книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

частицы, г/см3; т—радиус вращения, см; w, —тангенциальная скорость, см/с; ц —вязкость суспензии, Па-с.

Во внутреннем потоке, кроме осевого движения вверх к сливному патрубку, жидкость перемещается в радиальном на­ правлении со скоростью vr, значение которой ориентировочно может быть определено из уравнения

где О —общая пропускная способность гидроциклона, см3/с; г — радиус вращения, см; h = D/3tga/2 — высота коаксиаль­ ного цилиндра; D — диаметр гидроциклона, см; a — конус­ ность гидроциклона.

Для вывода формулы критического размера удаляемых час­ тиц приравняем радиальную скорость жидкости vn на радиусе, равном радиусу сливного патрубка гидроциклона, радиальной скорости движения частицы v0, т. е. v„ = v0.

Решая совместно уравнения (2.98) и (2.99) и заменяя v„ через

v п = <p-yjlgH, после некоторых преобразований получим урав­

нения для определения размера частиц, удаляемых с помощью гидроциклона, и его пропускную способность

] Дрd fa 06H

82Apd4„d06H

(2.101)

У 0,0006358nZ)fga/2

(Н —давление перед гидроциклоном).

Найденный из уравнения (2.100) размер частиц является критическим, т.е. частицы с размером больше 8 будут удалять­ ся из гидроциклона через песковую насадку, а частицы, раз­ мер которых меньше 8, будут выходить через сливной патру­ бок вместе с основным потоком суспензии.

Из уравнения (2.100) видно, что размер удаляемых частиц, наряду с геометрическими размерами и напором, в значитель­ ной степени зависит от пластической вязкости и плотности очищаемого раствора. Чем выше вязкость и плотность раство­ ра, тем более крупные частицы могут быть удалены с помощью гидроциклона при прочих равных условиях.

На рис. 2.17 приведены экспериментальные и расчетные дан­ ные удаления 95% частиц песка различного размера из водной суспензии (тестовая жидкость) с помощью гидроциклона диа­ метром 7,5 см при различном давлении.

б,мкм

Рис. 2.17. Зависимость размера частиц, удаленных на 05% из тестовой жидко­ сти, от давления перед гидроциклоиом диаметром 75 мм:

1 - расчетные точки; 2 — экспериментальные точки.

Приведенные данные убедительно показывают хорошую сходимость результатов расчета по формуле (2.100) с экспери­ ментальными данными.

Номограмма для выбора гидроциклонов и режимов их работы

На эффективность работы большое влияние оказывают его пропускная способность и диаметр, структур­ но-механические свойства очищаемого раствора и режим ра­ боты аппарата. Для ускорения выбора гидроциклонов и ре­ жима их работы на основании экспериментальных данных во ВНИИКРнефти разработана номограмма (рис. 2.18), состоя­ щая из трех взаимосвязанных графиков.

График а служит для установления эффективности рабо­ ты гидроциклонов при очистке реальных буровых растворов с различными вязкостью ц и плотностью р. На графике б нане­ сены кривые, характеризующие размер удаляемых частиц из тестовой жидкости в гидроциклонах различных диаметров в зависимости от давления на входе. График в служит для опре­ деления пропускной способности гидроциклонов различных диаметров и их числа.

П р и м е р . Пусть необходимо установить диаметр гидроциклона, величину оптимальной подачи в него раствора и чис­ ло гидроциклонов при следующих параметрах.

162

На оси абсцисс находим точку, соответствующую заданно­ му диаметру частиц выбуренной породы D = 85 мкм. Из этой точки восставляем перпендикуляр до пересечения с лучом, со­ ответствующим вязкости бурового раствора Т) = 0,01 Па-с. Из этой точки проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с биссектрисой прямого угла и далее проводим параллельную оси ординат прямую до пересечения с линией плотности бурового раствора р = 1,2 г/см3.

Затем проводим линию, параллельную оси абсцисс, до пере­ сечения с перпендикуляром, восставленным из точки с задан­ ным давлением р = 0,225 МПа. Точка пересечения оказалась на кривой, соответствующей гидроциклону диаметром 200 мм. Продолжив перпендикуляр из точки (р = 0,225 МПа) до пере­ сечения с кривой, соответствующей пропускной способности гидроциклона диаметром 200 мм, получим q = 8,9 л/с.

Для определения числа гидроциклонов восставим перпен­ дикуляр из точки Q = 180 м3/ч и продолжим его до пересече­ ния с диагональю 00. Из полученной точки проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с осью, соответ­ ствующей гидроциклону диаметром 200 мм, по которой нахо­ дим число гидроциклонов п = 5.

При данных условиях из тестовой жидкости будут удалены частицы размером 5 > 40 мкм.

С помощью номограммы можно также выбрать оптималь­ ный режим работы гидроциклона.

П р и м е р , Требуется определить давление на входе в гидроциклон диаметром 150 мм при удалении из бурового раствора частиц шлама размером 0,085 мм (вязкость раство­ ра ц = 0,01 Па-с, плотность р = 1,2 г/см3).

