книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами
..pdf4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПГОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т
ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
ем ЮЛ. Логачева) методику выбора оптимальных сочетаний числа и диа метров насадок для конкретных геолого-технических условий бурения.
Стендовыми испытаниями предполагалось решение задач:
-экспериментальное определение величин коэффициентов расхода упомянутых выше элементов промывочного узла долот;
-оценка влияния условий истечения и конструктивных особенностей проточной части коротких насадок на величину их коэффициентов расхода;
Цели испытаний:
•повышение точности расчетов перепада давления на долоте и на чальных гидродинамических давлений струй;
•обоснование требований к конструктивному оформлению высоко совершенных в гидравлическом отношении промывочных узлов долот и определение возможностей минимизации габаритных размеров насадок без ущерба для их качества.
Прежде, чем приступить к изложению и анализу результатов стендо вых испытаний, проанализируем распределение потерь давления для слу чая применения в долоте равноразмерных насадок, когда скорости истече ния струй v„ из разных насадок одинаковы и перепад давления на долоте
ри равен перепаду давления в промывочном канале р,„ . Перепад давления на долоте в этом случае будет равен:
|
|
|
(4.2.1) |
где |
v„ и v„ - соответственно скорость потока в подводящем канале и мак |
||
симальная скорость в наиболее узком сечении насадки; |
|||
|
|
и |
- коэффициенты “местных” сопротивлений подводящего ка |
нала и |
насадки; |
||
ц„ |
- коэффициент восстановления давления (коэффициент обратного |
||
превращения |
в насадке части скоростного напора v\,p /2 в давление); |
||
р |
- |
плотность бурового раствора. |
|
После замены v„ =v0f„ / f n (из условия постоянства расхода жидкости |
|||
через канал) получим выражение: |
|||
|
|
|
(4.2.2) |
где / , |
|
и /„ - |
площади сечения отверстий насадки и подводящего канала. |
С другой стороны -
(4.2.3)
где рл - коэффициент расхода промывочной системы долота. В результате получаем
131
4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т
ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
|
|
-0,5 |
V |
Г |
(4.2.4) |
-/» |
/ |
В общем случае промывочный узел долота состоит из двух участков: участка сужения потока (включая сужение при входе в подводящий ка нал) , на котором и происходит основное превращение потенциальной энергии в кинетическую, и выходного участка, чаще всего цилиндриче ского, расположенного после самого узкого сечения, который призван выравнить профиль скоростей струи на выходе из насадки.
Третья и четвертая слагаемые в скобках формулы (4.2.4) выражают по тери давления на первом участке и потому всегда больше нуля. Что каса ется //„ , то этот коэффициент зависит от наличия и формы второго участ ка, и он заведомо равен нулю в двух случаях: когда нет второго участка (цилиндрического спрыска) или когда нет за насадкой давления . Поэтому в оговоренных случаях д() заведомо должен быть меньше 1. Для того, что бы коэффициент расхода д,> стал больше 1, необходимо выполнение усло вия:
(4.2.5)
что возможно, в свою очередь, при одновременном соблюдении двух усло вий: наличия за насадкой давления, равного или превышающего величину “возвращаемого” давления, и наличия в насадке условий для полного или частичного превращения скоростного напора в давление (например, нали чие раструба - диффузора - после наиболее узкого сечения и цилиндриче ского участка). Итак, если струя из насадки истекает в среду с “достаточ ным” противодавлением и если при этом выходное сечение насадки боль ше самого узкого сечения в ней, а потери давления в промывочном канале в целом меньше “восстановленного” давления, то д,, вполне может стать больше 1. В общем случае, следовательно, если коэффициент расхода оп ределяется по самому узкому сечению в промывочном канале, дл может быть как меньше, так и больше 1.
