Гидравлический расчет циркуляционной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Гидравлический расчет циркуляционной системы

гидравлический буровой циркуляционный трубопровод

Чтобы правильно выбрать технологические характеристики гидравлического оборудования и определить для каждого конкретного случая необходимые параметры циркуляционного потока в скважине для безаварийной ее проводки или ликвидации аварии, необходимо рассмотреть основы теории и расчетные зависимости применительно к гидродинамическим процессам в бурящихся скважинах.

Современная технология бурения скважин предполагает систематическое использование циркулирующих промывочных агентов для транспортирования разрушенной горной породы на дневную поверхность, обеспечения необходимого противодавления на проходимые скважиной горные породы, подачи энергии к долоту и забойному двигателю, ликвидации пластовых флюидопроявлений, а также для задавливания открыто фонтанирующих скважин и т.д.

1.1 Гидравлические потери давления при бурении интервала 70 - 318 м

Таблица 1.1 - Режим бурения интервала 70 - 318 м

Название обсадной колонны	Интервал бурения, м	Режим бурения
	от	до	Осевая нагрузка, кН	Частота вращения ротора, мин-1	Расход бурового раствора, л/с
Кондуктор	70	318	104,76	92	42

Таблица 1.2 - Тип и свойства бурового раствора

Тип бурового раствора	Глинистый
Плотность (с), кг/м3	1035
Пластическая вязкость (з), Па.с	0,05
Динамическое напряжение сдвига (ф0), Па	2,5



Таблица 1.3 - КНБК для бурения интервал 70 - 318 м

№	Наименование	Наружный диаметр, мм	Внутренний диаметр, мм	Замковое соединение	Длина, м	Сумма длины, м
1	Долото	349,2	-	З-152	-
2	УБТС2-229	229	90	З-171	6	54
3	УБТС2-178	178	80	З-147	6	12
4	УБТС2-146	146	68	З-121	6	12
5	ТБВК-114	114,3	96,3	ЗУК-146	12	240

Таблица 1.4 - Характеристики элементов наземного оборудования и нагнетательного трубопровода

Наименование	Условный размер элемента, мм	Диаметр проходного канала, мм
Стояк	114	-
Буровой рукав	-	76
Вертлюг	-	90
Ведущая труба	112x112	74
Нагнетательный трубопровод от стояка до бурового насоса	114	-

Скорость течения в участках циркуляционной системы определяется по формуле:

,

Где Q - расход бурового раствора, м³/с;

D_с - диаметр скважины, м;

;

d_н - наружный диаметр бурильных труб, м;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-229:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-178:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-146:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и бурильными трубами:

;

в кольцевом пространстве между обсадной колонной и бурильными трубами:

при значении внутреннего диаметра направления d_в = 357 мм;

в бурильных трубах: ;

в УБТС2-229: ;

в УБТС2-178: ;

в УБТС2-146: .

Число Хедстрема определяется по формулам:

для трубного пространства;

для кольцевого пространства,

где ф₀ - динамическое напряжение сдвига бурового раствора, Па;

з - пластическая вязкость бурового раствора, Па?с;

в бурильных трубах: ;

в УБТС2-229: ;

в УБТС2-178: ;

в УБТС2-146: ;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-229:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-178:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-146:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и бурильными трубами:

;

в кольцевом пространстве между обсадной колонной и бурильными трубами:

.

Критическое число Рейнольдса определяется по формуле:

;



для бурильных труб: ;

для УБТС2-229: ;

для УБТС2-178: ;

для УБТС2-146: ;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-229:

;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-178:

;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-146:

;

для кольцевого пространства между скважиной и бурильными трубами:

;

для кольцевого пространства между обсадной колонной и бурильными трубами: .

Критическая скорость определяется по формулам:

для трубного пространства;

для кольцевого пространства;

для бурильных труб: ;

для УБТС2-229: ;

для УБТС2-178: ;

для УБТС2-146: ;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-229:

;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-178:

;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-146:

;

для кольцевого пространства между скважиной и бурильными трубами:

;

для кольцевого пространства между обсадной колонной и бурильными трубами: .

Поскольку v_в > v_кр, режим течения в бурильной колонне турбулентный, а в кольцевом пространстве, где v_в < (v_к)_кр - ламинарный.