На оси абсцисс графика находим точку, соответствующую заданному диаметру частиц выбуренной породы D = 85 мкм, и восставляем из нее перпендикуляр до пересечения с лучом заданной вязкости бурового раствора ц = 0,01 Па-с. Из этой точки проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересе­ чения с биссектрисой прямого угла и далее проводим прямую, параллельную оси ординат, до пересечения с линией плотнос­ ти бурового раствора р = 1,2 г/см3.

Проводим линию, параллельную оси абсцисс, до пересече­ ния с кривой, соответствующей гидроциклону диаметром 150 мм, опускаем из точки пересечения перпендикуляр на ось абс­ цисс и находим требуемое давление перед гидроциклоном — 0,22 МПа.

Продолжив перпендикуляр из точки (р=0,22 МПа) до пере­ сечения с кривой производительности гидроциклона диамет­ ром 150 мм, получим q = 7,5 л/с. Для определения числа гид­ роциклонов восставим перпендикуляр в точке Q = 220 м3/ч, продолжим его до пересечения с диагональю 00. Из получен­ ной точки проводим параллельную оси абсцисс прямую до пе­ ресечения со шкалой гидроциклона диаметром 150 мм, на ко­ торой находим, что число гидроциклонов п = 7.

Из номограммы следует, что при повышении вязкости от 0,01 до 0,04 Па с гидроциклон диаметром 100 мм при давле­ нии р = 0,25 МПа будет удалять только частицы породы раз­ мером более 70 мкм, т.е. эффективность илоотделителя будет равна эффективности пескоотделителя. Поэтому важнейшее условие эффективной работы илоотделителя — поддержание минимально возможной вязкости бурового раствора при пода­ че его в гидроциклон.

Для удаления тонкодисперсных частиц из вязкого бурового раствора (ц > 0,01 Па ■с) требуется более высокое давление на входе в гидроциклон. Так, для удаления частиц шлама размером 30 мкм в гидроциклоне диаметром 100 мм при вязкости раство­ ра 0,02 Па-с давление должно быть равным 0,28—0,30 МПа.

164

2.4.4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОЧИСТКИ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

(E v o lu tio n o f d r illin g m u d c le a n in g d e v ic e s e ffic ie n c y )

Основными показателями, по которым оценивают эффек­ тивность работы устройств для очистки буровых растворов от выбуренной породы, являются:

—пропускная способность;

—очистная способность;

—степень очистки раствора по фракциям твердой фазы;

—потери раствора со шламом;

—потери утяжелителя со шламом.

Под очистной способностью устройства понимается коли­ чество выбуренной породы (в процентах), удаляемое с его по­ мощью.

Очистную способность устройств определяют по формуле

где Е — очистная способность устройства, %; V3 — коли­ чество выбуренной породы, удаляемое очистным устройст­ вом, л/с; V —количество выбуренной породы, поступающее в раствор, л/с.

Количество выбуренной породы, удаляемое очистным уст­ ройством, определяют по формуле

где Q3 — количество шлама, удаляемое очистным устрой­ ством, л/с; Т3 — общее содержание твердой фазы в шламе, % (объемн.) (под понятием «шлам» здесь понимается смесь час­ тиц выбуренной породы и раствора, сбрасываемых очистным устройством в отвал); Т — общее содержание твердой фазы в растворе, поступающем в скважину, % (объемн.).

Количество выбуренной породы, поступающее в раствор, определяют по формуле

где D —диаметр долота, м; у, —механическая скорость про­ ходки, м/ч; 3,6 — коэффициент для перевода из м3/ч в л/с.

Подставляя уравнения (2.104) и (2.103) в (2.102), получим

(100- 7")0,218D2VJI

Таким образом, уравнение (2.105) для определения очист­ ной способности устройств показывает, сколько выбуренной

165

породы удалено из бурового раствора данным очистным ус­ тройством или комплексом устройств и сколько выбуренной породы еще осталось в растворе. На основе этих данных осу­ ществляют дальнейшее регулирование содержания твердой фа­ зы в растворе, определяют расход химреагентов для регулиро­ вания свойств раствора.

Для облегчения расчетов количество выбуренной поро­ ды при разных режимах бурения определяют по номограм­ ме (рис. 2.19) с помощью ключа, нанесенного пунктирной ли­ нией. По данной номограмме можно определять приращение содержания твердой фазы в буровом растворе при данных па­ раметрах режима бурения и промывки скважин за счет насы­ щения раствора выбуренной породой. Номограмма позволяет выбрать режимы бурения и промывки скважин в соответствии с заданным приращением содержания твердой фазы в буро­ вом растворе.

П р и м е р . При бурении долотом диаметр D = 0,346 м с vM= 50 м/ч; V — 1,3 л/с = 4,68 м3/ч. Приращение содержа­ ния твердой фазы в буровом растворе за счет выбуренной по­ роды составляет ДТ = 1,625% (объемн.).

Рис. 2.10. Номограмма для определения количества выбуренной породы, поступающего в раствор, н приращения содержания в нем твердой фазы.