Существует еще одна “причина”, влияние которой приводит либо к завышению величины д,), либо к превышению ею единицы. Причина эта сугубо методическая, потому что сводится к различиям в методике опре деления д,). Суть различий покажем на примере коротких насадок. Дело в том, что они имеют относительно высокие значения коэффициента рас крытия р \ равного отношению диаметра выходного сечения к диаметру входного. Последний диаметр в гидромониторных долотах равен диаметру подводящего канала. Это означает, что, строго говоря, полное давление перед насадкой состоит из двух частей: собственно давления и скоростного напора (по более строгой терминологии - “гидродинамического давления") в подводящем канале, величина которого составляет значительную часть
132
4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛОГ
ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
полного давления. У длинных насадок /?*, как правило, меньше 0,2, и по тому без ущерба для точности измерений и определения коэффициента расхода можно пренебречь кинетической частью энергии потока перед на садкой и измеренный перепад давления на такой насадке р„ш принимать в качестве меры полного давления. При испытании коротких насадок такой подход не допустим, так как это приводит к искусственному занижению величины преобразуемой в насадке энергии (вместо полного давления бе рется только измеренный перепад давления) и, как следствие, - к завыше нию . Более того, при этом р„ становится функцией /? , что лишает его однозначности и возможности быть характеризующим насадку парамет ром. Типичным примером такого подхода к определению коэффициента расхода являются работы [8, 151, 152]. Напротив, в работе [4] коэффици ент расхода определяется через полный напор, с добавлением к измерен ному перепаду давления скоростного напора перед отверстием или насад кой. Расхождение в рекомендуемых различными авторами величинах ко эффициента расхода отверстий и насадок [8, 13, 83,100, 151, 153] во мно гом объясняется именно тем, что в понятие “коэффициент расхода насад ки” различные исследователи вкладывают разный смысл.
Для обеспечения однозначности р„ необходимо определять через “полный напор” . С учетом конструктивных особенностей испытательного стенда (рис. 4.1.1) д„ вычисляли по формуле
6л/03р
|
0,5 Q 2p |
(4.2.6) |
f J P . |
|
|
f 2 |
|
|
|
|
полученной на основе баланса давлений при движении жидкости через стенд (с установленной насадкой):
Рш» + v„2p / l = v„2p / 2р„\
Измеренный перепад давления р,0„ определялся из соотношения:
Р и гм ” Р я х “ Р и д “ ,
где р,1Х и р,„) - соответственно показания манометров на входе в стенд и выходе из него, а р„,Ш1 - потери давления в стенде, определяемые при та рировке его (гидравлическом испытании) без установки насадок.
Объектами испытаний были:
1.“Цилиндрические” насадки с “острым” (без фаски или закругления) входом в цилиндрический канал (рис. 4.2.1 в, 6 ). Внутри группы насадки отличались относительной длиной насадки: отношением длины цилиндри ческого отверстия 1Цк диаметру отверстия d„ .
2.Конические насадки без плавного сопряжения конической поверхно
сти с цилиндрической (рис. 4.2.2а, б). Внутри группы насадки отличались углом конуса < , наличием (или отсутствием) цилиндрического участка на входе и длиной цилиндрического участка на выходе (цилиндрического
133
4 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ долот И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
спрыска) /ч. Необходимость в устройстве цилиндрического участка на вхо де возникала, когда задавались большими <р и относительно малыми 1Ц, а длина насадки при этом оставалась неизменной.
3. Конические насадки, имеющие плавное сопряжение поверхностей с
разными радиусами скругления (рис. 4.2.2л, б), которые так же, как и на
садки второй группы имели разные <р и 1Ц.
4.Насадки с криволинейным профилем, заканчивающимся цилиндри ческим спрыском: эллиптическая, радиальная и бирадиальная (коноидальная). Показаны на рис. 4.2.3а, б, в.
5.Насадка с “профилем естественного износа”, воспроизводящая про филь, который формируется через определенное время при прокачке через стальную цилиндрическую насадку абразивной жидкости, например, гли нистого раствора, содержащего песок (рис. 4.2.3е).
6.Насадки минералокерамические удлиненные.
7.Гидромониторное долото, оснащенное либо специально изготовлен ными стальными насадками, либо стандартными минералокерамическими.
Насадки третьей, четвертой и пятой групп можно отнести к одному классу “плавных” насадок, у которых профиль сужения составлен из по верхностей, плавно сопрягающихся между собой, в том числе с цилиндри ческим спрыском.
Все насадки первых четырех групп изготовлялись из стали и имели одинаковую длину - 20 мм. В редких случаях, когда запланированный профиль не “вписывался” в длину 20 мм, например, при /р - 14°, насадка имела длину, превышающую 20 мм.
Насадка с “профилем естественного износа” отличалась от всех ос тальных тем, что была самой короткой, имела длину, равную 11 мм.
Всего испытано 46 различных вариантов насадок, отличающихся или типом профиля (конический без сопряжения поверхностей канала, кониче ский с сопряжением, эллиптический и т.п.), или длиной цилиндрического участка, или углом конуса на участке сужения. Описания этих насадок да ны в Приложении. Кроме того, испытаны четыре варианта промывочного узла гидромониторных долот, в том числе долота без насадок.
