Совмещение гидравлических характеристик скважины и насосов.

⇐ ПредыдущаяСтр 17 из 26Следующая ⇒

На рис. 12.4. показаны гидравлические характеристики скважины (линии 1,2,3) и насосных агрегатов (одного насоса – линия 4; двух насосов – линия 5).

Линия "р – Q" (линия 3) пересекает гидравлические характеристики насосных агрегатов, представленных, например, пятью вариантами диаметров втулок, в точках М и N . Это означает, что подачи Q_1н и Q_2нявляются для скважины пpeдeльнo доcтижими. Проще говоря, имея данные насосные агрегаты, через данную конкретную скважину невозможно прокачивать жидкость с расходом, превышающим соответственно Q_1н и Q_2н .Следовательно, реальная область регулирования подачи находится левее указанных расходов.

12.4. Решение задачи совмещения гидравлических
характеристик скважины и насосов с учетом
технических и технологических ограничений

Кроме точек М и N , ограничивающих расход Q справа, существует ряд технических и технологических ограничений:

1. Общее ограничение на давление на буровой р_доп. На рис. 12.4 это соответствует расходу Q_доп . Это ограничение может "сработать" только при двух насосах.

Минимально технологически необходимый расход Q_min .

Величина Q_min определяется необходимостью очистки ствола и забоя скважины или другими технологическими факторами. Этот расход ограничивает слева реальную область регулирования (выбора) расхода Q .

Допустимые потери давления в заколонном пространстве.

Причины, побуждающие к такому ограничению, весьма серьезны. Это и предупреждение загрязнения продуктивного пласта, сохранение буримости (уменьшение дифференциального давления), предупреждение поглощения бурового раствора.

Рис. 12.4. Совмещение гидравлических характеристик насосов
и скважины.

Предположим, что допустимые потери давления равны р_к.доп. Тогда предельно допустимым расходом является Q_к.доп . Точка R находится правее всех характерных точек M и N. Это означает, что р_к.доп фактически снимает всякое ограничение на Q, поскольку величина р_к.доп задано чрезмерно большой.

Предположим теперь, что ограничение на потери в кольцевом пространстве уменьшено до величины р^’_к.доп . Тогда получится, что расход необходимо ограничивать величиной Q^’_к.доп . В итоге придется смириться с тем, что при учете всех трех вышеперечисленных ограничений доступная область регулирования (выбора) сузится до интервала от Q_min до Q^'_к.доп .

Вопросы рационального использования гидравлической мощности насосов.

Предположим, что сочетание гидравлических характеристик скважины и насосов отражается полностью на рис. 12.4. Предположим, что привод электрический (жесткий), а возможность регулирования ограничена пятью диаметрами цилиндровых втулок насосов (варианты I - V с подачами от Q₁ до Q₅ ).

Если все ограничения на выбор Q предопределены величинами Q_min и Q^’_к.доп, то получается, что нет никакого смысла использовать второй насос, поскольку любой расход в указанных пределах может быть обеспечен только при работе одного насоса, причем выбор ограничен только одним вариантом - втулками II с расходом Q₂ . Если бы привод был дизельным, то, вероятно, тот же расход Q₂ мог бы быть обеспечен втулками III в сочетании с уменьшением числа ходов насоса.

Итак, при электроприводе выбор останавливаем на единственно возможном варианте Q₂. Насос мог бы создать давление р₂, но здесь вспомним, что на буровой действует общее ограничение давления до величины р_доп< р₂. При расходе Q₂ на насосе будет давление, соответствующее точке "а" (таково р_н при Q₂ по гидравлической характеристике скважины). Но р_а < р_доп. Имеет место, следовательно, явное недоиспользование мощности и давления. При роторном бурении следует уменьшить сечение отверстий гидромониторных насадок так, чтобы перепад давления на долоте был равен отрезку "ав":

р_д =р_доп – р_п.

При турбинном бурении следует заменить турбобур на забойный двигатель, обеспечивающий увеличение перепада давления. Например, добавить одну или две новые секции турбобура.

Предположим, что ограничение р^’_к.доп снято и есть возможность увеличить Q. Реально в этом случае применение варианта втулок III (расход Q₃ при предельном давлении р₃), потому что следующий вариант IV находится в недоступной области, правее точки М. Тогда резерв давления для долота (или турбобура) будет равен отрезку с^’-III, а недоиспользованная часть давления – отрезку а^’ – III. Иначе говоря, вместо ограничения р_доп здесь следует использовать р₃.

Обращаем внимание на следующее обстоятельство. Если заменить насадки (с целью увеличения давления) или добавить секции турбобура, то линия 3 будет другой, а вот линия 2 останется на прежнем месте. Изменения коснутся только линии 3, потому что увеличатся перепады на долоте или турбобуре (отрезки са или с'а') при сохранении, повторяем, потерь давления (линии 2). При Q =Q₂ новая линия 3 непременно должна пройти через точку "в", а при Q=Q₃ – через точку III.

13. Расчет параметров промывки скважины и режима работы
буровых насосов.

13.1. Упрощенная методика пересчета параметров промывки
при изменении подачи насосов.

Вязкопластичные жидкости.

