Гидравлический расчет промывки скважины

Цель составления гидравлической программы бурения - определение рационального режима промывки скважины, обеспечивающего наиболее эффективную отработку долот, при соблюдении требований и ограничений, обусловленных геологическими особенностями вскрываемого интервала, энергетическими, техническими и эксплуатационными характеристиками применяемого инструмента.

Расчет производится по методике, предложенной в [8].

Исходные данные для расчета:

Глубина бурения скважины L, м 2830.

Удельный вес разбуриваемых пород q_ГП, Н/м³ 2, 4·10⁴.

Механическая скорость бурения Vм м/с 0, 005.

Момент турбобура, необходимый для разрушения породы, Мр Н·м 1450.

Реологические свойства жидкости:

динамическое напряжение сдвига t_О, Па 20.

пластическая вязкость h, Па·с 0, 027.

Удельный вес бурового раствора q_ГП, Н/м³ 1, 08·10⁴.

Тип бурового насоса УНБТ 950.

Число буровых насосов 1.

Наминальный расход насоса Qн, м³/сек 0, 037.

Наминальное рабочее давление Рн, МПа 23.

Элементы бурильной колонны

УБТ - 178x90:

длина l₁, м 62;

наружный диаметрdн₁, м 0, 178;

внутренний диаметр dв₁, м 0, 080.

УБT - 146x74:

длина l₂, м 8;

наружный диаметр dн₂, м 0, 146;

внутренний диаметр dв₂, м 0, 074.

ТБПВ:

длина l₃, м 250;

наружный диаметр dн₃, м 0, 127;

внутренний диаметр dв₃, м 0, 109;

наружный диаметр замкового соединения dз₃, м 0, 170.

ЛБТ:

длина l₄, м 2778;

наружный диаметр dн₄, м 0, 147;

внутренний диаметр dв₄, м 0, 125;

наружный диаметр замкового соединения dз₄, м 0, 172.

Элементы наземной обвязки:

Условный диаметр стояка, м 0, 168.

Диаметр проходного сечения, м:

бурового рукава 0, 102;

вертлюга 0, 100;

ведущей трубы 0, 85.

Определяются потери давления в бурильных трубах.

Вычисляются потери давления внутри бурильных труб. Для этого определяются значения критических чисел Рейнольдса в бурильной колонне по формуле:

Rекр=2100+7, 3· ((q·dв²·t_О) /10·h²) ^{0, 58. (}2.48)

В ЛБТ:

Rекр=2100+7, 3· ((1, 08·10⁴ ·0, 125²·20) / 10·0, 027²) ^{0, 58}=16204.

В ТБПВ:

Rекр=2100+7, 3· ((1, 08·10⁴ ·0, 109²·20) / 10·0, 027²) ^{0, 58}=14132.

В УБТ-178:

Rекр=2100+7, 3· ((1, 08·10⁴ ·0, 090²·20) / 10·0, 027²) ^{0, 58}=10504.

В УБТ-146:

Rекр=2100+7, 3· ((1, 08·10⁴ ·0, 074²·20) / 10·0, 027²) ^{0, 58}=9778.

Определяются действительные числа Рейнольдса в бурильной колонне по формуле:

Rеm= (4·q·Q) / (10·p·dв·h). (2.49)

В ЛБТ:

Rеm= (4·1, 08·10⁴ ·0, 030) / (10·3, 14·0, 125·0, 027) =12230

В ТБПВ:

Rеm= (4·1, 08·10⁴ ·0, 030) / (10·3, 14·0, 109·0, 027) =14024

В УБТ-178:

Rеm= (4·1, 08·10⁴ ·0, 030) / (10·3, 14·0, 090·0, 027) =19108

В УБТ-146:

Rеm= (4·1, 08·10⁴ ·0, 030) / (10·3, 14·0, 074·0, 027) =20657

В бурильной колонне в ЛБТ и ТБПВ Rеm< Rекр, значит движение происходит при ламинарном режиме и описывается уравнением Сен-Венана, а вУБТ-178 и УБТ-146 Rеm> Rекр, следовательно движение происходит при турбулентном режиме и описывается уравнением Дарси-Вейсбаха. Определяются потери давления. Рассчитывается число Сен-Венана для колонны труб ЛБТ и ТБПВ формуле:

Sт= (p·t_О·dв³) / (4·h·Q). (2.50)

В ЛБТ:

Sт= (3, 14·20·0, 125³) / (4·0, 027·0, 030) =303.