Во всех опытах критерий Re на срезе насадки был не менее 0,7. 10й и чаще всего находился в пределах 0 ,9 .10е ... 1,1. 10б , что дает право отно сить результаты к области турбулентной автомодельности.
134
4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т
ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
Рис. 4.2.1. Насадки цилиндрические с остроугольным входом:
а- короткая (диафрагма);
б- длинная (длина больше диаметра отверстия).
Рис. 4.2.2. Конические насадки без плавного сопряжения конического и цилиндрического поверхностей:
а - без цилиндрического входа; б - с цилиндрическим входом.
Технические характеристики описанной в разделе 4.1 опытной уста новки позволяли проводить испытания насадок и исследование струй в ус ловиях, воспроизводящих натурные как по размерам насадок, так и вели чинам перепада давления на долоте и в среде истечения. В этой ситуации установление влияния абсолютного давления среды в тупике, в который истекает сформированная насадкой струя, на коэффициент расхода насад ки д„ или промывочного узла долот является важнейшей методиче ской задачей.
135
4.Ж <ПЕРИМЕНГАЛЬНЫ Е ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т
ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
Влияние давления в среде истечения струи (в дальнейшем - “противодавления”) на коэффициент расхода насадок изучали Сиов Б.Н.
[153], |
Курнев Е.М.[83]. |
|||
Б.Н. Сиов исследовал |
||||
влияние противодавления |
||||
на истечении жидкости из |
||||
цилиндрических |
и про |
|||
филированных |
|
насадок |
||
при давлениях на входе не |
||||
более |
1 МПа и, |
в частно |
||
сти, обнаружил, что: |
||||
|
-д ля |
цилиндриче |
||
ских |
насадок |
величина |
||
ц„ изменяется в пределах |
||||
0,62...0,82 в зависимости |
||||
от соотношения |
давле |
|||
ний до и после насадки; |
||||
|
- зависимость ц„ от |
|||
противодавления |
на |
|||
блюдается |
и |
у |
кониче |
ских насадок |
без сопря |
Рис. 4.2.3. Насадки с "плавным" профилем |
||
жения элементов профи проточной части: |
||||
ля канала; |
|
а - |
эллиптическая; |
|
|
б - |
радиальная; |
||
- существует пре |
||||
в - |
бирадиальная (коноидальная); |
|||
дельное (критическое) |
||||
г - |
насадка с профилем "естественного из |
|||
соотношение |
давлений |
до и после насадки, вы |
носа". |
|
|
ше которого //„ = const. |
|
Е.М. Курнев, проводя |
|
стендовые исследования гидроэлеваторов для применения в глубоких скважинах обнаружил, что при истечении через конические насадки без скругления профиля = 1,03...1,05.
Т.М. Башта [13] приводит экспериментальные данные исследования истечения через цилиндрическую насадку диаметром 0,98 мм при различ ных значениях противодавления: величина увеличивается от 0,62 (при истечении в атмосферу) до 0,87 - (при истечении в жидкости с давлением 4 МПа).
Как видим, имеет место противоречивость известных из литературы данных как по особенностям влияния противодавления на цт так и по его величине.
Первые же проведенные с участием одного из авторов испытания ци линдрических и конических насадок показали (результаты их приведены в работах [119, 23] и здесь они даются в кратком изложении), что существу
136
4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ ДОЛО Г
ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
ет критическое значение отношения абсолютного давления среды р„м1 к начальному гидродинамическому давлению струи р„ в выходном сечении насадки р„а кр = р„ т, / р„ , при превышении которого коэффициент расхода
насадки рпостается постоянным. В интервале |
0 < р„\, < р „ ч, коэффи |
циент р„ увеличивается от ри„ до некоторого |
“стандартного” значения |
риа„ . Стендовые испытания показали, что для конических насадок без со пряжения конической и цилиндрической поверхностей (в дальнейшем для краткости: “коническая насадка без скругления”) р„'Лкр= 0,4, а для цилин дрических - 0,85. Исходя из этого все последующие исследования с це лью определения стандартных значений рнхт для различных насадок, имеющих сужающийся канал (не цилиндрических), проведены при р„',, ■ 0,5 (чаще всего при р„ Л > 0,7) , что заведомо больше р„\,ч, для любых возможных вариантов насадок с сужающимся профилем.
