Потери давления, обусловленные наличием соединений труб (замков, муфт).
Бурильные трубы имеют замки, обсадные и насосно-компрессорные трубы – муфты. При прохождении соединений как внутри труб, так и в заколонном пространстве, теряется энергия на преодоление гидравлических сопротивлений.
9.1. Потери давления в соединениях нефтепромысловых труб
(внутри их).
В замках бурильных труб любых конструкций есть местные сужения и расширения. Это утверждение справедливо как для труб с навернутыми замками (рис. 9.1), так и для труб с приваренными замками. Наличие сужений вызывает изменения средней скорости движения потока в сторону увеличения, а в местах расширения канала, наоборот, наблюдается торможение потока. Всё это приводит к возникновению потерь давления, которые по своей природе являются типичными местными потерями.
Известно, что любые местные потери давления (за исключением "резкого расширения") определяются по формуле Вейсбаха:
, (9.1)
где xм - коэффициент местного сопротивления, определяемый экспериментально;
vм - средняя скорость потока в одном из произвольно выбранных характерных сечений местного сопротивления.
Поскольку vм2ρ/2 - это гидродинамическое давление потока (аналог понятия "скоростной напор"), то получается, что потери давления измеряются в единицах (в масштабе) гидродинамического давления в одном из сечений местного сопротивления. Следовательно, величина xм для данного конкретного сопротивления (в том числе замкового соединения) зависят от выбора vм , поскольку величина рм остается, естественно, без изменения.
|
|
|
Если самое "узкое" сечение в замке имеет диаметр dо (рис. 9.1), а внутренний диаметр бурильных труб (до и после замка) равен dв , то в качестве характерной скорости можно выбрать сечения с диаметрами либо dо, либо dв.
Одни и те же трубы в принципе могут оснащаться (и оснащаются) замками, имеющими разные dо. В тоже время диаметр dв по сравнений с dо более стабилен, более "консервативен", наконец, более известен. Поэтому целесообразно в качестве характерной скорости принять среднюю скорость по телу грубы, то есть vм = vв.
Е.М. Курнев экспериментально установил, что с достаточной для практических расчетов точностью потери давления в любом замковом соединении бурильных труб, если в нём имеется сужение (dо < dв), можно определить по формулам:
, (9.2)
. (9.3)
Таким образом, достаточно знать dо , dв , vв , чтобы однозначно вычислить дополнительные потери давления, обусловленные наличием соединения.
Несмотря на очевидную завершенность вопроса, попробуем взглянуть на проблему несколько нетрадиционно.
|
|
|
Представляется целесообразным потери давления в соединениях определять в долях от линейных потерь в трубах между соединениями.
Рис. 9.1. Соединение бурильных труб с помощью навернутых замков.
На одну трубу ("одиночку") приходится одно соединение. Следовательно, общие потери давления рт на длине одной трубы будут равны сумме линейных рв и местных рм потерь давления:
рт = рв + рм . (9.4)
Если принять, что буровая промывочная жидкость движется в трубах в области квадратичного трения (lв = const), то получим:
, (9.5)
где lо - длина одной стандартной трубы.
Введем новое понятие: коэффициент Км , измеряющий общие потери давления в трубе в долях от линейных
. (9.6)
Совершенно очевидно, что для любых труб, где есть местные потери в соединениях, Км > 1.
Подставим в выражение (9.6) значения рм и рв:
. (9.7)
Для квадратичной области можно принять lв = 0,02 , тогда
. (9.8)
Величину lв мы условились принять постоянной, а величина lо определяется стандартом на бурильные трубы. Поскольку для каждого конкретного стандартного замкового соединения dо известно, то получается, что величина Км однозначно характеризует стандартную бурильную трубу с точки зрения соотношения линейных и местных сопротивлении. А это означает, что и Км становится "стандартной" характеристикой стандартной трубы. Использование коэффициента Км существенно упрощает определение общих потерь давления в бурильной колонне:
|
|
|
. (9.9)
Если окажется, что фактическое значение lв существенно отличается от 0,02, а фактическая длина "одиночки" lо.ф не равна стандартной длине lо , то можно легко пересчитать стандартное значение Км на фактические условия по формуле:
. (9.10)
При структурном режиме движения следует умножать на Км не все потери, а только ту часть потерь, которые зависят от Q (первый член формулы Бингама).