Вспомним, что существуют точные методы расчета потерь давления при структурном движении в трубном и в заколонном пространствах. Для трубы точным методом является уравнение Букингэма или предложенный Гродде метод решения этого уравнения. Формула Бингама по сравнению с упомянутыми методами расчета является приближенной, менее точной (как результат "отбрасывания" третьего члена в уравнение Букингэма). Если обозначить в (5.2):

то уравнение Бингама для трубного пространства будет иметь вид:

р_в =р_о.в+В_в Q. (13.1)

Аналогично для заколонного пространства:

Тогда

р_к =Р_о.к +В_кQ . (13.2)

Величины р_о.к , р_о.к ,В_в,В_к не зависят от Q , поэтому, если их знать, то пересчет р_в или р_к на новое значение Q не представляет никаких трудностей.

В практике расчетов возникает часто ситуация, когда известна, например, величина р_в₁, соответствующая некоторому известному Q₁, причем Q₁ < Q_кр. Чтобы получить для пересчета давлений уравнение типа (13.1), необходимо рассчитать величину р_о.в. Тогда В_в найдется по формуле:

. (13.3)

Аналогично для кольцевого пространства:

. (13.4)

Для долота, турбобура и манифольда потери (или перепады) давления определяются по единообразной формуле:

р =АrQ², (13.5)

и пересчет давлений для этих элементов не сопровождается новыми погрешностями, превышающими погрешность формул. Сложнее обстоит дело с турбулентным режимом течения в доквадратичной (переходной) области, когда в формуле Дарси-Вейcбаха l зависит от Q . Для ускорения пересчета р_в или р_к, на новое значение приходится принимать допущение (предположение): если р_в₁ или р_к₂ при Q = Q₁ найдены "строгим" путем, с учетом влияния Q на l , иначе говоря, с использованием формулы (6.9), то условно считается (принимается), что в окрестностях р_в₁ или р_к₂ существует квадратичная (параболическая) зависимость р_в или р_к от Q . Разумеется, такое допущение будет искажать результат пересчета с плюсовой ошибкой (завышать), когда Q₂ > Q₁, и занижать, когда Q₂<Q₁. Ошибка будет тем меньше, чем ближе Q к Q₁ . И напротив, ошибка р_в₂ или р_к₂ будет возрастать, когда Q "удаляется" от Q₁.

Обобщим изложенное. Проследим за изменением вида зависимости р_н =f(Q) по мере увеличения Q от малых значений до больших, соответствующих квадратичной области. Если в скважине только трубы и расход таков, что везде структурный режим, то

р_н=р_о +(В_в+В_к)Q . (13.6)

Если учесть потери давления в манифольде, турбобуре и долоте, то

р_н=р_о.в+р_о.к+(B_в+B_к)Q+(A_обв+А_трб+А_д)rQ² . (13.7)

Если приступить теперь к увеличению Q , то в одном из элементов циркуляционной системы (скорее всего в трубах) наступит турбулентный режим, что приведет к тому, что уравнение (13.7) видоизменится:

р_н= р_о.к+В_кQ +(A_обв+А_трб+А_д+А_в)rQ² . (13.8)

Если и в заколонном пространстве исчезнет структурный режим, то наступит ситуация:

р_н= (A_обв+А_трб+А_д+А_в+А_к)rQ² , (13.9)

что равноценно формуле (13.5).

В этом уравнении источником погрешности являются А_в и А_к, потому что в переходной области турбулентного течения они не могут считаться постоянными, поскольку:

, (13.10)

, (13.11)

где l_в и l_к являются функциями Re_* и Sen.

На практике часто возникает ситуация, когда нужно определить А для составления уравнений типа (13.5). Для этого необходимо определить "строгими" методами р, заведомо зная, что при выбранном Q_расч режим движения турбулентный, а затем найти искомое значение А:

. (13.12)

В практике расчетов часто приходится определять Q, при котором давление на насосах, например, когда оно равно некоторому наперед заданному значению (обратная задача). Предположим, что р_н ограничивается величиной р_доп. Если потери давления описываются уравнением (13.6), то искомый расход Q равен:

. (13.13)

Если функция р_н =f(Q) описывается уравнением (13.5), то

. (13.14)

Таким образом, при "чисто" структурном или "чисто" турбулентном режимах движения определение искомого Q выполняется достаточно просто.

Сложнее обстоит дело, когда зависимости р_н =f(Q) описываются уравнениями (13.7) или (13.8), когда приходится, строго говоря, искать корень полного квадратного уравнения. В таких случаях обычно прибегают к следующему допущению. Обычно сравнивают потери (или перепады) давления, относящиеся к турбулентному режиму движения, с суммой потерь давления на тех участках, где режим движения был структурным. Допущение заключается в том, что пренебрегается одной из этих сравниваемых величин. Если, например, "структурные" потери давления окажутся меньше "турбулентных", то все потери (перепады) условно относятся к турбулентным, а зависимость р_н =f(Q) относят к виду (13.5). В противном случае – к виду (13.2).

Псевдопластичная жидкость.

Строгие методики расчетов потерь давления описаны в разделах 7 и 8.

Если в одном из элементов в трубах имеет место ламинарный режим движения, то потери давления удобнее рассчитывать по формуле:

р =S_вQⁿ , (13.15)

где

. (13.16)