Тот факт, что у конических насадок без скругления р„ зависит от дав ления в среде истечения, означает, что если бы такие насадки применялись до некоторой глубины, то р„ был бы переменной величиной, зависящей от глубины бурения. Предположим, что планируемый перепад давления /а, равен 10 МПа. Тогда р ^ кр= 0,4р„ = 4 МПа, что приблизительно соответст вует глубинам 360...380 м (в зависимости от плотности жидкости и потерь давления в заколонном пространстве). Следует однако оговориться, что описанный эффект, как будет показано дальше, минимален у насадок с плавным профилем и потому нет практической необходимости вносить поправку величины р„ с учетом глубины бурения.
Особенностью испытательного стенда было то, что давление на входе в стенд практически не зависело от величины противодавления (в связи с малыми расходами жидкости через стенд по сравнению с номинальной по дачей центробежного насоса). В этих условиях увеличение противодавле ния всегда сопровождалось уменьшением перепада давления на насадке. В процессе исследования влияния противодавления на р„ цилиндрических и конических насадок без скругления был обнаружен интересный факт: рас ход жидкости через насадку оставался постоянным, если соблюдалось ус ловие 0 < р„ „ < р„ ,1кр . Иначе говоря, расход не изменялся (насадка ста новилась идеальным регулятором постоянства расхода, либо регулятором постоянства давления перед насадкой, если Q = const), несмотря на увели чение противодавления. Это означало, что происходящее при увеличении противодавления возрастание рн “восстанавливало” пропускную способ ность насадки ровно настолько, что расход Q оставался неизменным.
Параллельно с испытанием насадок в условиях наличия достаточного противодавления проводились испытания при минимальных давлениях в тупике, куда истекала струя, величины которых предопределялись гидрав лическими сопротивлениями в отводном трубопроводе без штуцера (рис.4.1.1). Избыточное давление в тупике (зависимости от расхода жид кости) колебалось в пределах 0,06... 0,19 МПа, а относительное противо
137
4 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ долот И ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
давление р„\, = 0,035...0,04. Строго говоря, такой вариант истечения нельзя назвать истечением в среду с атмосферным давлением, хотя (для краткости и ввиду малости р „ ,,) он будет называться испытанием “без противодавле ния”.
В работе [ 11 9] приведены также экспериментальные данные о влиянии относительной длины цилиндрической насадки 1Ч/ d„ (рис. 4.2.1) на д,„ если истечение через насадку происходит в условиях наличия достаточно
го противодавления (р„'л > р„",>,кр). |
Оказалось, что при 0 < l„ /d u < 0,25 ко |
эффициент расхода не зависит от |
/„ / d„ и равен 0,62. Такие насадки |
обычно называют диафрагмами (рис. 4.2.1д) или отверстиями в тонкой стенке. В диапазоне 0,25 < 1ч/ d„< 1,5 коэффициент цилиндрической насадки постепенно по криволинейному закону возрастает до предельного значения 0,82, и дальнейшее увеличение длины до 2...2,5 (получаем насад ку, показанную на рис. 4.2.16) не влияет на рн.
Исследования цилиндрических насадок представляют скорее методи ческий, чем практический интерес в связи с тем, что в современных доло тах они почти не применяются. Поэтому ниже излагаются результаты ис следований только насадок с сужающимся каналом - “профилированных11 (по терминологии Снова Б.Н.).
Несколько замечаний по оценке точности результатов испытаний. Расход жидкости измерялся объемным способом. Мерная емкость та
рировалась весовым способом при известной температуре воды. Предель ная систематическая ошибка измерения веса порции воды при тарировке - не более 0,05 %. В процессе опытов наблюдался интенсивный нагрев цир кулирующей через стенд воды, поэтому постоянно, после каждого опыта, измерялась температура воды и вводилась поправка на изменение ее плот ности.
Анализ показал, что предельная систематическая погрешность, обу словленная классом точности образцовых манометров, совершенством ме тодов и приборов для измерения объема, отрезка времени и диаметра от верстий насадок, то-есть величин, входящих в формулу (4.2.6), составляет не более 1 %. При этом имеется в виду тот маловероятный случай, когда знаки погрешностей всех приборов и методов измерения совпали. Путем повторных прокачек (N= 10) было установлено, что случайная ошибка оп ределения р„ существенно меньше предельной систематической. Следова тельно, с весьма высокой вероятностью, близкой к 1, можно утверждать, что величины р„ найдены с ошибкой не более 1 %.