В ТБПВ:

Sт= (3, 14·20·0, 109³) / (4·0, 027·0, 030) =230.

Определив значение Sт, по Рис.6.7. [8, стр 72] определяется значение коэффициента b: для ЛБТ - 0, 84; для ТБПВ - 0, 82.

Вычисляются потери давления внутри бурильной колонны по формуле:

DРт= (4·t_О·l) / (b·dв) МПа. (2.51)

В ЛБТ:

DРт= (4·20·2778) / (0, 84·0, 125) =2, 117 МПа.

В ТБПВ:

DРт= (4·20·250) / (0, 84·0, 109) =0, 224 МПа

Рассчитывается значения коэффициентов гидравлического сопротивления l для УБТ-178 и УБТ-146 по формуле:

l=0, 1· (1, 46·К/dв+100/ Rеm), (2.52)

где К - коэффициент шероховатости стенок, принимается для УБТ=3, 0·10^-4, м.

В УБТ-178:

l=0, 1· (1, 46·3, 0·10^-4/0, 090+100/19108) =0, 0322.

В УБТ-146:

l=0, 1· (1, 46·3, 0·10^-4/0, 074+100/20657) =0, 0326.

Вычисляются потери давления внутри УБТ-178 и УБТ-146 по формуле:

DРт= (l·0, 8·q·Q²·l) / (p²·dв⁵) МПа. (2.53)

В УБТ-178:

DРт= (0, 0322·0, 8·1, 08·10⁴·0, 030²·62) / (3, 14²·0, 090⁵) = 0, 48 МПа.

В УБТ-146:

DРт= (0, 0326·0, 8·1, 08·10⁴·0, 030²·8) / (3, 14²·0, 074⁵) =0, 093 МПа.

Суммарные потери давления внутри колонны бурильных труб и секций УБТ составит:

å DРт=0, 093+0, 48+2, 117+0, 224=2, 92 МПа.

Местными потерями давления в приварных замках ТБПВ пренебрегают, так как потери не значительны [].

Вычисляются потери давления в наземной обвязке по формуле:

DРо= (а_С+а_Р+а_В+а_К) ·q·Q МПа, (2.54)

где а_С=0, 4, а_Р=0, 3, а_В=0, 3, а_К=0, 9 - коэффициенты гидравлических сопротивлений различных элементов обвязки (см. табл.6.1 [8, стр.118]).

DРо= (0, 4+0, 3+0, 3+0, 9) ·10⁵·10, 8·10⁴·0, 030=1, 85 МПа.

Вычисляются потери давления в затрубном пространстве. Для этого определяются значения критических чисел Рейнольдса по формуле:

Rекр=2100+7, 3· ((q· (dс-dн) ²·t_О) /10·h²) ^{0, 58. (}2.55)

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 0-650 м:

Rекр=2100+7, 3· ((1, 08·10⁴ · (0, 230-0, 147) ²·20) / 10·0, 027²) ^{0, 58}=10871.

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 650-2778 м:

Rекр=2100+7, 3· ((1, 08·10⁴ · (0, 367-0, 147) ²·20) / 10·0, 027²) ^{0, 58}=29273.

В затрубном пространстве за ТБПВ по формуле (2.55):

Rекр=2100+7, 3· ((1, 08·10⁴ · (0, 237-0, 127) ²·20) / 10·0, 027²) ^{0, 58}=14260.

В затрубном пространстве за УБТ-178:

Rекр=2100+7, 3· ((1, 08·10⁴ · (0, 237-0, 178) ²·20) / 10·0, 027²) ^{0, 58}=8004.

В затрубном пространстве за УБТ-146:

Rекр=2100+7, 3· ((1, 08·10⁴ · (0, 237-0, 146) ²·20) / 10·0, 027²) ^{0, 58}=11859.

В затрубном пространстве за забойным двигателем:

Rекр=2100+7, 3· ((1, 08·10⁴ · (0, 237-0, 195) ²·20) / 10·0, 027²) ^{0, 58}=6080.