Гидравлические потери в бурильных трубах и УБТ определяются по формуле:

,

где l - длина трубы;

- средняя скорость течения бурового раствора;

d_в - внутренний диаметр труб;

л_m - коэффициент гидравлических сопротивлений труб,



; ;

в бурильных трубах:

;

;

;

в УБТС2-229:

;

;

;

в УБТС2-178:

;

;

;

в УБТС2-146:

;

;

;

Гидравлические потери в кольцевых пространствах определяются по формуле:

,

где в_к - безразмерный коэффициент, определяется по кривым рис. 3.1 в зависимости от числа Сен-Венана - Ильюшина (Sen),

;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-229:

;

;

Рисунок 1.1 - Зависимость безразмерного коэффициента в_к от числа Сен-Венана - Ильюшина в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-178:



;

;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-146:

;

;

в кольцевом пространстве между скважиной и бурильными трубами:

;

;

в кольцевом пространстве между обсадной колонной и бурильными трубами:

;

.

Потери давления в бурильных замках определяются по формуле:

,

где ж - коэффициент местных сопротивлений бурильного замка,

для бурильного замка ЗН;

для бурильного замка ЗШ,

d_min - минимальный диаметр проходного канала высаженного внутрь конца трубы, м;

d_б.з.н - наименьший диаметр проходного канала бурильного замка, м;

i_б.з - число бурильных замков в рассматриваемом участке;

; ;

.

Потери давления в сужениях кольцевого пространства бурильными замками определяются по формуле:

, где ж_к определяется по формуле:

;

;

, т.е. p_к.б.з пренебрежимо малы.

Потери давления в элементах наземной обвязки определяются по формуле:

,

где a_i - коэффициент сопротивлений элемента циркуляционной системы, м^-4, значения которого можно найти в рис.3.2;

.

Рисунок 1.2 - Значения коэффициента сопротивлений элемента циркуляционной системы

Потери давления в горизонтальной части нагнетательного трубопровода находим по формуле:

,

где d - наружный диаметр нагнетательного трубопровода, м;

д - толщина стенки трубопровода, д = 0,011 м;

л - коэффициент гидравлического сопротивления, л = 0,02;

L - длина нагнетательного трубопровода, м.

.

Поскольку , гидравлическая мощность на забое согласно графику рис. 3.3 должна быть .

Перепад давления в насадках определяется по формуле:

где p_раб - рабочее давление, которое может создавать насос при подаче Q, Па; p_раб = 19 МПа;

- гидравлические потери в кольцевом пространстве скважины, Па;

N_г - гидравлическая мощность;

- гидравлические потери в бурильных трубах, УБТ и бурильных замках;

Рисунок 1.3 - Зависимость между минимально необходимой гидравлической мощностью на забое и удельной осевой нагрузкой, частотой вращения при роторном бурении гидромониторными шарошечными долотами с симметричной схемой промывки

С учетом ориентировочно принимаем .

Суммарная площадь выходных сечений насадок долот определяется по формуле:

,

где м_н - коэффициент расхода, зависящий от конфигурации насадки, отношения длины проходного канала к диаметру и числа Рейнольдса;

для обычных долот ;

для гидромониторных долот с более совершенной конфигурацией входного участка ;

при перепаде p_д = 11 МПа, Q = 42 л/с и Q_y = 0:

.

Зная f_н, можно подобрать число и диаметр насадок, суммарная площадь которых близка расчетной f_н = 320 мм². Выбираем сочетание диаметров насадок 10-12-12 мм.

Средняя скорость истечения бурового раствора из долотных насадок:

.

Потери давления на всех участках циркуляционной системы:

1.2 Гидравлические потери давления при бурении интервала 318-1663м

Таблица 1.5 - Режим бурения интервала 318 - 1663 м

Название обсадной колонны	Интервал бурения, м	Режим бурения
	от	до	Осевая нагрузка, кН	Частота вращения ротора, мин-1	Расход бурового раствора, л/с
Промежуточная	318	1663	107,96	69	24

Таблица 1.6 - Тип и свойства бурового раствора

Тип бурового раствора	Соленасыщенный
Плотность (с), кг/м3	1220
Пластическая вязкость (з), Па.с	0,05
Динамическое напряжение сдвига (ф0), Па	5



Таблица 1.7 - КНБК для бурения интервал 318 - 1663 м

№	Наименование	Наружный диаметр, мм	Внутренний диаметр, мм	Замковое соединение	Длина, м	Сумма длины, м
1	Долото	269,9	-	З-152	-	-
2	УБТС2-203	203	80	З-161	6	66
3	УБТС2-146	146	68	З-121	6	24
4	ТБВК-114	114,3	96,3	ЗУК-146	12	1260

Таблица 1.8 - Характеристики элементов наземного оборудования и нагнетательного трубопровода

Наименование	Условный размер элемента, мм	Диаметр проходного канала, мм
Стояк	114	-
Буровой рукав	-	76
Вертлюг	-	90
Ведущая труба	112x112	74
Нагнетательный трубопровод от стояка до бурового насоса	114	-

Скорость течения в участках циркуляционной системы:

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-203:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-146:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и бурильными трубами:

;

в кольцевом пространстве между обсадной колонной и бурильными трубами:

при значении внутреннего диаметра кондуктора d_в = 277 мм;

в бурильных трубах: ;

в УБТС2-203: ;

в УБТС2-146: .

