным замком

              (14.53)

В других элементах циркуляционной системы кроме долотных насадок и ГЗД

р_ц.с=Σа_iρ_б.рQ²              (14.54)

где а_i - коэффициент сопротивлений элемента циркуляционной системы, м^-4.

Смене ламинарного режима турбулентным соответствует критическое значение числа Рейнольдса:

Re_кр=7.3Не^0,58+2100           (14.55)

где Не - число Хедстрема,

He=ReSen=τ₀ρ_б.рd²/η²             (14.56)

в кольцевом пространстве

           (14.57)

Вычислив число Хедстрема, Reкр, можно найти также по графику (рис. 14.5). При турбулентном режиме v>vкр. Для потока в трубах   vкр=ηReкр/ρб.рd         (14.58) а в кольцевом пространстве              (14.59) Рис. 14.5. Кривая критических значений числа Рейнольдса перехода в турбулентный режим При роторном бурении гидромониторными долотами необходимая гидравлическая мощность Nr min приближенно может быть оценена в зависимости от удельной осевой нагрузки на долото Руд, частоты его вращения nд и диаметра Dд по рис. 14.6. Рис. 14.6. Зависимость между минимально необходимой гидравлической мощностью на забое и удельной осевой нагрузкой, частотой вращения при роторном бурении гидромониторными шарошечными долотами с симметричной схемой промывки. Числа у кривых указывают диаметр долота в мм.

Во избежание преждевременного выхода из строя промывочных узлов гидромониторных долот перепад давлений в насадках не должен превышать р_пред≈13 МПа. Поэтому перепад давлений в насадках долота при роторном бурении нужно выбрать с соблюдением следующих условий:

               (14.60)

где р_нм - наибольшее давление, которое может создавать насос при подаче Q, Па; Σр_k - гидравлические потери в кольцевом пространстве скважины, Па; N_г - гидравлическая мощность, найденная по рис. 14.6; Σр_т - гидравлические потери в бурильных трубах, УБТ и бурильных замках.

При бурении ГЗД

       (14.61)

где р_з.д - перепад давления в забойном двигателе, Па, при турбинном бурении

                   (14.62)

где p_табл - перепад давлений при расходе Q_табл бурового раствора с плотностью р_табл, Па.

При отсутствии опытных данных, объемную скорость утечек (в м3/с) через уплотнительный узел вала ГЗД можно вычислить по эмпирической формуле

             (14.63)

Для реализации перепада давлений рд в долоте при бурении с ГЗД необходимы насадки с площадью выходных сечений (м2)

                (14.64)

По величине ƒ_н устанавливают диаметр и число насадок гидромониторных долот.

Перепад давления в промывочных насадках буровых долот можно рассчитать по формуле

р_д=ρ_б.р.Q²/2μ²_нƒ²_н                         (14.65)

В формулах (14.64) и (14.65) μ_н - коэффициент расхода, зависящий от конфигурации насадки, отношения длины проходного канала к диаметру и числа Рейнольдса; при приближенных расчетах принимают для обычных долот μ_н≈0,64÷0,7,

а для гидромониторных долот с более совершенной конфигурацией входного участка μ_н=0,9÷0,95; ƒ_н - площадь выходных сечений насадок, м2; Q - в м3/с.

Для обеспечения циркуляции бурового раствора в заданном количестве насос должен развивать давление, которое складывается из суммы потерь давления (в Па) на всех участках циркуляционной системы

р_Σ=р_m +р_к+p_б.з.+р_б.з+р_ц.с+р_з.д+р_д             (14.66)