Расчет потерь давления в элементах циркуляционной системы

4. Выбор турбобура

    При турбинном способе бурения выбранный расход промывочной жидкости Q, кроме очистки забоя и выноса шлама, должен обеспе­чить работу турбобура с заданным для разрушения породы момен­том М_р.

 

    Крутящий момент турбобура при работе на жидкости найден­ной плотности ρ и подаче насоса Q определяется из соотношения

    М_т = М_тн ,                                                               (6.10.6)

где М_тн, ρ_c, Q_тн — справочные данные турбобура (тормозной мо­мент на валу турбобура, плотность и расход жидкости) при номи­нальном режиме его работы.

Таблица.3 Основные характеристики гидравлических забойных двигателей

 

Шифр забойного двигателя

Наружный диаметр корпуса, мм

Расход жидкости, вода Q_тн∙10³, м³/с

Перепад давления ∆р_тн, МПа

Вращающий момент на валу при максимальной мощности, кН∙м

Частота вращения вала при максимальной мощности, од/мин

Длина, м

Турбобуры односекционные типа Т-12

Т12М3Е-172

3,0

0,65

8,4

Т12МЗБ-195

3,5

0,85

9,1

Т12МЗБ-240 или

 

 

 

 

 

 

Т12РТ-240

4,0

2,0

8,3

Турбобуры многосекционные шпиндельные типа ЗТ СШ

ЗТСШ1-172

6,0

1,0

17,2

ЗТСШ1-195

3,5

1,3

25,9

ЗТСШ1-195 ТЛ

3,0

1,75

25,9

ЗТСШ1-240

5,6

2,7

23,6

Турбобуры многосекционные шпиндельные типа А с наклонной линией давления

А6Ш

4,5

0,72

17,2

А7ГТШ

8,0

1,95

25,9

А9ГТШ

5,8

3,12

23,9

Турбобур с плавающим статором

ТПС-172

4,9

1,6

26,3

Винтовые забойные двигатели

Д-85

5-7

2,7-3,0

0,27-0,34

225-290

3,2

Д-127

12-15

3,5-4,5

1,0-1,2

200-250

4,4

Д-172М

23-36

4,0-6,0

2,9-4,15

115-220

6,9

Д1-195

25-35

4,0-5,0

6,5-8,0

80-100

7,7

Турбодолота колонковые типа КТД

КТД4С-172

8,3

1,88

17,6

КТД4С-195

5,5

1,21

25,9

 

6. По справочнику или табл. 3, составленной по данным ВНИИБТ, выбираем турбобур типа ЗТСШ-195ТЛ, который при работе на воде плот­ностью ρ_с = 1000 кг/м³ имеет тормозной момент М_тн = 3500 Н∙м при но­минальном расходе Q_тн = 0,040 м³/с и перепаде давления ∆р_тн = 3,0 МПа. Длина турбобура L_т = 30 м, наружный диаметр d_т = 0,195 м.

    Проверяем, дает ли выбранный турбобур при расходе Q крутящий мо­мент, необходимый для разрушения породы по соотношению (6.10.6):

    М_т = М_тн = = 3500  = 2077 Н∙м.

    Полученный момент М_т превышает заданный, необходимый для разру­шения породы М_р = 1450 Н∙м более чем на 20 % . Следовательно, мы можем использовать этот турбобур и втулки диаметром 160 мм насоса У8-7М.

 

 

 

    Общие потери давления ∆р при движении промывочной жидкости в элементах циркуляционной системы определяются из выражения

    ∆р = = +  + ∆р_мт + ∆р_мк + ∆р₀ + ∆р_т + ∆р_д + ∆р_г, (6.10.7)

где и  — потери давления на трение по длине в трубах и кольцевом пространстве, Па; ∆р_мт и ∆р_мк — потери давления в местных сопротивлениях в трубах и кольцевом про­странстве, Па; ∆р₀ — потери давления в наземной обвязке, Па; ∆р_т — перепад давления в турбобуре, Па; ∆р_д — потери давле­ния в промывочных отверстиях долота, Па; ∆р_г — разность между гидростатическими давлениями столбов жидкости в кольцевом пространстве и трубах, Па.

    Для расчета потерь давления на трение при движении промы­вочной жидкости без шлама в трубах и кольцевом канале необхо­димо определить режим течения, в зависимости от которого выби­раются те или иные расчетные формулы. Для этого вычисляется значение критического числа Рейнольдса течения промывочной жидкости Re_кp, при котором происходит переход от структурного режима к турбулентному. Это число для вязкопластических жид­костей определяется из соотношения:

 

    Re_кp = 2100 + 7,3Не^0,58,                                                       (6. 10.8)

 

где Не = ρd_г²τ₀/η² — число Хедстрема; η — пластическая (дина­мическая) вязкость промывочной жидкости, Па∙с; τ₀ — динами­ческое напряжение сдвига, Па.