Число Хедстрема в бурильных трубах: ;

в УБТС2-203: ;

в УБТС2-146: ;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-203:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-146:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и бурильными трубами:

;

в кольцевом пространстве между обсадной колонной и бурильными трубами:

.

Критическое число Рейнольдса для бурильных труб:

;

для УБТС2-203: ;

для УБТС2-146: ;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-203:

;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-146:

;

для кольцевого пространства между скважиной и бурильными трубами:

;

для кольцевого пространства между обсадной колонной и бурильными трубами: .

Критическая скорость:

для бурильных труб: ;

для УБТС2-203: ;

для УБТС2-146: ;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-203:

;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-146:

;

для кольцевого пространства между скважиной и бурильными трубами:

;

для кольцевого пространства между обсадной колонной и бурильными трубами: .

Поскольку v_в > v_кр, режим течения в бурильной колонне турбулентный, а в кольцевом пространстве, где v_в < (v_к)_кр - ламинарный.

Гидравлические потери в бурильных трубах и УБТ определяются по формуле:

,

где l - длина трубы;

- средняя скорость течения бурового раствора;

d_в - внутренний диаметр труб;

л_m - коэффициент гидравлических сопротивлений труб,

; ;

в бурильных трубах:

; ;

;

в УБТС2-203:

; ;

;

в УБТС2-146:

; ;

;

Гидравлические потери в кольцевых пространствах определяются по формуле:

,

где ;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-203:

;

;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-146:

;

;

в кольцевом пространстве между скважиной и бурильными трубами:

;

;

в кольцевом пространстве между обсадной колонной и бурильными трубами:

;

;

Так как гидравлические потери в кольцевых пространствах малы, можно не учитывать при расчёте потерь давления.

Потери давления в бурильных замках:

; ;

.

Потери давления в сужениях кольцевого пространства бурильными замками:

;

, т.е. p_к.б.з пренебрежимо малы.

Потери давления в элементах наземной обвязки:

.

Потери давления в горизонтальной части нагнетательного трубопровода:

.

Поскольку , гидравлическая мощность на забое согласно графику рис. 3.3 должна быть .

Перепад давления в насадках

С учетом ориентировочно принимаем .

Суммарная площадь выходных сечений насадок долот при перепаде p_д = 11 МПа, Q = 24 л/с и Q_y = 0:

.

Зная f_н, можно подобрать число и диаметр насадок, суммарная площадь которых близка расчетной f_н = 198,6 мм². Выбираем одна насадка с диаметром канала 16 мм.

Средняя скорость истечения бурового раствора из долотных насадок:

.

Потери давления на всех участках циркуляционной системы:

1.3 Гидравлические потери давления при бурении интервала 1663 - 1800 м

Таблица 1.9 - Режим бурения интервала 1663 - 1800 м

Название обсадной колонны	Интервал бурения, м	Режим бурения
	от	до	Осевая нагрузка, кН	Частота вращения ротора, мин-1	Расход бурового раствора, л/с
Эксплуатационная	1526	1800	133,35	79	10



Таблица 1.10 - Тип и свойства бурового раствора

Тип бурового раствора	ЭРУО
Плотность (с), кг/м3	1079
Пластическая вязкость (з), Па.с	0,04
Динамическое напряжение сдвига (ф0), Па	2,5

Таблица 1.11 - КНБК для бурения интервал 1663 - 1800 м

№	Наименование	Наружный диаметр, мм	Внутренний диаметр, мм	Замковое соединение	Длина, м	Сумма длины, м
1	Долото	190,5	-	З-117	-	-
2	УБТС2-146	146	68	З-121	6	192
3	ТБВК-114	114,3	96,3	ЗУК-146	12	1608

Таблица 1.12 - Характеристики элементов наземного оборудования и нагнетательного трубопровода

Наименование	Условный размер элемента, мм	Диаметр проходного канала, мм
Стояк	114	-
Буровой рукав	-	76
Вертлюг	-	90
Ведущая труба	112x112	74
Нагнетательный трубопровод от стояка до бурового насоса	114	-

Скорость течения в участках циркуляционной системы:

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-146:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и бурильными трубами:

;

в кольцевом пространстве между обсадной колонной и бурильными трубами:

при значении внутреннего диаметра промежуточной колонны d_в = 199 мм;

в бурильных трубах: ;

в УБТС2-146: .