В табл. 4.2.1 и в Приложении дана сводка результатов испытания на садок с различным профилем проточной части. Каждая величина явля ется средней результатов не менее четырех испытаний. Обращает на себя внимание то, что в ‘ стандартных” условиях истечения несовершенные ко нические насадки без скругления ничем не уступают совершенным плав ным насадкам.
138
4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т
ИЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ
Таблица 4.2.1
Сводная таблица коэффициентов расхода коротких насадок, используемых при бурении скважин шарошечными долотами
Т Hit насадки или |
краткое описание проф и ля кан ала (проточи, части) |
У гол конуса, град (для конических, наса док) |
Д ли н а цилиндриче ского участка, м |
Радиус сопряж ения ци -линдра с кону сом, мм |
Д и ам етр от верстия, мм |
Эллипти |
|
15 |
|
10,26 |
|
ческая |
|
|
|
10.31 |
|
|
|
|
|
|
|
Радиальная |
|
7 |
|
10,26 |
|
|
|
|
|
|
10,31 |
Бирадиаль- |
|
3 |
|
10,26 |
|
ная |
(конои- |
|
|
|
10,31 |
дальная) |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
Профиль |
|
2,5 |
|
10,26 |
|
естествен |
|
|
|
10,31 |
|
ного износа |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
Коническая |
14 |
6 |
0 |
10,26 |
|
|
|
|
|
|
10,31 |
Коническая |
37 |
6.8,5 |
0 |
10,26 |
|
|
|
|
|
|
10,31 |
Коэффициент рас хода при ис течении в среду:
безпро- |
тиводав- |
ленмн |
х |
i |
* |
« |
Й |
¥ |
|||
|
|
|
Р |
е- |
|
|
|
|
о |
в |
3 |
|
|
|
S |
я |
2 |
|
|
|
= |
§ |
3 |
|
|
1 |
|
|
|
0,974 1,022
0,971 1,031
0,956 1,017
0,916 1,002
0,957 0,997
0,874 1,024
в Ж
S 1
г £
я 3
о 5
4 x 4
2 x 5
3 x 6
3 x 4
4 x 3
4 x 6
Коническая |
75 |
4,5 |
0 |
10,26 |
0,782 |
0,957 |
2 x 2 |
|
|
|
|
|
10,31 |
|
|
|
|
Коническая |
75 |
4,5 |
3...4 |
10,26 |
0,926 |
0,993 |
4 x 6 |
|
|
|
|
|
10,31 |
|
|
|
|
Удлиненная |
|
|
|
10,64 |
0,98 |
1,008 |
3 x 4 |
1 |
керамичес |
|
|
|
10,7 |
|
|
|
|
кая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Короткая |
|
|
|
9,9 |
0,976 |
1,006 |
2 x 2 |
|
керамичес |
|
|
|
|
|
|
|
|
кая |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 относительное противодавление среды не долее 0,04:
1относительное противодавление с/нгды не менее 0,62
Большинство из них, в том числе и конические, имеют величину р,„ превышающую 1. Обязательным условием проявления этой “странности” является наличие противодавления и цилиндрического участка (спрыска) длиной 4... 10 мм.
139
4.Ж< ПКРИМЕНТЛЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ УЗЛОВ ГИДРОМОНИТОРНЫХ д о л о т
из а т о п л е н н ы х с т р у й
Чтобы уточнить причины такого феномена, необходимо проанализиро вать приведенные в Приложении данные.
длина цилиндрического участка (спрыска), мм
Рис. 4.2.4. Влияние длины цилиндрического участка (спрыска) на коэф фициент расхода конической насадки без сопряжения поверх ностей канала, с углом конуса 75 0 .
Из рис. 4.2.4 и 4.2.5, где показано влияние длины цилиндрического спрыска /ч на ц„ конических насадок без скругления профиля и с таковым,
следует, что:
при /,, = 0 [i„ не зависит от противодавления;
- оптимальное значение/ч равно 4... 10 мм, что соответствует относи тельной длине цилиндрического спрыска 0,5... 1,0 (в калибрах диаметра отверстия насадки).
Более общий вывод: в механизме проявления влияния противодавле ния на пропускную способность насадок решающее значение имеет нали
чие цилиндрического спрыска.
На рис. 4.2.6 и 4.2.7 показано влияние угла конуса конических насадок.
Эти данные свидетельствуют о том, |
что: |
|
- |
с увеличением угла конуса |
имеет тенденцию к уменьшению; |
-- |
при истечении без противодавления влияние угла выражено силь |
но, особенно при углах более 30°;
140