    При течении жидкости внутри бурильной колонны значение d_r принимается равным внутреннему диаметру бурильных труб d_т. В затрубном пространстве d_r определяется как разность между диаметром скважины d_c и наружным диаметром бурильных труб d_н.

    Если число Рейнольдса Re движения жидкости в трубах Re_т или кольцевом пространстве Re_кп больше вычисленного значения R_кp, то режим течения турбулентный. В противном случае движе­ние происходит при структурном режиме.

    Значения Re_т  и Re_кп определяются по формулам

 

    Re_т =  = ,                                                        (6.10.9) Rе_кп = = ,                                       (6.10.10)

 

где υ_т =  ; υ_кп = —средняя скорость жидкости в тру­бах и кольцевом канале; d_т и d_н — внутренний и наружный диа­метры секций бурильной колонны состоящей из труб одного раз­мера, м.

        

 

При турбулентном режиме течения потери давления по длине канала определяются по формуле Дарси—Вейсбаха (6.5.1):

внутри труб

    ∆р_т = λ_т l = λ_т ,                                               (6.10.11)

в кольцевом пространстве

    ∆р_кп = λ_кп l,                                                    (6.10.12)

где l — длина секции бурильных труб одинакового диаметра d_т или d_н, м; λ_т и λ_кп — коэффициенты гидравлического сопротивле­ния трению в трубах и кольцевом пространстве. Их значения сле­дует вычислять по формулам (6.5.38) и (6.5.58):

       λ_т = 0,1 ;                                                                                (6.10.13)

       λ_кп = 0,107 ;                                                  (6.10.14)

    Согласно подразделу 6.5, шероховатость k примем для стенок трубного и обсаженных участков затрубного пространства равной 3 х 10^-4 м, а для необсаженных участков затрубного пространства — 3х10^-3 м. Формулы (6.10.13) и (6.10.14) получены для турбу­лентных течений в трубах и кольцевых каналах вязкой жидкости. Будем их использовать и для турбулентных течений неньютонов­ских жидкостей, поскольку для них нет полностью подтвержден­ных экспериментально аналогичных формул. В случае структур­ного режима течений формулы для определения потерь давления по длине канала имеют вид:

    ∆р_т = ;                                                                                         (6.10.15)

    ∆р_кп = .                                                                    (6.10.16)

 

где β_т и β_кп — коэффициенты, значения которых можно опреде­лить по графику рис.6. Предварительно вычислив число Сен-Венана для труб S_т или кольцевого пространства S_кп по формулам (6.3.29) или (6.3.46):

    S_т =  =  ,                                                                  (6.10.17)

    S_кп =  = .                                    (6.10.18)

    По формулам (6.10.12), (6.10.16) определяются потери давления в кольцевом канале между стенками скважины и турбобуром. При этом значениям d_н и l в формулах будут соответствовать на­ружный диаметр корпуса турбобура d_т и его длина l_т. Местные потери давления от замков в кольцевом пространстве определяются из выражения (6.9.4), которое с учетом (6.9.8) — (6.9.10) примет вид

    ∆р_мк = ,                                                     (6.10.19)

где l_т — средняя длина трубы в данной секции бурильной ко­лонны, м; d_м — наружный диаметр замкового соединения, м; l — длина секции бурильных труб одинакового размера, м.

    Для секции бурильной колонны, состоящей из труб, имеющих внутреннюю высадку, вычисляются потери давления в местных сопротивлениях внутри труб по формуле (6.9.4), которая с учетом (6.9.5) — (6.9.7) примет вид

    ∆р_мт = .                                                                        (6.10.20)

    Потери давления в наземной обвязке находятся по формуле (6.9.1) с учетом (6.9.2):

    ∆р₀ = (α_с + α_ш + α_в + α_к) ρQ²,                                                     (6.10.21)

где α_с , α_ш ,α_в ,α_к — коэффициенты гидравлических сопротивлений различных элементов обвязки, определяемые из табл. 6.1.

    Перепад давления в турбобуре вычисляется исходя из кинема­тического подобия по формуле (6.9.1) с учетом (6.9.3):

    ∆р_т = ∆р_мт ,                                                                              (6.10.22)

где ∆р_тн, Q_тн— справочные данные турбобура при номинальном режиме его работы на жидкости известной плотности ρ_с.

    Перепад ∆р_г вычисляется по формуле ∆р_г = (1 — φ) (ρ_ш — ρ) gL. При промывке без углубления, когда плотность раствора на входе и выходе скважины сравняется, ∆р_г станет равным нулю.