Число Хедстрема в бурильных трубах: ;

в УБТС2-146: ;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-146:

;

в кольцевом пространстве между скважиной и бурильными трубами:

;

в кольцевом пространстве между обсадной колонной и бурильными трубами:

.

Критическое число Рейнольдса для бурильных труб:

;

для УБТС2-146: ;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-146:

;

для кольцевого пространства между скважиной и бурильными трубами:

;

для кольцевого пространства между обсадной колонной и бурильными трубами: .

Критическая скорость:

для бурильных труб: ;

для УБТС2-146: ;

для кольцевого пространства между скважиной и УБТС2-146:

;

для кольцевого пространства между скважиной и бурильными трубами:

;

для кольцевого пространства между обсадной колонной и бурильными трубами: .

Поскольку 2,75 > 1,86, режим течения в УБТС2-146 турбулентный, 1,37 < 1,57 режим течения в бурильных трубах ламинарный, а в кольцевом пространстве, где v_в < (v_к)_кр - ламинарный.

Гидравлические потери в УБТС2-146 :

; ;

.

Гидравлические потери в бурильных трубах определяется по формуле:

,

где в - безразмерный коэффициент, определяется по кривым рис. 3.1 в зависимости от числа Сен-Венана - Ильюшина (Sen),

;

; .

Гидравлические потери в кольцевых пространствах определяются по формуле:

,

где в_к - безразмерный коэффициент, определяется по кривым рис. 3.1 в зависимости от числа Сен-Венана - Ильюшина (Sen),

;

в кольцевом пространстве между скважиной и УБТС2-146:

;

;

в кольцевом пространстве между скважиной и бурильными трубами:

;

;

в кольцевом пространстве между обсадной колонной и бурильными трубами:

;

.

Потери давления в бурильных замках определяются по формуле:

,

где ж - коэффициент местных сопротивлений бурильного замка,

для бурильного замка ЗН;

для бурильного замка ЗШ,

d_min - минимальный диаметр проходного канала высаженного внутрь конца трубы, м;

d_б.з.н - наименьший диаметр проходного канала бурильного замка, м;

i_б.з - число бурильных замков в рассматриваемом участке;

; ;

.

Потери давления в сужениях кольцевого пространства бурильными замками:

;

.

Потери давления в элементах наземной обвязки:

.

Потери давления в горизонтальной части нагнетательного трубопровода:

.

Поскольку , гидравлическая мощность на забое согласно графику рис. 3.3 должна быть .

Перепад давления в насадках:

С учетом ориентировочно принимаем .

Суммарная площадь выходных сечений насадок долот при перепаде p_д = 12,5 МПа, Q = 10 л/с и Q_y = 0:

.

Зная f_н, можно подобрать число и диаметр насадок, суммарная площадь которых близка расчетной f_н = 73 мм². Выбираем одну насадку диаметром 10 мм.

Средняя скорость истечения бурового раствора из долотных насадок:

.

Потери давления на всех участках циркуляционной системы:



Таблица 1.13 - Гидравлические программы бурения

Название обсадной колонны	Интервал бурения, м	Потери давления на участке, МПа	Средняя скорость истечения бурового раствора из долотных насадок, м/с	Суммарная площадь выходных сечений насадок долот, мм2	Перепад давления в насадках, МПа	Сочетание диаметров насадок, мм
	от	до
Кондуктор	70	318	15,64	131,25	320	11	10-12-12
Промежуточная	318	1663	15,2	120,85	198,6	11	16
Эксплуатационная	1663	1800	14,7	136,99	73	12,5	10



Заключение

Выполнены все задачи для определения перепадов давления в циркуляционной системе при бурении технической и эксплуатационной колонны. Цель работы была достигнута. Направлением дальнейшей работы является усовершенствование формул для определения потерь.

Список использованных источников

1. ИРНИТУ СТО 005-2015. Система менеджмента качества. Учебно-методическая деятельность. Оформление курсовых и дипломных проектов (работ) технических специальностей. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2015 - 39 с

2. Федеральныенормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности». Серия 08. Выпуск 19. --М.: Закрытое акционерное общество«Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2013.--288 с.

3. Заливин В.Г. «Осложнения при бурении нефтегазовых скважин»: учебное пособие / В. Г. Заливин. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. - 247 с.

4. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Сердюк Н.И. «Расчеты в бурении: справочное пособие». М.: РГГРУ, 2007 - 668с.

Размещено на Allbest.ru

...