Вычисляются действительные значения чисел Рейнольдса в затрубном пространстве по формуле:

Rеm= (4·q·Q) / (10·p· (dс+dв) ·h). (2.56)

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 0-650 м:

Rеm= (4·1, 08·10⁴ ·0, 030) / (10·3, 14· (0, 230+0, 147) ·0, 027) =4055

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 650-2778 м:

Rеm= (4·1, 08·10⁴ ·0, 030) / (10·3, 14· (0, 367+0, 147) ·0, 027) =12230.

В затрубном пространстве за ТБПВ:

Rеm= (4·1, 08·10⁴ ·0, 030) / (10·3, 14· (0, 237+0, 127) ·0, 027) =14024.

В затрубном пространстве за УБТ-178:

Rеm= (4·1, 08·10⁴ ·0, 030) / (10·3, 14· (0, 237+0, 178) ·0, 027) =3684.

В затрубном пространстве за УБТ-146:

Rеm= (4·1, 08·10⁴ ·0, 030) / (10·3, 14· (0, 237+0, 146) ·0, 027) =3991.

В затрубном пространстве за забойным двигателем:

Rеm= (4·1, 08·10⁴ ·0, 030) / (10·3, 14· (0, 237+0, 195) ·0, 027) =3539.

В затрубном пространстве Rеm< Rекр, значит движение бурового раствора происходит при ламинарном режиме и описывается уравнением Сен-Венана:

Sкп= (p·t_О· (dс-dн) ²+ (dс+dн)) / (4·h·Q). (2.57)

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 0-650 м:

Sкп= (3, 14·20· (0, 23-0, 147) ²+ (0, 23+0, 147)) / (4·0, 027·0, 03) =50, 34.

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 650-2778 м:

Sкп= (3, 14·20· (0, 367-0, 147) ²+ (0, 367+0, 147)) / (4·0, 027·0, 03) =482, 2.

В затрубном пространстве за ТБПВ:

Sкп= (3, 14·20· (0, 237-0, 127) ²+ (0, 237+0, 127)) / (4·0, 027·0, 03) =85, 4.

В затрубном пространстве за УБТ-178:

Sкп= (3, 14·20· (0, 237-0, 178) ²+ (0, 237+0, 178)) / (4·0, 027·0, 03) =25, 8.

В затрубном пространстве за УБТ-146:

Sкп= (3, 14·20· (0, 237-0, 146) ²+ (0, 237+0, 146)) / (4·0, 027·0, 03) =61, 5.

В затрубном пространстве за забойным двигателем:

Sкп= (3, 14·20· (0, 237-0, 195) ²+ (0, 237+0, 195)) / (4·0, 027·0, 03) =14, 8.

Определив значение Sкп, по Рис.6.7. [8, стр 72] определяется значение коэффициента bкп: для ЛБТ на интервале 0-650 м - 0, 66; для ЛБТ на интервале 650-2778 м - 0, 87; для ТБПВ - 0, 74; для УБТ-146 - 0, 7; для УБТ-178 - 0, 58; для забойного двигателя - 0, 45.

Вычисляются потери давления в затрубном пространстве по формуле:

DРкп= (4·t_О·l) / (bкп· (dс-dн)) МПа. (2.58)

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 0-650 м:

DРкп= (4·20·650) / (0, 66· (0, 230-0, 147)) =0, 95.

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 650-2778 м:

DРкп= (4·20·2128) / (0, 87· (0, 367-0, 147)) =0, 89.

В затрубном пространстве за ТБПВ:

DРкп= (4·20·250) / (0, 74· (0, 237-0, 127)) =0, 25.

В затрубном пространстве за УБТ-178:

DРкп= (4·20·62) / (0, 58· (0, 237-0, 178)) =0, 14.

В затрубном пространстве за УБТ-146:

DРкп= (4·20·2128) / (0, 7· (0, 237-0, 146)) =0, 01.

В затрубном пространстве за забойным двигателем:

DРкп= (4·20·2128) / (0, 45· (0, 237-0, 195)) =0, 03.

Суммарные потери давления в затрубном пространстве составит:

å DРкп=0, 95+0, 89+0, 25+0, 14+0, 01+0, 03 =2, 27 МПа.