В обсадных и насосно-компрессорных трубах, а также в соединениях некоторых конструкций бурильных труб (типа ТБНК, например) канал имеет местное расширение. В таких случаях можно принять Км = 1,05.
9.2. Потери давления при "обтекании" соединений труб
в заколонном пространстве.
|
|
|
При прохождении замков или муфт в заколонном пространстве (рис. 9.2) буровой раствор, приближающийся к соединению со средней скоростью vкт , входя в меньший зазор между скважиной и замком (муфтой), получает новую (большую) скорость vкм, которую вновь затем теряет, входя в зазор между скважиной и телом трубы.
Нетрудно заметить, что жидкость проходит три вида сопротивлений:
- местные при резком сужении при входе в зазор за замками (муфтой);
- линейные на участке длины замка;
- местные при резком расширении кольцевого канала.
Проведем два сечения (рис. 9.2). Сечение 1-1 разместим перед входом в узкий зазор, а сечение 2-2 - после прохождения места резкого расширения потока. Составим уравнение Бернулли для этих двух сечений, пренебрегая первым членом уравнения:
, (9.11)
где р1-2 - потери давления на участке от сечения 1-1 до сечения 2-2.
Рис. 9.2. Форма заколонного пространства в месте соединений труб.
Из уравнения (9.11) следует, что
р1 – р2 = р1-2 . (9.12)
Потери давления p1-2 равны сумме названных выше трех видов сопротивлении. Потери при резком сужении:
. (9.13)
Линейные потери, как известно, зависят от режима течения, поэтому ограничимся тем, что обозначим их через рлм .
Потери давления при резком расширении определим по известной формуле Борда:
. (9.14)
В результате имеем (обозначим общие потери через ркм):
. (9.15)
Пользуясь уравнением неразрывности
vкм fкм = vкт fкт ,
где fкм и fкт - соответственно площади сечения зазоров за замками и трубами, выразим vкт через vкм . Тогда (9.15) преобразуется к виду:
.
Представим выражение xрс - 1как xрс+1–2. Вспомним (из курса общей гидравлики), что
, (9.16)
где mрс – коэффициент расхода резкого сужения.
Тогда
.
В первом приближении mрс = 0,88…0,90. Тогда 1/mрс » 1,25.
В результате получим формулу:
. (9.17)
Если vкм выразить через Q , а сечения fкм и fкт, в свою очередь, через диаметры, то получим расчетную формулу для колонны длиной l при длине каждой трубы lо:
. (9.18)
Линейные потери давления рлм на длине одного замка lм определяют с учетом модели жидкости и режима течения по описанным в разделе 6 методикам. Порядок расчетов при этом традиционный. Вначале определяют Qк.кр затем по соотношению Q и Qк.кр определяют режим движения и выбирают соответствующую расчетную формулу для определения рлм .
10. Перепад давления в промывочной системе долот.
Как известно, существуют две разновидности промывочной системы долот: гидромониторная, при которой формируются достигающие забоя затопленные высокоскоростные струи, и негидромониторная, примером которой являются долота с так называемой "центральной" промывкой или алмазные долота. И те, и другие для обеспечения очистки забоя требуют "разгона" потока до некоторой скорости, на что необходимо иметь определенный перепад давления. С чисто гидравлической точки зрения промывочный узел долот является типичным местным сопротивлением, где присутствует ускорение скорости потока на участке сужения с приращения кинетической энергии потока в узком сечении с последующей потерей этой энергии после прохождения промывочного узла. Строго говоря, здесь перепад давления на долоте тут же теряется на нагревание потока в результате интенсивного перемешивания жидкости, в этом смысле следовало бы говорить о потере давления на долоте, а не о перепаде давления. Но все дело в том, что жидкость, проходя промывочную систему долот, совершает несомненную полезную работу по очистке забоя и долота, мера которой тем больше, чем больше перепад давления.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 834; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!