166

Количество выбуренной породы, удаляемое с помощью очистного устройства, определяют по номограмме, приведен­ ной на рис. 2.20, Пользуясь ключом, нанесенным на номограм­ му пунктирной линией, определяют величину потерь раство­ ра со шламом (Пр), а затем вычитают ее из общего количества шлама (Q;t), сбрасываемого устройством, и получают

Объём удаляемой жидкости, л /с

Рис. 2.20. Номограмма для определения потерь раствора и количества выбурен­ ной породы, удаляемого очистным устройством.

При пользовании номограммой в качестве исходных дан­ ных можно принимать следующие данные:

—для неутяжеленных растворов —плотность шлама и рас­ твора, поступающего в скважину;

—для утяжеленных растворов — общее содержание твер­ дой фазы в шламе и растворе, поступающем в скважину.

167

П р и м е р . При очистке неутяжеленного бурового раство­ ра количество сбрасываемого шлама составляет Q3 = 0,014 л/с. Плотность шлама р3=2,0 г/см3; плотность раствора, поступаю­ щего в скважину, р = 1,1г/см3.

Из точки, соответствующей количеству удаляемого шлама Q3 = 0,014 л/с, на оси с величинами количества шлама, удаляе­ мого при очистке, проводим горизонтальную линию до пересе­ чения с наклонной линией, соответствующей плотности шлама р3 = 2,0 г/см3. Из точки пересечения проводим вертикальную линию до пересечения с наклонной линией, соответствующей плотности раствора, поступающего в скважину, р = 1,1 г/см3. Из точки пересечения проводим горизонтальную линию до пе­ ресечения с осью, соответствующей потерям раствора. Получа­ ем величину потерь раствора со шламом Пр = 0,0056 л/с.

Тогда количество удаляемой породы составит V3= Q3- Пр = 0,014 - 0,0056 = 0,0084 л/с.

П р и м е р. При очистке утяжеленного раствора количе­ ство сбрасываемого шлама Q = 0,35 л/с. Содержание твердой фазы в шламе Т3 = 62,5% (объемн.); в растворе, поступающем в скважину, Т = 6,25% (объемн.).

Аналогичным способом, но оперируя содержанием твердой фазы, получаем Пр = 0,14 л/с, а V = 0,35 — 0,14 = 0,21 л/с.

Под степенью очистки раствора по фракциям твердой фазы понимается процент удаления частиц определенной фракции.

Степень очистки раствора по фракциям определяют по

где Е — степень очистки раствора по данной фракции, %; F — содержание данной фракции в растворе, поступающем в очистное устройство, г/л; f — содержание данной фракции в растворе после счистки, г/л.

П р и м е р.Ъ растворе, поступающем в очистное устройство, содержание частиц размером более 1 мм составляет F>f = 6 г/л; частиц размером 1,00—0,25 мм —F1_025 = 25 г/л. В растворе пос­ ле очистки содержание частиц размером более 1 мм составляет f>, = 0, частиц размером 1,00—0,25 мм — ff _0,2s = 5 г/л.

Степень очистки раствора по фракциям 1,0 мм составляет

Е>, = [(F>L- f>,)/F>,] ■ЮО = [(6- 0)/6] ■100 = 100%; по фракциям 1,00—0,25 мм

168

Е, о,25= [(25—5)/25] • 100 = 80%.

Под потерями раствора понимается количество раствора, сбрасываемое со шламом.

Потери раствора (в л/с) определяют по формуле

где В3 и Вр — содержание воды соответственно в шламе и растворе, поступающем в скважину, % (объемн.).

Потери раствора со шламом можно определять по номог­ рамме, приведенной на рис. 2.20, пользуясь ключом, нанесен­ ным на нее пунктирной линией. Номограмма позволяет опре­ делить объем жидкости (П„, л/с) и мелкодисперсных частиц утяжелителя, сбрасываемых со шламом (VMT, л/с):

Количество жидкости, сбрасываемое со шламом, определя­ ют по номограмме путем проведения горизонтальной линии из точки, соответствующей количеству удаляемого шлама, до на­ клонной линии, соответствующей содержанию твердой фазы в шламе (или плотности шлама). Вертикальная линия, прове­ денная из точки пересечения до оси абсцисс, показывает объ­ ем удаляемой жидкости.

Под потерями утяжелителя понимается количество утяже­ лителя, сбрасываемое очистным устройством со шламом.

Потери утяжелителя (Пу, кг/с) определяют по формуле

где Y3 —содержание утяжелителя в шламе, %(объемн.); ру — плотность утяжелителя, кг/л.

При определении пропускной способности очистного уст­ ройства расчет потока в растворе производят, пользуясь урав­ нением материального баланса:

где QI( Q2, О з — количество соответственно раствора, по­ ступающего в очистное устройство, очищенного устройством, и шлама, идущего на сброс, л/с; Т,, Т2, Т3 —содержание твер-

169

дой фазы соответственно в растворе до очистки, после очист­ ки и в шламе, %(по массе от объема) или %(объемн.}.

Пользуясь уравнением (2.111), определяют любой из членов