Вычисляются потери давления от замков в затрубном пространстве по формуле:

DРзс=l/lm·0, 1· ((dc²-dн²) / (dc²-dн²) - 1) ² ·q ·Vкп² МПа, (2.59)

где

lm - средняя длина трубы;

Vкп - минимальная скорость жидкости в затрубном пространстве, в интервале ТБПВ определяется по формуле:

Vкп= (4·Q) / (p · (dc²-dн²)) м/с. (2.60)

Vкп= (4·0, 03) / (3, 14 · (0, 237²-0, 127²)) =0, 95 м/с.

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 0-650 м:

DРзс=650/12·0, 1· ((0, 230²-0, 147²) / (0, 230²-0, 172²) - 1) ² ·1, 08·10⁴ ·0, 95²=0, 005 МПа.

В затрубном пространстве за ЛБТ на интервале 650-2778 м:

DРзс=2128/12·0, 1· ((0, 367²-0, 147²) / (0, 367²-0, 172²) - 1) ² ·1, 08·10⁴ ·0, 95²=0, 001 МПа.

В затрубном пространстве за ТБПВ:

DРзс=650/12·0, 1· ((0, 237²-0, 127²) / (0, 237²-0, 170²) - 1) ² ·1, 08·10⁴ ·0, 95²=0, 004 МПа.

Суммарные потери давления в затрубном пространстве от замков составит:

å DРзс=0, 005+0, 001+0, 004 =0, 01 МПа.

Определяется перепад давления в забойном двигателе по формуле:

DРзд= (DРтн·q·Q²) / (q_С·Qтн²) МПа. (2.61)

DРзд= (4, 7·1, 08·10⁴ ·0, 03²) / (1·10⁴ ·0, 03²) =5, 08 МПа.

Определяется вспомогательный параметр j:

j= Q/ (p/4· Vмех ·dc²+Q). (2.62)

j= 0, 03/ (3, 14/4· 0, 005 ·0, 237²+0, 03) =0, 993.

Определяется перепад давления, связанный с выносом шлама по формуле:

DР= (1 - j) · (q_Ш - q) ·g·L МПа (2.63)

DРг= (1 - 0, 95) · (2, 4·10⁴ - 1, 08·10⁴) ·9, 81·2830=1, 8 МПа.

Определяется сумма потерь давления во всех элементах циркуляционной системы за исключением долота:

DР-DРд=2, 92+1, 85+2, 27+0, 01+5, 08=12, 13.

Рассчитывается резерв давления на долоте по формуле:

DРр=b·Рн - (DР-DРд) МПа. (2.64)

DРр =0, 8·23, 0 - 12, 13=6, 27 МПа.

Определяется возможность гидромониторного эффекта, вычислив скорость течения жидкости в насадках долота по формуле:

Vд= m· (0, 2· DРр/q) ^{0, 5} м/с, (6.65)

где m - коэффициент расхода (m=0, 95 [8]).

Vд= 0, 95· (0, 2· 6, 67·10⁶/1, 08·10⁴) ^{0, 5} =105 м/с.

Так как Vд> 80 м/с и перепад давления на долоте меньше критического (Ркр=12 МПа), то бурение данного интервала возможно с использованием гидромониторных долот. Принимая Vд=80 м/с, вычисляется перепад давления в долоте по формуле:

DРд= (q·Vд²) / (20·m²) МПа. (2.66)

DРд= (1, 08·10⁴ ·80²) / (20·0, 95²) =3, 83 МПа.

Определяется расчетное рабочее давление в насосе как Р = 3, 83 + 12, 13 = 15, 96 МПа.

Определяется по графику [8, Рис.6.28] утечки промывочной жидкости через уплотнение вала забойного двигателя Qу=0, 0005.

Определяется площадь промывочных отверстий по формуле:

Ф= (Q - Qу) / Vд м². (2.67)

Ф= (0, 030 - 0, 0005) / 80=0, 000368 м².

Применяются три насадки с внутренним диаметром 12 мм.

Таким образом, из вышеприведенных расчетов видно, что суммарные потери давления в трубном и затрубном пространствах меньше давления развиваемого буровым насосом типа УНБТ-950 при диаметре цилиндровых втулок 160 мм, следовательно технологический режим промывки скважины выбран верно.